热能转换与利用热风炉设计说明书.docx
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热能转换与利用热风炉设计说明书
内蒙古科技大学
热能转换与利用
课程设计说明书
学院:
能源与环境学院
专业：
热能与动力工程
班级：
热动09-1班
姓名：
赵胜
学号:
0962126103
指导老师：
陈伟鹏
目录
第一章 热风炉热工计算2
1.1热风炉燃烧计算2
1.2热风炉热平衡计算4
1.3热风炉设计参数确定7
第二章 热风炉结构设计8
2.1设计原则8
2.2工程设计内容及技术特点8
2.2.1设计内容8
2.2.2技术特点8
2.3结构性能参数确定8
2.4蓄热室格子砖选择9
2.5热风炉管道系统及烟囱11
2.5.1顶燃式热风炉煤气主管包括：
11
2.5.2顶燃式热风炉空气主管包括：
11
2.5.3顶燃式热风炉烟气主管包括：
12
2.5.4顶燃式热风炉冷风主管道包括：
12
2.5.5顶燃式热风炉热风主管道包括：
12
2.6热风炉附属设备和设施13
2.7热风炉基础设计15
2.7.1热风炉炉壳15
2.7.2热风炉区框架及平台（包括吊车梁）15
第三章热风炉用耐火材料的选择15
3.1耐火材料的定义与性能15
3.2热风炉耐火材料的选择16
参考文献18
第一章 热风炉热工计算
1.1热风炉燃烧计算
燃烧计算采用高焦炉混合煤气做热风炉燃料，并为完全燃烧。
已知煤气化验成分见表1-1。
表1-1煤气成分表
项目CH4C2H6
H2COCO2N2O2∑
含量%8.50.72.320.419.78.639.50.3100.00
热风炉前煤气预热后温度为300℃，空气预热温度为300℃，干法除尘。
发生炉利用系数为2.3t/m3d，风量为2000m3/min，t热风=1100℃，t冷风=20℃，η热=90%。
热风炉工作制度为两烧一送制，一个工作周期T=2.25h，送风期Tf=0.75h，燃烧期Tr=1.4h，换炉时间ΔT=0.1h，出炉烟气温度tg2=350℃，环境温度te=20℃。
煤气低发热量计算
查表煤气中可燃成分的热效应已知。
0.01m3气体燃料中可燃成分热效应如下：
煤气低发热量：
QDW=126.36×19.7+107.85×20.4+258.81×8.5+594.4×0.7=7305.397KJ
空气需要量和燃烧生成物量计算
（1）空气利用系数b空=La/Lo计算中取烧发生炉煤气b空=1.1。
燃烧计算见表1-2。
（2）燃烧1m3发生炉煤气的理论Lo为Lo=196.23/21≈9.34m3。
（3）实际空气需要量La=1.1×9.34=10.28m3。
（4）燃烧1m3发生炉煤气的实际生成物量V产=9.64m3。
（1）助燃空气显热Q空=C空×t空×La
=1.319×300×10.28=4067.796KJ/m3。
式中C空－助燃空气t空时的平均热容，t空－助燃空气温度。
（2）煤气显热：
Q煤=C煤×t煤×1=2.1×300×1=630KJ/m3。
（3）分解热：
=12600
+10800
=12600×9.64×6.6%×10.2%+10800×17.352%×9.64×2.2%=1214.68KJ/m3。
表1-2煤气计算
煤气组成
100m3干煤气的百分含量
反应式
需要氧气的体积/m3
生成物的体积/m3
O2
CO2
H2O
N2
合计
0.31
→
0.31
0.31
0.01
CO＋1/2O2→CO2
0.005
0.01
0.01
0
H2＋1/2O2→H2O
0.045
0.09
0.09
1.95
N2→N2
1.95
1.95
0.48
＋7/2O2→2CO2
+3
1.68
0.96
1.44
2.4
0.06
＋5O2→4H2O+3CO2
0.3
0.18
0.24
0.42
97.1
CH4＋2O2→CO2＋2H2O
194.2
97.1
194.2
291.3
当b=1.0时，空气带入的
196.23
588.69
588.69
当b空=1.10时，过剩空气带入的
19.623
19.623
58.869
78.492
生成物总量/m3
19.623
98.56
195.97
