CN113477107B - 一种富氧点火用空氧混合器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧点火用空氧混合器及其控制方法，富氧点火用空氧混合器包括混合器主管、环设在混合器主管外部的氧气环管、设置在混合器主管和氧气环管之间的多个氧气输送管以及设置在混合器主管内部的导流圆球，氧气环管开设有氧气入口，氧气输送管的入口端通向所述氧气环管，氧气输送管的出口端通向混合器主管内部并朝向所述导流圆球，氧气输送管的出口端铰接于混合器主管且连接转动驱动装置，混合器主管的两端分别具有空气入口和混合气出口，混合器主管的内壁连接有直线伸缩驱动装置，该富氧点火用空氧混合器及其控制方法旨在解决现有技术中的空氧混合器混合气体的压降大、混合效果差的技术问题。

Description

一种富氧点火用空氧混合器及其控制方法

技术领域

本发明涉及富氧点火用气体混合装置领域，尤其涉及一种富氧点火用空氧混合器及其控制方法。

背景技术

铁矿烧结是将铁矿粉、溶剂、燃料等原料配加适量水制成混合料后，平铺到烧结机上，在料层表面进行点火形成燃烧带，燃烧带在下部风箱的抽风作用下下行，依次穿过整个料层，混合料在燃烧带内发生熔融、重结晶等一系列物理化学过程后形成烧结矿的工艺过程。经过烧结工艺处理的铁矿石，其透气性、机械强度和还原粉化度等冶金性能都有显著提高，已经成为目前主流的高炉炼铁原料。

其中，富氧点火是在点火炉助燃空气管道内通入一定比例的纯氧，使点火炉内助燃空气氧含量升高，提高低热值燃料燃烧温度、强化料面点火效果的一种辅助点火工艺。在该工艺中，氧气与空气需先经过混合器混合均匀后，再通入点火炉内。氧气与空气的混合程度直接影响富氧点火效果，混合效果太差，会导致点火炉内火焰温度不均匀，在氧气浓度高的地方，反应剧烈，火焰温度偏高，而在氧气浓度低的地方，反应较温和，火焰温度偏低。炉膛温度不均匀，降低料面一致性，导致点火效果差。

现有技术中气气混合器难以满足富氧点火的特殊应用场景。首先，富氧点火用混合器中的氧气管与空气管的压力和流量差别非常大，现有技术混合器无法做到相互匹配，混合效果有限。其次，富氧点火用混合器对空气管道压力损失非常敏感，现有混合器阻力损失大，对空气供应能力影响大。

此外，现有技术中的混合器采用混合叶片打散的原理，实现气体间混合。混合动力主要来源气流动压力，因此，流经混合器后，混合气体的压降非常大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明提出了一种富氧点火用空氧混合器及其控制方法，该富氧点火用空氧混合器及其控制方法旨在解决现有技术中的空氧混合器混合气体的压降大、混合效果差的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一种富氧点火用空氧混合器，其中，包括混合器主管、环设在所述混合器主管外部的氧气环管、设置在所述混合器主管和所述氧气环管之间的多个氧气输送管以及设置在所述混合器主管内部的导流圆球，所述导流圆球的球心位于所述混合器主管的轴线上，所述氧气环管开设有氧气入口，所述氧气输送管的入口端通向所述氧气环管，所述氧气输送管的出口端通向所述混合器主管内部并朝向所述导流圆球，所述氧气输送管的出口端铰接于所述混合器主管且连接转动驱动装置，所述混合器主管的轴线方向的两端分别具有空气入口和混合气出口，所述混合器主管的内壁连接有直线伸缩驱动装置，所述直线伸缩驱动装置与所述导流圆球连接且所述直线伸缩驱动装置的直线伸缩方向为所述混合器主管的轴线方向。

