格子砖蓄热能力分析

热风炉格子砖应该走个性化设计之路

高炉热风炉是一组用格子砖堆积起来的庞大的蓄热式鼓风加热设施。格子砖作为高温热量的载体在燃烧期内吸收并貯存燃烧产物的热量，然后在送风期内放出热量加热鼓风。保证热风炉格子砖具有足够的热交换和蓄热能力，对于高效率地完成热风炉的热交换过程是十分重要的，二者任何一方出现不足，传热过程都将受到阻碍。

近年来，为了改变热风炉的温度效率低下的状况，我国热风炉采用了提高燃烧末期废气温度和缩小格孔直径的措施，在一定程度上提高了热风炉的温度效率。与此同时，我们也应该看到，随着热风炉温度效率的提高，缩小了拱顶温度与送风温度之间的差值，以及随着格子砖孔径的减小，它的当量厚度也相应减小了，这些变化对于格子砖的蓄热能力的影响都是不利的。这样便提出了这样的问题：当今，我国热风炉的格子砖的蓄热能力状态到底怎样？能否适应操作条件的变化，实现换热速度与蓄热能力的统一？

1. 格子砖的蓄热能力

蓄热式热风炉的格子砖在一个工作周期内每1m 2加热面积所能传递的热量可以用下列方程式来表示：

q 传递=K (t Γ⋅cp -t B ⋅cp ) kcal/m·周期 ---（1）

2

如果以1m 3/min风量来表示，上式可以写成：

q 传递=

1⨯τB ⨯60(c R ⋅t R -c L ⋅t L ) 2

kcal/m·周期 ---（2）

m

蓄热式热风炉的格子砖在一个工作周期内每1m 2加热面积所能储存的热量：

q 储存=

c ⋅s ⋅γ⋅η

⋅∆t 砖面，kcal /m 2⋅周期 ---（3） 2

式中：t Γ⋅c p , t B ⋅c p ——相应为全炉平均的烟气和鼓风温度，℃

K ——周期换热系数，kcal/m2·℃·周期

m ——每1m 3/min风量要求的格子砖加热面积，m 2/(m3/min)

c R , c L ——相应为热风和冷风的比热容，kcal/m·℃

3

t R , t L ——相应为热风和冷风的温度，℃

τB ——周期送风时间，min

式中：c ——格子砖的比热容，kcal/kg ·℃

γ——格子砖的比重，kg/m3

s

——格子砖的半当量厚度，m 2

η——砖的利用效率，%

∆t 砖面——一个周期内砖表面的变化值，℃

现对以上表达式作如下说明：

1）如果不考虑热损失，热风炉在一个工作周期内每1m 2加热面积格子砖从烟气中获得的热量与热风带走的热量是相等的。

2

（kcal/m·周期）或写作： q 储存=q 传递，

1⨯τB ⨯60(c R ⋅t R -c L ⋅t L ) c ⋅s ⋅γ⋅η

=⋅∆t 砖面，kcal /m 2⋅周期 ---（4）

m 2

2） 式中

c ⋅s ⋅γ⋅η

，kcal/m2. ℃为格子砖的水当量。它表征着格子砖的蓄热能2

S

，比重γ和砖效率η）有关。 2

力，且仅与砖的特性（砖的比热容C, 半当量厚度

S

为双侧加热的格子砖的半当量厚度。 它等于单位蓄热体容积(V k =1-f ) 2

与单位加热面积(H =

S (1-f ) d Э4f

) 的比值，即=（f 为格子砖的活面积，d э为

24f d э

格子砖的孔径）。实际上它反映了1m 3容积格子砖的蓄热体容积和热交换面积之间的比例关系。

3）砖的利用效率η，η 取决于砖的平均温度的变化值与它的表面温度变化值之比，或者说，砖的利用效率η是整个周期内砖实际传入或传出的热量与在导

η=1。热系数无限大的砖条件下传入或传出的热量之比。当砖很薄，且导热很好时，

当砖很厚且导热不好时，它接近于0。

η可以以

4⋅a ⋅τ∏EP

的函数形式来表示。见图***。 2

S

其中：a ——温度传导系数，等于

λ； c ⋅γ

λ——传热系数，kcal/m·h·℃

τ∏EP ——周期总时间，等于τΓ⋅∏+τB⋅∏

η=

1

---（8）

c ⋅s 2⋅γ1+

4⋅λ⋅τ∏EP

4）一个周期内砖表面的变化值∆t 砖面为热风炉燃烧末期（τ=τΓ）格子砖表面的最高温度t 砖面m a x 与送风末期（τ=τB ）格子砖表面的最低温度t 砖面min 之差，即：

