CN102719584B - 煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，有效解决混合速率低、不均匀，燃烧强度低、不完全，需大的燃烧室空间和复杂的燃烧器问题，燃烧室墙体上有热风出口管和混合气流进气管，内壁中有和混合气流进气管连通的分配环道，分配环道内侧上有和燃烧室墙体内的燃烧室连通的喷嘴，燃烧室下部的蓄热室的下部有置于冷风室的炉箅子，蓄热室内有蓄热体，炉箅子下部有固定在炉底上的支撑柱，炉箅子、热风炉墙体与炉底构成冷风室，冷风室上有烟气出口管和冷风进口管，热风炉墙体上部和燃烧室墙体下部有迷宫连接结构，该热风炉采用简单的套筒燃烧器借助于蓄热体，实现了高强度燃烧，结构简化与紧凑，投资费用节省，热风炉结构稳定。

Description

煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉

技术领域

本发明涉及用于为高炉提供高温鼓风的一种煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉。

背景技术

在目前使用的热风炉中,有一类带套筒式燃烧器的顶燃式热风炉，因其套筒燃烧器的结构与布置，既不能很好完成煤气与空气气流的良好混合，又使得进入燃烧室的气流旋转上行后折返向下，呈不均匀的分布而进入蓄热室。因此，这样一种流动燃烧模式总是存在混合不均、燃烧不完全、燃烧室空间利用不当、气流分布不均匀等问题。如果热风炉燃烧室与蓄热室中的气流组织安排不当（流速选择、气流分配与控制、旋流状态的应用等），就会导致燃烧室中燃烧气流的特征变化大、气流不稳定、燃烧强度低，也会引起蓄热室中气流分布不均，降低传热效果与蓄热体的利用率。如果从高炉热风炉节能降耗上考虑，要求在燃烧低热值高炉煤气下获得高性能和高效益，而最终达到高效、节能、环保、增产的目的，对这类热风炉进行恰当的结构改进，使其能完成强化燃烧过程与增强传热过程，并有机地结合起来才能达到上述的目标。

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预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，可有效解决原套筒燃烧器配合燃烧室完成煤气与空气燃烧室混合燃烧时容易出现的诸多问题，诸如煤气与空气混合速率低、混合不均匀，以及由此导致的燃烧强度低、燃烧不完全、气流分布不均，以及需要较大的燃烧室空间和复杂的燃烧器结构等问题。

本发明解决的技术方案是，包括燃烧室墙体、燃烧室、蓄热体、混合气流进气管、混合气流分配环道、混合气流水平喷嘴、热风炉墙体、蓄热室、炉箅子及其支撑柱、冷风室、烟气出口管、冷风进口管、热风出口管、炉底及燃烧室与蓄热室墙体间的迷宫连接结构，燃烧室墙体是由上面的球形或椭球形拱顶和下面的圆筒体组合构成，燃烧室墙体内的空间为燃烧室，燃烧室墙体的圆筒体上垂直其轴线布置有热风出口管和混合气流进气管，燃烧室墙体的圆筒体内壁中有和混合气流进气管连通的混合气流分配环道，混合气流分配环道内侧上部垂直装有和燃烧室相连通的混合气流水平喷嘴，燃烧室的下部有蓄热室，蓄热室的下部有置于冷风室的炉箅子，蓄热室内有自炉箅子向上面堆砌至燃烧室内的蓄热体，蓄热体由下部蓄热体、堆放在燃烧室中的上部锥形蓄热体构成，蓄热体是由格子砖堆砌而成，格子砖的结构是，砖体的外形为阶梯状六棱柱体，纵截面为倒“T”形，砖体的下端表面为大端面，砖体的上端表面由小端面和小端面外周相连的环形端面构成，大端面和小端面呈正六边形，砖体的上端表面和下端表面上有按正三角形排列的上、下连通的通孔，大端面上以砖体中心的通孔为中心，开设有正六边形的中心凹槽，中心凹槽的周边连通有开在大端面上的定位凹槽，小端面上设置有和定位凹槽上、下相对应或相间的定位凸块，炉箅子下部有固定在炉底上的支撑柱，炉箅子、热风炉墙体与炉底构成的空间为冷风室，冷风室的侧墙上有烟气出口管和冷风进口管，热风炉墙体的上部和燃烧室墙体的下部有插入或重叠式的相互滑移的迷宫连接结构。