优选地，所述转动驱动装置包括连接每个氧气输送管的驱动环。

优选地，所述转动驱动装置包括依次传动连接的电机、减速器和齿轮，所述驱动环的外侧具有与所述齿轮啮合的外齿。

优选地，所述混合器主管的外壁设置有转轴座，所述转轴座中设置有转轴件，所述氧气输送管的出口端通过所述转轴件铰接于所述混合器主管。

优选地，所述富氧点火用空氧混合器包括位于所述氧气输送管的出口端与所述混合器主管的连接处的柔性密封套。

优选地，所述氧气输送管的入口端通过柔性管与所述氧气环管连接。

优选地，所述直线伸缩驱动装置为气缸。

此外，本发明提供一种富氧点火用空氧混合器的控制方法，其中，采用上述的富氧点火用空氧混合器，所述控制方法包括步骤：

a、获取氧气输送管喷入混合器主管的氧气流速V_O2以及流经混合器主管的内壁与导流圆球之间形成的空气通道的空气流量Qair；

b、基于V_O2和Qair按如下公式计算混合器主管的内壁与导流圆球之间形成的空气通道的截面积S的目标值，该截面积S为混合器主管的内壁到导流圆球的球心的连线为第一母线的圆锥侧表面面积减去以导流圆球处于所述第一母线上的半径R₀为第二母线的圆锥侧表面面积，该连线的长度为混合器主管的内壁到导流圆球的球心的距离L，

S＝k·Q_air/V_O2；

c、按如下公式计算导流圆球沿所述混合器主管的轴线的目标位移Z：

L₀是导流圆球位于混合器主管的中心时，混合器主管的内壁到导流圆球的球心的距离，α是混合器主管的内壁与垂直于所述混合器主管的轴线的平面f的夹角，r是导流圆球位于混合器主管的中心时混合器主管的内壁到混合器主管的轴线的距离；

d、使直线伸缩驱动装置驱动导流圆球沿混合器主管的轴线移动目标位移Z。

优选地，所述控制方法在所述步骤d后还包括步骤：

e、按如下公式计算氧气输送管关于导流圆球的相切圆的目标半径R：

f、按如下公式计算氧气输送管所需旋转的目标角度θ：

H是氧气输送管转动中心与混合器主管中心的距离；

g、调节转动驱动装置，使氧气输送管转动目标角度θ。

优选地，在所述控制方法中，k是速度比例系数，一般取5～20。

(三)有益效果

本发明与现有技术对比，本发明富氧点火用空氧混合器及其控制方法的有益效果包括：

本发明富氧点火用气体混合器通过导流导流圆球对进入混合腔的空气流有扰流作用。空气流经圆形障碍物，形成扰动的流场，在障碍物周围形成涡流，从而强化空气与氧气的混合效果；

进一步地，设置直线伸缩驱动装置以驱动导流圆球沿混合器主管的轴线移动是为了达到目标位移Z，进而使氧气环管中的流速VO2和流经混合器主管的内壁与导流圆球之间形成的空气通道的空气的平均流速Vair相互达到最佳匹配，使混合器有最好的空氧混合效果；

进一步地，可调节转动驱动装置，使氧气输送管转动目标角度θ，以使氧气输送管的出口端的中轴延伸线与导流圆球的外表面圆形轮廓相切，达到最佳氧气喷入效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器的结构示意简图；

