CN102277460A - 煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，有效解决热风炉气体混合不均匀，燃烧不充分及浪费能源的问题，外壳内的无焰燃烧室内有多孔组合块体，无焰燃烧室上的预混气进气管通过射流预混器与煤气进气管和空气进气管相连，预混气进气管内有分隔导流块，无焰燃烧室上有热风出口管，下部与锥筒状蓄热室对接，锥筒状蓄热室下面为圆筒状蓄热室，锥筒状蓄热室和圆筒状蓄热室内有格子砖蓄热体，圆筒状蓄热室下的冷风室上有烟气排出管和冷风进口管，格子砖蓄热体置于炉箅子上，炉箅子下的支柱固定在底座上，本发明煤气与空气经射流混合快速稳定的高强度燃烧，有效降低制作成本，改善格子砖的传热与蓄热效果。
Description
技术领域
本发明涉及热风炉，特别是为炼铁高炉提供高温高压的鼓风，或为一般工业加热提供工艺所需热风的一种煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉。
背景技术
目前，高炉热风炉已经进入顶燃式热风炉时代，从节能降耗上考虑要求高炉鼓风向高风温方向发展，尤其是在燃烧低热值高炉煤气下获得高热风温度，且还要达到一定的热效率，而最终实现高效、节能、环保、增产的目的。热风炉要实现高效与高风温，关键在于其燃烧过程与传热过程能否达到高强度燃烧与高效率传热，且二者能否恰当而有效地结合起来，于是就涉及到热风炉的燃烧装置与蓄热-换热装置。纵观目前使用的各种气体燃烧装置，均以煤气与空气在燃烧空间中混合、预热、着火燃烧模式为主，这种模式存在混合不均、燃烧不完全、燃烧室空间大、燃烧器结构复杂、燃烧气流组织不当（气流分布不均）、燃烧气流特征随负荷变动（即可控性差）等问题。相反，若跳出燃烧室中气流混合燃烧的模式，利用煤气与空气在管道中混合，在多孔体中预热完成燃烧过程，以实现真正意义上的无焰燃烧模式。这必然导致进入蓄热体的烟气流场更加均温均流，且不受负荷变动的影响。同时，燃烧器的结构因去掉了复杂的燃烧器喷嘴的特殊结构而大为简化，而无焰燃烧省去了有焰燃烧的燃烧空间，使得热风炉的制作成本也会明显下降，更由于省去了燃烧器用的抗热震砖，热风炉燃烧器对耐材的要求大为下降。这样就在热风炉中实现了高强度的无焰燃烧过程，且通过格子砖调压均流和增强传热的结构实现了均匀高效的传热-蓄热过程。对这种热风炉而言，由于去掉了空间燃烧室格子砖蓄热体几乎充满了热风炉的内空间，在相同热值的煤气下，其燃烧温度会提高（减少散热与自身预热效果），且部分燃烧过程还会在蓄热体中进行，这也增加了蓄热体的高温蓄热，因而有利于在低热值煤气燃烧温度不高（约1400℃左右）的前提下实现稳定的高热风温度（1350℃）。由于燃烧温度能控制在1400℃上下就不会引起氮氧化物的大量生成，有利于减少环境污染和防止炉壳的晶间腐蚀。这也正是采用射流预混多孔体中无焰燃烧的重要目的之一。
这里提出一种结构简单的射流混合多孔体中无焰燃烧的新型顶燃式热风炉 ，其混合气体进气管上设置射流混合装置使煤气与空气在其中快速预混后进入无焰燃烧室的多孔体中，借助多孔体在上一个周期中的高温蓄热而被预热后着火燃烧。由于多孔体大量的接触面（其单位体积交换面积在120～200平方米）使得燃烧过程能快速且充分地完成，且同时借助于多孔体混流均压的作用而形成向下进入格子砖蓄热体的均匀烟气流场。由于蓄热室中的格子砖是无焰燃烧室多孔体的自然向下延伸，其中传热与蓄热过程也能均匀有效地进行，一直到流入冷风室为止。显然，在有限空间中利用多孔材料特征实现快速预热与燃烧，能有效降低过量空气系数、提高燃烧温度与燃烧强度、进而极大地简化燃烧器结构与减轻燃烧器重量。由于预混燃烧过程在更为绝热的多孔体中进行，其温度更接近理论燃烧温度，因而在送风过程中热风温度也会得到提高。这就在较低燃烧温度下实现高的热风温度。同时，无焰燃烧室中多孔体在送风结束后的残余蓄热也能为接下来的燃烧过程提供高温环境而使燃烧过程得以强化，以上所述的这种煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉至今还未见有报道。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，可有效解决热风炉结构复杂，气体混合不均匀，燃烧不充分，污染环境、浪费能源的问题。
