CN103866071B - 多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器，使用时将1～3套燃烧器组合安装于顶燃式热风炉上部。炉墙内由上向下分布有与煤气上进口、中间空气进口和煤气下进口依次相通的煤气上环道、中间空气环道和煤气下环道；在炉墙内壁处设有上火孔层和下火孔层，火孔环形成对均匀分布；煤气上环道的下部和煤气下环道的上部分别设有煤气喷孔，中间空气环道在顶、底侧各设有空气喷孔，空气与煤气在各自的环道内经由相应的喷孔分别进入上、下层混合通道，然后经火孔喷出燃烧。燃烧器的控制：从上火孔层到下火孔层的燃烧热负荷分布依次降低，燃烧空气过剩系数依次增加。本燃烧器的空、煤气进口及环道位置可互换，适用于各种类型的顶燃式热风炉。

Description

多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器及其使用方法，尤其涉及一种炼铁高炉用顶燃式热风炉的无焰燃烧的多环道陶瓷燃烧器及其使用方法，属于工业炉窑的陶瓷燃烧器技术领域。

背景技术

顶燃式热风炉也称无燃烧室式热风炉，这种热风炉不设专门的燃烧室，而是将炉顶的空间作为燃烧室，其炉顶空间与外燃式和内燃式热风炉高大的燃烧室相比要小得多。由于顶燃式热风炉充分吸收了其他种类热风炉的技术优点，已被认为是热风炉技术的发展方向。由于顶燃式热风炉没有特设的供煤气燃烧的燃烧室，在如此小的空间内，要使大量的煤气实现完全燃烧，一般都配备有燃烧强度很大的无焰燃烧装置。

随着顶燃式热风炉建造规模的扩大，单位时间内燃烧的煤气量也日益增加，相应的对燃烧器的燃烧热负荷提出了必须满足大功率燃烧的要求，为使大量的煤气得到完全燃烧又保证燃烧器不发生脱火现象，燃烧器的喷孔尺寸势必要做的很大，然而较大的燃烧器喷口尺寸会带来一系列问题，如：(1)燃烧器负荷调节范围小；(2)易发生回火；(3)燃烧过程易出现波动；(4)由于开孔过多过大导致炉体结构强度下降；(5)燃烧器熄火时容易卷吸高温烟气而出现安全事故。另外，燃烧负荷大的燃烧器还面临点火困难及点火存在安全隐患(由于单次点火煤气喷出量较大，一旦点火不成功会使大量煤气积聚在燃烧室内，易发生爆炸事故)的问题。同时，为保证顶燃式热风炉内的蓄热体安全均匀蓄热，对顶燃式热风炉内气流分布的均匀性也提出了要求，炉内气流分布的均匀性既依赖于炉体结构的合理设计，也与燃烧器的合理设计与布置有较大的联系，这是因为炉内加热蓄热体的气流来源于燃烧器喷出的经燃烧反应后的高温烟气。因此，实际生产过程对顶燃式热风炉用燃烧器提出了以下要求：(1)保证燃烧器较大热负荷燃烧要求；(2)保证燃烧过程完全；(3)保证燃烧安全；(4)保证燃烧器的设计与布置对炉内气流均匀分布有益。

1986年公开的中国专利“多火孔环形燃烧器及顶燃式热风炉”(专利号85100733)，这种结构的燃烧器缺陷是煤气在混合环道内已经开始燃烧，破坏了燃烧的稳定性。

2000年公开的中国专利“大功率无焰陶瓷燃烧器”(专利号00114572X)，采用了设置于炉墙中的环形空气道和环形煤气道，其中有若干分流孔，分流孔通过带有锥角的支管，支管通过气室与混合道相连，混合道采用具有不同气流喷出方向的出口结构。这种燃烧器结构复杂，尤其是环道等采用了金属件，容易损坏，使用一段时间后炉壳温度开始升高，因此热风炉寿命短。