图2为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器的局部结构俯视图；

图3为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器的局部结构示意简图；

图4为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器中导流圆球位移示意简图；

图5为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器中截面积S的示意简图；

图6为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器中导流圆球位移的另一示意简图；

图7为本发明实施方式的富氧点火用空氧混合器中氧气输送管转动示意简图。

附图标记说明：

1、氧气环管，2、氧气输送管，3、氧气入口，4、导流圆球，5、直线伸缩驱动装置，6、驱动环，8、转轴座，9、转轴件，10、柔性密封套，11、柔性管，12、连接轴，61、外齿，100、混合器主管，101、混合腔，102、空气入口，103、混合气出口，104、入口管段，105、气体混合管段，106、出口管段，107、下倾斜内壁面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是2个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图3，本发明提供一种富氧点火用空氧混合器，包括混合器主管100(内部形成混合腔101)、环设在混合器主管100外部的氧气环管1、设置在混合器主管100和氧气环管1之间的多个氧气输送管2(优选成环形阵列布置)以及设置在混合器主管100内部的导流圆球4，导流圆球4的球心位于混合器主管100的轴线上，氧气环管1开设有氧气入口3，氧气输送管2的入口端通向氧气环管1，氧气输送管2的出口端通向混合器主管100内部并朝向导流圆球4，氧气输送管2的出口端铰接于混合器主管100且连接转动驱动装置，混合器主管100的轴线方向的两端分别具有空气入口102和混合气出口103，混合器主管100的内壁连接有直线伸缩驱动装置5，直线伸缩驱动装置5与导流圆球4连接且直线伸缩驱动装置5的直线伸缩方向为混合器主管100的轴线方向，直线伸缩驱动装置5能够驱动导流圆球4沿混合器主管100的轴线方向位移以调节导流圆球4与混合器主管100的内壁之间的流道的截面积，空气通过空气入口102进入混合腔101，与氧气在混合腔101中经过充分混合后，形成混合均匀的空氧气混合气，最终从混合气出口103流出，实现空氧气的充分混合，导流圆球4的作用主要为：一方面，导流圆球4对进入混合腔101的空气流有扰流作用。空气流经圆形障碍物，形成扰动的流场，在障碍物周围形成涡流，从而强化空气与氧气的混合效果。另一方面，导流圆球4可以引导氧气形成以它为中心的旋转的圆形流场，当然，即使该气体混合器用于除氧气、空气之外的其他气体的混合，也将落入本发明的保护范围。

根据本发明的具体实施方式，转动驱动装置包括连接每个氧气输送管2的驱动环6，具体驱动环6可以通过竖直延伸的连接轴12连接氧气输送管2的上方或下方。作为一种实施方式，转动驱动装置包括依次传动连接的电机、减速器和齿轮，驱动环6的外侧具有与齿轮啮合的外齿61，外齿61既可以有一整圈也可以只有一小段，但转动驱动装置还可以有很多替换结构、例如凸轮连杆机构等等，由于具体通过何种装置来使驱动环6转动可以采用已知技术并且很好理解，这里不再展开说明和给出具体附图说明。

此外，混合器主管100的外壁设置有转轴座8，转轴座8中设置有转轴件9(优选转动轴承)，氧气输送管2的出口端通过转轴件9铰接于混合器主管100。

根据本发明的具体实施方式，富氧点火用空氧混合器包括位于氧气输送管2的出口端与混合器主管100的连接处的柔性密封套10。氧气输送管2的入口端通过柔性管11与氧气环管1连接。

根据本发明的优选实施方式，直线伸缩驱动装置5为气缸，但也可以是丝杠机构等其他合适的直线驱动装置。

根据本发明的具体实施方式，混合器主管100依次包括入口管段104、气体混合管段105和出口管段106，空气入口102位于入口管段104的末端，混合气出口103位于出口管段106的末端，导流圆球4位于气体混合管段105内部，氧气输送管2的出口端连接于气体混合管段105，混合腔101位于气体混合管段105中。气体混合管段105的管径分别大于入口管段104的管径和出口管段106的管径。优选地，气体混合管段105朝向入口管段104形成逐渐收窄的喇叭口，并且气体混合管段105朝向出口管段106形成逐渐收窄的喇叭口，使流体经过气体混合管段105内(混合腔101)时流速和压力经历两次骤变，进一步强化流体之间的混合效果。

作为具体实施方式，空气入口102位于混合器主管100的底端(或后端)，混合气出口103位于混合器主管100的顶端(或前端)，本文具体方案均以空气入口102位于混合器主管100的底端，混合气出口103位于混合器主管100的顶端，即混合器主管100沿竖直方向布置的形式来介绍说明。

