CN103429762A - 炉顶燃烧式热风炉 - Google Patents

Abstract

提供一种炉顶燃烧式热风炉，其具备能够使着火点稳定在燃烧器导管内的理想位置且消除闪烁现象的发生且具有高燃烧效率的燃烧器及燃烧器导管。炉顶燃烧式热风炉(10)包括：蓄热室(4)和具备燃烧器系统且配设于蓄热室(4)的上部的燃烧室(3)，其中，该燃烧器系统包括具备燃料气体管(1c)与燃烧用空气管(1b、1d)的燃烧器(1)以及与燃烧器(1)的燃烧器出口(1a)连通的燃烧器导管(2)，燃烧器导管(2)经由燃烧器导管出口(2b)而与燃烧室(3)连通，从燃烧器导管(2)的中间到燃烧器导管出口(2b)设有燃烧器导管(2)的口径(D1)被扩大的口径扩大部(2c)，经燃烧器导管(2)向燃烧室(3)侧流动的混合气体(MG)的涡流(ED)在该口径扩大部(2c)形成。

Description

炉顶燃烧式热风炉

技术领域

本发明涉及一种特征在于燃烧器系统的炉顶燃烧式热风炉。

背景技术

在使空气在积蓄了热的蓄热室中流通而产生热风并且将该热风向高炉供给的蓄热式热风炉中，有内燃式热风炉及外燃式热风炉等，其中，内燃式热风炉是在圆筒外皮内并列设置有燃烧室和蓄热室，外燃式热风炉是将燃烧室和蓄热室设于单独的圆筒外皮内并且在双方的外皮的一端使两室连通，但是作为具备与该外燃式热风炉同等的性能并且比外燃式热风炉能够减少设备费的蓄热式热风炉，在专利文献1中公开了一种在蓄热室的上方设有通往燃烧器的燃烧室的炉顶燃烧式热风炉。

在此，参照图7的示意图概述现有炉顶燃烧式热风炉的结构。如同图所示，现有炉顶燃烧式热风炉F在蓄热室T的上方配置有燃烧室N，在所谓的燃烧时，使从燃烧器B对该燃烧室N供给的（X1方向）燃料气体和燃烧用空气的混合气体在通过燃烧器导管BD的过程中着火、燃烧成为高温的燃烧气体而流入燃烧室N。在俯视图中该燃烧器导管BD相对于燃烧室N设于多个部位，高温的燃烧气体在燃烧室内一边大幅旋转一边向下方流下，燃烧气体在从蓄热室T流下的过程（X2方向）中，其热被储蓄在蓄热室T中，通过了蓄热室T的燃烧气体经由烟道E排气。需要说明的是，在本说明书中，将燃烧器B和燃烧器导管BD统称为“燃烧器系统”。

另一方面，在向未图示的高炉供给热风的所谓送风时，控制燃烧器导管BD内的截止阀V，使其关闭，经由送风管S将例如150℃左右的空气供给至蓄热室T，空气在蓄热室T内上升的过程中成为例如1200℃左右的热风，该热风经由热风管H向高炉供给（X3方向）。

那么，提高上述的炉顶燃烧式热风炉所装备的燃烧器的燃烧效率，是该技术领域中的重要的要解决的课题之一，但众所周知，要提高该燃烧效率，获得燃料气体和燃烧用空气充分地混合而成的混合气体是不言而喻的，使着火点稳定是极其重要的。需要说明的是，还已知的是，若着火点不稳定，在燃烧器导管内及燃烧室内，着火点就会移动，这成为振动燃烧的原因。

为了实现该着火点的稳定，在专利文献2中公开了一种在燃烧器和燃烧器口（燃烧器导管）之间设置环状的突起，将该突起附近作为着火点而使着火位置稳定的热风炉用气体燃烧器，图8中模拟了该热风炉用气体燃烧器的结构。

由图8可知，经由燃烧器B供给的燃料气体和燃烧用空气，在燃烧器B内或燃烧器导管BD内混合生成混合气体。在燃烧器导管BD内的中间位置设有环状的突起R，通过该突起R将燃烧器导管BD的口径缩小，燃烧器导管BD具有比该突起R更靠气体流动方向的上游侧空间BD1和更靠燃烧室N侧的下游侧空间BD2。