使用该热风炉能实现从燃烧器出来进入燃烧室的煤气与空气混合气流，沿着燃烧室墙体内的混合气流环道，并经均布的水平喷嘴喷射到锥形蓄热体（又称上部锥形蓄热体）上，于是气流沿着锥面倾斜向上运动，在被其预热到着火温度而迅速燃烧，燃烧着的气流大部分进入锥形蓄热体中，一小部分向上后沿燃烧室拱顶折返形成高温烟气回流涡旋，返回后又对进入燃烧室的混合气气流进行预热，在燃烧过程中起到自预热的火焰稳定器的作用；锥形蓄热体由耐高温防黏附的格子砖堆砌而成，其中的格孔（又称通孔）沿热风炉轴向组成通道，于是燃烧着的气流在其中就会进一步快速而稳定地完成燃烧过程，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；这样就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充分混合后预热且快速而高强度燃烧方式。鉴于燃烧过程集中在燃烧室和锥形蓄热体中完成，这样就极大地节省了热风炉的燃烧空间，有效降低其制作成本。显然，采用这种蓄热体中完成燃烧过程的燃烧方式，既提高了燃烧的完全程度和燃烧温度又缩小了燃烧室空间，且还能达到一定程度的借助气流折返回流而实现局部的自身预热。由于燃烧空间的缩小、燃烧强度的提高以及自预热环境，燃烧温度会有效提高，进而也有效提升上部蓄热体的温度，为提供高风温创造了极为有利的条件。如果蓄热体是由通孔之间也互通的格子砖组成，因其对气流的调压均流作用比较强，能有效提高了蓄热体的利用率和增强热交换过程，蓄热室的空间高度也会因此而降低。尤其是在热风炉的送风阶段，通孔之间互通的格子砖蓄热体的调压均流作用对于改善冷风气流分布的均匀性效果更为明显。因此，该热风炉相对于其他类型的热风炉而言，采用简单的套筒燃烧器而借助于锥形堆砌于燃烧室中的蓄热体，实现了预混气旋流上行拱顶折返形成回流预热的高强度燃烧，并结合蓄热体的高效率传热，就能极大地改善了热风炉的热工性能，为实现热风炉的高效、高风温、与节能环保提供保障。此外，结构的进一步的简化与紧凑不仅会带来了投资费用的节省，也为热风炉结构的稳定提供了基础条件。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图。

