CN109402314A - 一种顶燃式热风炉燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶燃式热风炉燃烧器，包括燃烧器外轮廓、燃烧器内型空腔、煤气引入系统和助燃空气引入系统。所述燃烧器内型空腔由所述燃烧器外轮廓中的所述耐火材料内衬砌筑而成；所述煤气引入系统和所述助燃空气引入系统均设置在所述耐火材料内衬中；煤气和助燃空气分别通过所述煤气喷口和所述助燃空气喷口均匀喷射进所述燃烧器内型空腔中，并在所述燃烧器内型空腔下部充分混合后开始燃烧；高温燃烧气体通过所述喉口及所述扩张段后在蓄热体上表面达到均匀分布。本发明具有气流混合均匀、燃烧效率高、结构稳定性好、寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及冶炼设备领域，具体的是一种顶燃式热风炉燃烧器。
背景技术
热风炉是高炉炼铁生产的主要设施之一，其主要作用是向高炉连续不断的提供热风。热风炉按照结构形式不同可以分为内燃式、外燃式和顶燃式。由于内燃式热风炉和外燃式热风炉的固有缺陷，顶燃式热风炉已成为高炉炼铁生产的首选。
目前，我国高炉炼铁生产中所采用的顶燃式热风炉种类很多，其主要的缺陷是：煤气喷口和助燃空气喷口的位置、尺寸设置不合理，造成气流混合不均匀，火焰燃烧较长，煤气利用率低；燃烧器空腔顶部在燃烧末期残留大量的煤气，需要用大量的氮气进行吹扫，不易吹扫干净，容易产生爆燃。
发明内容
为了解决现有的热风炉燃烧效率低的问题，本发明提供了一种顶燃式热风炉燃烧器，该顶燃式热风炉燃烧器能够使气流混合均匀，具有燃烧效率高、结构稳定性好、寿命长的有益效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种顶燃式热风炉燃烧器，包括燃烧器外轮廓，燃烧器外轮廓呈直立的筒状结构，燃烧器外轮廓内含有燃烧器内型空腔，燃烧器外轮廓的侧壁内设有煤气环道和助燃空气环道，煤气环道通过上层煤气喷口和下层煤气喷口与燃烧器内型空腔连通，助燃空气环道通过上层助燃空气喷口和下层助燃空气喷口与燃烧器内型空腔连通，上层煤气喷口、上层助燃空气喷口、下层煤气喷口和下层助燃空气喷口从上向下依次设置。
煤气环道连接有煤气进管，煤气环道的内表面的中心线与煤气环道的外表面的中心线重合，煤气环道的内表面的中心线与燃烧器外轮廓的中心线重合，沿远离煤气进管的方向，煤气环道的高度逐渐减小，煤气环道的过流面积逐渐减小。
多个上层煤气喷口沿燃烧器外轮廓的周向均匀分布，上层煤气喷口顺时针指向第一煤气旋切圆的切点，第一煤气旋切圆的中心线与燃烧器外轮廓的中心线重合，第一煤气旋切圆的直径为1.5m～3.5m。
多个下层煤气喷口沿燃烧器外轮廓的周向分布，下层煤气喷口顺时针指向第二煤气旋切圆的切点，第二煤气旋切圆的中心线与燃烧器外轮廓的中心线重合，第二煤气旋切圆的直径为1.5m～3.5m，沿远离煤气进管的方向，相邻的两个下层煤气喷口的中心线之间的夹角逐渐减小。
助燃空气环道连接有助燃空气进管，助燃空气环道的内表面的中心线与助燃空气环道的外表面的中心线重合，助燃空气环道的内表面的中心线与燃烧器外轮廓的中心线重合，沿远离助燃空气进管的方向，助燃空气环道的高度逐渐减小，助燃空气环道的过流面积逐渐减小。
助燃空气环道通过助燃空气竖向通道与上层助燃空气喷口连通，助燃空气竖向通道与上层助燃空气喷口一一对应，助燃空气竖向通道的过流面积与上层助燃空气喷口的过流面积相同，沿远离助燃空气进管的方向，相邻的两个助燃空气竖向通道之间的距离逐渐减小。
多个上层助燃空气喷口沿燃烧器外轮廓的周向均匀分布，所述多个上层助燃空气喷口中的三分之一至四分之一倾斜设置且指向第一煤气旋切圆的中心，所述多个上层助燃空气喷口中的三分之二至四分之三水平设置且指向燃烧器外轮廓的中心线，上层助燃空气喷口的数量与下层煤气喷口的数量相等。
多个下层助燃空气喷口沿燃烧器外轮廓的周向分布，下层助燃空气喷口指向燃烧器外轮廓的中心线，沿远离助燃空气进管的方向，相邻的两个下层助燃空气喷口之间的距离逐渐减小。
所述燃烧器外轮廓含有从外向内层叠设置的钢壳和耐火材料内衬，煤气环道、助燃空气环道、上层煤气喷口、上层助燃空气喷口、下层煤气喷口和下层助燃空气喷口均位于耐火材料内衬中。
