CN102607030A - 双蓄热式燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双蓄热式燃烧器，包括成对崁置在炉墙上的高炉煤气烧嘴和助燃空气烧嘴，高炉煤气烧嘴与助燃空气烧嘴分别包括高炉煤气烧嘴砖体与助燃空气烧嘴砖体，其上通向炉内的一端分别布置有煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口，它们的喷射方向相互内倾且相对于水平面呈2～15°夹角。高炉煤气烧嘴砖体和助燃空气烧嘴砖体上朝向炉墙外侧的一端分别设置有煤气烧嘴砖空腔和空气烧嘴砖空腔，其中由内向外布置有厚壁蜂窝陶瓷蓄热体、常规蜂窝陶瓷蓄热体、金属挡栅和管道连接箱。通过上述措施，最终达到有效延缓双蓄热式燃烧器的破损进程、大幅度延长烧嘴砖的使用寿命、改善双蓄热式燃烧器使用性能与加热炉热工性能的目的。

Description

双蓄热式燃烧器

技术领域

本发明涉及工业炉煤气燃烧器，具体地指一种双蓄热式燃烧器。

背景技术

蓄热式燃烧技术通常通过蓄热体蓄热进行烟气余热回收，将燃烧介质预热到800～1100℃，同时在燃烧过程中通过燃烧介质的射流、卷吸烟气而实现高温贫氧燃烧，显著降低燃烧过程中的NOx浓度，具有既节能又环保的技术特点。由于燃烧介质预热温度较高，增加了燃烧介质带入的物理热，因此燃用低热值煤气也能满足工业炉加热的需求。

在国内的钢铁企业中，工业炉采用的燃料主要是企业的副产品煤气。随着企业钢铁产品深加工工序的不断延伸，高热值焦炉煤气需求缺口不断增大，同时低热值高炉煤气则不断富余排放，造成企业能源结构平衡困难和二次能源的严重浪费。针对国内钢铁企业能源结构的现状，蓄热式燃烧技术的应用不仅能够缓解高热值煤气的紧缺状况，同时也促进了资源节约型、环境友好型钢铁企业的建设，推动了钢铁工业的可持续发展。为此，在20世纪90年代，我国大力开发与推广应用蓄热式加热炉，使钢铁企业的低热值燃料得到了高效利用。

然而，蓄热式加热炉实际应用中普遍存在燃烧器破损严重的问题，导致烧嘴四周串气冒火、炉区CO浓度偏高，严重地威胁安全生产，降低加热炉生产作业率。同时，也使加热炉运行维护成本急剧升高，制约了蓄热式加热炉节能经济效益的发挥。因此，在天然气供应宽裕的发达国家，钢铁企业已先后放弃蓄热式加热炉，通过低热值副产煤气发电与采购优质天然气的方式，实现企业煤气的合理利用。但对于煤气平衡矛盾突出、优质天然气供应紧张、燃料消耗大的国内钢铁企业，利用双蓄热式加热炉使用低热值高炉煤气实现钢坯的高温加热仍是维持企业高效生产的主要手段之一。