这样，通过在燃烧器导管BD内设置环状的突起R将口径缩小，该突起R附近易于成为着火点，因此，该附近形成所谓火焰稳定部。而且，利用该突起R引发气体的湍流，进一步促进燃料气体和燃烧用空气的混合。

但是，在燃烧器导管BD的中间位置设置如图示所示的突起R而形成火焰稳定部时，由于在上游侧空间BD1的下游侧存在将口径缩小的突起R，假如在上游侧空间BD1内引起着火，则上游侧空间BD1内的气体就会升温而体积急剧地膨胀，因该急剧的气体的体积膨胀，上游侧空间BD1内的压力上升，由此，存在来自燃烧器B的燃料气体及燃烧用空气的供给被阻碍而将导致失燃（失火）的问题。

若气体供给被阻碍而发生失燃，上游侧空间BD1内的压力就会下降，重新开始被阻碍的燃料气体及燃烧用空气的供给而再次着火。

这样，由于在燃烧器导管BD的中间位置设置突起R，会产生反复着火和失燃的所谓闪烁现象，这已成为新的解决课题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:（日本）特公昭48－4284号公报

专利文献2:（日本）特开昭52－89502号公报

发明概要

发明解决的课题

本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于，提供一种炉顶燃烧式热风炉，该炉顶燃烧式热风炉能够使着火点稳定在燃烧器导管内的理想位置，且具备消除了闪烁现象的发生且燃烧效率高的燃烧器系统。

解决课题的手段

为了实现所述目的，本发明的炉顶燃烧式热风炉包括：具备供给热风用空气的送风管的蓄热室，以及具备向高炉供给热风的热风管和燃烧器系统且配设于蓄热室的上部的燃烧室，炉顶燃烧式热风炉利用从燃烧器系统供给到燃烧室的燃料气体和燃烧用空气的混合气体的燃烧使蓄热室升温，并且将热风用空气在通过蓄热室的过程中所生成的热风经由热风管向高炉供给，其中，所述燃烧器系统包括：具备燃料气体管与燃烧用空气管的燃烧器，以及与燃烧器的燃烧器出口连通的燃烧器导管，燃烧器导管经由燃烧器导管出口与燃烧室连通，从燃烧器导管的中间至燃烧器导管出口设有燃烧器导管的口径被扩大的口径扩大部，在该口径扩大部形成经燃烧器导管向燃烧室侧流动的混合气体的涡流。

本发明的炉顶燃烧式热风炉的特征在于，对构成其燃烧器系统的燃烧器导管加以改良，并且具备从燃烧器导管的中间至连通于燃烧室的燃烧器导管出口，燃烧器导管的口径被扩大的口径扩大部，其中燃料气体和燃烧用空气的混合气体流过该口径扩大部时，在此引发涡流，该涡流将邻接的燃烧室内的高温大气卷入，由此将口径扩大部保持在高温，因此，可以将口径扩大部作为火焰稳定部而形成稳定的着火点位置。需要说明的是，在口径扩大部产生的涡流不言而喻是混合气体的涡流，也包含混合气体在该口径扩大部着火而产生的燃烧气体的涡流。

由于口径扩大部面对着燃烧室，因此，在该气体流动的下游侧不存在像现有技术那样口径被缩小的区域，因此，不会产生反复失燃和着火的闪烁现象。

另外，如上所述，由于口径扩大部成为火焰稳定部，因此能够将这里控制为稳定的着火点。

而且，该燃烧器导管的结构为仅将其一部分的口径扩大的极其简单的结构改良，因此制作成本也不会增加。

需要说明的是，从燃烧器供给的燃料气体和燃烧用空气，可以在燃烧器内形成混合气体（所谓预混合方式），也可以在流入燃烧器导管内之后形成混合气体（所谓喷嘴混合）。例如在燃烧器为同心、3孔式的多重管结构且燃料气体和燃烧用空气在各自的管路内流通的方式中，可举出以下方式：各自的管路朝向燃烧器导管侧倾斜，在进入燃烧器导管内之后进行混合的方式；在各自的管路内设有旋转用叶片等，在管路内形成的气体的螺旋流在燃烧器内或燃烧器导管内形成混合气体的方式等。

另外，也可以是在燃烧器导管中的燃烧器出口的附近设有燃烧器导管的口径被缩小的口径缩小部，在该口径缩小部形成燃料气体及燃烧用空气的混合气体的方式。

在本实施方式中，为了进一步促进燃料气体和燃烧用空气的混合，在燃烧器导管的燃烧器出口的附近，即远离燃烧室的位置设有口径缩小部。

作为该口径缩小部的实施方式，和现有技术同样地可以举出环状的突起，但从提高气体的混合性的观点出发，可以采用从燃烧器侧朝向燃烧室侧，其内部空间逐渐缩小的形式的环状的突起等。

