CN111690785B - 一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，包括顶部的燃烧器、中部的燃烧室和下部的蓄热室；所述燃烧器设有两个煤气进口单元和一个助燃空气进口单元，一次煤气通过带中心均布的煤气垂直喷口喷入燃烧器内腔，二次煤气和空气分别通过侧壁水平喷口以一定夹角喷入燃烧器内腔；通过合理设置一、二次煤气及空气的喷口能够强化热风炉内气流的混合及燃烧稳定性。本发明带中心均布的喷口设计，解决了现有旋切顶燃式热风炉内横断面上燃烧反应分布不均匀的问题，实现了气流的速度场和温度场均匀分布，提高了热风炉换热效率、降低了热力型氮氧化物排放、延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及冶金工业的高炉热风炉领域，特别是涉及一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉。
背景技术
热风炉是高炉炼铁工序中的重要设施，其主要作用是连续不断的向高炉提供热风。热风炉主要有内燃式、外燃式和顶燃式(包括球式)三种类型。顶燃式热风炉以其结构稳定、风温高、寿命长、投资省的特点，在热风炉新建和改造工程中广泛采用，特别是在5000m3级的大型高炉上采用，取得了良好的效果。
目前，我国高炉炼铁用顶燃式热风炉普遍存在：炉内气流分布不均、燃烧室内局部高温、格子砖受热不均等问题，这些问题严重制约着热风炉的运行效率和结构稳定。传统顶燃式热风炉的空气和煤气喷嘴与燃烧器径向成一夹角，由燃烧器侧壁喷出并在燃烧器内混合，并在燃烧室内完成燃烧；经过数值模拟分析发现，煤气和空气在燃烧器中旋切混合后在炉墙边缘形成高速旋转的气流，气流由燃烧器进入燃烧室后空间突然变大，会在燃烧室中心区域形成一个很大的回流燃烧区。由于速度场和温度场分布的不均匀性，燃烧后的烟气进入蓄热室后会导致蓄热室的格子砖受热不均，长期局部过热的格子砖发生高温蠕变，进而影响热风炉结构的稳定性及格子砖的通孔率。长此以往会导致热风炉结构损坏、风温降低、能耗增加。
因此为了解决上述面临的问题，使顶燃式热风炉能够达到两代高炉炉龄的寿命，必须对传统顶燃式热风炉的结构，特别是燃烧器结构进行改进。
发明内容
针对现有顶燃式热风炉技术存在的问题，本发明的主要目的是提供一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，来解决现有顶燃式热风炉烟气在炉内横断面上分布不均匀的问题，以实现气流的速度场和温度场均匀分布，提高热风炉换热效率，延长使用寿命的目的。
本发明采用的技术方案是，一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，包括顶部的燃烧器、中部的燃烧室和下部的蓄热室；所述燃烧器位于热风炉的正上方，用于煤气和空气的充分混合及预燃，燃烧器包括气体混合预燃用燃烧器内腔、煤气入口总管道、各气体进口单元；所述燃烧室由燃烧器出口内腔截面积逐步增大，一二次煤气和空气在燃烧器内腔均匀混合后进入燃烧室内充分燃烧；所述蓄热室内的蓄热体与燃烧后的烟气充分换热并将烟温降到300-400℃后排出。
所述各气体进口单元由上到下依次分布有一次煤气进口单元、二次煤气进口单元、空气进口单元，所述一次煤气进口单元包括一次煤气流量调节阀、一次煤气入口管道、煤气顶腔、煤气垂直喷口，二次煤气进口单元包括二次煤气流量调节阀、二次煤气入口管道、煤气环腔、煤气水平喷口，空气进口单元包括空气入口管道、空气环腔、空气水平喷口。
煤气喷口包括煤气垂直喷口和煤气水平喷口，所述煤气垂直喷口位于燃烧器内腔顶部与煤气顶腔相通，煤气垂直喷口沿圆周方向均布，喷口方向向下，煤气顶腔显半球形布置于燃烧器顶部隔热墙内；所述煤气水平喷口位于燃烧器内腔侧壁中部，并通过隔热墙内煤气环腔与二次煤气入口管道相连通，煤气水平喷口中心线与燃烧器内腔径向呈15-35度的夹角。空气水平喷口位于内腔侧壁下部，并通过隔热墙内空气环腔与空气入口管道相连通，空气水平喷口的方向夹角和煤气水平喷口方向夹角相等；各水平喷口喷出的涡旋气流在燃烧器内腔形成一个半径为r的旋切圆。