本发明解决的技术方案是，钢制外壳内装有不同规格的耐火材料砌筑而成的瓶状结构承压的燃烧容器，燃烧容器由锺罩形的无焰燃烧室、多孔组合块体、射流预混器、锥筒状蓄热室、圆筒状蓄热室、圆形杯状的冷风室、炉箅子及支撑组成，无焰燃烧室内有多孔组合块体，在无焰燃烧室的竖直墙体上垂直热风炉轴线方向设置预混气进气管，预混气进气管通过射流预混器与煤气进气管和空气进气管相连；预混气进气管在进入无焰燃烧室空间之前气流通道由圆形截面变化为矩形截面，截面的高宽比为2～4，预混气进气管的进气口内设有分隔导流块，数目为3～10个；预混气进气管与无焰燃烧室径向夹角为0°～90°；无焰燃烧室墙体上布置有垂直于热风炉轴线的安装在拱顶上与热风炉同轴心的热风出口管；无焰燃烧室下部与锥筒状蓄热室对接，锥筒状蓄热室中装填有第一耐高温防粘附格子砖蓄热体（又称抗粘附耐高温蓄热格子砖），第一耐高温防粘附格子砖蓄热体的格孔是上部直径大而下部直径小的锥孔结构，上下孔径差为3～10mm，格孔的孔间距与格孔直径之比≤1.75，第一耐高温防粘附格子砖蓄热体上有与格孔之间互通的沟槽或圆形凹槽，构成格孔与格孔之间互通结构，锥筒状蓄热室下面为圆筒状蓄热室，圆筒状蓄热室内堆砌有与第一耐高温防粘附格子砖蓄热体结构相同的第二格子砖蓄热体，用粘土质耐材制作，耐温程度控制在≤800℃，圆筒状蓄热室下面是冷风室，冷风室墙体上接有烟气排出管和冷风进口管；第二格子砖蓄热体置于炉箅子上，炉箅子下部有支撑炉箅子的支柱，支柱固定在热风炉的刚性底座上，蓄热体能起到烟气流的均压均流作用和增强传热的作用。
本发明能实现煤气与空气经射流混合，其混合后进入无焰燃烧室中的多孔组合块体中完成混合气体的高温预热与集中，且快速稳定的高强度燃烧，从而有效解决了低热值煤气燃烧不稳定、燃烧强度弱、燃烧温度低等关键问题；将煤气与空气间的边混合边燃烧的占用大量燃烧空间的长焰燃烧方式改变为预混气流借助于多孔组合块体的大接触表面预热混合气的无焰燃烧方式。由于多孔组合块体的调压均流作用而使烟气以分布均匀的气流进入其下的第一耐高温防粘附格子砖蓄热体和第二格子砖蓄热体，有效提高了气流的传热效果与格子砖的利用率。鉴于燃烧过程集中在无焰燃烧室中完成，其下的空间就是蓄热室与冷风室，这样就极大地节省了热风炉的空间，有效降低了热风炉的制作成本。显然，采用这种多孔体中无焰燃烧方式既提高了燃烧过程的完全程度而省去了燃烧室，又实现了一定程度的自身预热（主要在送风转为燃烧的初期）而省去了煤气与空气的预热装置。因此，该热风炉相对于其他采用气体燃烧类型的燃烧器的热风炉，在简单的结构下实现了预混气流多孔体中高温预热与高强度燃烧的燃烧方式、改善蓄热室格子砖的传热与蓄热效果，从而在同等条件下实现热风温度的大幅提升。
附图说明
图1为本发明的剖面主视图。
图2为本发明图1中A-A部截面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1-图2给出，本发明的结构是，钢制外壳内装有不同规格的耐火材料砌筑而成的瓶状结构承压的燃烧容器，燃烧容器由锺罩形的无焰燃烧室1、多孔组合块体19、射流预混器6、锥筒状蓄热室2、圆筒状蓄热室10、圆形杯状的冷风室11、炉箅子14及支撑15组成，无焰燃烧室1内有多孔组合块体19，在无焰燃烧室1的竖直墙体上垂直热风炉轴线方向设置预混气进气管5，预混气进气管通过射流预混器6与煤气进气管7和空气进气管8相连；预混气进气管5在进入无焰燃烧室1空间之前气流通道由圆形截面变化为矩形截面，截面的高宽比为2～4，预混气进气管的进气口内设有分隔导流块16，数目为3～10个；预混气进气管与无焰燃烧室径