图2为本发明图1的A-A向剖面图。

图3为本发明格子砖的结构仰视图。

图4为本发明图3的B-B向结构剖视图。

图5为本发明格子砖的结构俯视图。

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5给出，本发明包括燃烧室墙体1、燃烧室2、蓄热体、混合气流进气管3、混合气流分配环道4、混合气流水平喷嘴4a、热风炉墙体5、蓄热室6、炉箅子8及其支撑柱9、冷风室10、烟气出口管11、冷风进口管12、热风出口管13、炉底14及燃烧室与蓄热室墙体间的迷宫连接结构15，燃烧室墙体1是由上面的球形或椭球形拱顶和下面的圆筒体组合构成，燃烧室墙体内的空间为燃烧室2，燃烧室墙体的圆筒体上垂直其轴线布置有热风出口管13和混合气流进气管3，燃烧室墙体的圆筒体内壁中有和混合气流进气管3连通的混合气流分配环道4，混合气流分配环道内侧上部垂直装有和燃烧室相连通的混合气流水平喷嘴4a，燃烧室的下部有蓄热室6，蓄热室的下部有置于冷风室的炉箅子8，蓄热室6内有自炉箅子8向上面堆砌至燃烧室内的蓄热体，蓄热体由下部蓄热体7b、堆放在燃烧室中的上部锥形蓄热体7a构成，蓄热体是由格子砖堆砌而成，格子砖的结构是，砖体16的外形为阶梯状六棱柱体，纵截面为倒“T”形，砖体的下端表面为大端面17，砖体的上端表面由小端面18和小端面外周相连的环形端面19构成，大端面和小端面呈正六边形，砖体的上端表面和下端表面上有按正三角形排列的上、下连通的通孔20，大端面上以砖体中心的通孔为中心，开设有正六边形的中心凹槽21，中心凹槽的周边连通有开在大端面上的定位凹槽22，小端面上设置有和定位凹槽上、下相对应或相间的定位凸块23，炉箅子8下部有固定在炉底14上的支撑柱9，炉箅子8、热风炉墙体5与炉底14构成的空间为冷风室10，冷风室的侧墙上有烟气出口管11和冷风进口管12，热风炉墙体5的上部和燃烧室墙体1的下部有插入或重叠式的相互滑移的迷宫连接结构15。

所述的燃烧室墙体1为金属外壳内壁上砌筑耐1300℃～1500℃的耐火材料层构成，耐火材料层由重质耐材（如硅砖或红柱石高铝砖）为内层、轻质耐材（如轻质硅砖或高铝聚轻砖）为外层，外层外面上有陶瓷纤维棉，陶瓷纤维棉外面上有喷涂层（喷涂层由耐火材料颗粒、粉剂及水泥混合喷射在炉壳上形成，为现有技术）组合在一起构成；所述的混合气流进气管3是金属管内壁上用抗热震性强的耐火材料（如红柱石高铝砖或抗热震砖，以下同）砌筑成的圆形通道，混合气流分配环道4设置在燃烧室墙体内，截面为矩形，混合气流分配环道的外墙面与混合气流进气管3相通，内侧面沿周向均匀设置有开口于燃烧室的混合气流水平喷嘴4a，喷嘴部位采用抗热震性强的耐火材料砌筑；所述的热风出口管13是用耐高温且性能稳定的耐火材料（如低蠕变高铝砖、红柱石高铝砖）等砌筑而成；所述的炉箅子8是由耐热铸铁制成的多孔体，置于同是耐热铸铁制成的支撑柱9上，支撑柱置于冷风室10内的圆盘形的炉底14之上；所述的热风炉墙体5是在金属外壳内壁上由耐火材料（从上到下分别为硅质砖或红柱石质砖、高铝质耐火砖、粘土质耐火砖）砌筑而成的圆筒体，热风炉墙体内自上向下有蓄热室6、炉箅子、支撑柱9和冷风室；所述的蓄热体的通孔20是截面形状为圆形或六边形的圆筒形或锥形，中心凹槽21开在大端面上和周边上的通孔及砖体中心的通孔相连通，底小口大，深度为20mm，与中心凹槽相连通的定位凹槽22为棱形槽体，定位凹槽至少有3个，相间布置在大端面上，每个定位凹槽内顶点的通孔均和中心凹槽顶点的通孔呈重合状，定位凸块23的顶部小于定位凹槽的底部，定位凸块的底部小于定位凹槽的开口部，中心凹槽与定位凹槽相互连通，大端面17的面积等于小端面18与环形端面19的面积之和；所述的蓄热体由格子砖堆砌而成，格子砖从上到下分别为硅质、红柱石高铝质、以及红柱石粘土质的格子砖；所述的烟气出口管11和冷风进口管12为金属管内壁上用耐火材料（如粘土砖）砌筑的与热风炉墙体5联成一体的结构，热风炉墙体5的金属外壳与炉底14的金属外壳固定在一起，炉底上设置有加固用的加强筋，并浇筑有耐热混凝土层；所述的迷宫连接结构15置于混合气流进气管与热风出口管的下方；所述的锥形高温蓄热体7a由耐高温防黏附的硅质格子砖（为现有公知技术）堆砌而成。