所述一次煤气入口管道进来的一次煤气通过煤气顶腔均布于各煤气垂直喷口上、并向下喷出；煤气垂直喷口分为内环煤气垂直喷口和外环煤气垂直喷口，内外环煤气垂直喷口同轴且与燃烧器内腔的轴线重合，其中，内环煤气垂直喷口内切于煤气和空气水平喷口形成的旋切圆，内环煤气垂直喷口气流起到稳定中心气流减少中心区回流的作用；外环煤气垂直喷口环半径介于燃烧器内腔半径和旋切圆半径的中间值，喷口方向与轴线的夹角α小于等于5度，外环煤气垂直喷口气流起到混合下层旋转气流的作用；二次煤气和空气由各自入口进入气体环腔、并均布于各水平喷口上喷出，喷出后的煤气和空气形成涡旋气流并旋转混合，水平喷出的旋转混合气流与外环垂直喷口气流相遇能进一步加强流场的混合作用。
煤气入口总管道通过一、二次煤气流量调节阀与对应的一、二次煤气入口管道相连；其中，所述一次煤气入口管道和二次煤气入口管道的煤气分配比在煤气总流量维持稳定的情况下可以根据燃烧室中心回流区的实时温度和流场状态进行灵活调节。当系统检测到燃烧室中心区回流过大、温度过高时，可以增大一次煤气流量调节阀开度、减小二次煤气流量调节阀开度，以提高一次煤气供应比例，增加中心区域的气流以减缓中心区的回流现象；反之，降低一次煤气供应比例。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.提高流场分布均匀性。相比传统顶燃式热风炉，本发明增加了内腔顶部的垂直煤气喷口，在垂直气流的作用下煤气和空气在燃烧器内均匀混合，燃烧室内的气流回流削弱，流场均匀性较传统顶燃式热风炉提高20％。
2.提高温度场分布均匀性。空气和煤气均匀混合，燃烧室内燃烧反应进行的更充分、更均匀，烟气在蓄热室格子砖横断面上分布更均匀，蓄热室格子砖蓄热更充分、利用效率更高，提高热风温度5℃以上，同时局部高温的消除会明显降低热力型氮氧化物的排放。
3.延长热风炉寿命。烟气在蓄热体断面上均匀分布，蓄热体中不存在局部过热区域，确保格子砖不发生蠕变、渣化、格孔堵塞等问题，延长热风炉寿命，保证两代高炉炉役要求。
4.适用性强。本发明可以应用于新建高炉热风炉工程，也可以用于传统热风炉的改造工程，可以克服传统炉型的缺陷，适应高炉扩容改造的需要。
附图说明
图1是带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉示意图；
图2是图一中A-A的剖视图；
图3是图一中B-B的剖视图；
图4是图一中C-C的剖视图。
图中：1、煤气顶腔；2、煤气垂直喷口；3、一次煤气入口管道；4、煤气水平喷口；5、煤气环腔；6、一次煤气流量调节阀；7、二次煤气流量调节阀；8、煤气入口总管道；9、二次煤气入口管道；10、空气环腔；11、空气入口管道；12、空气水平喷口；13、燃烧室；14、热风出口；15、蓄热室；16、燃烧器内腔；17、燃烧器。
具体实施方式
本发明公开了一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，来解决现有顶燃式热风炉气体混合不充分、烟气在炉内横断面上分布不均匀等问题，以实现气流的速度场和温度场均匀分布，提高热风炉换热效率，延长使用寿命的目的。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明提供了一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，如图所示，包括顶部的燃烧器17、中部的燃烧室13和下部的蓄热室15；所述燃烧器17位于热风炉的正上方，用于煤气和空气的充分混合及预燃；所述燃烧室13横截面积由燃烧器17喉部逐步增大，一二次煤气和空气在燃烧器内腔16均匀混合后进入燃烧室13内充分燃烧；所述蓄热室15内的蓄热体与燃烧后的高温烟气充分换热并将烟温降到300-400℃后排出，由于均布的速度场和温度场使得烟气与蓄热体的换热更充分、高效。
所述燃烧器17包括气体混合预燃用燃烧器内腔16、煤气入口总管道8和各气体进口单元，所述各气体进口单元由上到下依次分布有一次煤气进口单元、二次煤气进口单元、空气进口单元；如图2、3、4所示，所述一次煤气进口单元包括一次煤气流量调节阀6、一次煤气入口管道3、煤气顶腔1、煤气垂直喷口2，二次煤气进口单元包括一次煤气流量调节阀7、二次煤气入口管道9、煤气环腔5、煤气水平喷口4，空气进口单元包括空气入口管道11、空气环腔10、空气水平喷口12。各气体入口管道通过燃烧器17壁面内部的空腔与各自内壁面喷口相通，每个空腔上均设置有若干个相同孔径的喷口。
