热风炉热平衡测试数据表

2011年全国炼铁低碳技术研讨会论文集

鞍钢新5#高炉热风炉应用高发射率覆层的

节能诊断及节能效果研究

123333

周惠敏，苍大强，尚策，张洪宇，王志君，孟凡双，

111

孙传胜，何立松，翟延飞

（1. 山东慧敏科技开发有限公司，山东 济南 250100；2. 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京

100083；3. 鞍钢股份有限公司，辽宁 鞍山 114021）

摘要：鞍钢炼铁总厂新5#高炉热风炉（卡鲁金式）在2008年6月应用山东慧敏科技开发有限公司研发的专利技术——“高辐射覆层技术”。为考察高辐射覆层技术的应用效果，我们对涂有高发射率节能涂料的鞍钢新5#高炉热风炉A（卡鲁金式）和未涂节能涂料的相同炉型、尺寸相当的热风炉B（卡鲁金式）进行了节能热诊断测试和热工过程定量分析比较，对两座高炉热风炉的热量流向和热效率及热能分布情况进行了定量诊断。诊断结果表明，应用高发射率涂层后，有覆层的热风炉比没有覆层的热风炉平均热风温度提高23℃，有效热量利用提高3.89%，平均烟气温度降低24℃，热量损失减少2.71%，热效率提高4.62%。 关键词：高炉热风炉，高发射率，高辐射覆层技术

1、引言

高辐射覆层技术是利用山东慧敏科技开发有限公司经过长期试验研究开发的高辐射率节能涂料，将其涂覆在格子砖的表面，使蓄热和放热主体---格子砖的表面具有很强的吸收高温烟气辐射热（燃烧期）和释放格子砖蓄热量的能力（送风期），使更多的燃烧期烟气热量被格子砖吸收和送风期格子砖能向空气传输更多的热量，提高了高炉风温，薄薄的一层高辐射节能材料双向强化了燃烧期和送风期的传热效果。

高辐射覆层技术应用在高炉热风炉蓄热室内，涂覆在蓄热室900℃以上高温段硅质格子砖表面，达到了格子砖高吸收、高辐射、高蓄热、高放热的理想效果。高辐射覆层通过强化辐射换热，提高了格子砖表面温度，增加了格子砖内外温度梯度，使格子砖升温期吸热速度和吸热量增加，送风期放热速度和放热量也增加了，从而提高热风温度。

为定量掌握鞍钢高炉热风炉在蓄热室格子砖涂覆高发射率涂层后的热量使用情况和热效率变化情况，评价热风炉的热工特性，揭示高发射率涂层的应用效果，北京科技大学对涂有节能涂料的鞍钢新5#高炉热风炉A（卡鲁金式）和未涂节能涂料炉型相同，尺寸相当的热风炉B（卡鲁金式）进行了热诊断测试和定量分析，通过对比分析覆层的节能效果。

2、热诊断的对象

涂有高发射率节能涂料的鞍钢新5#高炉热风炉（卡鲁金式）为A、未涂节能涂料的炉型相同、尺寸相当的高炉热风炉（卡鲁金式）为B。

3、热诊断的内容及主要数据

（1）测试记录数据包括：煤气成分、煤气耗量；煤气温度、压力；助燃空气温度、压力、流量；冷风温度、压力、流量；热风温度、压力；烟气温度；

（2）煤气数据均来源于工厂，A煤气数据为A厂提供的九组数据的平均值，B厂为测试当时煤气数据，烟气成分采用Vario Plus工业气体连续分析仪现场测定；

（3）测试数据表中均为现场多次测试的平均值； （4）热风炉尺寸主要指蓄热室外形尺寸。

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表3.1 当天气象参数

项目 地点 A B 大气温度 (℃) 6 14 表3.2 煤气成份（%）

风速 (m/s) ﹤5 ﹤5 天气状况 阴 晴 成份 A含量 B含量 CO 23.7 23.5 CO2 18.9 19.1 H2 1.9 1.6 CH4 - 0.3

O2 - 0.1 N2 55.5 55.4 备注 未提供CH4、O2，热值平均3190.00 KJ/ m3 表3.3 烟气成分测试数据（%）

项目 A B O2 0.58 4.00 CO2 26.7 25.6 CO 1.57 0.0188

NO 0.0007 0.0009 NOX 0.0007 0.0009 SO2 0 0 C3H8 0.0081 0.0079 表3.4 测试周期内热风炉燃烧期参数

煤气 测试 温度 ℃ A B 190 134 压力 KPa 8 15 流量 m3/h 91200 85120

表3.5 测试周期内热风炉送风期参数

助燃空气 总含水量 % 5 5 温度 ℃ 285 173 流量 m3/h 59250 56540 压力 KPa 14 6 冷风 测试 温度 ℃ 173 203 压力 KPa 361 400 流量 m3/min 4741 4895 混风前温度/℃ 1210 1187 热风 压力 KPa 351 393 烟气 温度/℃ A B 283 307