此外，参见图4至图7，本发明还提供一种富氧点火用空氧混合器的控制方法，该控制方法采用上述的富氧点火用空氧混合器，控制方法包括步骤：

a、获取氧气输送管2喷入混合器主管的氧气流速V_O2以及流经混合器主管100的内壁与导流圆球4之间形成的空气通道的空气流量Qair；

b、基于V_O2和Qair按如下公式计算混合器主管100的内壁与导流圆球4之间形成的空气通道的截面积S的目标值(参考图5)，该截面积S为混合器主管100的内壁到导流圆球4的球心的连线为第一母线的圆锥侧表面面积减去以导流圆球4处于第一母线上的半径R₀为第二母线的圆锥侧表面面积，该连线的长度为混合器主管100的内壁到导流圆球4的球心的距离L，

S＝k•Q_air/V_O2，

c、按如下公式计算导流圆球4沿混合器主管100的轴线的目标位移Z：

L₀是导流圆球4位于混合器主管100的中心时，混合器主管100的内壁到导流圆球4的球心的距离，α是混合器主管100的内壁与垂直于混合器主管100的轴线的平面f(图4中为水平面)的夹角，r是导流圆球4位于混合器主管100的中心时混合器主管100的内壁到混合器主管100的轴线的距离，L₀、α、r均为常数；

d、使直线伸缩驱动装置5驱动导流圆球4沿混合器主管100的轴线移动目标位移Z，所以设置直线伸缩驱动装置5以驱动导流圆球4沿混合器主管100的轴线移动是为了达到目标位移Z，进而使氧气环管中的流速V_O2和流经混合器主管100的内壁与导流圆球4之间形成的空气通道的空气的平均流速Vair相互达到最佳匹配。

该控制方法更进一步地原理说明为：

本申请研究发现，氧气输送管2喷入混合器主管的氧气流速V_O2和流经混合器主管100的内壁与导流圆球4之间形成的空气通道的空气的平均流速Vair相互匹配时，即与呈一定比例时，混合器有最好的混合效果，V_O2＝k·Vair (式1)，

式1中，k是速度比例系数，一般取5～20(当然也可以根据实际需要改变)。实际工作过程中，当混合气目标氧浓度发生变化时，氧气流量和空气流量会相应变化，使空气流速与氧气流速之比偏离最优值k，因此需要通过调节导流圆球4竖直位移，改变空气通道截面积S的大小以调整Vair，使空氧气流速重新匹配，本申请具体定义该截面积S为混合器主管100的内壁(具体即为气体混合管段105的下倾斜内壁面107)到导流圆球4的球心的连线为第一母线的圆锥侧表面面积减去以导流圆球4处于第一母线上的半径R₀为第二母线的圆锥侧表面面积。空气体积流量Qair，则空气流速Vair有：

Vair＝Qair/S (式2)；

联立式1和式2，可得在氧气流速空气流量的情况下，要保持空气与氧气流速匹配的空气通道截面目标值S的计算公式：

S＝k·Qair/V_O2 (式3)；

空气通道截面积为圆锥侧表面面积的一部分，其面积可由下式计算：

S＝πrL-πrR₀ (式4)，

L为混合器主管100的内壁到导流圆球4的球心的距离，需要补充说明的是，r本应是混合器主管100的内壁到混合器主管100的轴线的距离，考虑S变化不会太大，这里将r取一个定值即可，即导流圆球4位于混合器主管100的中心时(初始位置)混合器主管100的内壁(具体即为气体混合管段105的下倾斜内壁面107)到混合器主管100的轴线的距离，参考图4可得下式：

L-L₀＝Z•cosα (式5)；

联立式4-式5可得导流球位移目标值Z的计算公式：

此外，控制方法在步骤d后还包括步骤：

e、参考图6，按如下公式计算氧气输送管2关于导流圆球4的相切圆的目标半径R：

f、按如下公式计算氧气输送管2所需旋转的目标角度θ：

H是氧气输送管2转动中心与混合器中心的距离，需要说明的是，参考图7，氧气输送管2关于导流圆球4的相切圆的大小与氧气输送管2沿中心的目标角度θ(旋转角度)的关系：R＝H•sinθ (式9)，