∆t 砖面=t 砖面max －t 砖面min

由于燃烧期内烟气传给砖面的热量：q Γ=αΓ⋅τΓ⋅(t Γ-t Γ砖面max ）kcal/m·周期，

2

则：

t Γ砖面max =t Γ-

q Γ

，℃ --- （9）

αΓ⋅τΓ

2

送风期内砖面传给鼓风的热量：q B =αB ⋅τB ⋅(t B 砖面min -t ） B kcal/m·周期，则：

t B 砖面min =t B +

q B

，℃ ---（10）

αB ⋅τB

1⎫⎛1+∆t 砖面=(t Γ-t B ) -q 传递 ⎪ ---（7） α⋅τα⋅τ⎝ΓΓB B ⎭

2. 问题讨论

1) 在蓄热式换热器中，一个周期内格子砖所传递的热量应该等于它相应储存的热量：

K (t Γ⋅cp -t B ⋅cp ) =

c ⋅s ⋅γ⋅η

⋅∆t 砖面，kcal /m 2⋅周期 2

或：

1⨯τB ⨯60c (R ⋅t R -c L ⋅t L ) c ⋅s ⋅γ⋅η

=⋅∆t 砖面，kcal /m 2⋅周期

m 2

c ⋅s ⋅γ⋅η

⋅∆t 砖面，由于其热量的传递能力和蓄热能力不相2

如果K (t Γ⋅cp -t B ⋅cp ) ＞

适应，其周期内的传热量将取决于格子砖的蓄热能力，尽管具较大的热量传递能力也是徒劳的。相反，如果K (t Γ⋅cp -t B ⋅cp ) ＜

c ⋅s ⋅γ⋅η

⋅∆t 砖面，例如，厚度过厚的格2

子砖，周期内的传热量将取决于格子砖的热量传递能力。

现以兴澄热风炉为例，如果取热风炉燃烧末期烟气入口温度t 0=1350℃；烟气最高出口温度t z ma x =420℃；全炉烟气平均最高温度t z ·c p =885℃；鼓风入口温度t B 0=180℃，最低出口温度t B =1230℃；全炉鼓风最低平均温度： t B m i n ·c p =705℃ 单位鼓风量（1m 3/min）格子砖加热面积17.41m 2/(m3/min) 全炉格子砖的平均值：比热容：C ＝0.197+0.637×10

＝0.197+0.637×10

－

－

4

t

4

（t Γ⋅砖面max -t B ⋅砖面min ）⨯η

kcal/kg. ℃，

2

比重：γ=2100kg/m3，砖效率η=0.95，

1) 若想得到1230℃的风温，热风炉1m 2加热面积在一个工作周期内应传递的热量：

q 储存=

1⨯0.75⨯60（1230⨯1.4359-180⨯1.3058)

=945 kcal/m 2周期。

4.1868⨯17.41

2) 实际热风炉格子砖的蓄热能力： 1）换热系数计算

① 燃烧期对流换热系数：

0.752

⎡⎤w 0885885⎛⎫αZmax 对流=0.28⨯⎢3.82+0.70-0.033 ⎪⎥⨯d 0.25

100⎝100⎭⎦⎣

0.750.75

w 0885⎤w 0885⎡⎡-72⎤+0.06⨯⎢3.8+0.26⨯0.25+0.66⨯⎢3.584+0.126-8⨯10⨯885⎥⨯0.25 ⎥d 100⎦100⎣⎣⎦d 0.750. 75