649.509
963.662
物成分/m%
2
10.2
20.4
67.4
100.00
（4）.理论燃烧温度计算
t理=（Q空＋Q煤＋QDW
）/V产C产
=（3529.41+4067.796+630-1214.68）/9.64×1.8=2234
（5）.热风炉实际燃烧煤气量和助燃空气量计算
η热=V风×（t热c热－t冷c冷）/[V煤×（Q空＋Q煤＋QDW）]
0.9=3800×45×（1000×1.405－20×1.32）/[V煤×1.4×（3529.41+4067.796+630）]
则V煤=4678.07m3/h取4678m3/h。
V空=V煤×La=4678×10.28=48089.8m3/h。
1.2热风炉热平衡计算
1.热平衡基础参数确定
（1）周期时间和介质流量确定
Tr=1.4h,ΔT=0.1h,Tr=0.75h=45min。
煤气流量Vm=4678m3/h。
冷风流量Vr=3800m3/min。
（2）热风炉漏风率Lf，取3%。
即Lf=0.03
2.热平衡计算
（1）热量收入项目
①燃料化学热量：
Q1=VmTrQDW=4678×1.4×35296.41=231163248.4KJ/周期。
②燃料物理热量：
Q2=VmTr（cmtm－Cmete）
=4678×1.4×（300×2.1－20×1.32）
=3953097.12KJ/周期。
③助燃空气物理热量：
Q3=VmTrLas（Cktk－Ckete）
=4678×1.4×10.28×（300×1.319－20×1.32）
=24863409.08KJ/周期。
④冷风带入的热量：
Q4=0
⑤热收入总热：
ΣQ=Q1＋Q2＋Q3＋Q4
=231＋3.95＋24.86＋0=259.81GJ/周期。
（2）热量支出项目
①热风带出的热量：
Q1′=VfβTf（1－Lf）×（cf2tf2－cfete）
=3800×0.86×45×（1－0.03）×（1.42×1000－1.32×20）=198794531.5 KJ/周期。
②烟气带走的热量：
Q2′=VmTrVgb（cg2tg2－cgete）
=4678×1.4×11.46×1.006×（1.435×350－1.32×20）
=35928652.15KJ/周期。
③化学不完全燃烧损失热量：
Q3′=Q2′×0.1%=35928.652KJ/周期。
④煤气中机械水吸收的热量：
Q4′=0KJ/周期。
⑤冷却水吸收的热量：
Q5′=21634130KJ/周期。
⑥冷风管道散热量：
Q6′=K（Δtf×Ai）Tf=0.1
⑦炉体表面散热：
Q7′=ΣK（Δtf×Ai）T=431385KJ/周期。
⑧热风管道散热量：
Q8′=3029374KJ/周期。
⑨热平衡差值：
ΔQ=ΣQ-（Q1′＋Q2′＋…＋Q8′）
=259.81－（198.79＋35.9＋.036＋7＋21.63＋0＋0.43＋3.03）
=0GJ/周期。
1.列热平衡表1-3。
表1-3热平衡表
热收入
热支出
项目
燃料化学热
燃料物理热
助燃空气物理热
冷风带入的热量
ΣQ
热量/GJ
231
3.95
24.86
0
259.81
%
88.91
1.52
9.57
0
100.00
项目
热风带出的热
烟气带走的热
化学不完全燃烧损失
煤气中机械水吸收的热量
冷却水吸收热量
冷风管道散热
炉体表面散热
热风管道散热
热平衡差值
ΣQ
热量/GJ
198.79
35.9
0.036
0
21.63
0
0.43
3.03
0
259.81
%
76.5
13.8
0.0001
0
8.3
0
0.16
1.17
0
100.00
4.热效率计算
（1）热风炉本体热效率：
η1=[（Q1′－Q4＋Q6′＋Q8′）/（ΣQ－Q4）]×100%
=[（198.79－0＋0.1＋3.03）/（259.81－0）]×100%
=77.72%
（2）热风炉系统热效率[（Q1′－Q4）/（ΣQ－Q4）]×100%
=（198.79－0）/（259.81－0）×100%
=76.51%
1.3热风炉设计参数确定
由以上计算确定热风炉的主要设计参数如表1.4。
项目
参数
发生炉容积/m3
发生炉利用系数/t/m3