所述燃烧器内型空腔内含有从上至下设置的顶部空腔、圆柱体空腔、喉口和扩张段，上层煤气喷口位于煤气环道的上部，下层煤气喷口位于煤气环道的下部，上层助燃空气喷口和下层助燃空气喷口均与助燃空气环道的上部连通。
本发明的有益效果是：
1、煤气喷口和助燃空气喷口位置分布、尺寸合理，气流混合更加均匀，能够有效的提高拱顶温度，提高煤气利用率，同时也减少了煤气喷口处产生爆燃的可能性。
2、上层助燃空气喷口中有三分之一向上倾斜，有助于顶部空腔内残留的煤气被吹扫干净，降低送风初期产生爆燃的风险。
3、煤气环道、助燃空气环道断面积的优化及下层煤气喷口和下层助燃空气喷口的位置分布、尺寸的优化，保证了环道内、各喷口处的气体压力、流速相等，对燃烧器圆柱体空腔内的气流起到再调整的作用，保证气流在喉口上部达到混合均匀。
4、煤气进管、助燃空气进管与钢壳连接处采用喇叭口形式，增强了三岔口处的结构稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述顶燃式热风炉燃烧器的结构示意图。
图2是图1中的沿A-A方向并旋转45°后的剖视图。
图3是图1中的沿B-B方向并旋转45°后的剖视图。
图4是图1中的沿C-C方向并旋转45°后的剖视图。
图5是图1中的沿D-D方向并旋转45°后的剖视图。
10、燃烧器外轮廓；11、钢壳；12、耐火材料内衬；
20、燃烧器内型空腔；21、顶部空腔；22、圆柱体空腔；23、喉口；24、扩张段；
30、煤气引入系统；31、上层煤气喷口；32、煤气环道；33、煤气进管；34、下层煤气喷口；35、第一煤气旋切圆；36、第二煤气旋切圆；
40、助燃空气引入系统；41、助燃空气环道；42、助燃空气进管；43、下层助燃空气喷口；44、上层助燃空气喷口；45、助燃空气竖向通道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种顶燃式热风炉燃烧器，包括燃烧器外轮廓10，燃烧器外轮廓10呈直立的筒状结构，燃烧器外轮廓10内含有燃烧器内型空腔20，燃烧器外轮廓10的侧壁内设有煤气环道32和助燃空气环道41，煤气环道32通过上层煤气喷口31和下层煤气喷口34与燃烧器内型空腔20连通，助燃空气环道41通过上层助燃空气喷口44和下层助燃空气喷口43与燃烧器内型空腔20连通，上层煤气喷口31、上层助燃空气喷口44、下层煤气喷口34和下层助燃空气喷口43与燃烧器内型空腔20的连通处从上向下依次设置，如图1所示。
该顶燃式热风炉燃烧器含有所述煤气引入系统30和助燃空气引入系统40，所述煤气引入系统30由上层煤气喷口31、煤气环道32、煤气进管33、下层煤气喷口34组成；所述煤气环道32和所述煤气进管33均为1个，且分别位于所述助燃空气环道41和所述助燃空气进管42的上方。所述助燃空气引入系统40由助燃空气环道41、助燃空气进管42、下层助燃空气喷口43、上层助燃空气喷口44、助燃空气竖向通道45组成；所述助燃空气环道41和所述助燃空气进管42均为1个，且分别位于所述煤气环道32和所述煤气进管33的下方。
在本实施例中，所述燃烧器外轮廓10含有从外向内层叠设置的钢壳11和耐火材料内衬12，所述燃烧器内型空腔20由所述耐火材料内衬12砌筑形成；所述煤气引入系统30和所述助燃空气引入系统40均设置在所述耐火材料内衬12中。即煤气环道32、助燃空气环道41、上层煤气喷口31、上层助燃空气喷口44、下层煤气喷口34和下层助燃空气喷口43均位于耐火材料内衬12中。
所述燃烧器内型空腔20内含有从上至下设置的顶部空腔21、圆柱体空腔22、喉口23和扩张段24，上层煤气喷口31位于煤气环道32的上部，下层煤气喷口34位于煤气环道32的下部，上层助燃空气喷口44和下层助燃空气喷口43均与助燃空气环道41的上部连通。
所述顶部空腔21可以设计为倒半球形、倒悬链线形、倒抛物线形或倒球缺形；所述喉口23比所述圆柱体空腔22的直径小；所述喉口23上部设计为圆滑的整流结构；所述扩张段24为锥台结构，上与所述喉口23连接，下与热风出口大墙连接，锥台角度为60°～75°。
