高发射率涂料应用于高炉热风炉的节能效果

高发射率涂料应用于高炉热风炉的节能效果

王 苗1，2， 苍大强2， 白 皓2， 程相利2， 周惠敏3

(1．西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055； 2．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083； 3．山东慧敏科技开发有限公司，山东济南250100)

摘要：应用数值模拟验证高发射率涂料在热风炉内的使用效果并比较涂料的不同使用区域对热风温度的影响，得出高发射率涂料在高炉热风炉内的最佳使用区域为高温区。应用这一结果在两座热风炉上进行工业对比试验，经过热诊断测试判定高发射率涂料的节能效果。热诊断结果表明，应用高发射率涂料可提高热风温度25℃，降低废气温度13℃，提高热效率5％。

关键词：高炉热风炉；高发射率涂料；高风温；热诊断；格子砖

中图分类号：TF061．22 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2009)11—0091—04

热风炉提供的热风热量占高炉全部热收入的15％～20％^[1]，提高热风炉的热效率和风温对高炉技术水平的进步具有非常重要的作用。近年来，高发射率涂料已经成功地应用于加热炉、退火炉和工业锅炉等炉壁材料表面上^[2-4]。

将高发射率涂料涂敷在热风炉格子砖表面可提高高炉的热风温度，本文对高发射率涂料涂敷在热风炉的最佳使用区域进行了传热数值模拟，并进行现场工业对比试验验证，揭示了高发射率涂料提高热风炉风温及热效率的效果。

1 热风炉内传热过程的数值模拟

1．1传热数学模型的建立

将整个蓄热室的传热过程简化为一簇流管，建立如图1所示的蓄热室格子砖通道物理模型，从高度方向将热风炉蓄热室分为3段，部位l、2、3分别代表物理模型中的高温区、中温区和低温区，下文数学模拟分段与之相同。为建立蓄热室格子砖通道换热过程的数学模型，作如下主要假设：①气体为理想气体，在整个蓄热室内流量分布均匀，且在每个格孔通道内传热相同，相邻格孔之间相互绝热；②燃烧期烟气的入口温度和送风期鼓风的入口温度保持稳定；③气体和格子砖体的物性参数是温度的函数；④忽略热风炉炉体散热。

根据以上假设建立热风炉内传热过程的数学模型，包含格子砖内部不稳态导热方程和气体换热控制方程，分别见公式(1)和(2)。送风期，格子砖与气体(鼓风)之间的换热系数表达式为：

h=h_c (3)

燃烧期，格子砖与气体(烟气)之间的换热系数的表达式为：

h=h_c h_r (4)

对流换热系数h_c和辐射换热所换算成的对流换热系数厅，分别采用炼铁设计参考资料的推荐公式^[5]及Hottel^[6]推荐的公式计算。式中，ρ_s、ρ_g分别为格子砖和气体的密度，kg／m³；c_p，s、c_p，g分别为格子砖和气体的比热容，J／(kg·℃)；k_s、k_g分别为格子砖和气体的导热系数，W／(m³·℃)；h、h_c、h_r分别为气固换热系数、对流换热系数及辐射换热折算成对流换热的系数，W／(m²·℃)；T_g、T_s分别为气体和格子砖的温度，℃。

1．2模型定解条件

初始条件：热风炉蓄热室周期性工作，即格子砖温度在送风期不断降低，经过燃烧期又上升到原来的水平，上一周期送风结束时格子砖的温度分布是下一周期燃烧期的开始温度。

边界条件：格子砖进出口截面及外壁(r=r₀)处均按绝热边界条件处理；在内壁(r=r_i )处，按对流换热第3类边界条件处理；对气体(包括鼓风和烟气)，其进口温度为定值，出口按充分发展条件考虑。

2 计算结果及格子砖涂敷区域的确定

2．1 高发射率涂料应用效果的数值模拟

数值模拟计算中，燃料种类为高炉煤气，冷风入口温度为170℃，煤气无预热，助燃空气预热温度为185℃，燃烧时间为114 min，送风时间为55 min，煤气流量为16．2 m³／s，送风流量为70 m³／s。格子砖为19孔砖，从高温区到低温区分别为硅砖、红柱石高铝砖及粘土砖。

从图2知，应用高发射率涂料使整个送风期的热风温度均匀提高，热风平均温度从无涂料时的1172．36℃提高到了应用涂料后的1195．93℃，提高幅度为23．57℃；从图3可以看出使用高发射率涂料前后烟气温度的变化情况，平均排烟温度从无涂料时的329．99℃降低到了有涂料时的310．97℃，降低幅度为19．02℃。由于热风温度的升高和烟气温度的降低，可以使得热风炉内热量分配更加合理，达到节能的目的。涂敷高发射率涂料后，格子砖表面发射率增大，使得蓄热体在燃烧期对烟气辐射热的吸收能力增强，提高了格子砖的表面温度。从模拟结果(图4)可知，随着燃烧期时间的推进，高发射率涂料对格子砖表面温度的影响逐渐明显，在燃烧初期(第1 080 s)、燃烧中期(第3 240 s)、燃烧末期(第6 840 s)，有涂料与无涂料格子砖平均表面温差为5．93℃、13．53℃及24．56℃。由于格子砖表面温度的升高会进一步强化送风期的格子砖表面与冷空气之间的对流换热，可对热风温度提高起到积极作用。2．2涂料涂敷区域的确定