为此，国内学者从降低双蓄热式燃烧器制作成本、延长燃烧器使用寿命方面开展了系列研究工作。如：专利号为ZL03206838.7的实用新型公开了一种节能环保型分隔式双预热蓄热式燃烧器，其在蓄热式燃烧器体内并列设置有蓄热式空气燃烧器烧嘴和蓄热式煤气燃烧器烧嘴，在炉墙上分开交叉布置，解决了常规双蓄热式燃烧器上下布置时煤气与空气烧嘴砖之间砌筑困难的不足，提高烧嘴砖与炉墙间的密闭性；通过蓄热式空气燃烧器烧嘴和蓄热式煤气燃烧器烧嘴内腔蓄热室高温端与低温端分别装填蜂窝陶瓷蓄热体和陶瓷小球，延长蓄热体使用寿命，提高蓄热效率。专利号为ZL01236401.9的实用新型公开了一种能够适应低热值高炉煤气、低氮氧化物的节能环保型双蓄热式烧嘴，针对常用双蓄热式烧嘴上下布置或水平交叉布置空煤气喷口通道结构存在的炉温高、氮氧化物高、节能环保效果不显著的问题，参考日本FDI型烧嘴多个小喷口高速射流引射炉内烟气的设计原理，通过在烧嘴中心高炉煤气通道周围对称设置至少两对助燃空气通道，每对助燃空气通道喷口与中心高炉煤气通道喷口距离不等，其中距离中心高炉煤气通道较远的助燃空气通道的中轴线呈放射状，倾斜角为5～20°，可推迟其喷出的助燃空气与高炉煤气的混合，达到分级燃烧的目的；通过在助燃空气通道与中心高炉煤气通道入口处设置的蓄热体，实现助燃空气与高炉煤气的双预热。专利号为ZL03206839.5的实用新型公开了一种节能环保型组合式双预热蓄热式燃烧器，通过蓄热式空气燃烧器烧嘴和蓄热式煤气燃烧器烧嘴的平行布置以及在烧嘴间平行布置伸入炉室的电子点火枪设计，保证燃烧的稳定性，并使排烟温度降低至150℃。专利号为ZL03268896.2的实用新型公开了一种圆形蓄热式燃烧器，其针对常规蓄热式燃烧器方形外壳热膨胀不均匀、热震稳定性差、四角部位裂纹剥落严重、使用寿命约为1年等不足，将燃烧器的保温衬和外壳均设计为圆柱形结构，缓解常规方形外壳蓄热式燃烧器热膨胀不均匀引起的裂纹剥落破损进程，燃烧器保温衬与外壳使用寿命预计可达3年，约为常规方形外壳蓄热式燃烧器的3倍。专利号为ZL01236401.9的实用新型公开了一种能够适应低热值高炉煤气、低氮氧化物的节能环保型双蓄热式烧嘴，针对常用双蓄热式烧嘴上下布置或水平交叉布置空煤气喷口通道结构存在的炉温高、氮氧化物高、节能环保效果不显著的问题，参考日本FDI型烧嘴多个小喷口高速射流引射炉内烟气的设计原理，通过在烧嘴中心高炉煤气通道周围对称设置至少两对助燃空气通道，每对助燃空气通道喷口与中心高炉煤气通道喷口距离不等，其中距离中心高炉煤气通道较远的助燃空气通道的中轴线呈放射状，倾斜角为5～20°，可推迟其喷出的助燃空气与高炉煤气的混合，达到分级燃烧的目的；通过在助燃空气通道与中心高炉煤气通道入口处设置的蓄热体，实现助燃空气与高炉煤气的双预热。

由此可见，国内双蓄热式燃烧器的研究主要集中在煤气燃烧的节能环保以及燃烧器自身破损的遏制方面，对于燃烧器使用工况条件的影响均未涉及。然而，双蓄热式加热炉属于宽短型的高产量加热炉，为保证加热炉的供热负荷，双蓄热式燃烧器热负荷高，导致燃烧器体积庞大；同时，为了节省燃烧器布置空间，便于烧嘴布置、降低高温双预热燃烧介质流动阻力，烧嘴喷口与烧嘴砖一般采用方形结构设计，以扩大喷口流通面积，减少烧嘴砖占据炉墙表面积，并减薄烧嘴砖喷口部位壁厚，扩大烧嘴蓄热体内置空间。但大尺寸方形喷口与壁厚减薄的结构，导致喷口结构应力大，结构稳定性与抗应力破损能力下降，同时还导致炉内高温辐射通过喷口对燃烧器高温侧前排蓄热体的直接辐射加热，加剧了前排蓄热体的高温变形、烧蚀与破损，降低了蓄热体的换热性能，提高了流动阻力，为此，在蜂窝陶瓷蓄热体高温侧前端布置有高温性能优良的大壁厚挡火砖，阻隔炉内辐射对高温侧蜂窝陶瓷蓄热体的影响。但是，挡火砖的设置占据了燃烧器的蓄热体内置空间，在烧嘴内布置空间有限的情况下，为了维持内置蓄热体的体积，必然导致烧嘴砖喷口区域壁厚的进一步减薄，这样又进一步降低了烧嘴砖的抗破损能力与燃烧器燃烧特性的稳定。因而，在现有技术基础上，有必要进一步优化双蓄热式燃烧器结构、开发新型双蓄热式燃烧器，提高燃烧器对高温恶劣使用工况的适应性，达到延长使用寿命、改善加热炉热工性能、降低煤气消耗的综合节能目的。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构简单、制作便捷、使用方便、成本低廉、使用寿命长、使用性能稳定的双蓄热式燃烧器。