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表3.6 热风炉炉体温度数据

部位 段别 A蓄热室 第一段 第二段 第三段 第四段 第五段 第一段 第二段 第三段 第四段 第五段 散热表面积（m2） 159.73 159.73 159.73 159.73 159.73 155.82 155.82 155.82 155.82 155.82 1点（℃） 39 31 21 16 15 61 57 49 43 40 2点（℃） 43 38 31 32 28 59 57 51 46 43 3点（℃） 43 38 36 32 26 62 54 48 45 42 平均（℃） 42 36 30 27 23 61 56 50 45 42 环境温度（℃） 6 情况描述：围绕热风炉每120°为一测试点，其中测试1点为迎风面。 B蓄热室 14 情况描述：围绕热风炉每120°为一测试点，其中测试2点为向阳面。

表3.7 热风炉外形尺寸

A蓄热室 B蓄热室

形状 圆柱 圆柱 直径（m） 10.39 10.39 表3.8 热风炉工况

高度（m） 24.48 23.88 A热风炉 B热风炉 送风制度 两烧一送 两烧一送 燃烧时间 85min 88min 送风时间 50min 43min 换炉时间 15min 10min 4、 热诊断的数据处理 4.1 基础参数的计算

（1）高炉煤气湿成分的换算

由于高炉煤气在湿法除尘后都含水，而含水量影响煤气发热值以及理论燃烧温度，应该在计算中选取煤气的湿成分进行计算。本次热平衡计算根据经验取煤气含水蒸气量为5%（相当于40g/m3煤气），高炉煤气湿成分换算后列于表4.1、表4.2中。

表4.1 A煤气湿成分

A煤气成分 干煤气成分Zg（%） 换算后的湿煤气成分Zs（%）

CO 23.7 22.5 CO2 18.9 18.0 H2 1.9 1.8 CH4 - - N2 55.5 52.7 ∑ 100.0 95.0 表4.2 B煤气湿成分

B煤气成分 换算后的干煤气成分Zg（%） 换算后的湿煤气成分Zs（%） CO 23.6 22.4 CO2 19.2 18.2 H2 1.6 1.5 CH4 0.3 0.3 N2 55.3 52.6 ∑ 100.0 95

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（2）燃料的低发热值QDW

QDW126.36CO107.85H2358.81CH4（4.1）

热风炉使用的气体燃料，根据煤气的成分以及可燃成分的热效应，计算出煤气的低位发热值QDW列于表4.3中：

表4.3 燃料的低发热值

QDWB炉煤气（KJ/ m3） 3099.88 A炉煤气（KJ/ m3） QDW

（3）实际烟气生成量

3190.00 VnsVo[(10.00124gk)1]Lgo （4.2）

① 理论干空气量Lo

gLgo0.0238(Hs2COs)0.0952CHs4 （4.3）

表4.4 理论干空气量

Lgo 理论干空气量Lo

② 理论烟气生成量Vo

gA 0.5783 B 0.5974 ssssgVo0.01(COs3CHs4CO2H2N2H2O)0.79Lo （4.4）

表4.5 理论烟气生成量

Vo 理论烟气生成量Vo

③ 空气系数

A 1.4568 B 1.4779 2179g'N221g'g'g'O20.5COg'0.5H22CH4sg'g'N2(RO2COg'CH4)sssCO2COsCH4mCmHnH2Ss（4.5）

表4.6 空气系数

空气系数 A 0.98 B 1.08

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④ 干空气含水量gk

按照环境温度，查得gk：（如表4.7）

表4.7 干空气含水量gk

干空气含水量gk(g/m3)

由以上四步及公式（4.2）得到：

A（6℃） 7.48 B（14℃） 12.9 表4.8 实际烟气生成量Vn

s 实际烟气生成量Vn （1） 烟气湿成分Z换算

s'sA 1.4505 B 1.5360 100H2Os'ZZg' （4.6）

100s'式中：

sss0.01(2CH4H20.5nCmHnH2SsH2Os)0.00124gkLgo （4.7） H2OsbVns'式（4.7）中，b为烟气不完全燃烧时烟气的修正系数，采用公式（4.8.1）和（4.8.2）计算： 当≥1时：

b100 g'1000.5COg'0.5H2（4.8.1）

当＜1时：

b100 (4.8.2) g'g'g'g'1001.88CO1.88H29.52CH44.762O2表4.9 烟气湿成分（%）

换算后烟气湿成分列表： 项目 A B O2 0.58 3.9979 CO2 26.7 25.6 CO 1.57 0.0188 NO 0.0007 0.0009 NOX 0.0007 0.0009 SO2 0 0 C3H8 0.0081 0.0079 N2 71.0835 70.3394 H2O 0.057 0.053 4.2 热收入项目