w 02.11

=(2.08+0.366+2.69)⨯0.25=5.136⨯=22.61 kcal/m2.h. ℃ 0. 25

d 0.025

②燃烧期辐射换热系数：

⎡

αz ⋅辐射=（0.18CO 2+0.32H2O ）⎢

t ⎤

-2⎥d 0.5 ⎣100⎦

=（0.18×28+0.32×6）[8.85－2]0.0250. 5 =7.54 kcal/m2.h. ℃ ③燃烧末期综合换热系数

αZ =αZ ⋅对流+αZ ⋅辐射=22.61+7.54=30.15 kcal/m2.h. ℃

④ 送风期内的最低对流换热系数：

0.752

⎡⎤w 0t t ⎛⎫αB ⋅min 对流=⎢3.55+0.2-0.006 ⎪⎥⨯d 0.25

100⎝100⎭⎦⎣

20.75

⎡⎤4.0705705⎛⎫⨯=⎢3.55+0.2 -0.006 ⎪⎥0.0250.25

100⎝100⎭⎦⎣

4.00.752

=4.75⨯=33.79kcal /m .h. ℃0.25

0.025

2）砖温降∆t 砖面的计算

1⎫⎛1+∆t 砖面= (t Γ-t B ) -q B ⎪ α⋅τα⋅τ⎝ΓΓB B ⎭

11⎛⎫

∆t 砖面=(885-705) -945 +⎪=180-60.5=119.5

⎝30.15⨯1.3533.79⨯0.75⎭

3）格子砖的蓄热能力：

c ⋅s ⋅γ⋅η

⋅∆t 砖面

2

（885+70）5⨯⎛－4

= 0. 19+70. ⨯637⎝2=667. kcal 84m 2⋅/周期

q 储存=

0. ⎫95

16⎪⨯0. 01⨯

⎭

2⨯100⨯0. 9 5119. 5

1和,2) 相比，热风炉1m 2加热面积在一个工作周期内应传递的热量＞实际储存的热量。

为了提高格子砖的蓄热能力，从式（3）和(7)中可知，可以通过下列手段： 1）减小∆t 砖面值。其主要技术 手段是：以缩小格孔直径来增加加热面积和减小格子砖在一个工作周期内每1m 2加热面积所要求储存的热量以及提高换热系数；；

2）增加半当量厚度；

它们之间的关系可用图1表示之。图中系列1～4分别为∆t 砖面=110,130,150和

170℃时的数据；系列5～8分别为我国格子砖系列中格孔直径d=43，30，25和

图1 Q B -- t 砖面--S

关系图

如果设计的热风炉工作点高于所选格子砖的半当量厚度线之上，表明格子砖的蓄热能力不足，尽管所选格孔再小，加热面积再大也将是徒劳的，这就是所谓的“加热面积有余，蓄热能力不足”。如果设计的热风炉工作点低于所选格子砖的半当量厚度线之下，表明格子砖的热量传递能力不足。

我国热风炉当前的实际情况如何？以兴澄高炉为例作如下计算： 1. 兴澄 计算条件

① 烟气成分：CO 2——28%；H 2O ——6%；N 2——66%。鼓风流速w B =4.0m/s；烟

气流速w Z =2.11m/s；

② 格子砖为均一格子砖，格孔直径d=25mm；平均比重γ=2100kg/m3。全炉格子砖的平均比热容C=0.197+0.637×10

－

4

t ，kcal/kg. ℃；

热风炉燃烧末期烟气入口温度t 0=1350℃；烟气最高出口温度t z m a x =420℃；全炉烟气平均最高温度t z ·c p =885℃；鼓风入口温度t B 0=180℃，最低出口温度

t B =1230℃；全炉鼓风最低平均温度： t B m i n ·c p =705℃

单位鼓风量（1m 3/min）格子砖加热面积17.41m 2/(m3/min): 1. 热风炉1m 2加热面积在一个工作周期内传递给热风的热量：

=

1⨯0.75⨯60（1230⨯1.4359-180⨯1.3058)

=945 kcal/m 2周期

4.1868⨯17.41

2）换热系数计算

① 燃烧期对流换热系数：

0.752

⎡⎤w 0885885⎛⎫αZmax 对流=0.28⨯⎢3.82+0.70-0.033 ⎪⎥⨯d 0.25

100⎝100⎭⎦⎣

0.750.75

w 0885⎤w 0885⎡⎡-72⎤+0.06⨯⎢3.8+0.26⨯0.25+0.66⨯⎢3.584+0.126-8⨯10⨯885⎥⨯0.25 ⎥d 100⎦100⎣⎣⎦d 0.750. 75