在本实施例中，煤气环道32连接有煤气进管33，煤气环道32的内表面的中心线与煤气环道32的外表面的中心线重合，煤气环道32的内表面的中心线与燃烧器外轮廓10的中心线重合，沿远离煤气进管33的方向，煤气环道32的高度逐渐减小，煤气环道32的过流面积逐渐减小，即图1中，沿从右向左的方向，煤气环道32的过流面积逐渐减小。
具体的，所述煤气进管33与所述钢壳11之间可以采用正交或喇叭口形式连接；所述煤气环道32的宽度保持不变；所述煤气环道32与煤气进管33相连处的煤气环道32断面积最大，所述煤气环道32与煤气进管33距离最远处的煤气环道32断面积最小。
在本实施例中，多个上层煤气喷口31沿燃烧器外轮廓10的周向均匀分布，上层煤气喷口31顺时针指向第一煤气旋切圆35的切点，第一煤气旋切圆35的中心线与燃烧器外轮廓10的中心线重合，第一煤气旋切圆35的直径为1.5m～3.5m之间可调，如图2所示。
具体的，所述上层煤气喷口31位于所述上层助燃空气喷口44的上方；所述上层煤气喷口31沿水平方向设置，在圆周上均匀布置，数量为10～80个；所述上层煤气喷口31顺时针指向第一煤气旋切圆35的切点方向。
在本实施例中，多个下层煤气喷口34沿燃烧器外轮廓10的周向分布，下层煤气喷口34顺时针指向第二煤气旋切圆36的切点，第二煤气旋切圆36的中心线与燃烧器外轮廓10的中心线重合，第二煤气旋切圆36的直径为1.5m～3.5m之间可调，沿远离煤气进管33的方向，相邻的两个下层煤气喷口34的中心线之间的夹角逐渐减小，如图4所示。
具体的，所述下层煤气喷口34位于所述上层助燃空气喷口44与所述下层助燃空气喷口43之间；所述下层煤气喷口34沿水平方向设置，数量为10～80个；所述下层煤气喷口34在煤气进管33附近分布稀疏；所述下层煤气喷口34在圆周方向的喷口断面积不相等；所述下层煤气喷口34顺时针指向第二煤气旋切圆36的切点方向。
在本实施例中，助燃空气环道41连接有助燃空气进管42，助燃空气环道41的内表面的中心线与助燃空气环道41的外表面的中心线重合，助燃空气环道41的内表面的中心线与燃烧器外轮廓10的中心线重合，沿远离助燃空气进管42的方向，助燃空气环道41的高度逐渐减小，助燃空气环道41的过流面积逐渐减小，即图1中，沿从右向左的方向，助燃空气环道41的过流面积逐渐减小。
具体的，所述助燃空气进管42与所述钢壳11之间可以采用正交或喇叭口形式连接；所述助燃空气环道41的宽度保持不变；所述助燃空气环道41与所述助燃空气进管42相连处的助燃空气环道41断面积最大，所述助燃空气环道41与所述助燃空气进管42距离最远处的助燃空气环道41断面积最小。
在本实施例中，助燃空气环道41通过助燃空气竖向通道45与上层助燃空气喷口44连通，助燃空气竖向通道45与上层助燃空气喷口44一一对应，助燃空气竖向通道45的过流面积与上层助燃空气喷口44的过流面积相同，沿远离助燃空气进管42的方向，相邻的两个助燃空气竖向通道45之间的距离逐渐减小。
具体的，所述助燃空气竖向通道45在所述助燃空气进管42附近分布稀疏；所述助燃空气竖向通道45与所述上层助燃空气喷口44的断面积相等；所述助燃空气竖向通道45与所述上层助燃空气喷口44、所述下层煤气喷口34的数量相等。
在本实施例中，多个上层助燃空气喷口44沿燃烧器外轮廓10的周向均匀分布，所述多个上层助燃空气喷口44中的三分之一至四分之一倾斜设置且指向第一煤气旋切圆35的中心，所述多个上层助燃空气喷口44中的三分之二至四分之三水平设置且指向燃烧器外轮廓10的中心线，上层助燃空气喷口44的数量与下层煤气喷口34的数量相等，如图3所示。
具体的，所述上层助燃空气喷口44位于所述上层煤气喷口31与所述下层煤气喷口34之间；所述上层助燃空气喷口44在圆周上均匀布置，数量为10～80个；所述上层助燃空气喷口44指向燃烧器中心(燃烧器外轮廓10的中心线)；所述上层助燃空气喷口44有三分之二水平布置；所述上层助燃空气喷口44有三分之一向上倾斜，角度为10°～80°可调。所述三分之一的上层助燃空气喷口44可以均匀分布。
在本实施例中，多个下层助燃空气喷口43沿燃烧器外轮廓10的周向分布，下层助燃空气喷口43指向燃烧器外轮廓10的中心线，沿远离助燃空气进管42的方向，相邻的两个下层助燃空气喷口43之间的距离逐渐减小，如图5所示。