所以联立式7和式9可得式8；

g、调节转动驱动装置，使氧气输送管2转动目标角度θ，以使氧气输送管2的出口端的中轴延伸线与导流圆球4的外表面圆形轮廓相切，达到最佳氧气喷入效果。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种富氧点火用空氧混合器，其特征在于，包括混合器主管、环设在所述混合器主管外部的氧气环管、设置在所述混合器主管和所述氧气环管之间的多个氧气输送管以及设置在所述混合器主管内部的导流圆球，所述导流圆球的球心位于所述混合器主管的轴线上，所述氧气环管开设有氧气入口，所述氧气输送管的入口端通向所述氧气环管，所述氧气输送管的出口端通向所述混合器主管内部并朝向所述导流圆球，所述氧气输送管的出口端铰接于所述混合器主管且连接转动驱动装置，所述混合器主管的轴线方向的两端分别具有空气入口和混合气出口，所述混合器主管的内壁连接有直线伸缩驱动装置，所述直线伸缩驱动装置与所述导流圆球连接且所述直线伸缩驱动装置的直线伸缩方向为所述混合器主管的轴线方向。

2.根据权利要求1所述的富氧点火用空氧混合器，其特征在于，所述转动驱动装置包括连接每个氧气输送管的驱动环。

3.根据权利要求2所述的富氧点火用空氧混合器，其特征在于，所述转动驱动装置包括依次传动连接的电机、减速器和齿轮，所述驱动环的外侧具有与所述齿轮啮合的外齿。

4.根据权利要求1所述的富氧点火用空氧混合器，其特征在于，所述混合器主管的外壁设置有转轴座，所述转轴座中设置有转轴件，所述氧气输送管的出口端通过所述转轴件铰接于所述混合器主管。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的富氧点火用空氧混合器，其特征在于，所述富氧点火用空氧混合器包括位于所述氧气输送管的出口端与所述混合器主管的连接处的柔性密封套。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的富氧点火用空氧混合器，其特征在于，所述氧气输送管的入口端通过柔性管与所述氧气环管连接。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的富氧点火用空氧混合器，其特征在于，所述直线伸缩驱动装置为气缸。

8.一种富氧点火用空氧混合器的控制方法，其特征在于，采用根据权利要求1至7中任意一项所述的富氧点火用空氧混合器，所述控制方法包括步骤：

a、获取氧气输送管喷入混合器主管的氧气流速V_O2以及流经混合器主管的内壁与导流圆球之间形成的空气通道的空气流量Qair；

b、基于V_O2和Qair按如下公式计算混合器主管的内壁与导流圆球之间形成的空气通道的截面积S的目标值，该截面积S为混合器主管的内壁到导流圆球的球心的连线为第一母线的圆锥侧表面面积减去以导流圆球处于所述第一母线上的半径R₀为第二母线的圆锥侧表面面积，该连线的长度为混合器主管的内壁到导流圆球的球心的距离L，

S＝k·Q_air/V_O2；

c、按如下公式计算导流圆球沿所述混合器主管的轴线的目标位移Z：

L₀是导流圆球位于混合器主管的中心时，混合器主管的内壁到导流圆球的球心的距离，α是混合器主管的内壁与垂直于所述混合器主管的轴线的平面f的夹角，r是导流圆球位于混合器主管的中心时混合器主管的内壁到混合器主管的轴线的距离；

d、使直线伸缩驱动装置驱动导流圆球沿混合器主管的轴线移动目标位移Z。

9.根据权利要求8所述的富氧点火用空氧混合器的控制方法，其特征在于，所述控制方法在所述步骤d后还包括步骤：

e、按如下公式计算氧气输送管关于导流圆球的相切圆的目标半径R：

f、按如下公式计算氧气输送管所需旋转的目标角度θ：

H是氧气输送管转动中心与混合器主管中心的距离；

g、调节转动驱动装置，使氧气输送管转动目标角度θ。

10.根据权利要求8所述的富氧点火用空氧混合器的控制方法，其特征在于，在所述控制方法中，k是速度比例系数，取5～20。

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