热风炉的热工计算

热风炉的热工计算

1 燃烧计算

煤气成分的确定：

表1 已知煤气（干）成分（%） 种类 成分 CO2 18.4 CO 25 H2 1.4 CH4 0.2 N2 55 共计 100 （1）干煤气成分换算成湿煤气成分

若已知煤气含水的体积百分数，用下式换算：

V湿＝VF×(100－H2O)／100×100％ （1） 若已知干煤气含水的重量(g/m3)则用下式换算：

V湿＝VF×100／（100＋0.124gH2O）×100％ （2）

以上两式中

V湿—— 湿煤气中各组分的体积含量，％

VF—— 干煤气中各组分的体积含量，％

H2O——湿煤气中含水体积，％

gH2O——干煤气中含水的重量，g/m（忽略机械水含量）

3查“空气及煤气的饱和水蒸汽含量(气压101325Pa)表”知30℃ 时煤气的饱和含水含量为35.10 g/m3，代入式（2）即得湿煤气成分，如表2。

表2 煤气成分整理表（％）

种类 干成分 湿成分 CO2 18.4 17.63 CO 25 23.96 H2 1.4 1.34 CH4 0.2 0.19 N2 55 52.71 H2O 4.17 合计 100 100 （2）煤气低发热量的计算。 煤气中含可燃成分的热效应见表3

表3 0.01m3气体燃料中可燃成分的热效应 可燃成分 CO H2 107.85 CH4 358.81 C2H4 594.4 C2H6 643.55 C3H6 931.81 C4H10 1227.74 H2S 233.66 热效应／KJ 126.36 煤气低发热量QDW的计算:

QDW＝126.36CO+107.85H2+358.81CH4+594.4C2H4+??+233.66H2S KJ／m

＝126.36×23.96 +107.85×1.34+358.81×0.19 ＝3240.2785 KJ／m

1

33（3）焦炉煤气的加入量计算：

表4 焦炉煤气成分％ 种类 成分 CO2 CO 7 H2 CH4 CmHn N2 共计 100 3.5 58 25 3.5 3 理论燃烧温度估算：

取炉顶温度比热风温度高200℃，燃烧温度比拱顶温度约高80℃。 则 T理＝T理+200℃+80℃＝1480℃ 所要求的最低发热值：

据经验公式： T理 ＝0.158Q低+770

Q低＝（T理-770）／0.158＝4494 KJ／m3 加入焦炉煤气量：（Q焦大约为17000～18500 KJ／m3）

Q焦＝126.36CO+107.85H2+358.81CH4+594.4C2H4

=126.36*7+107.85*58+358.81*25+594.4*3.5 =18190.47 KJ/m3

V=（Q低－QDW）（/Q焦低－QDW）=（4494－3240.2785）/(18190.47－3240.2785)≈8.4％

故煤气干成分加入量为 1－8.4％＝91.6％ 则混合煤气成分：

VCO2 ＝18.4％×91.6％＋3.5％×8.4％＝17.1484％ VCO ＝25％×91.6％＋7％×8.4％＝23.488％ VH2 ＝1.4％×91.6％＋58％×8.4％＝6.1544％ VCH4＝0.2％×91.6％＋25％×8.4％＝2.2832％ VN2＝55％×91.6％＋3％×8.4％＝50.632％ VCnHm＝3.5％×8.4％＝0.294％ 换算成混合湿煤气成分：

V湿CO2＝VFCO2×100／(100＋0.124gH2O)×100％＝16.43％ V湿CO＝VFCO×100／(100＋0.124gH2O)×100％＝22.51％ V湿H2＝VFH2×100／(100＋0.124gH2O)×100％＝5.9％ V湿CH4＝VFCH4×100／(100＋0.124gH2O)×100％＝2.19％ V湿N2＝VFN2×100／(100＋0.124gH2O)×100％＝48.52％ V湿CnHm＝VFCnHm×100／(100＋0.124gH2O)×100％＝0.28％