具体的，所述下层助燃空气喷口43位于下层煤气喷口34的下方；所述下层助燃空气喷口43沿水平方向设置，数量为10～80个；所述下层助燃空气喷口43在所述助燃空气进管42附近分布稀疏；所述下层助燃空气喷口43在圆周方向的喷口断面积不相等；所述下层助燃空气喷口43指向燃烧器中心(燃烧器外轮廓10的中心线)。
在本实施例中，所述上层煤气喷口31喷出的煤气流与所述上层助燃空气喷口44喷出的助燃空气流在所述圆柱体空腔22的上部形成“上旋下切”的混合气流；所述下层煤气喷口34喷出的煤气流与所述下层助燃空气喷口43喷出的助燃空气流在所述圆柱体空腔22的下部形成另一个“上旋下切”的混合气流；最终在整个圆柱体空腔22内形成“双旋切”混合气流。
在本实施例中，所述上层煤气喷口31、煤气环道32、下层煤气喷口34、助燃空气环道41、下层助燃空气喷口43、上层助燃空气喷口44、助燃空气竖向通道45均可采用耐火砖砌筑成型或采用浇注料整体浇筑成型。
该顶燃式热风炉燃烧器的工作过程如下：
当该燃烧器工作时，煤气从所述煤气进管33进入所述煤气环道32，通过断面积均匀变化的所述煤气环道32进行均压整定后，再由所述上层煤气喷口31和所述下层煤气喷口34喷入所述圆柱体空腔22内部；助燃空气从所述助燃空气进管42进入所述助燃空气环道41，通过断面积均匀变化的所述助燃空气环道41进行均压整定后，再由所述上层助燃空气喷口44、所述助燃空气竖向通道45和所述下层助燃空气喷口43喷入所述圆柱体空腔22内部。
所述上层煤气喷口31喷出的煤气流与所述上层助燃空气喷口44喷出的助燃空气流在所述圆柱体空腔22的上部形成“上旋下切”的混合气流，上部的煤气流以第一煤气旋切圆35为基准旋转下行，下部的助燃空气流以较大的动量直对燃烧器中心冲入旋转下行的煤气流中，减小中心负压区的范围，气体在径向上得到均匀分布。
所述下层煤气喷口34喷出的煤气流与所述下层助燃空气喷口43喷出的助燃空气流在所述圆柱体空腔22的下部形成另一个“上旋下切”的混合气流，最终在整个所述圆柱体空腔22内形成上、下“双旋切”混合气流，使气体在径向上的分布更加均匀；而且所述下层煤气喷口34和所述下层助燃空气喷口43的断面根据距离所述煤气进管33和所述助燃空气进管42的远近有所调整，保证了各个喷口喷出的气体流速相同，既保证了下部旋切气流的均匀性，又对上部过来的旋切气流进行流场整定，最终使混合气体在所述喉口23上部达到充分混合并开始燃烧；开始燃烧的混合气体通过所述喉口23的整流装置进一步整流后，在所述喉口23下部及所述扩张段24的上部得到充分燃烧；充分燃烧后的高温烟气沿所述扩张段24扩散至蓄热体的上表面，对蓄热体进行加热。该结构气流混合更加均匀，能够有效的提高拱顶温度，提高煤气的利用率，如图1至图5所示。
当燃烧末期煤气阀门关闭后，助燃空气通过所述上层助燃空气喷口44中的三分之一向上倾斜的喷口进入所述顶部空腔21内，将残留于此的煤气吹扫干净；再加上由所述煤气引入系统30吹入的高压氮气，可将整个所述一种顶燃式热风炉燃烧器内腔的残留煤气吹扫干净，保证送风初期不会产生爆燃现象，增强了燃烧器的结构稳定性，提高了热风炉的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (10)
1.一种顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，所述顶燃式热风炉燃烧器包括燃烧器外轮廓(10)，燃烧器外轮廓(10)呈直立的筒状结构，燃烧器外轮廓(10)内含有燃烧器内型空腔(20)，燃烧器外轮廓(10)的侧壁内设有煤气环道(32)和助燃空气环道(41)，煤气环道(32)通过上层煤气喷口(31)和下层煤气喷口(34)与燃烧器内型空腔(20)连通，助燃空气环道(41)通过上层助燃空气喷口(44)和下层助燃空气喷口(43)与燃烧器内型空腔(20)连通，上层煤气喷口(31)、上层助燃空气喷口(44)、下层煤气喷口(34)和下层助燃空气喷口(43)从上向下依次设置。
