热风炉技术创新与应用

项萍 彭朝文

(1：中核武汉核电运行技术股份有限公司 湖北武汉430223；2：中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉430223)

1 前言

热风炉是冶金行业炼铁系统不可或缺的设备，其主要功能是为高炉输送高温高压的热风。热风炉一般以煤气为燃料，产生的热能用来加热空气。热风炉的设计能让它在短时间内将进入炉内的常温空气快速加热到1000℃以上[1]。炼铁系统中的热风炉一般使用低热值的高炉煤气加热空气，对外输出的是热风。除了空气外，热风炉用来加热的介质也可以是瓦斯气体。瓦斯气体的特性与空气有显著的不同，因其易燃易爆的性质，热风炉需要做相应的改进以适应不同的介质。加热瓦斯气体的热风炉在很多领域都有应用，比较典型的是在油页岩的提炼中，但在使用过程中遇到了许多冶金行业中不曾遇到的问题，比如风温如何保持持续稳定、高温出现析碳现象、低温拱顶熄火问题等。本文即对在冶金行业中应用最广泛的顶燃式热风炉在瓦斯气体加热项目中的应用探索进行说明。

2 顶燃式热风炉工作原理

2.1 工作原理

顶燃式热风炉运行原理如下：燃烧周期内，煤气和空气通过管道从上部的燃烧器喷口进入热风炉，并在顶部形成旋转气流，一路混合向下进入燃烧室。混合气体在旋转过程中，被燃烧室拱顶的高温点燃，开始燃烧产生大量的高温烟气[2]。随后高温烟气由于气体的惯性以及在热风炉底部的烟气管道处的负压作用，继续向下穿透蓄热室的格子砖层，进入烟气管道，并被热风炉外部的烟囱抽走排出。而在高温烟气穿过格子砖的过程中，因为烟气和格子砖壁的温度差的存在，会造成热能在烟气和格子砖之间的对流，大量的热能被传导到蓄热能力极强的格子砖上储存起来。在热量蓄积达到一定的程度，炉内的格子砖温度上升到指定数值后，热风炉的状态会从燃烧周期转为送风周期。此时，位于热风炉底部的冷风管道开始向炉内输送冷风。这股气流从下向上穿透格子砖，同时利用气体与格子砖的温差，在向上运动的途中吸收格子砖释放的热量，迅速升温，最后到达位于燃烧室拱顶部位的热风管道出口处，通过热风管道送至下一道工序使用。

2.2 技术难点及解决方案

顶燃式热风炉其构造难点主要在燃烧器、拱顶弧形部位砌砖以及格子砖的支撑装置上。首先，对燃烧器来说，必须合理选择喷口尺寸及倾斜角度，以保证空气、煤气的出口速度、混合效果和旋转方式，达到使气流能在螺旋式旋转向下的过程中充分混合并完全燃烧的目的。由于顶燃式热风炉高度有限，气流混合的路径很短，故而通过旋转能增加气流混和，延长煤气和空气接触混合的时间，增强混匀效果，利于燃烧[2]。其次是燃烧室的拱顶设计。从图1中可以看出拱顶结构是类似于瓶口的倒圆锥形，这种构造为旋转向下的气流提供了良好的通道，能保证气流沿着其内壁螺旋向下。同时由于拱顶是上小下大的扩张形式，也能为气流提供充分的燃烧空间，保证气体燃烧充分。

图1 顶燃式热风炉气流旋扩张转示意图

该部分拱顶内衬砌砖设计不易。由于该部位在热风炉中温度是最高，正常生产时长时间保持在1000℃以上，钢壳必须要依靠耐火砖的保护才能免于变形[3]。而由于内部没有支撑的梁，倒圆锥形的结构完全靠耐火砖一块一块的砌筑出来，其力学原理复杂，砌筑难度很高。最后是格子砖的支撑装置，也就是炉箅子、横梁及支柱。所有格子砖的重量全部都依靠炉箅子以及其下的横梁和支柱支撑。同时格子砖又是蜂窝状的多孔隙结构，下行的高温烟气和上行的冷瓦斯气体均要顺畅的透过炉箅子完成上下流通，大荷载和相对高温决定了炉箅子、横梁和支柱的构造要比普通的支撑部件复杂的多。传统上炉箅子、横梁和支柱主要采用的是铸造件，最高能经受450℃的高温。