我国近年来从前苏联引进的卡鲁金公司设计的顶燃式热风炉陶瓷燃烧器，已有数座高炉热风炉采用。该燃烧器也是采用在煤气环道和空气环道与燃烧室之间的炉墙上成排均布有若干个喷孔，煤气和空气从喷孔中喷出后在燃烧室混合燃烧。为了保证燃料的燃烧效率，实现燃料的无焰燃烧，喷孔都设计成一定的角度，燃料和空气从喷孔喷出后在燃烧室形成旋流运动。由于旋流的存在，气流在蓄热室空间形成旋转回流区，从而影响气流在蓄热室的均匀分布。在旋转回流区中心(处于蓄热室中心)的烟气流速很低或为负值，而在旋转回流区的外围，气流速度很高，这样会影响蓄热室的换热效果。

中国专利“多火孔无焰陶瓷燃烧器”(专利号200510018640.6)，公开了一种燃烧器，这种燃烧器借鉴并改进了卡鲁金式陶瓷燃烧器，燃料和空气喷出后不形成旋流区，克服了卡鲁金式陶瓷燃烧器导致蓄热室气流分布不均的问题。但这种陶瓷燃烧器在顶燃式热风炉上为单层布置，热风炉燃烧热负荷不宜过大，否则燃烧喷口将设计很大，这不仅影响燃烧室火墙的结构强度，也影响煤气的燃烧效果及火焰形状。

上述公开的燃烧器技术，随着目前顶燃式热风炉建造规模的扩大，这些燃烧器技术已不能满足新建造的大型顶燃式热风炉的要求，因此创新开发新的燃烧器以适应大型顶燃式热风炉的要求成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种可有效消除上述燃烧器的多种缺陷的，结构简单设计合理的，且燃烧器的设计与布置对炉内气流均匀分布有益的多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器及其使用方法，同时可保证燃烧器能够适应较大范围变动情况下热负荷燃烧要求、保证燃烧完全、燃烧过程安全，热效率高及能延长热风炉蓄热体的寿命。

为了实现上述目的，本发明采取的技术措施是：提供一种多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器，安装在顶燃式热风炉上部，设有空、煤气进气口及与进气口相连通的空气、煤气环道；燃烧器设有三个进气口、三层环形通道、两层混合通道和两层火孔，形成多层环道多火孔的无焰陶瓷燃烧器；

所述燃烧器的三个进气口，从上到下依次是煤气上进口、中间空气进口和煤气下进口，在炉墙内设有多层环道，其中有三层环形通道和两层混合通道，三层环形通道分别是与煤气上进口、中间空气进口和煤气下进口依次相通的煤气上环道、中间空气环道和煤气下环道；

在中间空气环道和煤气上、下环道上设置的空气喷孔和煤气喷孔在横截面上是环形、成对及均匀分布的，且与上火孔层、下火孔层的火孔数目相同；空气喷孔以与火孔中心线成90°角的方向进入混合通道，煤气喷孔以与火孔中心线平行的方向进入混合通道，在两煤气喷孔出口处均设有凸台结构，用以防止煤气回火；在同一层火孔中，每个火孔出口中心线与火孔所在的圆形炉腔的横截面有0-45°的旋转角；

所述燃烧器的三层环形通道中，煤气上环道的下侧设有煤气上喷孔，煤气下环道的上侧设有煤气下喷孔，中间空气环道的顶侧和底侧分别设有空气上喷孔和空气下喷孔，燃烧器中煤气上喷孔和煤气下喷孔的尺寸是不同的，空气上喷孔和空气下喷孔的尺寸是不同的，空气和煤气经各自环道预热后由相应的喷孔分别进入上、下两层混合通道，然后分别从设在上、下两层混合通道内侧壁的上火孔层火孔和下火孔层火孔喷出，在各自的上火孔层、下火孔层燃烧空间燃烧；

所述的燃烧器的空气、煤气进口及环道位置可互换；

所述的燃烧器内部各层环道之间采用上下布置方式，燃烧器各层环道之间的空、煤气流量分布各自独立控制，燃烧器从上火孔层到下火孔层的燃烧热负荷分布依次降低，燃烧空气过剩系数依次增加。

本发明还提供一种使用上述多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器的方法，所述的安装在顶燃式热风炉上部的燃烧器为1～3套，形成组合式的多层环道多火孔的无焰陶瓷燃烧器；安装多套燃烧器时，每套燃烧器的空、煤气对应有独立的进气口；每套燃烧器含有的多层环道、混合通道及火孔层的火孔的大小选用相同或不同的尺寸，每套燃烧器从上火孔层到下火孔层的燃烧热负荷分布依次降低，燃烧空气过剩系数依次增加。