使用该热风炉时，煤气与空气的混合气流首先通过混合气流进气管3进入混合气流分配环道4，再由混合气流水平喷嘴4a形成高速喷射气流射向燃烧室2中的锥形蓄热体7a，并沿着其倾斜向上的同时向下进入锥形蓄热体7a格子砖的通孔之中，在此过程中气流被格子砖预热而迅速着火而快速完成燃烧过程，还有一部分气流继续向上在拱顶折返而形成燃烧室中的回流涡旋，在循环中自预热中燃烧，成为进入燃烧室的混合气流着火燃烧的火焰稳定器；随着混合气流在锥形蓄热体中完成燃烧过程并产生较高的燃烧温度后，烟气会以均匀分布的流场结构向下进入蓄热室6中的下部蓄热体7b,待完成热交换之后进入冷风室10,并通过烟气出口管离开热风炉。热风炉完成燃烧过程阶段之后进入送风阶段，此时冷鼓风从冷风进口管12进入冷风室10，再通过炉箅子8依次进入蓄热室6中的下部蓄热体7b及锥形蓄热体7a中，并与之进行热交换，吸收热量之后逐步变成热鼓风，并进入燃烧室2，再通过热风出口管13送往高炉。上述的燃烧阶段与送风阶段在一座热风炉中交替地进行，形成周期性的运行状态。当两座以上的热风炉交替地完成燃烧阶段与送风阶段时，可以实现连续不断地向高炉输送热鼓风。通常热风炉是三座或四座组成一个连续向高炉送风的热风炉系统，以更稳定的方式向高炉提供热鼓风。

对于这种格子砖而言，当格子砖相互堆砌或码放组成蓄热体时,其相互的定位是采用正三角形布置定位凸块与定位凹槽相互配合的结构，其定位凸块与定位凹槽的截面为两个正三边形组成的棱形，其棱边也就是相邻四个通孔中心的连线，由于通孔的存在，定位凹槽与定位凸块是没有四角的棱形。在设计上定位凹槽是开口面大而底面小，定位凸块是顶面小而底面大；为了定位凹槽与定位凸块之间的配合，定位凹槽的底面要大于定位凸块的顶面，而定位凹槽的开口面要大于定位凸块的底面。由于六边形中心凹槽的顶点与定位凹槽的内顶点是共用的，因而使得与定位凹槽相连通的通孔也与中心凹槽的通孔相互连通。

将这样的格子砖采用错位排列的方式堆放，除有效保证了堆放的结构稳定外，还因格子砖的中心凹槽和阶梯形格子砖堆砌出来的六边形的环形槽的存在，实现了从上到下通孔之间气流的互通，从而有效调节了气流的压力分布，达到了格子砖蓄热体中气流流动的均匀性。由于气流流场在这种格子砖堆砌体中的流动要比没有中心凹槽和环形槽的格子砖中的流动在气流的分布上变得更加均匀，且通孔中的流型也更为复杂，因而除蓄热体的有效利用率得到有效提高外，气流与通孔间的传热得到显著增强。更主要的是格子砖内流动的多样性（指流动方向），为在格子砖中实现超绝热燃烧温度创造了有利条件。

在使用时采用一种堆放形式放置在蓄热室中的，为了堆放的稳定性，这里采用凡三块拼接格子砖的上面对中放置一块格子砖，其六个侧面分别与下面三块格子砖的六个侧面对应平行，这也就是下一层砖与上一层砖的堆放是按这种错位方式放置的，而堆放的定位是由定位凸块与定位凹槽的相互咬合而最终实现的。如果定位凸块与定位凹槽有相差60°的错位，此时错位堆放就可以在三层格子砖之间交替进行，有利于堆砌结构的稳定性。如果定位凸块与定位凹槽是对应设置，此时错位堆放就是在两层格子砖之间交替进行；其堆砌的稳定性仍然能保证。由于本发明格子砖的纵截面是阶梯形状（即倒“T”形），对齐的结果就形成一个连一个正六边形的环形水平通道，再加上中心凹槽的作用，格子砖通孔的相互连通的效果就非常好，且通孔的气流通道就更加复杂。