表5 混合煤气成分整理表（%） 种类 干成分 湿成分 CO2 17.1484 16.43 CO 23.488 22.5 H2 6.1544 5.9 CH4 2.2832 2.19 N2 50.632 48.52 CnHm 0.294 0.28 H2O 4.18 共计 100 100 2

煤气低发热量的计算：

QDW＝126.36CO＋107.85H2＋358.81CH4＋594.4C2H4＋??＋

233.66H2S

＝126.36×22.5＋107.85×5.9＋358.81×2.19＋594.4×0.28 ＝4431.6409 KJ／m3

（为简化计算起见，式中将CmHn全部简化看成C2H4—确定成分计算。） （4）空气需要量和燃烧生成物的计算

1）空气利用系数b空＝La／Lo，燃烧混合煤气b空为1.1～1.5，计算中取1.10，计算见表6。

表6 燃烧产物体积 煤气 组成 100m 湿气 体积含量（m） 33生成物的体积（m） 反应式 需氧气 的体积 3O2 CO2 16.43 22.5 H2O 5.9 N2 合计 CO2 CO 16.43 22.5 5.9 CO2→CO2 CO＋1/2O2→CO2 11.25 2.95 16.43 22.5 5.9 H2 H2＋1/2O2→H2O CH4＋2O2→CO2＋CH4 2.19 2H2O 4.38 2.19 4.38 6.57 N2 48.52 4.18 N2→N2 4.18 48.52 48.52 4.18 H2O H2O→H2O C2H4＋3O2→2CO2C2H4 0.28 ＋2H2O 当b空＝1.0时，空气带入的 0.84 0.56 0.56 1.12 21.12 2.112 2.112 2.112 1.05 41.68 20.73 74.899 7.49 74.899 9.60 189.72 100 当b空＝1.1时，过剩空气带入的 生成物总量（m） 生成物成分（％） 315.02 130.91 9.22 69 注：为简化计算起见，表中将CmHn全部简化看成—C2H4确定成分计算。

3

2) 燃烧1m3高炉煤气理论空气量Lo为：

Lo＝21.12／21＝1.006 m3

3）实际空气需要量Ln 为：

Ln＝1.10×1.006＝1.106 m3

4）燃烧1m3高炉煤气的实际生成物量V产为：

V产＝1.90 m3

5）助燃空气显热Q空为：

Q空＝C空×t空×Lo ＝1.302×20×1.006 ＝26.196 KJ

式中C空—助燃空气在t空时的平均热容，KJ／（m3·℃）

t空—助燃空气温度，℃

6)煤气显热Q煤为：

Q煤＝C煤×t煤×1

式中C煤—煤气在t煤时的平均热容，KJ／（m3·℃）

t煤—煤气温度，℃

Q煤＝1.357×30×1 ＝40.71 KJ

7）生成物的热量Q产为：

Q产＝（Q空＋Q煤＋QDW）／燃烧1m3煤气的生成物体积 （6—4） ＝（26.196＋40.71＋4431.6409）／1.90 ＝2367.6558 KJ／m3 （5） 理论燃烧温度的计算：

t理＝（Q空＋Q煤＋QDW）／（V产C产）

式中： t理 — 理论燃烧温度，℃

C产— 燃烧产物在t理时的平均热容，KJ／（m3·℃） 由于C产的数值取决于t理，须利用已知的Q产，用迭代法和内插法求得t理，其过程如下：

燃烧生成物在某温度的Q产，用下式计算：

Qt产=WtCO2×VCO2+ WtH2O×VH2O+ WtO2 ×VO2+ WtN2×VN2 KJ/m3

式中：WtCO2、WtH2O、WtO2、WtN2分别为气体CO2、H2O、O2、N2，在压力为101KPa，温度为t℃时的焓值，KJ／m，可从附录表中查得：VCO2、VH2O、VO2、VN2分别为1m生成