向夹角为0°～90°；无焰燃烧室1墙体上布置有垂直于热风炉轴线的安装在拱顶上与热风炉同轴心的热风出口管9；无焰燃烧室1下部与锥筒状蓄热室2对接，锥筒状蓄热室中装填有第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3（又称抗粘附耐高温蓄热格子砖），第一耐高温防粘附格子砖蓄热体的格孔是上部直径大而下部直径小的锥孔结构，上下孔径差为3～10mm，格孔的孔间距与格孔直径之比≤1.75，第一耐高温防粘附格子砖蓄热体上有与格孔之间互通的沟槽或圆形凹槽，构成格孔与格孔之间互通结构，锥筒状蓄热室2下面为圆筒状蓄热室10，圆筒状蓄热室内堆砌有与第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3结构相同的第二格子砖蓄热体4，用粘土质耐材制作，耐温程度控制在≤800℃，圆筒状蓄热室10下面是冷风室11，冷风室墙体上接有烟气排出管12和冷风进口管13；第二格子砖蓄热体4置于炉箅子14上，炉箅子下部有支撑炉箅子的支柱15，支柱固定在热风炉的刚性底座上，蓄热体能起到烟气流的均压均流作用和增强传热的作用。
所述的多孔组合块体19是由耐高温陶瓷材料（800-1400℃）烧制而成的蜂窝管状结构，孔径为10～18mm，孔隙率≥50%，该多孔组合块体的管状孔的流通保持从上到下的方向，以便与下部格子砖孔的放置方向一致；所述的预混气进气管5为1～9个，小型热风炉个数少，大型热风炉个数多；在采用多个预混气进气管5时，为均匀对称排列，相连接的射流预混器6的个数也对应增加；所述的射流预混器6为同心渐缩套管结构，以实现煤气、空气互引射混合，引射流速为40～50m/s，以保证两种气流的快速对流混合且互不串风，防止煤气或空气倒灌进入空气或煤气管路；所述的无焰燃烧室1与锥筒状蓄热室2之间，以及锥筒状蓄热室2与圆筒状蓄热室10之间，分别采用无应力相互作用的迷宫结构17、18实现相互连接，这样无焰燃烧室1和锥筒状蓄热室2均须借助支撑环将其重力作用在炉壳侧壁上，而圆筒状蓄热室10的重量则支撑在热风炉的刚性底座上，无焰燃烧室、锥筒状蓄热室和圆筒状蓄热室三者之间在轴线方向均可实现上下自由滑移；所述的圆筒状蓄热室10中的炉箅子14之上堆砌的第二格子砖蓄热体4和第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3为锥形格孔，且格孔互通，孔径为φ15～φ30mm，格孔的截面为圆形或正六边形，其选择与热风炉大小、蓄热室直径、以及送风要求相关；所述的无焰燃烧室1的侧壁上有热风出口管9，热风出口管的中心线与热风炉轴线垂直；为了减小热风出口管内应力对无焰燃烧室的作用，热风出口管9与无焰燃烧室的连接为无应力迷宫式连接。
本发明的外形为上小下大圆形瓶状结构，包含上部锺罩形无焰燃烧室1，其内被多孔组合块体19充填，多孔组合块体采用蜂窝管状结构，该组合块体设置成管状，孔的流通方向为从上到下，与其下的格子砖砖孔流动方向一致，能使气流在其中进一步混合、预热而着火燃烧，形成均匀向下的高温烟气流；无焰燃烧室1墙体上布置垂直热风炉轴线的预混气进气管5，其通过射流预混器6与煤气进气管7和空气进气管8相连；无焰燃烧室1墙体上还布置垂直热风炉轴线的热风出口管9；预混气进气管5在进入无焰燃烧室1前由圆形截面变化为矩形截面，且带有一定的旋切角度；无焰燃烧室1与其下的锥筒状蓄热室2连接，其中充分装填第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3，是由单位换热面积较大的格子砖组成，格孔是上部直径大而下部直径小的锥形结构或异型结构、格孔截面为圆形或正六边形等异形结构，格孔直径小于孔间距、孔与孔间有互通的结构，以完成烟气流的均压均流作用；第一耐高温防粘附格子砖蓄热体也可以用耐高温的异型耐火球，其直径为60～100mm；锥筒状蓄热室2与其下的圆筒状蓄热室10对接，其内堆砌与上述结构相同的第二格子砖蓄热体4，用粘土质耐材制作，耐温程度≤800℃；其下再连接圆形杯状的冷风室11，墙体上接有烟气排出管12，冷风进口管13；第二格子砖蓄热体是放置在炉箅子14上，其下有支撑炉箅子的支柱15，固定在热风炉的刚性底座上。