具体实施时，格子砖将按上述方式堆砌在热风炉中，在燃烧周期烟气流将进入格子砖组成的蓄热体，此时通孔相互连通的状态会使得通过相邻通孔的气流的压力逐步趋于平衡，对应的速度分布就会逐步变得均匀。由于这种通过凹槽与连通的六边形环道而实现的通孔气流互通的作用，以及锥形通孔的应用，不仅提高了格子砖的通孔率，而且会产生一种复杂的管槽内流动模式，除了有助于调节气流压力和均匀流速外，还能使得烟气中的粉尘因惯性力作用而向通孔中心部位集中，以保证其顺利进入下层格子砖孔，避免凹槽中粉尘的堆积与粘结；同时，这种复杂的流态也使其与通孔之间的对流换热过程得以显著的强化，有利于减低蓄热体的整体高度。

在送风周期使用这种带中心凹槽的阶梯型格子砖，其作用尤为突出。由于受到结构限制在冷风送入热风炉的过程中，冷风室根本起不到均匀气流分布的作用，当不均匀气流从下部进入格子砖之后，只能经过格子砖的凹槽与连通的六边形环道而实现通孔气流的互通而产生复杂的混合流动，从而将蓄热体断面上的气流分布逐步地变得均匀，进而提高格子砖的利用率和增强气流与格子砖之间的传热。这样无论在送风周期还是在燃烧周期，带中心凹槽的阶梯型格子砖都能在改变气流分布的基础上使之得到充分而有效的利用并发挥其强化传热的作用。

由上可知，本发明所述的热风炉采用煤气与空气的混合气流经混合气流分配环道4上均匀布置的混合气流水平喷嘴4a水平喷射进入燃烧室中放置的锥形蓄热体中经其预热而着火燃烧的多孔蓄热体中完成燃烧过程的燃烧模式，实现了上部蓄热体既是燃烧空间又是蓄热-换热的空间，更加简化和紧凑了燃烧室结构，同时上部蓄热体中燃烧自预热温度高容易出现局部超焓燃烧过程，有助于提高局部燃烧温度，由于部分燃烧过程在上部蓄热体中完成，高温烟气与蓄热体之间的传热温差在强辐射作用下会变得很小，这对于提升热风温度十分有效。如果对蓄热体用的格子砖采用通孔互通的结构，因有效调整了气流的均匀性而提高了蓄热体的通气率和利用率。显然，使用这种结构的热风炉能够有效实现热风炉的高效、高温、均速、高热强度、且安全与稳定地运行，继而达到节省燃料、节约投资、降低废气温度与有害气体的排放量、减少环境污染的良好效果。

Claims (10)