本发明的设计理念为：燃烧器为全陶瓷结构，当顶燃式热风炉所需要的燃烧热负荷较大时，可采用1～3套燃烧器组合来承担，通过多套燃烧器的组合应用，使得每套燃烧器的火孔(即燃烧喷口)尺寸不至于太大，这样能保证当燃烧系统工作在较低的燃烧负荷下，火孔的喷出速度保持一定数值，避免回火或熄火时卷吸高温烟气而出现安全事故的情况，使得燃烧器具有较大的热负荷调节范围。

本发明对燃烧过程组织的控制设计为：对于燃烧负荷分布比例来说，从上到下燃烧负荷依次降低，即上层燃烧喷口燃烧的煤气量占总煤气量的比例较大，下层燃烧喷口燃烧的煤气量占总煤气量的比例较小，可以保证上层流量较多的煤气具有较长的燃烧时间以便于充分燃烧。对于燃烧空气过剩系数来说，从上到下空气过剩系数依次增加，最上层空气过剩系数较小甚至可以欠氧燃烧，最下层空气过剩系数较大以保证将上层燃烧空间流下来的烟气中的可燃物完全燃烧，这种设计可以保证燃料在整个燃烧空间均匀燃烧，避免局部燃料过多而产生高温区，局部高温区既对耐材及结构的强度有不利影响，也会导致NO_X的大量产生。

本发明多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器及其使用方法与其它的陶瓷燃烧器相比具有的优点是：

(1)本发明采用1～3套燃烧器组合来承担较大的顶燃式热风炉所需要的燃烧热负荷，且通过多套燃烧器各具有的两层火孔燃烧区来完成燃烧气流的均匀分布，避免单个燃烧器因设备过于庞大笨重，燃烧负荷过大而使得燃烧喷口尺寸过大，开孔过多过大导致炉顶结构强度下降的问题。

(2)本发明采用多套燃烧器组合可避免单个过于庞大的燃烧器设备带来的热风炉炉顶跨度过大带来的炉顶结构施工困难问题。

(3)采用本发明多套燃烧器组合，将较大的燃烧负荷由两层或者多层火孔来承担的设计可以使得每套燃烧器的火孔尺寸不至于太大，这样能保证当燃烧系统工作在较低的燃烧负荷下，火孔的喷出速度保持一定数值，避免回火或熄火时卷吸高温烟气而出现安全事故的情况，使得燃烧器具有较大的热负荷调节范围。

(4)采用本发明多套燃烧器组合，可保证整个燃烧系统燃烧气流均匀分布、燃烧完全、燃烧器燃烧过程安全环保，NO_X排放量低。

(5)本发明多套燃烧器组合设计合理，技术效果显著，适用于各种类型的顶燃式热风炉。本发明不但克服了现有技术的缺陷，同时制造施工简便、生产成本低、使用寿命长。另外，燃烧器内部煤气和空气环道的结构，使得燃烧器在送风期具有蓄热功能，在燃烧期具有预热空气和煤气功能。故该燃烧器具有燃烧效率高、拱顶燃烧室温度不高的特点，有效改善了拱顶工作状况，同时有利于提高热风炉使用寿命。

附图说明

图1为本发明多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器一实施例结构示意图。

图2为图1中X部分放大示意图。

图3为图1中A-A平面剖视结构示意图。

图4为本发明空、煤气进口位置互换的结构示意图。

上述图中：1-煤气下进口；2-煤气下喷孔；3-空气下喷孔；4-空气进口；5-空气上喷孔；6-煤气上喷孔；7-煤气上进口；8-炉墙；9-煤气上环道；10-上层混合通道；11-空气环道；12-下层混合通道；13-煤气下环道；14-上火孔层火孔；15-下火孔层火孔；16-凸台；17-空气下进口；18-煤气进口；19-空气上进口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：本发明提供一种单套使用的多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器，其结构如图1、2、3所示，本发明是在已有的具有两个进气口、两层环形通道和一层混合通道、一层燃烧区结构的燃烧器基础上，在每套无焰陶瓷燃烧器中新增设了一个进气口、一层环形通道，一层混合通道和一层多火孔的燃烧区，形成三个进气口的多层环道多火孔的无焰陶瓷燃烧器。

