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一、有色金属镍铁炉(冲天炉)在能耗和碳消费量的性能比较

有色金属镍铁炉（冲天炉）熔炼铸铁，用于熔化铁料和使铁液过热的能量，一般都只是焦炭总能量的40%左右，能源的利用率是相当低的。

每吨铁液耗用焦炭量平均约为125㎏。焦炭的热值按30

MJ/㎏计算，则熔炼每吨铁液的能耗约为3750

MJ。

用坩埚式中频感应电炉熔炼，热效率可达到70%，如每吨铁液的电耗平均按600

kW·h计算，结果是：

1

kW·h的能量相当于3.6

MJ，熔炼每吨铁液的能耗为2160

MJ。

从能耗的对比看来，感应电炉熔炼铸铁的能耗只是冲天炉熔炼能耗的57.6%。只从能耗考虑，当然是感应电炉远优于冲天炉。

有色金属镍铁炉（冲天炉）熔炼，每吨铁液耗用的焦炭量平均为125㎏。固定碳含量为84%的焦炭，热值大致与标准煤相当。按此推算，每吨铁液的碳消费量只有125㎏标准煤，大约比用感应电炉熔炼的少43.7%。

二、竖炉工艺用途分类

竖炉工艺在熔炼领域中有着广泛的应用，包括高炉、炼铜、炼锌和炼铅用的鼓风炉以及化铁用的冲天炉。这些炉子的主体通常由钢壳构成，内部则是耐火炉衬，高温区域下方设有水冷箱，以部分炉体钢板水套进行冷却，尽管增加了热损失，但有助于提升炉子寿命和生产效率。

高炉、冲天炉和小型炼铜鼓风炉以圆形截面设计为主，大型鼓风炉为避免过多还原杂质（如铁），通常控制高度在8米左右，风压较小，以保持气流穿透力。为了均匀分布气流，大型鼓风炉采用矩形截面，风口对侧宽度控制在1-2米，长度可达20-30米，使用热风提升炉温，且高炉鼓风需预热处理。

竖炉的炉缸结构各异，如高炉型分离铁水和炉渣，每隔一段时间排放；炼铅鼓风炉型保持熔炼过程中的铅液水平，持续排放；带有前室的冲天炉结构，金属液与炉渣先流入预热的前室，前室同时具有保温和均匀成分的作用。

炉顶设计有敞开和密闭两种，废气出口位于中心或侧面。高炉煤气含有较多的一氧化碳，可用于燃料；炼铜和炼镍鼓风炉的炉顶煤气含二氧化硫，可回收用于制酸。竖炉料柱要求透气性良好，颗粒大小均匀，粉料占比不超过10%，精矿需经过烧结或球团化才能入炉。炉顶装料和布料装置确保料柱透气均匀，而鼓风压力则取决于气体通过料柱时的压力损失。

冲天炉的介绍及耐火材料的选用

目前，很多铸造厂和轧钢厂都采用中频电磁感应熔炼炉，我国电能的绝大多数来源于火力发电，是由煤炭转化而成的二次能源，煤电转化的效率只有20～30%，发电过程中存在着大量的能源浪费。

天然气熔炼炉是一种以天然气为燃料的工业炉，属于当今世界范围内铸铁熔化的最先进技术。在西气东送、天然气供应相对充分的今天，研发和推广天然气冲天炉具有节省能源、保护环境、有利于我国经济可持续发展等多方面的重大意义:

①天然气燃烧生成二氧化碳和水，燃烧尾气中不存在一氧化碳，不包含化学潜热，天然气冲天炉燃烧效率接近100%，该炉属于目前节省能源的工业炉。

②天然气属于清洁能源，天然气冲天炉未经处理的尾气中，其粉尘浓度约为20mg/m°(城市清洁空气中的粉尘浓度约为10mg/m*)，该炉非常有利于保护大气环境。同时，该炉熔化过程中产生的炉渣量极少，有利于减少工业固态废料填埋与其他处理对环境造成的不利影响。天然气冲天炉实际上相当于铸造行业的无焦冲天炉，我们这里把它叫做天然气冲天炉。