（1）燃料的化学热量Q1：

Q1BQDW

(4.9)

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式（4.9）中：煤气的低位发热值QDW。煤气用量B由测定周期内一座热风炉的煤气量与风量之比求出。

BVmr （4.10） Vff式（2）中：r及f为一座热风炉的燃烧期及送风期的时间；

Vm为一座热风炉的平均煤气流量；

Vf为一座热风炉的实际热风流量，VfBfVf1(1lf)（*）

式（*）中：Vf1为冷风测点处测得的平均冷风流量；

Bf为被测热风炉的风量综合校正系数，本处选1； lf为被测热风炉系统的漏风率，本处取为0。

计算得到煤气用量B列于表4.10中：

表4.10 煤气用量B

煤气用量B

A炉煤气用量 0.54 B炉煤气用量 0.59 根据公式（4.9）得到燃料的化学热量Q1列于表4.11中：

表4.11 化学热量Q1

化学热量Q1

（2）燃料的物理热量Q2：

A炉（KJ/ m3） 1722.60 B炉（KJ/ m3） 1828.93 Q2B(cmtmcmctc) （4.11）

式中：tm为煤气的平均温度；

tc为平均环境温度；

cm和cmc分别为煤气在0~tm及tc间的平均比热。

表4.12 燃料的物理热量Q2

燃料的物理热量Q2 A炉（KJ/ m3） 139.88 B炉（KJ/ m3） 99.97

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（3）助燃空气的物理热量Q3：

Q3BLso(cktkckete)（4.12）

sg其中：LoLo(10.00124gk)（**）

式中：Lo为理论干空气量；

ggk为干空气含水量； tk为助燃空气的平均温度；

tke为平均环境温度；

ck和cke分别为空气在0~tk及tke间的平均比热。

表4.13 助燃空气的物理热量Q3

助燃空气的物理热量Q3

（4）冷风带入的热量Q4：

A炉（KJ/ m3） 114.63 B炉（KJ/ m3） 80.76 Q4cf1tf1cfetfe（4.13）

式中：tf1为冷风的平均温度；

tfe为平均环境温度；

cf1和cfe分别为空气在0~tf1及tfe间的平均比热。

表4.14 冷风带入的热量Q4

冷风带入的热量Q4

（5）收入热量总和

A炉（KJ/ m3） 220.16 B炉（KJ/ m3） 248.35 Q：

Q

QQ1Q2Q3Q4（4.14）

表4.15 收入热量总和

2011年全国炼铁低碳技术研讨会论文集 收入热量总和

4.3 热支出项目

（1）热风带出的热量Q1：

'A炉（KJ/ m3） B炉（KJ/ m3） 2258.01 Q 2197.27 Q1'cf2tf2cfete（4.15）

式中：tf2为热风的平均温度；

te为平均环境温度；

cf2和cfe分别为空气在0~tf1及tfe间的平均比热。

表4.16 热风带出的热量Q1

' 热风带出的热量Q1

'A炉（KJ/ m3） 1750.33 B炉（KJ/ m3） 1710.83 （2）烟气带出的物理热量Q2是热风炉最主要的热损失：

'Q2BbVns(cy2ty2cyete)（4.16）

'式中：ty2为烟气的平均温度；

te为平均环境温度；

cy2和cfe分别为烟气在0~ty2及te间的平均比热。

表4.17 烟气带出的物理热量Q2

' 烟气带出的物理热量Q2 'A炉（KJ/ m3） 313.24 B炉（KJ/ m3） 383.27 （3）化学不完全燃烧损失的热量Q3'是烟气中未燃烧的气体可燃物随烟气排走而损失的热量：

s's's'Q3'BbVns(126.36COs'107.85H2358.81CH4931.81C3H8)（4.17）

表4.18 化学不完全燃烧损失热量Q3'

