顶燃式热风炉冷风、烟气匹配技术

　　随着高炉喷吹和冶炼技术的不断进步，对热风温度的要求不断提高，目前先进国家高炉的热风温度已达到了1200t以上且呈不断提高的趋势对于那些热风温度较低的高炉，提高风温，降低能耗和生产成本具有明显的意义。风温问题是制约进一步提高喷吹量和强化高炉冶炼的主要因素，也是进一步降低生产成本所要解决的关键问题之一。

　　本文以首钢总公司（以下简称首钢）顶燃式热风炉为例，通过采用冷风及烟风匹配技术，研究冷风及烟气流场的合理匹配问题，为提高热风炉的风温，为进一步提高煤比及降低生产成本打下了基础。

　　1冷态实验的方法冷态实验以首钢顶燃式热风炉为对象，设计并制作热风炉模型，以冷态实验测试流场，掌握热风炉的冷风及烟风分布情况，再通过一些气流扰流装置改变冷风及烟气气流的走向，从而实现冷风及烟风的流场匹配。

　　1.1热风炉模型设计根据几何相似及动力相似原理，采用1：10的比例制作冷态模型，格子砖孔按当量直径用约200根有机玻璃管代替。由于热风炉的流动介质在送风及加热期间分别为冷风和烟气，在冷态实验时全部用冷风模拟，因此设计时根据不同的实验情况进行相似计算来确定不同的送风量和烟气量。

　　以首钢第4高炉为例，对于单座热风炉而言，冷风的流量*=2250m3/min，根据格子砖的流通面积折算，当量直径*>=4.69m，格子砖孔的平均流速u=2.17m/s，动力格子砖的绝对粗糙度（按混凝土管取下限平均0.037，则进入第二自模化区的临界Reynolds数i2ek为比较e及iek可以看出，热风炉格子砖中的冷风流场已进入第二自模化区。故而，在冷态模型中，只要其格子孔空气流场的Reynolds数JZe'>J2ek，即为满足二者之间的动力学相似条件，冷态实验的结果就基本反映了实际的流体动力状况*1.2实验设备为冷态实验装置的设备及仪器安装示意图。风机供风，分别进入燃烧室和支柱空腔，二者通过风机后的截止阀进行切换。图中两个入口前的U型压力计分别用于测量进入支柱空腔及燃烧室的冷态模拟介质一一空气的压力，而皮托管则用于计量二者的入口速度值以便通过入口前的阀门来调节工作状态。测试点1，2分别用于测试烟气及冷风分布情况。

　　采用TSI8388-M-GB型热线风速计测试流速，测量精度为。2m/s，流速范围为0m/s，测量温度范围为-10~60C，速度及温度响应时间分别为200坤和1.3模型及设备的校核bookmark4实验测得冷风格子孔的流速=3.368m/s，其当量可见，本冷态实验模型亦处于第二自模化区运行状态，满足动力相似条件，故可认为实验设备的选型及组成是合理可行的。

　　2冷态实验结果及分析实验分析中引入气体分布指数*.其值越大，说明气体分布的均匀程度越高。表达式如下孔速度（m/s），i；average为所有格子孔的平均速度（m/s）；e（o；）为求解平均值。

　　2.1冷风流场分布情％bookmark5为添加匹配扰流装置前后气流的分布情况。从图可以看出，添加冷风匹配扰流装置后（b），气流的分布指数有了很大提高，提高幅度达到50%，在添加匹配扰流装置前（a）的4个明显峰值得以消除。

　　2.2热风炉底部空腔立柱上横梁对冷风气流分布的彩响bookmark6a为炉箅子底部无横梁冷风气流分布情况。添加横梁后（b），冷风分布出现了4个较为明显的峰值区，相应的气流分布指数下降，幅度为10%左右。从图可见，支撑横梁对气流分布的影响较大，在重新分配冷风流场并使之与烟气流场匹配时，匹配装置的结构及布置方式必须注意克服这一影响。