天然气冲天炉的结构

陶瓷球放在水冷的炉箅子上，达到工艺要求的高度之后，对空炉进行预热约45分钟，然后将金属炉料和造渣组分加入冲天炉中。天然气烧嘴燃烧产生的热气流通过并加热陶瓷球层，使热陶瓷球层过热，以确保其上的炉料被充分预热，炉料被熔化变成钢(铁)水，当它通过陶瓷球层时与陶瓷球接触被增热，滴落在炉缸中。通过虹吸式渣钢分离器，渣和钢被分离开。

大约15分钟后，第一批钢（铁）水由虹吸式出液口流入增热前炉中，在这里采用天然气燃烧将钢（铁）水调整到所需要的温度，并通过加入适当的合金来调整钢（铁）水的化学成分，熔炼产生的炉气连续排出，通过位于炉子顶部的废气和空气交换器冷却，并由综合湿法净化除尘。

天然气冲天炉，包含加料口、预热段、水冷熔化段、水冷炉栅、天然气喷嘴、连续出铁槽、前炉等，

炉身

加料口下缘至第一排风口之间的炉体，其内部空腔称为炉膛，其直径决定熔化率。

炉缸

第一排风口中心线至炉底之间的炉体。炉缸的主要作用：

①保护炉底；

②汇聚钢液和炉渣使之进入前炉。

前炉

前炉由前炉体和可分离的炉盖构成。其作用：

①储存钢液；

②使钢液成分和温度均匀；

③降低钢液在炉缸中的增碳与增硫；

④分离渣钢，净化钢液。

冲天炉产生的废气温度高达1100℃，若直接排放及对环境造成很大的热污染，也浪费了大量的能源。因此，要对其余热进行回收，以降低天然气消耗，同时，对烟气灰尘进行处理。

空预器采用中科院广州能源所朱冬生教授发明的扭曲管换热器，该换热器传热效率高，压降小，能将排烟温度降低到150℃以下。

除尘系统采用综合湿法除尘器，主要由预湿混合机构、高效文氏管、冲击捕尘机构、二级泡沫净化机构、高效脱水器、水循环系统、弯头脱水器、风机等组成。废气经予湿混合机构进入高效文氏管，(在管口有水膜，在喉部有水雾）使喷水水滴及水膜雾化，由冲击捕尘机构进行一次高效除尘，再经二级泡沫净化机构进行二次充分净化、脱硫、然后，上升气体在除尘器内以较慢流速上升，水汽在重力和高效脱水器的作用下进行汽、水分离，洁净气体由弯头脱水器最后一次脱水由引风机排于大气。

天然气冲天炉烟气粉尘含量仅为20mg/L，经过综合湿法除尘器处理后，含量可以低于5mg/，大大低于国家排放标准。

燃气冲天炉的其它优越性

除了节省能源、清洁生产外，同时燃气竖炉还有以下优势:

①炼性能可调范围大。熔化率、钢液温度调节范围很大。

②工作场地整齐干净.使用管道输送的天然气，避免了焦炭存储、运输和挑选的烦恼，使用方便、容易调节和控制，工厂环境整洁.

③污染物排放量少。燃气竖炉的尾气中不包含So2、无异味，co含量很低，对空气的污染程度低；炉渣量少于燃焦冲天炉，炉渣中的有害物质少；固态废渣少，有利于保护环境。

④有利于除尘系统。由于炉气中的粉尘含量低，因此除尘系统负荷小、投资低、运行费用低。

⑤钢液不受炉料污染。碳、硅、锰等元素的烧损率稳定，不增硫，生产球铁不需要进行脱硫，铁液化学成分稳定。

天然气冲天炉在连铸连轧生产线的具体实施

钢铁生产工艺

现代钢铁生产流程是将铁矿石在高炉中冶炼成生铁，将铁水注入转炉或电炉冶炼成钢，再将钢（铁）水铸成连铸坯，经轧制等塑性变形方法加工成各种用途的钢材。

一个钢铁联合企业一般包括原料处理、炼铁、炼钢、轧钢、能源供应、交通运输等生产环节，是一个复杂而庞大的生产体系。我国的钢铁企业一般都是这样的全流程联合企业。

冲天炉砌砖可用粘土质耐火泥。耐火泥一般由耐火材料厂生产，但国内冲天炉砌砖多使用自配耐火砂浆乃将60%～75%的石英砂或耐火砖末（粒度在1～1.5mm以下）和25%～40%的耐火黏土加水混制而成。选料时，石英砂粒度不要过大，否则会使砖缝过宽而影响炉衬寿命。