无焰燃烧室1与其下的锥筒状蓄热室2之间，以及锥筒状蓄热室2与其下的圆筒状蓄热室10，之间分别采用无应力相互作用的迷宫结构17、18实现相互连接，这样无焰燃烧室1和锥筒状蓄热室2均须借助支撑环将其重力作用在炉壳侧壁上，而圆筒状蓄热室10的重量则支撑在炉壳底板上，于是三者之间在轴线方向均可实现上下自由滑移。圆筒状蓄热室10中炉箅子14之上堆砌的第二格子砖蓄热体4、第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3的结构是锥形格孔且格孔互通的格子砖，其孔径为φ15～φ30mm，也可以是其它蜂窝状陶瓷结构，即小孔为正六边形或梅花形等，其选择与热风炉大小、蓄热室直径、以及送风要求相关。热风出口管9是布置在无焰燃烧室1的侧壁上，其中心线与热风炉轴线垂直；为了减小热风管内应力对无焰燃烧室的作用，热风出口管9与其间的连接也采用无应力相关的类似迷宫连接的方式。
使用上述热风炉时，煤气与空气分别从煤气进气管7和空气进气管8进入，经过射流预混器6后变为预混气流，再通过预混气进气管5以低旋流方式进入无焰燃烧室1，在其充填的多孔组合块体中预热而迅速完全燃烧，并形成均匀的高温气流向下进入锥筒状蓄热室2内的第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3中，继而以均匀的气流分布进入其下部圆筒状蓄热室10的第二格子砖蓄热体4中，在充分均匀地换热之后进入冷风室11，由烟气排出管12进入与热风炉的后部相连接的换热装置或直接进入烟道。燃烧阶段结束后，进入送风阶段，高压冷风从冷风进口管13进入，经冷风室后流入圆筒状蓄热室10的第二格子砖蓄热体4中，在其中经格孔互通格子砖的调压均流作用而变得分布均匀，再流经锥筒状蓄热室2内的第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3中，部分流经无焰燃烧室1中充填的多孔组合块体而从侧面的热风出口管9流出。
鉴于第一耐高温防粘附格子砖蓄热体3接近无焰燃烧室1，且是残余煤气燃烧的场所，温度接近燃烧温度，于是热风温度就能更加接近燃烧温度，使得在低热值煤气燃烧下获得高的热风温度。由于送风阶段热风会流经无焰燃烧室中的多孔组合块体，使其温度逐步达到热风温度，并借助多孔组合块体本身的质量而储蓄部分热量，当转入燃烧阶段时这部分热量就成为初期预热预混气流的热量，从而使得燃烧过程具有了自身预热高强度燃烧的特征，这就有效提高了初期燃烧过程的燃烧温度并能快速使燃烧过程在较高的温度下进行，有利于在相应的燃烧时间内将格子砖蓄热体烧透（储蓄更多的热量）。这也就保证了送风过程达到稳定而持续输送高风温的效果。
总之，本发明应用射流混合原理实现进入燃烧室气流的快速预混合，利用多孔体完成预混气流的自身预热与迅速完全燃烧，在不需任何燃烧空间下直接进入充填格子砖的蓄热室中完成气流与格子砖的高效传热。本发明以简单而合理的结构，有效地提高了燃烧器煤气与空气间的混合效果、克服气体燃烧空间混合不均、燃烧不完全、火焰不稳定、燃烧强度难提高、燃烧气流速度分布不均匀、气流结构不可控等关键问题，有效地保证了热风炉能够高效、高温、均速、高热强度、且安全与稳定地运行；继而实现节省燃料、节约投资、降低废气温度与排放量、减少环境污染的良好的经济效益与社会效益。
Claims (7)