33 4

物中该气体的含量，m。先设理论燃烧温度为1200℃、1300℃、1400℃、1500℃，查表得，在各温度下的焓值，见表7。

表7 CO2、H2O、O2、N2在1200℃、1300℃、1400℃、1500℃下的焓值 KJ／m

温度／℃ 1200 1300 1400 1500 1600 2720.8 2991.13 3276 3522 3138.46 2120.4 2328.0 2540 2755.7 2999.54 1804.0 1907.13 2129 2295.3 2460.53 1724.5 1882.09 2012 2200.1 2354.60 33据表6的生成物成分，分别计算出各温度时的生成物热量热量 KJ／m3 温度／℃ 1200 1300 1400 1500 563.21 620.06 678.13 730.11 195.50 214.64 234.19 254.08 19.84 20.98 23.42 25.25 1189.22 1297.89 1387.48 1517.19 。

表8CO2、H2O、O2、N2在1200℃、1300℃、1400℃、1500℃下的生成物

1968.58 2153.57 2324.2 2526.63 上述生成物的实际热量Q产为2367.6558 KJ／m3，可见其理论燃烧温度介于1400℃～1500℃之间，按内插法求得理论燃烧温度t理为：

t理＝1400＋（2367.6558－2324.2）×100/（2526.63－2324.2）

≈1488℃

2简易计算

已知：高炉有效容积2500m3，每立方米高炉有效容积蓄热室应具有加热面

积取80m2（一般80～90m2），n=4座。

（1）热风炉全部加热面积为80×2500=200000m2，则每座热风炉蓄热室所占加热面积为：200000/4=5000m2。

（2）热风炉内径：选取外壳直径9m，炉壳钢板厚度20mm，绝热砖厚70mm，填料层厚80mm，耐火砖厚345mm，

故内径是：D1=9.0－2×（0.345+0.07+0.08+0.0020）=7.61m

（3）热风炉总断面积F1=（3.14×7.612）÷4=45.46m2

一般燃烧室占热风炉总断面积的25%～30%，本例取28%，则燃烧室面积：

F2=45.46×0.28=12.73m2，

蓄热室横断面积为：

5

F3=45.46－12.73=32.73m2

蓄热室格子砖与炉墙和隔墙之间留有膨胀缝20-30mm，一般此膨胀缝面积占热风炉炉墙内空横断面积的2.0%-2.5%，今取2.5%，扣除膨胀缝面积后，格子砖所占横断面积F4为：

F4=32.73-45.46*2.5%=31.59m2

（4）燃烧室选苹果型（既复合型）[1]，取半圆部分片燃烧室断面58%则： ?R2 =0.58×12.73 R=21

2?0.58?12.73?=2.17m

取R′=1.50m校核燃烧室断面积：

F燃=1/2×3.14×2.172+1/2×3.14×1.502+1.50×0.67×2 =7.38+3.5325+2.01

=12.9225m2

即近似于12.73m2

（5）选用宝钢7孔格子砖，格子砖外形尺寸：221.7×256 mm 一个七孔砖的面积：（0.256-0.064）×0.2217=0.0425664m2 蓄热室一层格孔砖数：31.59÷0.0425664=742（块）

单个格子砖断面孔数为12个，蓄热室断面上总格孔数：742×12=8904（个） 一米长格孔的加热面积：1×3.14×0.043=0.135m2 则格子砖的加热面积：f=0.135×8904=1202.04m2 格子砖高度：50000÷1202.04=41.60m （6）其他尺寸：

1） 底板支柱及炉箅子：热风炉炉壳底板为普碳钢板，地板钢板厚度为25mm，炉箅子厚度加支柱高度为3000mm。

2） 炉墙中上部：炉壳20mm+耐酸喷涂料60mm+硅藻土砖115mm+耐火纤维毡40mm+轻质高铝砖230mm+高铝砖230mm=695mm。

炉墙下部：炉壳25mm+耐酸喷涂料50mm+硅藻土砖65mm+轻质粘土砖114mm+粘土砖345mm=599mm。

3） 拱顶采用两个球面结合的拱顶结构，拱顶钢壳厚度为20mm，取上部球形拱顶钢壳内径为3850mm，砌体内半径为3040mm,球顶中心角为120。，球顶砌体中心标高要低60mm,取下部球拱顶钢壳半径为11700mm,砌体内半径为9115mm，取下部球形曲面起点水平面到上部球形砌体中心垂直高度为2000mm。