另外，所谓“燃烧器出口的附近”，意思是燃烧器出口位置或比设于燃烧器导管的中间的截止阀更靠燃烧器侧的任意的位置，是排除像现有技术那样接近于燃烧室的位置的意思。需要说明的是，即使在燃烧器出口的附近设置口径缩小部，也不会引起在口径缩小部的上游侧的着火，因此不会发生闪烁现象。

根据本实施方式的燃烧器导管，进一步促进了燃料气体和燃烧用空气在口径缩小部的混合，充分地混合后的混合气体导入成为火焰稳定部的口径扩大部并在此着火、燃烧。

另外，在将燃烧器导管的直径设为D时，优选口径扩大部的直到燃烧器导管出口的长度为0.3D～1.4D的范围的实施方式。

本发明的发明者等进行了对现有结构的燃烧器系统和构成本发明的炉顶燃烧式热风炉的燃烧器系统各自的燃烧效率进行比较的实验。

更具体而言，是用未燃烧CO气体量确定燃烧效率的高低的实验，将作为构成本发明热风炉的燃烧器导管的特征结构的口径扩大部的长度即口径扩大部的直到燃烧器导管出口的长度作为参数，分别测定各实验模型中的未燃烧CO气体量。

该实验的结果已证实，将燃烧器导管的直径设为D时，在口径扩大部的直到燃烧器导管出口的长度为0.3D～1.4D的范围内的情况下，未燃烧CO量（比率）最少。

上述实验结果确定了赋予燃烧效率最佳值的口径扩大部的长度范围，而据本发明的发明者等发现，若口径扩大部的长度比1.4D长，则口径扩大部的火焰稳定性能就会下降，着火位置的稳定性就会下降；若口径扩大部的长度比0.3D短，则在燃烧室内大幅旋转的燃烧气体就会成为横风而到达口径扩大部内而成为失燃的原因，从这种观点出发，在本实验中确定的口径扩大部的长度为最佳的长度。

发明效果

从以上说明可以理解，根据本发明的炉顶燃烧式热风炉，在构成作为其构成要素的燃烧器系统的燃烧器导管中，从其中间到连通于燃烧室的燃烧器导管出口设置有口径被扩大的口径扩大部，由此，在燃料气体和燃烧用空气的混合气体流经该口径扩大部时，在此引发涡流，该涡流卷入邻接的燃烧室内的高温大气，由此将口径扩大部保持在高温，因而能够将口径扩大部作为火焰稳定部使着火点稳定，并且能够消除闪烁现象，提高燃烧效率。

附图简要说明

图1是表示本发明的炉顶燃烧式热风炉的一实施方式的示意图，是将混合气体、燃烧气体、热风用空气及热风各自的流动一同进行表示的图。

图2是图1的II－II向视图。

图3是图1的III－III向视图，是将燃烧室内的燃烧气体的流动一同进行表示的图。

图4是燃烧器导管的一实施方式的纵剖面图。

图5是燃烧器导管的另一实施方式的纵剖面图。

图6是表示关于燃烧器导管的口径扩大部的长度和未燃烧CO量的关系的实验结果的曲线图。

图7是表示现有炉顶燃烧式热风炉的一实施方式的示意图，是将混合气体、燃烧气体、热风用空气及热风各自的流动一同进行表示的图。

图8是表示现有燃烧器导管结构的示意图。

发明实施方式

下面，参照附图说明本发明的炉顶燃烧式热风炉的实施方式。

图1是表示本发明的炉顶燃烧式热风炉的一实施方式的示意图，并且是将混合气体、燃烧气体、热风用空气及热风各自的流动一同进行表示的图，图2是图1的II－II向视图，图3是图1的III－III向视图，并且是将燃烧室内的燃烧气体的流动一同进行表示的图。而且，图4是燃烧器导管的一实施方式的纵剖面图。

图1所示的炉顶燃烧式热风炉10在蓄热室4的上方配置有燃烧室3，在该燃烧室3内，从燃烧器1供给的（X1方向）燃料气体和燃烧用空气的混合气体在通过燃烧器导管2的过程中着火，且燃烧成为高温的燃烧气体并流入燃烧室3。此外，由燃烧器1和燃烧器导管2构成燃烧器系统。

