残热

高炉炼铁的供热设备

热风炉是高炉炼铁的重要供热设备，实际运行过程中炉内存在大量残热，煤气总流量的设定方法均未考虑热风炉支出热量中可能包含的上周期中炉内残热，从而影响到煤气总流量设定值的准确性。

概念

热风炉是高炉炼铁的重要供热设备，燃烧期通过煤气和空气燃烧，将热量蓄积在格子砖中；送风期通过格子砖加热冷风，将蓄积热量供应给高炉使用。完善的热风炉燃烧控制应具备以下特点：

（1）每个燃烧期蓄积的总热量必须满足下一个送风期送风热量的需求，并维持热量收支平衡；、

（2）拱顶温度达到规定值，减小顶温波动；

（3）设定烟气排放最终温度，控制合适的烟气升温速率。

针对热风炉燃烧控制中的第1个特点，需要进行煤气总流量设定。煤气总流量设定有两种方法：

（1）根据烟气温度、混风阀开度等参数，间接判断上一周期设定的煤气总流量是否满足下周期热支出的需要；

（2）基于热风炉热平衡原理，采用数学模型直接计算收入热量和支出热量，确定合适的煤气总流量。

但实际运行过程中炉内存在大量残热，上述方法均未考虑热风炉支出热量中可能包含的上周期中炉内残热，从而影响到煤气总流量设定值的准确性。将残热引入热平衡计算中，建立基于热平衡的热风炉残热推断模型，并通过首钢迁安钢铁有限责任公司2号高炉热风炉的实际数据对模型进行了验证，结果证明利用该模型能够将热风炉使用效率与热量收支平衡相结合，并可通过计算最佳热收入和热支出来计算供下周期利用的残热相对值，从而达到优化下周期收入热量(即优化煤气总流量)、有效利用热风炉残热、提高热风炉热效率、延长热风炉使用寿命的目的。

残热模型及计算

模型建立

虽然热风炉在一个运行周期内热收入和热支出并不一定相等，但引入残热概念后下式成立：

Q残热i+Q热收入i=Q'残热i+Q'热支出i

式中，Q残热为燃烧期末炉内残热；Q'残热为送风期末炉内残热；Q热收入为热风炉实际收入热量；Q'热支出为

热风炉实际支出热量；i为历史炉次。

由于Q残热i和Q'残热i无法得知，因此通过假设的Q最佳i(单炉次最佳收入热量)和 Q'最佳i(最佳支出热量)来间接计算，设

ΔQi = Q热收入i － Q最佳i = (Q'热支出i － Q最佳i) +(Q'残热i － Q残热i)

由于从热平衡角度来说，Q最佳i与 Q'最佳i相等，所以ΔQi也可根据下式计算：

ΔQi= Q热收入i － Q'最佳i = (Q'热支出i － Q'最佳i)+(Q'残热i－Q残热i)

由此可以看出，ΔQi的意义为每炉实际支出热量相对最佳支出热量需要的额外热量(Q'热支出i－Q'最佳i)与炉内可利用残余热量(Q'残热i－Q残热i)之和，即可供下周期使用的炉内残热相对值。上述俩式即为基于热平衡建立的残热推断模型。

模型验证

热风炉热工参数的数据采集从2009年9月20日起截止到2009年10月3日为止，选取迁安钢铁有限责任公司2号高炉热风炉实时热状态下的空气流量、空气预热温度、煤气流量和煤气预热温度等47个热工检测参数作为研究对象，进行残热计算。采集数据时间的最小间隔为1min，共计100炉次。由于数据较多且计算量大，实际中采用VC++编程处理。根据采集的数据计算 Q1i～Q4i和Q1'i～Q3'i，计算结果如表1所示。

从表1可以看出，黑体数据均为异常数据，导致异常数据产生的主要原因是：（1）监控节点信号为空值，导致热风炉炉号顺序混乱；（2）信号输出中断，导致残热推断数据明显偏大或变小。因此为了减小热平衡计算误差，必须对数据进行筛选，以排除异常因素的干扰。考虑到实际操作中，3座热风炉是按炉次向高炉送风，且每一周期燃烧热量和送风热量一般在2×107～1 ×109kJ 之间，因此剔除异常数据的具体方法是：将按时间排序间隔小于3的相同炉号的数据以及 Q1i和 Q1'i 项的异常数据剔除。

从图1可以看出，3号热风炉每一周期炉内的残热变化有以下两大特点：

（1）热风炉内供下周期使用的残热大于零时，说明该周期燃烧热量过多，热风炉热效率降低；

（2）供下周期使用的残热小于零时，说明燃烧热量不足，下周期应增加煤气燃烧量，补充炉内残热不足，满足下周期的送风热量需求。

此外，从图1可以看出，3号热风炉每一炉次炉内热量不能收支平衡时，其热量差值最高达到1.8×108kJ，约占燃烧期热量的45%左右，引起蓄热室格子砖整体温度场波动 25℃，这将会导致格子砖因温度变化而产生的热应力表现更为突出，对热风炉使用寿命极为不利。

从理论上来说，预计支出热量可以维持热风炉炉内热量平衡，但实际上由于高炉炉况的影响，使得某个周期热风炉的送风时间和送风温度可能不稳定，导致实际支出热量不等于预计支出热量，因此我们根据送风周期假设每炉次预计下周期热支出与实际相差5%，然后利用残热推断模型的计算结果和热平衡方程对51～87炉次收入热量进行优化。

优化51～87炉次收入热量后与前50炉次相比，其炉内可利用残热减少，并且波动很小，说明采用基于热平衡的残热推断模型能够充分利用炉内残热，提高热风炉使用效率。

结论

实际运行过程中炉内存在大量残热，引入残热概念，并推导出基于热平衡计算的残热推断模型，该模型的具体意义如下：

（1）残热推断方法比较合理。基于热平衡残热推断模型，利用积分方法计算每一炉次的热收入和热支出，再计算适合风温要求的最佳收入热量，并将其看作Q最佳i进行残热推断。

（2）提高热风炉使用效率。当炉内残热为正时，下一周期收入热量应低于预计支出热量；当炉内残热为负时，下一周期收入热量应高于预计支出热量，从而有效利用炉内残热。

（3）维持炉内热量收支平衡。利用计算出的优化收入热量和预计的支出热量平衡炉内的残热，减小每一炉次热风炉蓄热室实际残热的波动，稳定蓄热室格子砖整体温度场，减小格子砖内部的热应力，延长热风炉使用寿命。

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