拱顶耐火砌体从钢壳到内侧面依次为：

钢壳20mm+耐酸喷涂料50mm+硅酸铝耐火纤维50mm+硅藻土砖65mm+硅酸铝耐火纤维50mm+轻质粘土砖114mm+轻质高铝砖114mm+高密度高铝砖345mm=808mm。

6

拱顶采取大帽子结构，大帽子直径部分高度取5300mm，炉墙伸入大帽子3800mm，大帽子直段部分砌体（不含炉墙）厚度（炉壳至内侧面）为：

炉壳20mm+喷涂料50mm+硅藻土砖65mm+硅酸铝耐火纤维毡40 mm+轻质粘土砖114 mm+高铝砖345 mm=798 mm。

拱顶曲面砌体空间高度与其下部砖体内直径比为（2000+3042）/9000=0.56,比较稳定。

蓄热室格子砖上沿至拱顶上段球形砌砖中心距为3800mm,格子砖上沿比燃烧室隔墙上沿低300mm,以利于烟气进入蓄热室分布均匀。

4） 燃烧室隔墙及燃烧器：燃烧室井墙砌筑两层耐火砖加4毫米耐火合金钢和一层隔热砖，总厚度为577mm，燃烧器采用磷酸盐耐热混凝土套筒式陶瓷燃烧器，燃烧器全高为7525mm,空气喷出口24个，一次进风口8个，空气喷出口中心角为60.。

炉子总高度为：全高=格子砖上缘到球顶砌砖的中心距离+拱顶的内径半径+炉顶钢板后+炉底钢板厚+格子砖高度+球顶与炉壳之间膨胀缝+支柱及炉箅子高度+找水平泥层+炉顶砌砖厚度

H=3800+3850+20+25+41600+25+3000+808=53128mm=53.13m

核检：H/D=53.13/9=5.9 它在4～6之间，是稳定的。

3砖量计算

有以上条件可知：

七孔砖厚：150mm 41.60÷0.15=277（层） 则总砖量为：277×742=205761（块）

大墙高度=53310-20-3850-3800-450-25=44405m 采用下列砖配合砌筑： 上中部 楔形转 型号 长*宽*厚 外层选用 230*(75/65)*114 内层选用 230*(75/55)*75 下部（18m外层用砖 114*(75/65)*230 以下） 内层用砖 345*(75/55)*75 上中部砖量：

总高度44405-18000=26405mm 外层总层数：26405÷114=231.62(层) 一层耐火砖用量：

直型砖 型号 长*宽*厚 230*150*114 230*150*75 114*150*230 345*150*75 7

楔形砖[4]：X=?×2a/(b-b1)=?×2×230/(75-65)=144（块） 直形砖[4]：y=（?d-b1X）/b=(?×7840-65×144)/150=102（块） 则上中部外层总砖量：（144+102）×232=56979（块） 内层总层数：26405÷75=352(层) 一层耐火砖用量：

楔形砖：X=?×2a/(b-b1)=?×2×230/(75-55)=72（块） 直形砖：y=（?d-b1X）/b=(?×7610-55×72)/150=133（块） 则上中部外层总砖量：（72+133）×352=72174（块） 下部用砖计算：

外层总层数：18000÷230=78(层) 一层耐火砖用量：

楔形砖：X=?×2a/(b-b1)=?×2×114/(75-65)=72（块） 直形砖：y=（?d-b1X）/b=(?×7840-65×72)/150=133（块） 则上中部外层总砖量：（72+133）×78=15990（块） 内层总层数：18000÷75=240(层) 一层耐火砖用量：

楔形砖：X=?×2a/(b-b1)=?×2×345/(75-55)=108（块） 直形砖：y=（?d-b1X）/b=(?×7610-65×108)/150=113（块） 则上中部外层总砖量：（133+113）×240=59040（块） 则总用砖量为：56979+72174+15990+59040=204183（块）

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