发生炉入炉风量/m3/min
冷风温度/℃
设计风温/℃
拱顶温度（最高）/℃
废气温度/℃
空气预热温度/℃
煤气预热温度/℃
送风制度
燃料
1800
2.3
2000
1450
350
300
300
两烧一送制
高焦炉混合煤气燃气
表1.4热风炉设计参数
第二章 热风炉结构设计
2.1设计原则
（1）本着技术先进成熟、完善和节能的原则；
（2）热风炉工艺布置合理顺畅，充分考虑施工及生产过渡的可行性。
（3）因地制宜，充分利用现有地形，最大限度的减少占地面积。
（4）采用适用可靠的设备和材料，以确保稳定、安全生产的需要。
2.2工程设计内容及技术特点
2.2.1设计内容
设计三座热风炉，三座热风炉送风时，可实现两烧一送制，
（1）设计三座热风炉，包括炉壳、基础（与原有基础的连接）、炉蓖子、燃烧器和耐火材料等；
（2）烟道、热风支管、煤气管道、助燃空气支管、新建三列框架；
（3）设计三座热风炉的阀门（每座共11台），及相应的液压控制和供电；
（4）相应设计三座热风炉的自动化检测设备和控制系统；
2.2.2技术特点
·热风炉采用顶燃式热风炉；
·热风炉炉底采用弧形板；
·热风出口采用组合砖；
·炉篦子单独支撑在柱子上。
2.3结构性能参数确定
（1）蓄热式有效断面面积和直径的确定从120加热到1200，As=Vy/（3600*φ*wy）=9.64*4678/（0.36*1.3*3600）=26.77取27m2
ds=√（as*4/3.14）=6
（2）Ar=Vy/（3600*wyr）=9.64*4678/（2.5*3600）=5.01m2
dr=√（Ar*4/3.14）=3
已知：
发生炉有效容积为1800m3，每立方米发生炉有效容积应具有的蓄热面积为98m2/m3，（一般为80—90）选定三座热风炉。
（1）热风炉全部加热面积为98×1800=176400
，则每座热风炉蓄热室所占加热面积为：
176400
3=58790
。
（2）热风炉内径：
选取外壳直径D=9500mm，钢壳厚度；中部段为16mm，下部段为25mm，上部段为20mm，底板厚度为25mm。
热风炉钢壳内壁至热风炉炉墙内壁耐火衬砌体厚度（mm）依次为：
喷涂料60+硅藻土砖115+耐火纤维毡40+轻质高铝砖230+高铝砖230=675。
则热风炉炉墙的内直径D1（mm）为：
D1=9500-（16+675）
2=8118
（3）热风炉炉墙内空横断面积：
F1为
F1=
（m2）
一般热风炉的燃烧室（含火井墙）横断面积占热风炉炉墙内空横断面积的25%—30%，今取28%，则燃烧室的横断面积F2为：
F2=51.73
0.28=14.48（m2）
蓄热横断面积F3为：
F3=51.73-14.48=37.25（m2）
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=37.25-51.73
0.025=35.96（m2）
蓄热室选用19孔高效格子砖填充，格子砖的热工参数为：
格孔当量直径（圆形孔）dh=30mm，当量厚度S=26mm,1m2格子砖的加热面积为=48.5743（m2/m3）
；1m2格子砖通气道面积为Ψ=0.3643（m2/m3）填充系数（1-Ψ）=0.6537.则1m高格子砖的加热面积（m2）为：
1×48.5743×35.96=1738.93。
若蓄热室上
、下格孔尺寸相同（即采用一段式格孔），则蓄热室格子砖总高度（m）为：
57333.33÷1738.93=32.97。
其他尺寸的确定：
1）底板、支柱及炉箅子热风炉炉壳为普通碳素钢板，底板钢板厚度为25，底板与炉壳下部以圆弧过渡焊接，并进行加强刚度处理。
炉箅子支柱底板坐落在炉壳底板上，炉箅子厚度加支柱高度为3100mm，炉箅子孔的形状及大小与蓄热室格子砖格孔相适应，即圆形孔，其直径为45mm.炉箅子及支柱均采用耐热铸铁。
炉箅子及支柱安装完毕后，在热风炉底板上面浇注一层厚度为450mm的矾土水泥耐热混凝土保护层。
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3800mm，砌体内半径为2992mm,球顶中心角为110°。