捣制和修补炉衬用的耐火材料一般用较粗的耐火砖末（粒度1～3mm）或石英砂（粒度0.5～3mm）加耐火粘土配制而成。粘土加入量约为混合剂总重的15%～25%。这种混合剂水分一般可控制在5%～8%范围内。混合料配制可在碾轮式混砂机中进行。要求先干混5～10min左右，加水后湿混5～10min左右，以充分发挥粘土的粘结作用。

水冷炉箅

水冷炉箅是天然气冲天炉的关键部件，其作用为支持炉料，应该有一定的强度和抗弯曲能力，同时应该结构简单、性能可靠、便于检修、更换，制造成本低。根据对轧钢加热炉的改造得出一条很重要的经验，那就是用蒸汽取热比用水取热效果好、能耗低很多，所以，本设计将水冷炉算设计为蒸汽取热式炉箅。

天然气喷嘴

天然气喷嘴也称天然气烧嘴，其性能参数包括：天然气流量、火焰长度、火焰角度等，分有焰喷嘴与无焰喷嘴两类。

根据对各类窑炉进行节能改造的实践经验，认为各种天然气烧嘴都不如高速燃烧器效率高，冲天炉需要高温、高速气流的燃烧器，不仅提高辐射传热效率，还要增加对流川热效率，而高速燃烧器正符合这种需要。

耐火球

耐火球也有人称之为瓷球、石墨球。耐火球包含碳素材料与硅酸盐成分，耐火度高，起均热、传热和铺垫作用。炉箅上铺垫有耐火球，每批炉料中也需添加一定量的耐火球，以补充耐火球的消耗。

本设计采用高铝（ALzOs含量≥90%）陶瓷球

富氧燃烧系统

耐火泥

富氧燃烧技术是近代燃烧技术的一大飞跃式进步，富氧燃烧也就是提高燃料燃烧所需空气中氧气含量的比例高于20.94%，常规燃烧中由于局部缺氧，产生不完全燃烧，造成燃烧效率低下，同时造成火焰温度偏低也会产生不完全燃烧，可燃物质变成烟尘排掉，浪费能源，造成大气污染。富氧燃烧能够使燃烧充分，火焰温度提高，辐射强度大幅提升，从而使热能的利用率大幅提升。

若将助燃空气的含氧量提高到28%，理论燃烧温度比用空气助燃高出14.5%。由于富氧燃烧，提高燃烧温度，燃烧更加完全，减少了因局部缺氧而导致的不完全燃烧，同时富氧燃烧能够使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时由于温度提高了，将有利于燃烧反应完全，因而从燃料燃烧不完全会产生环境污染现象的源头上降低和消除了污染排放的指数，通过上面计算得到，燃烧产物减少0.25Ln，对大气的排放量进而减少了0.25Ln，这样不仅减少了烟气的排放量，同时还提高了烟气排放的质量，达到了减排的效果。

全炉控制系统

由于冲天炉熔化过程具有连续和不可逆两个特点，自动控制系统是保证冲天炉安全生产和产品质量的必备措施。主要包括温度监测、化学成分控制、加料精度控制、燃烧器空燃比控制、纯氧比例控制等。在这个过程中，金属液体对热电偶套管的侵蚀是必须考虑的重要因素，不能采用直接检测而采用间接比较法对温度进行控制。

冲天炉熔炼装置结构

冲天炉水冷箅、熔化段炉衬较易损坏，长炉龄冲天炉连续工作时间可达到500小时，需要经常检修。因此，要对炉体和装置结构进行合理设计，以达到节约成本、确保生产之目的。

(1）炉体结构

冲天炉炉体采用分段式，风冷段、水冷箅、熔化段、炉缸均为外部螺栓连接结构，哪一段出现问题，将其与下段连接解除，利用顶部吊车将其吊起，再与上段连接解除，将损坏段运至车间进行修复后，安装。

(2)装置结构

这里说的装置是指熔化装置总成。通常配置两台冲天炉组成一开一备的装置，一台维修另一台运行。

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