3 顶燃式热风炉在瓦斯加热项目中的应用及技术创新

在冶金行业的高炉系统中，热风炉主要是为高炉输送高温空气而设置，技术上要求其加热能力越强越快就越好，1000m3大高炉的送风温度普遍设置在1200℃以上，甚至1000m3以下的小高炉很多也达到了1150℃[1]。热风炉被引入用于瓦斯加热后，加热的对象由空气变为瓦斯气，而需要加热的气体温度则降低到400～550℃左右。虽然温度降低了，但对输出的瓦斯气体温度的稳定性有了更高的要求，温度波动的范围需要受到严格的限制。比如以加热能力同为1500Nm3/min的两种不同工艺下同一级别热风炉的技术参数对比见表现1：

从表1中可以看出，两种热风炉针对的加热对象有明显区别，工况也不一样。瓦斯气体相对空气来说有一定特殊性。高炉系统中的热风炉输出的空气属于高温高压，而页岩油提取工艺中的瓦斯气体温度和压力则要低很多。除输出温度降低外，瓦斯气体对拱顶的温度要求也有限制，拱顶温度并非越高越好，原因是瓦斯气体在超过1000℃的环境中容易出现大量裂解，析出碳元素。同时作为被加热的对象，瓦斯气体在向热风炉炉内输送时无法使用风机进行加压处理，这就导致进入炉内的气体压力相对于热风炉的空气来说出现了大幅度下降，在相同的阻损下，炉内冷瓦斯气体的流速相对冶金系统的热风炉出现明显的变化，直接影响换热效果。另外拱顶温度的降低还会引发一个严重的问题，即送风周期转燃烧周期时，空气和煤气的混合物仅靠拱顶的余温不易被点燃，却易出现断火的现象，引发生产事故。

表1 参数对比表

针对上述工况的变化，在油页岩的干馏系统中，热风炉需要作相应的技术创新改进，具体如下：

1)加大蓄热面积。根据热工计算结果，在拱顶温度受到控制，不能超过1000℃时，要保证炉内蓄热体的送风时间，就必须增大蓄热面积，也就是增加格子砖的数量。在外观表象上，就是增加炉体直径，或是在炉体直径已经确定的前提下，增加格子砖的高度。加大蓄热面积，本质上是增加了热风炉的换热能力[3]，在拱顶温度不高时，更多的依靠格子砖的传热加热瓦斯气体，这样能使得格子砖中的瓦斯气体更加均匀的受热。

2)增大格子砖孔隙直径。由于瓦斯气体裂解现象的存在，炉内很容易出现析出的碳颗粒或煤焦油将格子砖孔隙堵住的问题。为了应对这一难题，需要对格子砖格孔直径进行加大，防止碳颗粒轻易的将格孔堵死。增大格孔直径还有一个好处，就是能减少瓦斯气体在炉内的阻损，增加通畅性。但这样做也会带来一个明显的负面效应：格子砖的有效加热面积会大幅缩减，也就是蓄热面积会减小，热风炉换热能力减弱。要解决这个问题，唯一的办法就是增加格子砖数量。这也导致了热风炉的高度进一步增加。格孔直径和蓄热面积之间有一个平衡点，在满足加热能力的情况下，应考虑尽可能的控制增加蓄热面积[4]。

3)在拱顶人孔处增设一套自动点火装置。由于燃烧周期中控制拱顶温度，很容易导致送风周期中出现拱顶温度降到煤气着火点(600℃)以下，点不着火的情况。这是一种危险的状态，一旦点不着火，煤气无法及时消耗，就会短时间内在拱顶大量聚集，严重时会引发爆炸事故，十分危险。为避免这种情况出现，需要在拱顶处增加一套自动点火枪，其控制系统与热风炉的监测体系连锁，当探测到点不着火时点火枪就会启动，自动点火引燃煤气，进入燃烧状态。