为实现上述目的，本发明所设计的双蓄热式燃烧器，包括成对嵌置在炉墙上的高炉煤气烧嘴和助燃空气烧嘴，所述高炉煤气烧嘴包括高炉煤气烧嘴砖体，所述助燃空气烧嘴包括助燃空气烧嘴砖体，其特殊之处在于：所述高炉煤气烧嘴砖体和助燃空气烧嘴砖体上通向炉内的一端分别布置有煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口，所述煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口的喷射方向相互内倾且相对于水平面呈2～15°夹角；所述高炉煤气烧嘴砖体和助燃空气烧嘴砖体上朝向炉墙外侧的一端分别设置有煤气烧嘴砖空腔和空气烧嘴砖空腔，所述煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口分别与所述煤气烧嘴砖空腔和空气烧嘴砖空腔连通，所述煤气烧嘴砖空腔和空气烧嘴砖空腔中由内向外依次布置有厚壁蜂窝陶瓷蓄热体、常规蜂窝陶瓷蓄热体、金属挡栅和管道连接箱。这样，通过取消高炉煤气烧嘴与助燃空气烧嘴中的挡火砖，为蜂窝陶瓷蓄热体内置空间与烧嘴砖喷口区域壁厚增加提供条件；通过布置高性能的厚壁蜂窝陶瓷蓄热体与常规的薄壁蜂窝陶瓷蓄热体提高燃烧器蓄热效率和烧嘴砖的抗破损能力。

进一步地，所述煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口的通孔当量直径分别小于或等于高炉煤气烧嘴砖体和助燃空气烧嘴砖体喷口区域壁厚的1/4。这样，可以阻隔90％以上的炉内高温辐射穿透喷口，大幅度降低炉内高温辐射对高温侧前排蜂窝陶瓷蓄热体的不利影响，并提高烧嘴砖体的结构稳定性与抗破损能力。

再进一步地，所述煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口均设置有3～7个。这样，可以减少单个喷口截面积，提高喷口的抗破损能力。

再进一步地，所述煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口呈对称布置结构，且从其对称线向外延伸的煤气烧嘴喷口和空气烧嘴喷口的水平倾角逐渐减小。这样，可以实现高炉煤气与助燃空气的分级混合，提高高炉煤气燃烧效率。

再进一步地，所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体为壁厚2～4mm的刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体。这样，可以提高高温侧前排蜂窝陶瓷蓄热体的高温性能与抗破损能力。

更进一步地，所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体设置有1～3排，所述常规蜂窝陶瓷蓄热体设置有6～9排。这样，可以增大换热面积，提高燃烧器蓄热效率。

本发明的优点在于：通过取消高炉煤气烧嘴和助燃空气烧嘴中的挡火砖，为蜂窝陶瓷蓄热体内置空间和烧嘴砖喷口区域壁厚增加提供条件，提高燃烧器蓄热效率与烧嘴砖抗破损能力。通过高炉煤气喷口与助燃空气喷口的多个通孔设计，且通孔当量直径小于等于相应烧嘴砖喷口区域壁厚的1/4，可以阻隔90％以上的炉内高温辐射穿透喷口，大幅度降低炉内高温辐射对高温侧前排蜂窝陶瓷蓄热体的不利影响，并提高烧嘴砖体的结构稳定性与抗破损能力。通过2～4mm壁厚刚玉莫来石质高性能陶瓷蓄热体的应用，提高高温侧前排蜂窝陶瓷蓄热体的高温性能与抗破损能力。通过上述措施，最终达到有效延缓双蓄热式燃烧器的破损进程、大幅度延长烧嘴砖的使用寿命、改善双蓄热式燃烧器使用性能与加热炉热工性能的目的。

附图说明

图1为一种双蓄热式燃烧器的安装结构示意图。

图中：高炉煤气烧嘴1(其中：高炉煤气烧嘴砖体11、煤气烧嘴喷口12、煤气烧嘴砖空腔13)、助燃空气烧嘴2(其中：助燃空气烧嘴砖体21、空气烧嘴喷口22、空气烧嘴砖空腔23)、炉墙3、厚壁蜂窝陶瓷蓄热体4、常规蜂窝陶瓷蓄热体5、金属挡栅6、管道连接箱7。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