参见图1，所述的三个进气口，分别为设在燃烧器中的煤气下进口1、煤气上进口7，在此两煤气进口中间设有的中间空气进口4，本燃烧器用于顶燃式热风炉并燃烧高炉煤气，由于煤气流量大于空气流量，燃烧单位体积的高炉煤气需要的空气量约为60％～70％的高炉煤气流量，因此设计的三个进气口的尺寸大小差别不大。

炉墙8内分别设置有与空气进口，煤气上、下进口相连通的中间空气环道11、煤气上环道9、煤气下环道13，中间空气环道11顶侧和底侧分别设有空气上喷孔5、空气下喷孔3，煤气上环道9的下部靠近中间空气环道11的一侧设有煤气上喷孔6，煤气下环道13的上部靠近中间空气环道11的一侧设有煤气下喷孔2，这样设计的目的是使空气、煤气在最短的距离内能进入相应的混合通道。本实施例的中间空气环道11的空气上喷孔5和空气下喷孔3尺寸大小不同，以保证空气在上火孔层和下火孔层的分布比例不同；具体为中间空气环道11中的空气一部分经由空气上喷孔5喷出并与经煤气上喷孔6喷出的煤气混合后进入上层混合通道10，然后通过上火孔层火孔14喷出，在上层燃烧空间进行燃烧；中间空气环道11中的空气另一部分经由空气下喷孔3喷出并与经煤气下喷孔2喷出的煤气混合后进入下层混合通道12，然后通过下火孔层火孔15喷出，在下层燃烧空间进行燃烧。

本实施例中，所述的空气环道和两个煤气环道上设置的空气喷孔和煤气喷孔、两层混合通道上的火孔在横截面上是成对均匀分布的，且喷孔数目与火孔的数目是相同的，参见图3，图3中煤气上喷孔6与上火孔层火孔14数量都是30个。

参见图2，所述的空气上喷孔5以与上火孔层火孔14中心线成90°角度的方向进入混合通道，煤气上喷孔6以与上火孔层火孔14中心线平行的方向进入混合通道，在煤气上喷孔6与上层混合通道10连接处还设计有凸台16的结构，用以防止煤气回火，同样空气下喷孔3也是以与下火孔层火孔15中心线成90°角度的方向进入混合通道，在煤气下喷孔2与下层混合通道12连接处也设计有凸台16的结构。

所述的在同一层火孔中，每个火孔出口中心线与火孔所在的圆形炉腔的横截面有0-45°的旋转角。即：从火孔所在的炉墙8的内腔圆形横截面来看，火孔中心线和火孔出口弧线中点所在的直径的交角为0～45°。

本燃烧器的上火孔层火孔14、下火孔层火孔15喷出的高温烟气截面流速均匀，能使蓄热室的蓄热体得到均匀充分的加热，消除了蓄热室上部的回流区，从而有效提高风温及燃烧效率，在很大程度上保证了热风炉的稳定送风。本燃烧器的燃烧负荷调节范围大、燃烧时炉压稳定，不易回火且燃烧完全，可以在极小的空气过剩系数下实现完全燃烧。同时，本燃烧器具有自身预热和冷却功能：一方面低温的空气、煤气流体降低了耐火砌体的温度，可以有效提高燃烧器的使用寿命；另一方面，高温砌体对低温流体进行二次预热，在相同条件下可以有效提高煤气、空气的温度。经实践测试，可以提高煤气、助燃空气温度150～200℃。此外，本燃烧器无金属件，耐高温，寿命长，可以有效解决燃烧器附近炉皮发红和燃烧器容易掉砖的现象。

实施例2：本发明提供一种单套使用的多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器，参见图4，其结构基本与实施例1相同，不同的只是所设的空气进口和通道与煤气进口和通道的位置互换，所设的空气下进口17与空气下环道相通，空气上进口19与空气上环道相通，煤气进口18与煤气环道相通，并根据需要将煤气环道设计成与空气上环道及空气下环道不同的尺寸，且煤气环道中的煤气上喷孔和煤气下喷口尺寸大小也不同，以保证煤气在上火孔层和下火孔层有不同的空气、煤气分布比例。