，球顶砌体中心标高要低60mm,取下部球拱顶钢壳半径为10000mm,砌体内半径为9192mm，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。
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40mm+轻质粘土砖114mm+高铝砖345mm=798mm。
拱顶曲面砌体空间高度与其下部砖体内直径比为（2000+2992）/9500=0.53,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底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7500mm,空气喷出口24个，一次进风口8个，空气喷出口中心角为60.。
5）炉子总高度为：
H=808+2992+60+3800+32970+3100+25=43755mm
核检：
H/D=43.755/9.5=4.6它在4～6之间，是稳定的。
（附：
湘钢1号高炉热风炉H=40.988高径比5.25）
热风炉主要性能参数列表如表2-1。
表2-1热风炉主要技术特性
序号
名称
单位
设计值
备注
1
发生炉容积
m3
1800
2
热风温度
℃
1000
3
入炉风量
m3/min
3800
4
热风炉座数
座
3
顶燃式
5
热风炉全高
mm
44084
6
热风炉炉壳内径
mm
Ø71400/Ø73400/Ø8690
7
蓄热室断面积
m2
40
8
高炉煤气燃烧量
Nm3/h
4678
9
格子砖高度
m
40
10
热风炉高径比H/D
m/m
5.07
11
一座热风炉蓄热面积
m2
58790
12
格子砖型式
19孔
Ø30mm
13
单位鼓风蓄热面积
m2/m3
44
14
单位发生炉容积蓄热面积
m2/m3
98
15
单位鼓风量格子砖重量
t/m3
1.22
2.4蓄热室格子砖选择
20世纪50年代，我国热风炉用耐火材料主要是黏土砖，格子砖是片状平板砖，品种也比较单一。
基本上满足了当时800～900℃风温要求。
60年代，由于发生炉喷煤技术的发展，风温有了很大的提高，在热风炉的高温部开始用高铝砖砌筑，格子砖也由板状砖，发展到整体穿孔砖，基本上满足了风温1000～1100℃的要求。
70年代，开始将焦炉用硅砖移植应用到热风炉，使热风炉的耐火材料又上升了一个新台阶。
80年代和90年代，我国进入改革开放时期，热风炉耐火材料又有了新的长足的进步和发展。
具体情况概述为：
1.低蠕变高铝砖的开发与研制。
2.在热风炉炉壳内侧喷涂一层约60mm的陶瓷喷涂料。
热风炉投产后在高温的作用下，喷涂料可与钢壳结成一体，有保护钢壳和绝热的双重作用，热风炉的各不同部位采用不同的喷涂料。
3.热风炉砌体的开口部位，如人孔、热风出口、燃烧口等处是砌体上应力集中的部位，这些部位广泛的使用组合砖，使各口都成为一个坚固的整体。
4.广泛地开发了带有凹凸口的上下左右咬合的异型砖，达到了相邻砖之间自锁互锁作用，增强了砌体的整体性和结构强度。
5.用耐火球代替格子砖的球式热风炉，在中小发生炉得到广泛的应用。
为了适应高风温要求，本次设计中格子砖采用19孔型式，从顶部至炉篦子表面分4段砌筑，各段材质如下（由上至下）：
硅砖、低蠕变粘土砖、粘土砖、低蠕变粘土砖。
蓄热室格子砖热工性能见表2-2。
表2-219孔格子砖（d=30mm）参数
1
格子砖安装面积
m2
0.052387608
2
格子砖安装体积
m3
0.006286513
3
1M3格子砖加热面积f
m2/m3
48.5743
4
活面积ψ
m2/m3
0.3643
5
填充系数（1-ψ）
m3/m3
0.6357
6
流体直径dh
mm
30
7
当量厚度s
mm
26
8
1M3格子砖块数
块
159
9
耐火材质
RN-42
低蠕变粘土
硅质
10
1M3格子砖重量
t/m3
1.399
1.589
1.176
111
单块格子砖的重量
kg
8.79
9.99
7.39
2.5热风炉管道系统及烟囱
2.5.1顶燃式热风炉煤气主管包括：
热风炉高焦炉煤气供应管道直径的确定：