如图1所示的双蓄热式燃烧器，包括成对嵌置在炉墙3上的高炉煤气烧嘴1和助燃空气烧嘴2，高炉煤气烧嘴1包括高炉煤气烧嘴砖体11，助燃空气烧嘴2包括助燃空气烧嘴砖体21。高炉煤气烧嘴砖体11和助燃空气烧嘴砖体21上通向炉内的一端分别布置有3～7个煤气烧嘴喷口12和空气烧嘴喷口22，它们的喷射方向相互内倾且相对于水平面呈2～15°夹角，且从其对称线向外延伸的煤气烧嘴喷口12和空气烧嘴喷口22的水平倾角逐渐减小。同时，煤气烧嘴喷口12和空气烧嘴喷口22的通孔当量直径分别小于或等于高炉煤气烧嘴砖体11和助燃空气烧嘴砖体21喷口区域壁厚的1/4。高炉煤气烧嘴砖体11和助燃空气烧嘴砖体21上朝向炉墙3外侧的一端分别设置有煤气烧嘴砖空腔13和空气烧嘴砖空腔23，煤气烧嘴喷口12和空气烧嘴喷口22分别与煤气烧嘴砖空腔13和空气烧嘴砖空腔23连通，煤气烧嘴砖空腔13和空气烧嘴砖空腔23中由内向外依次布置有厚壁蜂窝陶瓷蓄热体4、常规蜂窝陶瓷蓄热体5、金属挡栅6和管道连接箱7。厚壁蜂窝陶瓷蓄热体4为壁厚2～4mm的刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体。厚壁蜂窝陶瓷蓄热体4设置有2排，常规蜂窝陶瓷蓄热体5设置有6排。

本发明的双蓄热式燃烧器为成对布置，具有结构简单、使用寿命长、性能稳定的优点。其工作过程如下：当某个双蓄热式燃烧器的高炉煤气和助燃空气通过各自的管道连接箱7、金属挡栅6、常规蜂窝陶瓷蓄热体5和厚壁蜂窝陶瓷蓄热体4后，吸收蓄热体的蓄热，分别从煤气烧嘴喷口12和空气烧嘴喷口22射入炉内，实现混合燃烧。

Claims (10)

1.一种双蓄热式燃烧器，包括成对嵌置在炉墙(3)上的高炉煤气烧嘴(1)和助燃空气烧嘴(2)，所述高炉煤气烧嘴(1)包括高炉煤气烧嘴砖体(11)，所述助燃空气烧嘴(2)包括助燃空气烧嘴砖体(21)，其特征在于：所述高炉煤气烧嘴砖体(11)和助燃空气烧嘴砖体(21)上通向炉内的一端分别布置有煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)，所述煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)的喷射方向相互内倾且相对于水平面呈2～15°夹角；所述高炉煤气烧嘴砖体(11)和助燃空气烧嘴砖体(21)上朝向炉墙(3)外侧的一端分别设置有煤气烧嘴砖空腔(13)和空气烧嘴砖空腔(23)，所述煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)分别与所述煤气烧嘴砖空腔(13)和空气烧嘴砖空腔(23)连通，所述煤气烧嘴砖空腔(13)和空气烧嘴砖空腔(23)中由内向外依次布置有厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)、常规蜂窝陶瓷蓄热体(5)、金属挡栅(6)和管道连接箱(7)。

2.根据权利要求1所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)的通孔当量直径分别小于或等于高炉煤气烧嘴砖体(11)和助燃空气烧嘴砖体(21)喷口区域壁厚的1/4。

3.根据权利要求1或2所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)均设置有3～7个。

4.根据权利要求3所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)呈对称布置结构，且从其对称线向外延伸的煤气烧嘴喷口(12)和空气烧嘴喷口(22)的水平倾角逐渐减小。

5.根据权利要求1或2所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)为壁厚2～4mm的刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体。

6.根据权利要求4所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)为壁厚2～4mm的刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体。

7.根据权利要求1或2所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)设置有1～3排，所述常规蜂窝陶瓷蓄热体(5)设置有6～9排。

8.根据权利要求4所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)设置有1～3排，所述常规蜂窝陶瓷蓄热体(5)设置有6～9排。

9.根据权利要求5所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)设置有1～3排，所述常规蜂窝陶瓷蓄热体(5)设置有6～9排。

10.根据权利要求6所述的双蓄热式燃烧器，其特征在于：所述厚壁蜂窝陶瓷蓄热体(4)设置有1～3排，所述常规蜂窝陶瓷蓄热体(5)设置有6～9排。

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