所述煤气垂直喷口2位于燃烧器内腔16顶部与煤气顶腔相通，煤气垂直喷口2沿圆周方向均布，喷口方向向下；所述煤气水平喷口4位于燃烧器内腔16侧壁中部，并通过煤气环腔5与二次煤气入口管道9相连通，煤气水平喷口4中心线与燃烧器内腔16径向呈15-35度的夹角，喷口在燃烧器内腔16形成一个半径为r的旋切圆；所述空气水平喷口12位于燃烧器内腔16下部，并通过空气环腔10与空气入口管道11相连通，空气水平喷口12设置方式与二次煤气水平喷口4相同；水平喷出后的煤气和空气形成涡旋气流并不断旋转混合。
所述一次煤气入口管道3进来的一次煤气通过煤气顶腔1均布于各垂直喷口2上、并向下喷出；如图2所示，一次煤气垂直喷口2分为内环煤气垂直喷口和外环煤气垂直喷口，内外环煤气垂直喷口同轴且与燃烧器内腔16轴线重合，其中，内环垂直喷口内切于煤气和空气水平喷口4(12)形成的旋切圆，内环喷口气流起到稳定中心气流减少中心区回流的作用；外环垂直喷口的环半径介于燃烧器内腔16半径和旋切圆半径的中间值，喷口方向垂直或偏离轴线5度以内的倾角，外环垂直气流起到充分混合下层旋转气流并屏蔽旋转气流对内层垂直气流的夹带作用；二次煤气和空气由各自入口进入气体环腔、并均布于各水平喷口上喷出，喷出后的煤气和空气形成涡旋气流并旋转混合，形成的旋转混合气流与外层垂直喷口气流相遇能进一步加强流场的混合作用。
所述煤气入口总管道8通过一、二次煤气流量调节阀6(7)与对应的一、二次煤气入口管道3(9)相连；其中，所述一、二次煤气入口管道3(9)的煤气分配比在煤气总流量维持稳定的情况下可根据燃烧室13中心回流区的实时温度和流场状态进行灵活调节。当系统检测到燃烧室13中心区回流过大、温度过高时，可以增大一次煤气流量调节阀6开度、减小二次煤气流量调节阀7开度，以提高一次煤气供应比例，增加中心区域的气流以减缓中心区的回流现象；反之，降低一次煤气供应比例。
相比传统顶燃式热风炉，在煤气顶腔1垂直气流的作用下煤气和空气在燃烧器17内混合更均匀，燃烧室13内的气体回流作用被大幅削弱。合理的气流调节使得燃烧室13内燃烧进行的更充分、均匀，避免了局部高温区，横断面上温度分布更加均衡，大幅度降低高温区热力型氮氧化物的生成。燃烧后的烟气在蓄热室15断面上均匀分布，蓄热体中不存在局部过热区域，确保格子砖不发生蠕变、渣化、格孔堵塞等问题，延长热风炉寿命，保证两代高炉炉役要求。同时，本发明可以应用于新建高炉热风炉工程，也可以用于传统热风炉的改造工程。
Claims (4)
1.一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，包括顶部的燃烧器、中部的燃烧室和下部的蓄热室，其特征在于：所述燃烧器位于热风炉的正上方，用于煤气和空气的充分混合及预燃；燃烧器具有燃烧器内腔、煤气入口总管道、一次煤气流量调节阀、二次煤气流量调节阀、一次煤气入口管道、二次煤气入口管道、煤气顶腔、煤气环腔、煤气垂直喷口、煤气水平喷口，空气入口管道、空气环腔、空气水平喷口；煤气垂直喷口位于燃烧器内腔顶部，煤气垂直喷口沿圆周方向均布；煤气水平喷口位于燃烧器内腔侧壁中部并通过煤气环腔与二次煤气入口管道相连通，煤气水平喷口中心线与燃烧器内腔径向呈15-35度夹角；
煤气垂直喷口分为内环煤气垂直喷口和外环煤气垂直喷口，内外环煤气垂直喷口同轴且与燃烧器内腔轴线重合；
内环煤气垂直喷口的环半径不大于煤气水平喷口形成的旋切圆半径，其喷口角度垂直向下。
2.根据权利要求1所述的一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，其特征在于：外环煤气垂直喷口的环半径介于燃烧器内腔半径和旋切圆半径的中间位置，其喷口与燃烧器轴线的倾角α小于等于5度。
3.根据权利要求1所述的一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，其特征在于：煤气顶腔显半球形布置于燃烧器顶部隔热墙内，煤气垂直喷口与煤气顶腔相通。
4.根据权利要求1所述的一种带中心均布式燃烧器的顶燃式热风炉，其特征在于：煤气入口总管道通过一、二次煤气流量调节阀与对应的一、二次煤气入口管道相连。
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