w 02.11

=(2.08+0.366+2.69)⨯0.25=5.136⨯=22.61 kcal/m2.h. ℃ 0. 25

d 0.025

②燃烧期辐射换热系数：

⎡

αz ⋅辐射=（0.18CO 2+0.32H2O ）⎢

t ⎤

-2⎥d 0.5 ⎣100⎦

=（0.18×28+0.32×6）[8.85－2]0.0250. 5 =7.54 kcal/m2.h. ℃ ③燃烧末期综合换热系数

αZ =αZ ⋅对流+αZ ⋅辐射=22.61+7.54=30.15 kcal/m2.h. ℃

④ 送风期内的最低对流换热系数：

0.752

⎡⎤w 0t t ⎛⎫αB ⋅min 对流=⎢3.55+0.2-0.006 ⎪⎥⨯d 0.25

100⎝100⎭⎦⎣

2

⎡⎤4.00.75705705⎛⎫=⎢3.55+0.2 -0.006 ⎪⎥⨯0.0250.25

100⎝100⎭⎦⎣

4.00.752

=4.75⨯=33.79kcal /m .h. ℃0.25

0.025

3）砖温降∆t 砖面的计算

1⎫⎛1+∆t 砖面= (t Γ-t B ) -q B ⎪ α⋅τα⋅τ⎝ΓΓB B ⎭

11⎛⎫

∆t 砖面=(885-705) -945 +⎪=180-60.5=119.5

⎝30.15⨯1.3533.79⨯0.75⎭

4）半当量厚度

q B S 945

0.0193 ==

2C ⋅γ⋅∆t 砖面⋅η

S =2

q B

⎡1⎫⎤⎛1

+c ⋅γ⋅η⋅⎢(t Γ-t B ) -q B ⎪⎥

⎝αΓ⋅τΓαB ⋅τB ⎭⎦⎣

，m ------（4）

由于我们习惯于用每1m 3/min风量为单位来表示热风炉的相关指标，因此，q B

可以表示为：

q B =

1⨯τB ⨯60(c R ⋅t R -c L ⋅t L ) 2

kcal/m·周期 ----（5）

m

1⎫⎛1+ -----（6） ∆t 砖面=(t Γ-t B ) -q B ⎪

⎝αΓ⋅τΓαB ⋅τB ⎭

式中：

S

——格子砖的半当量厚度，m 2

t Γ, t B ——相应为全炉平均的烟气和鼓风温度，℃

αΓ，αB ——相应为燃烧期和送风期的传热系数，kcal/m2·h ·℃ τΓ, τB ——相应为燃烧期和送风期时间，h

3

m ——每1m 3/min风量要求的格子砖加热面积，m 2/(m3/min) c R , c L ——相应为热风和冷风的比热容，kcal/m·℃ t R , t L ——相应为热风和冷风的温度，℃

1m 2加热面积在一个周期时间内传递的总热量：

Q 传热=χ(ϑΓ-ϑB ) =

1⨯45（1200⨯1.4327-180⨯1.3058) 15952

=kcal /m 2周期

4.1868⨯H H

与此同时， 1m 2加热面积在一个周期时间内储存的总热量： C=0.197+0.637×10 γ=2100kg/m3 3. 计算∆ϑ砖⋅cp 值

3.1周期换热系数的计算

1）一般说明：

热风炉内砖温最高点在送风初期((τB =0.51.0h )

－

4

t ，kcal/kg. ℃

τB =0) ，砖温最低点在送风末期

∆ϑ砖⋅cp =ϑB max -ϑB min

格子砖为均一格子砖，热风炉燃烧末期烟气入口温度t 0=1350℃；烟气最高出口温度t z ma x =420℃；全炉鼓风最高平均温度t z ·c p =885℃；鼓风入口温度t B 0=150℃，最低出口温度t B =1200℃；全炉鼓风最低平均温度： t B m i n ·c p =675℃ 2）换热系数计算

① 燃烧期对流换热系数：

0.752

⎡⎤w 900900⎛⎫⨯0+ αZmax 对流=0.28⨯⎢3.82+0.70-0.033 ⎪⎥0.25

100⎝100⎭⎦d ⎣

0.750.75

w 0900⎤w 0900⎡⎡-72⎤+0.06⨯⎢3.8+0.26⨯0.25+0.66⨯⎢3.584+0.126-8⨯10⨯900⎥⨯0.25 ⎥100⎦d 100⎣⎣⎦d 0.750. 75

w 02.11

=(2.085+0.37+2.69)⨯0.25=5.14⨯=22.63 kcal/m2.h. ℃ 0. 25

d 0.025

②燃烧期辐射换热系数：

⎡

αz ⋅辐射=（0.18CO 2+0.32H2O ）⎢

t ⎤

-2⎥d 0.5 ⎣100⎦

=（0.18×28+0.32×6）[9.0－2]0.0250. 5 =7.7 kcal/m2.h. ℃ ③燃烧末期综合换热系数

αZ =αZ ⋅对流+αZ ⋅辐射=22.63+7.7=30.33 kcal/m2.h. ℃

④ 送风期内的最低对流换热系数：

0.752

⎡⎤w 0t t ⎛⎫αB ⋅min 对流=⎢3.55+0.2-0.006 ⎪⎥⨯d 0.25

100⎝100⎭⎦⎣

2

⎡⎤4.00.75675675⎛⎫=⎢3.55+0.2 -0.006 ⎪⎥⨯0.0250.25

100⎝100⎭⎦⎣

4.00.752

=4.63⨯=32.93kcal /m .h. ℃0.25

0.025

3）砖温降∆ϑ砖cp 的计算

① 将周期换热量换算成小时换热量：

q B =

Q 传热0.75

=

987.75

=1317kcal/m2⋅h 0.75

q Γ=

Q 传热1.35

=

987.75

=731.67 kcal/m2.h. 1.35

③ 砖表面温度计算

ϑB 砖面=ϑB +q Γ=αΓ(ϑΓ砖面-ϑΓ）

q B

αB

ϑΓm a 砖面x =900--

731.67

=900--24.12=875.88℃

30.33

④ϑB min 砖面=675+

1317

=675+40=715 32.93

⑤∆ϑ砖⋅cp =∆ϑ砖面×η=(ϑΓmax －ϑBmin 砖面) ×η= (875.88－715)×0.95 砖面

=160.88℃