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热风炉格子砖小孔化和高辐射覆层技术
吴启常刘国亮
(中冶京诚工程技术有限公司) (山东慧敏科技开发有限公司)
高炉是钢铁行业的主要生产设备之一。钢铁生产中,约70%以上的能源为炼铁生产而消耗。钢铁行业对于环境的污染约70%来源于铁前生产。因此,降低高炉能耗和减少污染物的排放历来就是高炉生产的热门课题。提高高炉鼓风加热温度既可以节约燃料消耗,又可以增加每吨生铁的喷煤量,从而使高炉实现低能耗、低成本和少污染的生产目标。
提高热风炉送风温度有两条可能的途径:一是提高拱顶温度;二是提高温度效率,缩小拱顶温度与送风温度之间的差值。
回顾热风炉的发展历史,上一世纪70年代,西方国家的高炉设计纷纷高喊要使用1350℃以上的高风温。他们走的是单纯以提高拱顶温度来实现高风温的路。但实际的结果是热风炉拱顶钢壳出现了大量裂纹。欧洲人深入研究了此问题之后认为:这是高炉采用高风温高压操作之后钢壳出现晶间应力腐蚀所致。因此,他们从避免出现大量产生NOx,防止发生晶间应力腐蚀出发,把高风温热风炉的拱顶温度界定在≤1420℃。从此之后,他们唱的调门降下来了,现役热风炉的操作风温一般都维持在1250℃的水平上,这就是当今。
我们能不能比外国人做得更好一些,以改进蓄热体传热特性,提高温度效率,缩小拱顶温度与送风温度之间的差值的手段获得1300℃风温?
本文提出以下两条意见供参考:
1)在热风炉低NOX的燃烧技术未解决之前,不能逾越1420℃拱顶温度这条红线。因为它是一条既损坏热风炉自身设备又污染环境的温度界限。图1是欧洲人在研究热风炉钢壳出现晶间应力腐蚀时测定的拱顶温度与NOX产生量之间的关系。国内一 NOX生成量与热风炉拱顶温度之间关系
些学者认为,在我国条件下,拱顶温度应控制在<1400℃以下。
2)改进蓄热体传热特性,走格子砖小孔化和高温区采用高辐射覆层技术之路,提高热风炉的温度效率,缩小拱顶温度与送风温度之间的差值。
在文献[1]中介绍了蓄热式热交换器热交换过程中任一断面上烟气加热介质和空气冷却介质之间的温度关系:
, ℃------(1)
式中:——任一断面上烟气和空气的平均温度差,℃
——分别为烟气和空气入口处的温度,℃
——分别为烟气和空气的水当量数,( kj/周期·℃;
kj/周期·℃)
k——周期传热系数,kj/m2·周期·℃
——烟气流经的加热面积,m2
——蓄热室的总加热面积,m2
当取烟气入口处断面作为研究对象,时,式(1)将变为(2):
----(2)
从上式可以看出: 实际上反映热风炉的热效率,它的大小除了与烟气和空气入口处的温度()有关外,还与和值有关。如果值越大,将越小。在烟气和空气的水当量一定的条件下,越大,对于减小值越有利。
总结近年来我们所走过的路,格子砖小孔化和高辐射覆层技术联合应用之后将带来以下好处:
格子砖小孔化之后,在单位容积的加热面积将按照下列关系增加[2]:
m2/m3 ----(3)
式中:——1m3容积格砖的加热面积,m2/m3
——格子砖的活面积,m2/m2
——格孔的水力学直径,m
格子砖小孔化之后,强化了格子砖的对流传热,但弱化了辐射传热。这一缺陷可以通过高辐射覆层技术应用得到补偿和加强。
关于格子砖内的对流传热系数的计算