高炉热风炉拱顶的温度可达1 300～1 500℃，底部的废气出口温度为300℃左右，格子砖表面温度在热风炉高度方向的变化非常大。因此必须考虑高发射率涂层涂敷在热风炉的哪个温度区间时具有最佳经济效果和使用效果。

对实际可能出现的7种不同涂敷部位对热风温度的影响进行了模拟。从表1可以看出，当高发射率涂料涂敷在高温区时，会对热风温度的提高起到明显作用；涂敷中温区和(或)低温区，热风温度的提高不明显；当涂敷范围从高温区扩大到中温区和(或)低温区时，热风温度的提高与仅涂敷高温区无明显区别。因此，可认为对热风温度提高贡献最大的区域为高温区，此部位使用高发射率涂料将得到热风温度明显升高的效果。对燃烧期涂料对格子砖表面温度的影响进行了分析。图5是在燃烧期中期涂料对蓄热室格子砖温度的影响，图中的实线是未涂敷涂料时格子砖的温度，其它标记线是热风炉不同区域格子砖涂敷涂料后与未涂敷的温差。图中涂料对格子砖表面温度的影响在高度方向上表现的比较复杂，可能是由于格子砖物理性质、格孔内气流流动的紊乱程度的影响，需要进一步研究。可以看出，涂料涂敷在中低温段对格子砖温度影响较小；涂敷在高温区或者蓄热室全部涂敷的作用比较明显；对送风期的格子砖温度进行模拟得到的趋势与燃烧期相同。由以上分析可知，热风炉全涂敷涂料的效果与高温区涂敷基本一致，而中温区和低温区涂敷涂料的效果不是很明显。因此，涂料在热风炉上应尽量使用在顶部高温段。

3 工业应用及效果讨论

根据数学模拟结果在山东石横特钢1 080 m³高炉1号及3号热风炉进行应用涂料后的热诊断对比测试和定量分析，1号热风炉的高温区涂敷了高发射率涂料，与没有涂料的3号炉进行对比。

从表2可以看出，模拟结果非常接近工业应用结果。计算结果反映了实际使用涂料对送风温度、烟气温度的影响，说明了涂料对热风炉传热过程的作用。从表3所示的工业试验热诊断结果可以看出，两座热风炉的收入总热量基本一致。在使用高发射率涂料且其它条件与3号热风炉相同时，1号热风炉比没有使用涂料的3号热风炉产生了热效率提高的节能效果。

3．1涂料对热风温度的影响

高炉热风炉格子砖常温下黑度一般在0．7～0．8，当温度达到1 300℃时，黑度就会下降到0．4左右，对辐射传热不利。因此当热风炉内温度很高时，提高发射率是增强热交换的主要途径。在燃烧期，煤气燃烧产物的主要成分为CO₂、H₂O等辐射能力强的非对称极性分子，以热辐射的方式将煤气燃烧产生的化学热传递给格子砖，由于涂敷了节能涂料，格子砖内积蓄了更多热量；在送风期，由于冷空气主要成分为不具有辐射能力的N₂和O₂，格子砖与空气之间只存在对流传热。根据牛顿冷却公式可知，在涂敷节能涂料后，送风期热风炉的放热效率增加，主要是由于格子砖与空气之间温差的增大；风温提高的主要原因是是格子砖在经过燃烧期后，表面温度升高(数值计算结果证明了这一点)，故能提高热风送风温度。

3．2涂料对烟气温度的影响

在测试周期内，涂敷涂料的1号热风炉烟气温度波动小于3号热风炉。1号和3号热风炉的烟气平均温度分别为300℃和313℃，温差为13℃；涂敷节能涂料后，由烟气带走的物理热量由13．22％降低至10．68％，使得热量损失降低了2．54％。由于节能涂料使得蓄热体的黑度增加，提高了蓄热体在燃烧期的蓄热量，降低了烟气的热焓，烟气温度必然会降低。

3．3涂料对煤气燃烧的影响

根据烟气成分分析结果，1号热风炉烟气成分中的可燃成分如CO、C₃H₈等，其含量均远小于3号热风炉。涂敷涂料的1号热风炉，发射率增加，使格子砖本身的蓄热能力增强，这样的内动力使得高炉煤气在燃烧期的燃烧更加充分，从而使得由于化学不完全燃烧带来的热损失从1．70％下降到0．12％，热能利用完善。

3．4使用涂料前后热风炉热效率的比较

使用高发射率涂料对热风炉影响的总和表现为热效率的变化。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η₁及包含热损失的η₂。其计算公式分别为：计算可知，1号炉的η₁和η₂分别为81．26％和78．32％，3号炉的η₁和η₂分别为76．03％和73．28％。1号炉的本体热效率及热效率均比3号炉高5％左右。由于热风温度的升高，使得热风带出热量在整个炉体热量支出中的比例提高，有效热量的利用率有较大的增加。

4 结论

根据计算软件的模拟结果可以得出高发射率节能涂料的最佳使用区域为热风炉蓄热室的高温区。据此进行工业热效率诊断测试和节能效果分析，可以得到以下结论：使用高发射率涂料的热风炉的热风温度比无涂料的热风炉的平均风温高25℃，平均烟气温度低13℃；使用高发射率涂料的热风炉煤气燃烧更充分，烟气成分中的可燃成分含量降低，化学不完全燃烧热损失从1．7％下降到0．12％；使用高发射率涂料的热风炉的热效率比无涂料的热风炉的热效率高5％，节能效果明显。

参考文献：