2.根据权利要求1所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，煤气环道(32)连接有煤气进管(33)，煤气环道(32)的内表面的中心线与煤气环道(32)的外表面的中心线重合，煤气环道(32)的内表面的中心线与燃烧器外轮廓(10)的中心线重合，沿远离煤气进管(33)的方向，煤气环道(32)的高度逐渐减小，煤气环道(32)的过流面积逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，多个上层煤气喷口(31)沿燃烧器外轮廓(10)的周向均匀分布，上层煤气喷口(31)顺时针指向第一煤气旋切圆(35)的切点，第一煤气旋切圆(35)的中心线与燃烧器外轮廓(10)的中心线重合，第一煤气旋切圆(35)的直径为1.5m～3.5m。
4.根据权利要求2所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，多个下层煤气喷口(34)沿燃烧器外轮廓(10)的周向分布，下层煤气喷口(34)顺时针指向第二煤气旋切圆(36)的切点，第二煤气旋切圆(36)的中心线与燃烧器外轮廓(10)的中心线重合，第二煤气旋切圆(36)的直径为1.5m～3.5m，沿远离煤气进管(33)的方向，相邻的两个下层煤气喷口(34)的中心线之间的夹角逐渐减小。
5.根据权利要求3所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，助燃空气环道(41)连接有助燃空气进管(42)，助燃空气环道(41)的内表面的中心线与助燃空气环道(41)的外表面的中心线重合，助燃空气环道(41)的内表面的中心线与燃烧器外轮廓(10)的中心线重合，沿远离助燃空气进管(42)的方向，助燃空气环道(41)的高度逐渐减小，助燃空气环道(41)的过流面积逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，助燃空气环道(41)通过助燃空气竖向通道(45)与上层助燃空气喷口(44)连通，助燃空气竖向通道(45)与上层助燃空气喷口(44)一一对应，助燃空气竖向通道(45)的过流面积与上层助燃空气喷口(44)的过流面积相同，沿远离助燃空气进管(42)的方向，相邻的两个助燃空气竖向通道(45)之间的距离逐渐减小。
7.根据权利要求5所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，多个上层助燃空气喷口(44)沿燃烧器外轮廓(10)的周向均匀分布，所述多个上层助燃空气喷口(44)中的三分之一至四分之一倾斜设置且指向第一煤气旋切圆(35)的中心，所述多个上层助燃空气喷口(44)中的三分之二至四分之三水平设置且指向燃烧器外轮廓(10)的中心线，上层助燃空气喷口(44)的数量与下层煤气喷口(34)的数量相等。
8.根据权利要求5所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，多个下层助燃空气喷口(43)沿燃烧器外轮廓(10)的周向分布，下层助燃空气喷口(43)指向燃烧器外轮廓(10)的中心线，沿远离助燃空气进管(42)的方向，相邻的两个下层助燃空气喷口(43)之间的距离逐渐减小。
9.根据权利要求1所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，所述燃烧器外轮廓(10)含有从外向内层叠设置的钢壳(11)和耐火材料内衬(12)，煤气环道(32)、助燃空气环道(41)、上层煤气喷口(31)、上层助燃空气喷口(44)、下层煤气喷口(34)和下层助燃空气喷口(43)均位于耐火材料内衬(12)中。
10.根据权利要求1所述的顶燃式热风炉燃烧器，其特征在于，所述燃烧器内型空腔(20)内含有从上至下设置的顶部空腔(21)、圆柱体空腔(22)、喉口(23)和扩张段(24)，上层煤气喷口(31)位于煤气环道(32)的上部，下层煤气喷口(34)位于煤气环道(32)的下部，上层助燃空气喷口(44)和下层助燃空气喷口(43)均与助燃空气环道(41)的上部连通。
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