4)设置除积碳机制。因存在温度差，瓦斯气体中总会有碳颗粒析出。同时由于高热值瓦斯的特性，生产一段时间后，格子砖的一部份格孔总会被析出的煤焦油糊住，影响透气性，导致热风炉换热能力大幅下降。为解决这个问题，需要在生产过程中专门设置在线除碳和离线除碳两种机制。在线除碳的概念其实就是在燃烧周期开始时，先通入空气，促使在格子砖中间留存的煤焦油和积碳与空气接触燃烧，预先消耗掉。这样循环往复就能有效避免煤焦油大量聚集堵住格孔。燃烧掉的积碳还可以作为燃料贡献一部分热能用于加热瓦斯气体。而离线除碳则是专门在检修时采取通入空气的方式燃烧掉聚集在格子砖内的煤焦油及碳颗粒，除碳时间在几个小时左右，标志性现象就是通入空气后炉内排放出的不再是黑烟。

5)设置专用炉箅子。热风炉的炉箅子由铸铁制成，铸铁的屈服强度会随着所处环境温度的升高而降低。离线除碳有时会持续较长时间，炉内长时间处于燃烧状态，这种情况下热风炉底部温度会持续升高，纯粹采用铸铁制造的炉箅子支柱，有可能会出现在长时间高温状态下变形的现象，而且这种变形是不可逆的，严重时会引起垮塌的发生。为此可创造性的采取3种方式，一种是直接使用高强度的耐火材料砌筑炉箅子支柱，但这种方式对耐火材料要求较高，如果砌成实心的柱子，还会出现支柱堵住部分格孔的现象，浪费蓄热面积。另一种是在铸铁件外砌筑一层耐火材料保护层，既可挡住高温，又能保证气流通道畅通，是较好的一种处理方式，但难点也显而易见，就是耐火材料保护层的砌筑很复杂，很难对铸铁形成有效的保护。最后一种是在炉箅子支柱上设置通风降温的多孔管路，在炉箅子温度升高时通入冷空气冷却，达到保护支柱的目的。三种方式各有特点，但第三种相对要简单得多。

6)使用防爆阀。众所周知瓦斯气体的危险性。在油页岩项目中有过应用的老式内燃式热风炉上，为了保证安全，会在顶部入口位置设置水封，在爆炸出现的瞬间，膨胀的气体能透过顶部迅速排出，从而保证热风炉的安全。水封的设计复杂，用过一次以后，就需要重新修复，费时费力对生产影响很大。顶燃式热风炉可以借鉴煤气系统中应用广泛的防爆阀，取消传统的水封方式，以防爆阀代之。具体为在顶部入口和热风炉底部各设置2台防爆阀，阀上安装有防爆膜片，一旦炉内出现爆炸，气压会立即冲破防爆膜排泄出去。在爆炸的同时，监测系统会同时启动，外部管道上的阀门会联动，很快关闭起来切断煤气和空气管道，防止出现二次爆燃事故。值得一提的是，外部相关阀门的动作必须快速果断，以保证安全。

7)分散混风。瓦斯热风炉有其特殊性，由于拱顶温度的限制，加热后的瓦斯气体温度远远超过需要的400～550℃的风温，要降低输出温度，只能采取混风兑入冷瓦斯的方式来降温达到要求。正常生产时，热风炉的工作制度往往是“两烧一送”或“两烧两送”。冷瓦斯如果从热瓦斯总管上兑入，气体的温度很难精确调控，这也会加重管道内瓦斯析碳现象的发生。顶燃式热风炉可以创造性的为每个热风炉设置混风室，对单个热风炉送出的热瓦斯温度进行调控，使得每座热风炉送出的热瓦斯气体温度更加均匀，也更加稳定。同时为保证混风室的正常使用，这里也必须设置定期除碳制度，利用定期检修的时间对混风室和热风管道进行除碳。

以上是为适应加热瓦斯的需求，对热风炉本体进行的适应性创新改造。这些技术保证了在新工况下热风炉的正常使用。

4 热风炉配套设施的改进

除热风炉本体外，其外部的配套设施也要进行相应的改进。主要是热风管道及相应设备、空气管道以及设备等。

4.1 热风管道、热风阀及混风阀改进

与热风炉内格子砖遇到的情况类似，热风管道也面临煤焦油和析碳的问题。由于瓦斯气体流速的限制，煤焦油和碳颗粒在生产一段时间后会自然沉积在管道内的低矮处，特别是阀门底部。这种现象在热风阀上表现得尤其明显。根据对已有的工程上的观察，生产一段时间后热风阀的底部会被煤焦油彻底糊住，必须进行清理才能继续生产，否则会严重影响阀门的正常使用，出现漏风等现象。传统的热风阀为闸板阀，为维持生产，煤焦油的清理工作只能在检修时进行。但煤焦油的积累速度很快，有时甚至会出现为了清理而不得不停产检修的情况。为解决这个问题，借助钟式阀门的概念对热风阀和混风阀进行了重新设计，以保证新设计的阀门既能正常生产，又能同时进行在线除焦(如图2、3所示)。