Vm/3600=ωm×（π×dm2）/4,取ωm=9（m/s）（ωm=8-15m/s）
代入上式得:
dm=0.45
选500x4mm；
煤气换热装置（HESG），用于将煤气预热到180℃。
使用带中间液态导热的换热器；连接每座热风炉的煤气支管，至分配阀处具有外部保温。
每座热风炉的煤气管线应安装下列装置：
垂直段装有两个波纹补偿器，煤气切断阀和流量孔板。
当煤气管道内的温度增加时波纹补偿器用于进行补偿。
水平段设有煤气调节节流阀和一个波纹补偿器构成的“万向”补偿器，带配重的煤气快速切断阀和三杆分配阀；
带调节螺丝的支架用于在更换分配阀时提升连接管线并将其保持在预设的水平位置；
弹簧架用于承重垂直段煤气管线以及分配阀后的设备。
同时在加热热风炉炉壳时支架还可用于提升垂直段和上述设备且没有任何拉伸应力；
从闸阀至预燃室的煤气管道连接件有两层（114mm和5mm）。
从接到停炉信号至关闭带配重的煤气快速切断阀所用时间应不超过3秒。
在密封状态下，阀门的紧密度应保证完全没有煤气泄漏。
煤气切断阀，煤气分配阀和空气燃烧分配阀应在安装前测试密封度，在设备安装时也应对阀的密封度进行检测。
2.5.2顶燃式热风炉空气主管包括：
两台风机，每台输出量为160000m3/h（1台工作，1台备用）；
热管道上的“烟－气”换热器（HESA）用于将煤气加热到180℃；
预热的助燃空气收集器；
顶燃式热风炉助燃空气管道直径的确定：
Vz/3600=ωz×（π×dz2）/4
取ωz=10m/s,代入上式可得:
48089.8/3600=10×（π×dz2）/4
dz=1.304m,选1400×8mm。
即每座热风炉的空气支管直径为1420x10mm，至分配阀处带有外部保温；
垂直管路段设有补偿器，类似于煤气补偿器，板阀和流量孔板；
水平管路段设有调节节流阀，“万向型”补偿器，助燃空气三杆分配阀；
带调节螺丝的支架用于更换分配阀时提升连接件并将其保持在预设的水平位置；
弹簧架用于承重垂直段煤气管线以及分配阀后的设备。
同时在加热热风炉炉壳时支架还可用于提升垂直段和上述设备且没有任何拉伸应力；
从分配阀至预燃室，空气管道连接件有两层（114mm和5mm）；
空气主管路分配阀的要求与煤气主管分配阀的要求相同。
2.5.3顶燃式热风炉烟气主管包括：
两路内径为1600mm的水平烟气支管，与每座热风炉成轴向45o；
两个三杆烟气分配阀，直径1600mm；
两个波纹补偿器；
外部烟道，直径4520x10mm，带内外保温；
烟道至煤气和助燃空气换热器间的带烟气节流切断阀的支管，内径为2800mm，位于煤气换热器前，内径为2600mm，位于助燃空气换热器前；
内径为2600mm的煤气换热器和内径为2400mm的空气换热器之间的支管，换热器用于预热煤气和空气；
装配冷却烟道；
带烟气节流阀的旁路烟道，用于将烟道和烟囱隔开，节流阀直径为4000mm。
2.5.4顶燃式热风炉冷风主管道包括：
冷风主管，直径1220x6mm；
冷风支管，直径1220x6mm；
“万向”型补偿器；
冷风阀，直径1100mm；
冷风混风管道，直径900mm；
混合节流阀，直径900mm；
混合切断阀，直径900mm。
2.5.5顶燃式热风炉热风主管道包括：
每座热风炉热风连接管道；
砌衬热风闸阀，直径1500mm；
两个波纹补偿器通过调节装置连接，形成“万向”补偿器；
在热风闸阀和补偿器间应装有带螺丝的支架。
用于在维修阀门时提升连接件并将其支撑在要求位置处；
从各热风炉至热风主管道的热风支管；
热风管道，标高26.600mm，内径1598mm；
补偿器间通过气流调节装置连接，形成“万向”型补偿器，以及“直抽烟囱”与垂直段间的连接段；
本次设计在热风管道间为每座热风炉安装“万向”补偿器，由于压力的经常变化会影响补偿器的寿命，进而导致周期性金属疲劳。
从热风炉方面看，压力在每个切换周期均会改变。
从主管道方面看，压力只有在发生炉停炉时发生改变，这种情况很少发生。
因此，“万向”补偿器的使用寿命更长。
2.6热风炉附属设备和设施
（1）热风炉主要阀门
热风炉在高温下长期运行，其辅助设备
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