1.一种煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，包括燃烧室墙体（1）、燃烧室（2）、蓄热体、混合气流进气管（3）、混合气流分配环道（4）、混合气流水平喷嘴（4a）、热风炉墙体（5）、蓄热室（6）、炉箅子（8）及其支撑柱（9）、冷风室（10）、烟气出口管（11）、冷风进口管（12）、热风出口管（13）、炉底（14）及燃烧室与蓄热室墙体间的迷宫连接结构（15），其特征在于，燃烧室墙体（1）是由上面的球形或椭球形拱顶和下面的圆筒体组合构成，燃烧室墙体内的空间为燃烧室（2），燃烧室墙体的圆筒体上垂直其轴线布置有热风出口管（13）和混合气流进气管（3），燃烧室墙体的圆筒体内壁中有和混合气流进气管（3）连通的混合气流分配环道（4），混合气流分配环道内侧上部垂直装有和燃烧室相连通的混合气流水平喷嘴（4a），燃烧室的下部有蓄热室（6），蓄热室的下部有置于冷风室的炉箅子（8），蓄热室（6）内有自炉箅子（8）向上面堆砌至燃烧室内的蓄热体，蓄热体由下部蓄热体（7b）、堆放在燃烧室中的上部锥形蓄热体（7a）构成，蓄热体是由格子砖堆砌而成，格子砖的结构是，砖体（16）的外形为阶梯状六棱柱体，纵截面为倒“T”形，砖体的下端表面为大端面（17），砖体的上端表面由小端面（18）和小端面外周相连的环形端面（19）构成，大端面和小端面呈正六边形，砖体的上端表面和下端表面上有按正三角形排列的上、下连通的通孔（20），大端面上以砖体中心的通孔为中心，开设有正六边形的中心凹槽（21），中心凹槽的周边连通有开在大端面上的定位凹槽（22），小端面上设置有和定位凹槽上、下相对应或相间的定位凸块（23），炉箅子（8）下部有固定在炉底（14）上的支撑柱（9），炉箅子（8）、热风炉墙体（5）与炉底（14）构成的空间为冷风室（10），冷风室的侧墙上有烟气出口管（11）和冷风进口管（12），热风炉墙体（5）的上部和燃烧室墙体（1）的下部有插入或重叠式的相互滑移的迷宫连接结构（15）。

2.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的燃烧室墙体（1）为金属外壳内壁上砌筑耐1300℃～1500℃的耐火材料层构成，耐火材料层由重质耐材为内层、轻质耐材为外层，外层外面上有陶瓷纤维棉，陶瓷纤维棉外面上有喷涂层组合在一起构成。

3.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的混合气流进气管（3）是金属管内壁上用抗热震性强的耐火材料砌筑成的圆形通道，混合气流分配环道（4）设置在燃烧室墙体内，截面为矩形，混合气流分配环道的外墙面与混合气流进气管（3）相通，内侧面沿周向均匀设置有开口于燃烧室的呈水平状的混合气流水平喷嘴（4a），喷嘴部位采用抗热震性强的耐火材料砌筑。

4.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的热风出口管（13）是用耐高温且性能稳定的耐火材料砌筑而成。

5.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的炉箅子（8）是由耐热铸铁制成的多孔体，置于同是耐热铸铁制成的支撑柱（9）上，支撑柱置于冷风室（10）内的圆盘形的炉底（14）之上。

6.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的热风炉墙体（5）是在金属外壳内壁上由耐火材料砌筑而成的圆筒体，热风炉墙体内自上向下有蓄热室（6）、炉箅子、支撑柱（9）和冷风室。

7.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的蓄热体的通孔（20）是截面形状为圆形或六边形的圆筒形或锥形，中心凹槽（21）开在大端面上和周边上的通孔及砖体中心的通孔相连通，底小口大，深度为20mm，与中心凹槽相连通的定位凹槽（22）为棱形槽体，定位凹槽至少有3个，相间布置在大端面上，每个定位凹槽内顶点的通孔均和中心凹槽顶点的通孔呈重合状，定位凸块（23）的顶部小于定位凹槽的底部，定位凸块的底部小于定位凹槽的开口部，中心凹槽与定位凹槽相互连通，大端面（17）的面积等于小端面（18）与环形端面（19）的面积之和。

8.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的烟气出口管（11）和冷风进口管（12）为金属管内壁上用耐火材料砌筑的与热风炉墙体（5）联成一体的结构，热风炉墙体（5）的金属外壳与炉底（14）的金属外壳固定在一起，炉底上设置有加固用的加强筋并浇筑有耐热混凝土层。

9.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，所述的迷宫连接结构（15）置于混合气流进气管与热风出口管的下方。

10.根据权利要求1所述的煤气与空气预混气流水平喷射蓄热体预热燃烧的热风炉，其特征在于，上部锥形蓄热体（7a）由耐高温防黏附的硅质格子砖堆砌而成。