图2 钟式热风阀

图3 钟式混风阀

钟式结构的热风阀在启闭时，使用电动螺杆拉动碟盖抬起和放下压紧，在底部的空间可用于收集积碳。因此该热风阀不会因为积碳导致泄漏。而阀门底部设置有维修孔，在阀门关闭、热风炉停炉的时候，便于清除积碳。因此该热风阀可以在不影响其它热风炉工作的前提下进行维护(清除积碳)。另外该热风阀使用的是间接水冷，具有节水和环保特点。钟式混风阀集切断和调节功能于一体，送风时该阀门在混风管道上面永远处于打开状态，由蝶板动作实现混风量的调节功能。送风结束后，该阀门切断关闭，以保证热风不会从热风管道窜入冷风管道。该阀门同样具有不会因积碳导致阀门泄漏的特点。在阀门关闭的时候，可以在不影响送风主管工作的前提下进行维护(清除积碳)。该混风阀不需要水冷，结构更为简便。

热风管道同样有防爆要求，为此每隔10m～15m需要设置一台防爆阀以保证安全。

4.2 空气管道改进阀门设置

空气管道上创造性的设置了空气燃烧阀和空气切断阀以及氮气吹扫系统。设置空气燃烧阀的原因是由于加热的是瓦斯气体，在热风炉燃烧周期和送风周期相互转换时会有瓦斯气体进入空气管道，燃烧阀和切断阀的设置能有效的阻断瓦斯气体进入炉子内部。同时在切断阀和燃烧阀中间设置氮气吹扫系统能清除两台阀门间的残余瓦斯气，保证“燃烧-送风”周期转换时的生产安全。

4.3 配套监测仪表及报警系统设置

热风炉区域属于煤气富集区域，安全保障十分重要。为此在热风炉本体上设有热电偶、红外测温仪、火焰探测器等设备，同时在各管道上也设有测温、测压的检测仪表，在外部平台上设有煤气报警仪和摄像探头实时监控。为了监测热风炉的燃烧效果，在烟道管上装有氧含量探测仪表和总烃分析仪表。所有的检测装置采集的信息都会实时反馈到中控室，报警信息也会及时的传回，供操作人员参考并采取措施。

4.4 设置环保脱硝系统

热风炉生产最终产生的废气会用烟囱排入大气中。因为瓦斯气体成分的影响，其中往往会含有一定量的氮氧化合物。为达到环保要求，热风炉上需要设置专门的脱硝装置。以消除高温烟气内的氮氧化合物。

4.5 布袋除尘系统

布袋除尘系统专门为捕集离线除碳烧焦时来不及充分燃烧的碳颗粒配备。在检修期间的烧焦过程中，格子砖内累积的碳颗粒很多都在来不及完全燃烧的情况下被气流带出热风炉，在炉外形成大量的黑烟。因此可将燃烧后的气体引入烟道管，同时在烟囱旁边设置除尘旁路，将黑烟引导通过旁路进入小型布袋除尘系统，处理完毕后剩余的废气再引入烟囱排空。除尘系统的布袋在检修完毕后可在关闭烟道管旁路的情况下进行在线检修，更换布袋，以备下一次检修时使用。

5 结论

顶燃式热风炉作为高炉的配套设施，在冶金行业应用已经比较普遍。但引入其它相关行业才刚刚开始。本文对顶燃式热风炉在瓦斯加热场景中的应用作了探索，基于加热空气和加热瓦斯的不同场景，对两种热风炉作了详细的对比，并详细阐述了加热瓦斯的热风炉需要做的改造，如热风炉本体的改进、瓦斯气体析碳问题的处理、配套阀门的重新设计及阀门体系设置的改造、环境污染问题的解决等。但无论是改进系统还是设备，都必须遵循工业生产内在的规律，着眼于现实情况来创造性地解决问题，在探索中积累应用经验，再将经验付诸于实践，得到创新性的成果。