实施例3：本发明提供一种3套组合使用的多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器的方法，其结构是每套燃烧器从上至下顺序排列布置，每套燃烧器的空、煤气对应有独立的进气口，但每套燃烧器含有的多层环道、混合通道及火孔层的火孔大小选用不同的尺寸。

对3套组合使用的整个燃烧系统控制是：每套燃烧器内部各环道及火孔层之间采用上下布置方式，燃烧器内部各火孔层之间的燃烧热负荷及助燃空气的分布按照比例设置。对于燃烧负荷分布比例，从上到下燃烧负荷依次降低，即最上面的上火孔层燃烧的煤气量占总煤气量的比例较大，最下面的下火孔层燃烧的煤气量占总煤气量的比例较小，可以保证上层流量较多的煤气具有较长的燃烧时间以便于充分燃烧。对于燃烧空气过剩系数，则从上到下空气过剩系数依次增加，最上层空气过剩系数较小甚至可以欠氧燃烧，最下层空气过剩系数较大以保证将上层燃烧空间流下来的烟气中的可燃物完全燃烧，这样可以保证燃料在整个燃烧空间均匀完全燃烧，避免局部燃料过多而产生高温区，局部高温区既对耐材及结构的强度有不利影响，也会导致NO_X的大量产生。

本发明对不同规模的热风炉及不同燃烧负荷的燃烧系统，可以通过配置1～3层燃烧器或改变燃烧器相关尺寸达到良好的组合使用效果，以保证本发明燃烧器的普遍适用性。

Claims (2)

1.一种多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器，安装在顶燃式热风炉上部，设有空、煤气进气口及与进气口依次相连通的空气、煤气环道；燃烧器设有三个进气口、三层环形通道、两层混合通道和两层火孔，形成多层环道多火孔的无焰陶瓷燃烧器；

所述燃烧器的三个进气口，从上到下依次是煤气上进口、中间空气进口和煤气下进口，在炉墙内设有多层环道，其中有三层环形通道和两层混合通道，三层环形通道分别是与煤气上进口、中间空气进口和煤气下进口依次相通的煤气上环道、中间空气环道和煤气下环道；

在中间空气环道和煤气上、下环道上设置的空气喷孔和煤气喷孔在横截面上是环形、成对及均匀分布的，且与上火孔层、下火孔层的火孔数目相同；空气喷孔以与火孔中心线成90°角的方向进入混合通道，煤气喷孔以与火孔中心线平行的方向进入混合通道，在两煤气喷孔出口处均设有凸台结构，用以防止煤气回火；在同一层火孔中，每个火孔出口中心线与火孔所在的圆形炉腔的横截面有0-45°的旋转角；

其特征在于：所述燃烧器的三层环形通道中，煤气上环道的下侧设有煤气上喷孔，煤气下环道的上侧设有煤气下喷孔，中间空气环道的顶侧和底侧分别设有空气上喷孔和空气下喷孔，燃烧器中煤气上喷孔和煤气下喷孔的尺寸是不同的，空气上喷孔和空气下喷孔的尺寸是不同的，空气和煤气经各自环道预热后由相应的喷孔分别进入上、下两层混合通道，然后分别从设在上、下两层混合通道内侧壁的上火孔层火孔和下火孔层火孔喷出，在各自的上火孔层、下火孔层燃烧空间燃烧；

所述的燃烧器的空气、煤气进口及环道位置可互换；

所述的燃烧器内部各层环道之间采用上下布置方式，燃烧器各层环道之间的空、煤气流量分布各自独立控制，燃烧器从上火孔层到下火孔层的燃烧热负荷分布依次降低，燃烧空气过剩系数依次增加。

2.一种使用权利要求1所述的多层环道多火孔无焰陶瓷燃烧器的方法，其特征在于：所述的安装在顶燃式热风炉上部的燃烧器为1～3套，形成组合式的多层环道多火孔的无焰陶瓷燃烧器；安装多套燃烧器时，每套燃烧器的空、煤气对应有独立的进气口；每套燃烧器含有的多层环道、混合通道及火孔层的火孔的大小选用相同或不同的尺寸，每套燃烧器从上火孔层到下火孔层的燃烧热负荷分布依次降低，燃烧空气过剩系数依次增加。