　　2.3改变燃烧室砌砖方式后烟气流场特征bookmark7a是未改变砌砖方式热风炉烟气的流场分布情况。从图可见，气流的分布呈锅底状，边缘气流量大，中心气流小。这种气流状况与实际冷风的流场特征不匹配，因此，在实际运行中，往往造成烟气在燃烧期间加热格子砖的热量在送风期内不能完全被冷风内带走，即格子砖换ffl2添加匹配扰流装置前后的气流分布围3有、无立柱上方横梁时冷风气流分布Fig.3Influenceofcrossbeamoncoldair热面积未能得到充分的利用。故应该同时将二者的流场特征予以改变，使它们能达到匹配，从而充分利用格子砖的加热面积。

　　从a，b对比中可看出：在热风炉顶部燃烧室内设置适当的烟气气流扰流再分配装置后，烟气的锅底状分布情况得到较大改善，气流分布指数得到提高，同时，其流场特征与同样安装匹配装置后的冷风流场特征已经变得较为相似。

　　2.4讨论从上述的测试结果看出，对于首钢的顶燃式热风炉而言，由于采用单管送风，在送风时冷风气流沿冷风入口中心线在各个格子砖孔中的分布有较大的速度梯度；同时，由于顶部燃烧器的布置方式基本为切向布置，在顶部燃烧室内形成涡旋，通过各孔的烟气气流流场分布呈现凹陷状，造成沿圆周径向上格子砖孔的受热状况不同，因此各个格子孔的热强度不同。正是由于送风及烟气的流场分布不匹配，使每立方米相应的加热面积没有完全有效地利用起来，因此总的表现为格子砖孔加热面积利用不够。

　　对比―4可以看出，在冷风及烟气的流动空间中同时设置相应的气流匹配扰流装置，二者的分布指数均有较大幅度提高，同时它们的流场分布特征较相似。通过这些措施提高了冷风及烟气的流场特征的匹配性。

　　田4改变砌砖方式前、后的烟气流场分布情况冷态实验测试结果证明，本气流匹配装置对于冷风入口的阻力影响极小，安装扰流板后，阻力损失仅为50Pa左右。同时排烟阻力损失也极小，约为30Pa.因此，就目前的系统而言，安装本气流匹配装置，将不会对鼓风及排烟系统带来影响，不必担心额外的动力损失*3现场应用1998年3，5和8月，分别在首钢炼铁厂第3，4和1号高炉热风炉上投入使用冷风导流及烟气导流匹配技术。

　　热风炉的格子砖在运行过程中，在烟气及冷风这两种逆流变温介质中被周期性的交替加热和冷却，要达到较高的换热效率，就要求沿炉子径向格子砖孔中交替通过的气流分布速度梯度达到匹配，流场特征相似，这样才能达到好的换热效果。

　　从投入运行的情况来看，所有装置工作状况良好，没表11998年6―9月与1997年同期第3篼炉平均风温水平的比较有加大冷风鼓风及烟气排放阻力损失，烟气温度、炉顶温度、煤气量及压力均无明显变化，热风炉的风温供应能力明显增强。表1即为1998年6―9月第3高炉平均风温水平与1997年同期的比较。从表可以看出，热风炉安装气流匹配装置后，明显提高了整体风温水平，平均提高了27.25C实践证明，顶燃式热风炉采用此项气流匹配技术在一定程度上提高了热风温度。

　　目前，尽管在生产过程中存在各种停炉检修、炉况、高炉利用系数等不确定因素，但采用此项气流匹配技术亦可提高热风温度水平20*25t.4结论冷态模拟实验结果，反映了热风炉实际的运行情况。

　　根据冷态模拟实验结果设计的烟气及冷风气流匹配装置能够满足现场使用要求，施工安装较为方便。

　　热风炉安装气流匹配装置后，明显提篼了整体风温水平。考虑在生产过程中的各种停炉检修等不确定的因素，采用此项气流匹配技术后，可综合提高热风温度水平工业实验所投入的气流匹配装置工作状况良好，没有加大冷风鼓风及烟气排放阻力损失，烟气温度、炉顶温度、煤气量及压力没有变化，热风炉的风温供应能力明显增强。