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
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：
=126.36×19.7+107.85×20.4+258.81×8.5+594.4×0.7=7305.397KJ Q
DW
空气需要量和燃烧生成物量计算
=1.1。燃烧计算见
(1)空气利用系数b空=La/Lo计算中取烧发生炉煤气b
空
表1-2。
(2)燃烧1m3发生炉煤气的理论Lo为Lo=196.23/21≈9.34 m3。
(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
=9.64 m3。
产
(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：Q
分= 12600()
22
co co
f V
未
+ 10800()
22
H0H0
f V
未
=12600×9.64×6.6%×10.2%+10800×17.352%×9.64×
2.2% =1214.68KJ/ m3。
表1-2煤气计算
(4).理论燃烧温度计算
t理=（Q
空＋Q
煤
＋Q
DW -Q分
）/V产C产
=(3529.41+4067.796+630-1214.68)/9.64×1.8=22340C (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
＋Q
DW
）]
0.9=3800×45×(1000×1.405－20×1.32)/[ V煤×1.4×(3529.41+4067.796+630)]
则V
煤
=4678.07 m3/h取4678m3/h。
V
空=V
煤
×La=4678×10.28=48089.8 m3/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=4678 m3/h。冷风流量Vr=3800 m3/min。
（2）热风炉漏风率L f，取3%。即L f=0.03
2.热平衡计算
（1）热量收入项目
①燃料化学热量：Q1=VmTr QDW=4678×1.4×35296.41=231163248.4KJ/周期。
②燃料物理热量：Q2= VmTr（cmtm－Cme t e）
=4678×1.4×(300×2.1－20×1.32)
=3953097.12 KJ/周期。
③助燃空气物理热量：Q3= VmTrLas（Cktk－Cke t e）
=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)×(c
f2t
f2
－c
fe
te)
=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（c
g2t
g2
－c ge t e）
=4678×1.4×11.46×1.006×(1.435×350－1.32×20) =35928652.15 KJ/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′=0 KJ/周期。
⑤冷却水吸收的热量：Q5′=21634130 KJ/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=431385 KJ/周期。
⑧热风管道散热量：Q8′=3029374 KJ/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) =0 GJ/周期。
1.列热平衡表1-3。
表1-3 热平衡表
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。
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)=5.01 m2
d r =√(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=1764002m，则每座热风炉蓄热室所占加
热面积为：176400÷3=587902
m 。
（2）热风炉内径：选取外壳直径D=9500 mm ，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D 1（mm ）为：D 1=9500-（16+675）?2 = 8118 （3）热风炉炉墙内空横断面积：F 1为
F 1=2
3.148.11851.734
?=(m 2)
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F 2为 ： F 2= 51.73?0.28 = 14.48(m 2) 蓄热横断面积F 3 为 ： F 3= 51.73-14.48=37.25(m 2)
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F 4为 ：
F 4= 37.25 - 51.73?0.025 = 35.96(m 2)
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）d h = 30mm ，当量厚度S= 26mm , 1m 2格子砖的加热面积为=48.5743(m 2/m 3) ； 1 m 2
格子砖通气道面积为Ψ=0.3643( m 2/m 3)填充系数（1-Ψ）=0.6537.则1m 高格子砖的加热面积（m 2）
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+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
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2-2 19孔格子砖（d=30mm）参数
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：