1.一种煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，钢制外壳内装有不同规格的耐火材料砌筑而成的瓶状结构承压的燃烧容器，燃烧容器由锺罩形的无焰燃烧室（1）、多孔组合块体（19)、射流预混器（6）、锥筒状蓄热室（2）、圆筒状蓄热室（10）、圆形杯状的冷风室（11）、炉箅子（14）及支撑（15）组成；无焰燃烧室（1）内有多孔组合块体（19)，在无焰燃烧室（1）的竖直墙体上垂直热风炉轴线方向设置预混气进气管（5），预混气进气管通过射流预混器（6）与煤气进气管（7）和空气进气管（8）相连；预混气进气管（5）在进入无焰燃烧室（1）空间之前气流通道由圆形截面变化为矩形截面，截面的高宽比为2～4，预混气进气管的进气口内设有分隔导流块（16），数目为3～10个；预混气进气管与无焰燃烧室径向夹角为0°～90°；无焰燃烧室（1）墙体上布置有垂直于热风炉轴线的安装在拱顶上与热风炉同轴心的热风出口管（9）；无焰燃烧室（1）下部与锥筒状蓄热室（2）对接，锥筒状蓄热室中装填有第一耐高温防粘附格子砖蓄热体（3）；第一耐高温防粘附格子砖蓄热体的格孔是上部直径大而下部直径小的锥孔结构，上下孔径差为3～10mm，格孔的孔间距与格孔直径之比≤1.75，第一耐高温防粘附格子砖蓄热体上有与格孔之间互通的沟槽或圆形凹槽，构成格孔与格孔之间互通结构；锥筒状蓄热室（2）下面为圆筒状蓄热室（10），圆筒状蓄热室内堆砌有与第一耐高温防粘附格子砖蓄热体（3）结构相同的第二格子砖蓄热体（4），用粘土质耐材制作，耐温程度控制在≤800℃；圆筒状蓄热室（10）下面是冷风室（11），冷风室墙体上接有烟气排出管（12）和冷风进口管（13）；第二格子砖蓄热体（4）置于炉箅子（14）上，炉箅子下部有支撑炉箅子的支柱（15），支柱固定在热风炉的刚性底座上。
2.根据权利要求1所述的煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的多孔组合块体（19）是由耐高温陶瓷材料烧制而成的蜂窝管状结构，孔径为10～18mm，孔隙率≥50%，该多孔组合块体的管状孔的流通保持从上到下的方向，以便与下部格子砖孔的放置方向一致。
3.根据权利要求1所述的煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的预混气进气管（5）为1～9个，在采用多个预混气进气管（5）时，为均匀对称排列，相连接的射流预混器（6）的个数也对应增加。
4.根据权利要求1所述的煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的射流预混器（6）为同心渐缩套管结构，以实现煤气、空气互引射混合，引射流速为40～50m/s，保证两种气流的快速对流混合且互不串风，防止煤气或空气倒灌进入空气或煤气管路。
5.根据权利要求1所述的煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的无焰燃烧室（1）与锥筒状蓄热室（2）之间，以及锥筒状蓄热室（2）与圆筒状蓄热室（10）之间，分别采用无应力相互作用的迷宫结构（17、18）实现相互连接，这样无焰燃烧室（1）和锥筒状蓄热室（2）均借助支撑环将其重力作用在炉壳侧壁上，圆筒状蓄热室（10）的重量支撑在热风炉的刚性底座上，无焰燃烧室、锥筒状蓄热室和圆筒状蓄热室三者之间在轴线方向均实现上下自由滑移。
6.根据权利要求1所述的煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的圆筒状蓄热室（10）中的炉箅子（14）之上堆砌的第二格子砖蓄热体（4）和第一耐高温防粘附格子砖蓄热体（3）为锥形格孔，格孔互通，孔径为φ15～φ30mm，格孔的截面为圆形或正六边形。
7.根据权利要求1所述的煤气与空气射流混合多孔体中预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的无焰燃烧室（1）的侧壁上有热风出口管（9），热风出口管的中心线与热风炉轴线垂直，热风出口管（9）与无焰燃烧室的连接为无应力迷宫式连接。
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