如图3所示，俯视图中燃烧器导管2相对于燃烧室3设有4处，各燃烧器导管2的燃烧气体向燃烧室3的流入方向都在不通过俯视时为圆形的燃烧室3的中心O的偏心位置处通到燃烧室3，作为其结果，从各燃烧器导管2流入燃烧室3内的燃烧气体与从其他邻接的燃烧器导管2流入燃烧室3内的燃烧气体发生干涉，各燃烧气体的流动方向被改变，在燃烧室3内形成如图所示的大的燃烧气体的旋转流X4。

该燃烧气体一边如图3所示平面地旋转，一边在纵剖面上形成在图1的X2方向下降的螺旋流，而在蓄热室4中流下，在该流下过程中，其热被储存在蓄热室4中，通过蓄热室4的燃烧气体经由被截止阀7a控制开启的烟道管7排气。而且，在现有结构的炉顶燃烧式热风炉中，为了促进燃烧而促进上述燃烧气体的平面旋转，但由于图示的炉顶燃烧式热风炉10中的燃烧气体的平面旋转主要目的是使该燃烧气体尽可能均匀地向蓄热室4供给，因此，相比现有结构的热风炉的燃烧室，可以将燃烧室3的规模设定为小规模。

如图2所示，燃烧器1为同心、3孔式的多重管路，如图4所示，燃烧用空气A1流经内侧管1c，燃料气体G流经中管1c，另一燃烧用空气A2流经外侧管1d，通过各管路都向燃烧器导管2侧缩径（倾斜），使得这些气体在向燃烧器导管2内流入的阶段相互混合而生成混合气体。此外，流经各管路的燃料气体和燃烧用空气也可以以相反的形式流动，也可以以如下形式流动，即，在各管路内设置旋转弹簧，在气体流经各管路的过程中引发螺旋流，在燃烧器导管内螺旋流彼此混合。

返回图1，在向未图示的高炉供给热风时，控制燃烧器导管2内的截止阀2a、烟道管7内的烟道阀7a为关闭，经由被截止阀6a控制为开启的送风管6将例如150℃左右的高温空气供给至蓄热室4，高温空气在蓄热室4内上升的过程中，形成例如1200℃左右的热风，该热风经由被截止阀5a控制为开启的热风管5向高炉供给（X3方向）。

如图4所示，在燃烧器导管2中设有从其中间至燃烧器导管出口2b其口径D1被扩大的口径扩大部2c（口径D2），经燃烧器导管2向燃烧室3侧流动的混合气体MG在通过该口径扩大部2c的过程中引发涡流ED，该涡流ED卷入邻接的燃烧室3内的高温大气（在图4中参照从燃烧室3朝向口径扩大部2c的箭头），由此，口径扩大部2c保持在高温，因而，口径扩大部2c成为火焰稳定部，该处成为稳定的着火点位置。需要说明的是，在这里形成的涡流ED由混合气体构成，除此之外，在口径扩大部2c，混合气体MG着火而产生的燃烧气体成分也包含在涡流ED中。需要说明的是，如图4所示，在燃烧器导管2中通过将向口径扩大部2c过渡的角部进行倒角（形成锥状），可有助于生成涡流ED，而且，与未倒角的情况相比，能够使该区域中的耐火材料的脱落等显著地减少。

该口径扩大部2c引发混合气体MG的涡流ED，且从燃烧室3卷入高温大气而形成火焰稳定部，使着火点稳定，此外，由于该气体流动的下游侧未缩小，因此也不会产生反复着火和失燃的闪烁现象。

这样，图示的燃烧器导管2是通过仅在该燃烧室3侧的一定区域内设置口径扩大部2c的极其简单的结构改良而成的，因此，成为制作成本不会增大、保证燃烧器导管2内的着火的稳定性、消除闪烁现象且燃烧性优异的燃烧器导管。