化学不完全燃烧损失热量Q3' A炉（KJ/ m3） 150.41 B炉（KJ/ m3） 9.50

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（4）煤气中机械水吸收的热量Q4：

'Q4Bgmj[1.244(cq2ty2cq1tm)]103（4.18）

'表4.19 煤气中机械水吸收的热量Q4

' 煤气中机械水吸收的热量Q4 （5）炉体表面散热量Q5：

'Q5'A炉（KJ/ m3） 'B炉（KJ/ m3） 16.24 7.72 VffqA（4.19）

ii式中：qi为某部分炉体的表面热流。

qi，可用Kti代替。

表4.20 炉体表面散热量

炉体表面散热量Q5

（6）热诊断差值Q：

''A炉（KJ/ m3） Q5B炉（KJ/ m3） 26.23 13.12 ''''QQ(Q1'Q2Q3Q4Q5)（4.20）

表4.21 热诊断差值Q

热诊断差值Q A炉（KJ/ m3） -37.55 B炉（KJ/ m3） 111.94

4.4 热诊断

根据上述的计算过程进行热风炉系统的热诊断计算。在进行热诊断前应先核算相对误差，根据公式(4.21)计算相对误差。热平衡允许的相对差值规定为±5%。

Q100 （4.21） Q37.55Q100%= 1.71% 100=

2197.27QA炉：

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B炉：111.94Q100%= 4.96% 100=

2258.01Q可以看出，两座热风炉热平衡计算的相对误差均小于5%，计算结果有效。表4.22为热诊断表。

4.5 热风炉系统热效率

热效率有两种表征，不包含管路及炉体散热等热损失的本体热效率1及包含热损失的2。其计算公式分别为式（4.22）和（4.23），本例计算热风炉系统热效率2，计算结果见表4.23。

1'Q1'Q4Q6QQ100%（4.22）

4Q1'Q42100%（4.23）

QQ4

表4.22 热诊断

收入热量 符号 Q1 Q2 Q3 支出热量 KJ/m3 1722.60 1828.93 139.88 99.97 114.63 80.76 220.16 248.35 2197.27 2258.01 % 78.40 79.99 6.37 4.43 5.22 3.58 10.01 11.00 100.00 100.00 符号 Q1' ' Q2项目 燃料的化学热量 燃料的物理热量 助燃空气的物理热量 冷风带入热量 总收入热量 项目 热风带出热量 烟气带出的物理热量 化学不完全燃烧损失热量 煤气机械水吸收热量 炉体表面散热量 热平衡差值 总支出热量 KJ/m3 1750.33 1710.83 313.24 383.27 150.41 9.50 7.72 16.24 13.12 26.23 -37.55 111.94 2197.27 2258.01 % 79.66 75.77 14.26 16.97 6.84 0.42 0.35 0.72 0.60 1.16 -1.71 4.96 100.00 100.00 ' Q3Q4 ' Q4 ' Q5Q Q Q 注：粗体为A炉数据。

表4.23 热风炉系统热效率

热风炉系统热效率2，% A炉 77.39 B炉 72.77 4、 热诊断的结果分析 从表4.22中，使用节能涂料的A热风炉与未涂节能材料的B热风炉比较，热风带出的热量由75.77%提

高到79.66%，烟气带出的热量从16.97%下降到14.26%，热量分配更合理，有效利用的热量增加，热量损失减少。

比较表4.23中数据，涂有节能材料的A炉系统热效率为77.39%，未涂节能涂料的B炉系统热效

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率为72.77%。A炉热效率高出B炉4.62%。

（1）热风温度提高

在本次热平衡测定中，涂有节能材料的A热风炉的热风平均温度（这里指混风前温度）为1210℃，未涂节能材料的B热风炉的热风平均温度为1187℃。涂覆节能涂料的A炉比未涂覆涂料的B炉风温有明显的增加，提高了23℃；由于热风温度的升高，使得热风带出热量在整个炉体的热量支出中的比例大幅度提高，从75.77%提高到79.66%，提高了3.89%，使得有效热量的利用率有较大幅度的增加。

（2）烟气温度降低 在本次热平衡测定中，A热风炉的烟气平均温度为283℃，B热风炉的烟气平均温度为307℃，A炉比B炉烟气温度平均降低24℃；涂覆节能涂料后，由烟气带走的物理热量由16.97%降低至14.26%，使得热量损失降低了2.71%。说明节能涂料加强了蓄热体的蓄热能力，提高了蓄热体在燃烧期的蓄热量，使得烟气温度降低。

5、结论

（1）涂有节能覆层的鞍钢新5#高炉热风炉A的热风温度比未涂节能覆层的炉型相同，尺寸相当的高炉热风炉B的平均风温高23℃，有效热量利用率提高3.89%。

（2）涂有节能覆层的鞍钢新5#高炉热风炉A烟气温度比未涂节能覆层的相同炉型、尺寸相当的高炉热风炉B平均烟气温度降低24℃，热量损失减少2.71%。

（3）涂有节能覆层的鞍钢新5#高炉热风炉比未涂节能覆层的相同炉型、尺寸相当的高炉热风炉热效率高4.62%，节能效果明显。

综上所述，高辐射覆层技术提高了鞍钢高炉热风炉的热风温度及热效率，降低了煤气消耗，而且涂覆节能涂料后形成的致密膜层可以提高格子砖防止渣化的能力，对高炉热风炉无不利影响，是一种投资少、回收期短、无运行成本的可提高热风炉风温、提高热风炉的热转换效率、又可延长蓄热体生命周期的新型原创性技术，效果长期有效，为鞍钢的节能降耗工作起到积极显著作用。