另一方面，图5中所示的燃烧器导管2A在燃烧器出口1a的附近设有燃烧器导管2A的口径被缩小的环状的口径缩小部2d。在同图中，口径缩小部2d的内径为D3。

经从燃烧器1朝向燃烧器导管2A倾斜的管路1b、1c、1d流过来的燃料气体G及燃烧用空气A1、A2，虽然在流入燃烧器导管2A之后即刻混合，但通过在燃烧器导管2A中的燃烧器出口1a的附近设有口径缩小部2d，可更进一步促进燃料气体G和燃烧用空气A1、A2的混合。其后，经燃烧器导管2A流向燃烧室3侧的混合气体MG在通过口径扩大部2c的过程中引发涡流ED，该涡流ED卷入邻接的燃烧室3内的高温大气（在图5中参照从燃烧室3朝向口径扩大部2c的箭头），由此，口径扩大部2c保持在高温，因而，口径扩大部2c成为火焰稳定部，这里成为稳定的着火点位置。此外，图示的口径缩小部2d配设于稍微离开燃烧器出口1a的位置，但也可以配设于燃烧器出口1a的位置。

[关于燃烧器导管的燃烧效率的实验及其结果]

本发明的发明者等进行了对现有结构的燃烧器系统（比较例）和构成本发明的炉顶燃烧式热风炉的燃烧器系统（实施例）各自的燃烧效率进行比较的实验。

实验的概要是，对于图4所示的燃烧器系统而言，试制了使燃烧器导管的口径扩大部的长度Ｌ在0D1（无口径扩大部）～2D1范围内进行了各种变化的多种燃烧器系统，对于各燃烧器系统测定未燃烧CO气体量，将无口径扩大部的情况的测定量标准化为1，用与之相对的比率对各测定量进行确定。将其结果示于图6。

由图6可以证实，直到口径扩大部的长度成为0.3D1，未燃烧CO气体量处于减少趋势，在0.3D1接近拐点而成为无口径扩大部时的1/4，随着口径扩大部的长度进一步增加而减少至1/13，其后转为增加，在1.4D1接近拐点而成为无口径扩大部时的1/4。

从燃费性的观点出发，0.3D1～1.4D1范围的口径扩大部的长度为优选的长度，这已通过本实验得到证实，但据本发明的发明者等发现，作为优选该口径扩大部的长度的其他理由是，若口径扩大部的长度过长，则口径扩大部的火焰稳定性能下降，着火位置的稳定性就会下降；若口径扩大部的长度过短，则在燃烧室内大幅旋转的燃烧气体就会成为横风而达到口径扩大部内，而成为失燃的原因，因此也确定0.3D1～1.4D1范围的口径扩大部的长度为最佳长度范围。

以上，利用附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体的结构不限定于该实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以进行设计变更等，也包含于本发明。

符号说明

1...燃烧器、1b...内侧管、1c...中管、1d...外侧管、1a...燃烧器出口

2、2A...燃烧器导管、2a...截止阀、2b...燃烧器导管出口、

2c...口径扩大部、2d...口径缩小部、3...燃烧室、4...蓄热室

5...热风管、6...送风管、7...烟道管、10...炉顶燃烧式热风炉

G...燃料气体、A1、A2...燃烧用空气、MG...混合气体、ED...涡流

Claims (2)

1.一种炉顶燃烧式热风炉，其包括：具备供给热风用空气的送风管的蓄热室，和具备向高炉供给热风的热风管和燃烧器系统且配设于蓄热室的上部的燃烧室，所述炉顶燃烧式热风炉通过从燃烧器系统供给到燃烧室的燃料气体和燃烧用空气的混合气体的燃烧使蓄热室升温，并且将热风用空气在通过蓄热室的过程中生成的热风经由热风管向高炉供给，其中，

所述燃烧器系统包括：具备燃料气体管和燃烧用空气管的燃烧器，和与燃烧器的燃烧器出口连通的燃烧器导管，燃烧器导管经由燃烧器导管出口与燃烧室连通，

燃烧器导管的直到其中间的内径为D1，并且从中间到燃烧器导管出口设有将燃烧器导管的内径扩大而形成的内径为D2的口径扩大部，在该口径扩大部形成经燃烧器导管向燃烧室侧流动的混合气体的涡流，

相对于燃烧器导管的直到所述中间的内径D1，口径扩大部的直到燃烧器导管出口的长度为0.3D1～1.4D1的范围，

利用所述涡流从所述燃烧室卷入高温大气而形成火焰稳定部，从而使着火点稳定。

2.如权利要求1所述的炉顶燃烧式热风炉，其中，在燃烧器导管中的燃烧器出口位置设有燃烧器导管的内径被缩径的口径缩小部，在该口径缩小部形成燃料气体及燃烧用空气的混合气体。

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