CN114951623A - 一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金工业生产技术领域，尤其涉及到一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置和方法。所述纯氧助燃预混钢包烘烤装置包括耐火包盖、喷气装置、烧嘴、点火装置、耐火圆台，使用时打开喷气装置，向烧嘴中喷入纯氧和燃气混合气体，启动点火装置点燃纯氧和燃气混合气体，对钢包进行烘烤，产生的烟气从烟气出口排出。本发明采用纯氧助燃，降低了烟气等污染物的排放，增加了烘烤效率，扩大燃料的适用性，设置耐火圆台解决了采用纯氧燃烧时喷出火焰太短导致火焰无法到达钢包底使竖直方向烘烤不均匀的问题，从而使钢包烘烤更加均匀，同时，由于采用预混方式，燃气和纯氧混合均匀，燃烧效率高。

Description

一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置和方法

技术领域

本发明属于冶金工业生产技术领域，尤其涉及到一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置和方法。

背景技术

钢包是钢铁生产过程中重要的热工设备，钢包用于将炉外精炼的钢水输送到连铸过程中。为去除钢包中的水分，提高包壁温度，减少钢水与包壁之间的散热损失，从而避免钢水倒入钢包时遇水发生爆炸，保持钢水温度稳定，在低过热度下进行连铸，提高板坯质量，钢包在承接钢水前需要进行烘烤。

一般，钢包烘烤装置采用的是空气助燃的套管结构，即煤气与助燃空气平行流出喷嘴后点燃燃烧。这种方式有以下缺点：一是采用老式套管结构导致煤气与空气混合不好，烘烤温度不均匀，热效率低。二是对常规的空气助燃来说，助燃气体中只有占比21％的O₂参与了煤气燃烧，剩余的N₂和惰性气体不但不发生燃烧反应放出热量，而且还会吸收钢包内部的大量热量，从而会提高烘烤过程燃料消耗，还会增加排烟量，增大排烟热损失，降低火焰温度，使得烘烤效率降低。

多数大型钢厂利用工艺副产品焦炉煤气、混合煤气、高炉煤气对钢包进行烘烤作业。其中，焦炉煤气主要由氢气和甲烷构成，属于高热值煤气，一般作为钢包烘烤中的燃气使用。混合煤气一般是指在高炉煤气中加入焦炉煤气或者天然气，这是因为高炉煤气的热值较低，通过加入焦炉煤气或者天然气能够提高热值，提高燃烧温度，满足钢包烘烤工艺的要求。高炉煤气是高炉炼铁生产过程中副产的可燃气体，属于低热值煤气，可燃成分主要为CO，特点是燃烧不稳定，燃烧温度低，因此高炉煤气难以直接用于钢包烘烤。使用高炉煤气作为钢包烘烤的燃气时，一般都要额外采用稳定强化燃烧的措施，如采用蓄热式燃烧方式。

纯氧燃烧技术作为一种新型燃烧技术，使用氧气(含氧浓度大于95％)代替空气作为燃烧助燃气，减少了空气中79％的无效氮气的介入，加速了燃料反应，提高了火焰温度，火焰温度可以达到1500℃以上。在实际生产中，纯氧燃烧会使火焰传播速度大幅增加，火焰长度明显变短。

发明内容

本发明提供一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置和方法，利用纯氧代替空气作为燃烧助燃气，用于钢包烘烤过程。

将纯氧助燃用于钢包烘烤过程，具有以下优点：

(1)提高了火焰燃烧温度，降低了烟气等污染物的排放，增加了烘烤效率：由于纯氧助燃时烟气中CO₂和H₂O三原子气体含量提高，烟气发射率提高，钢包内部辐射换热能力大大加强，而总烟气量也大大降低，特别是烟气中N₂含量的降低，提高了钢包烘烤的效率，降低了烟气中NO_x含量，减少了燃烧产物中污染物的生成和排放。

(2)扩大了钢包烘烤过程中燃料的适用性和燃烧的稳定性：纯氧燃烧具有加速燃料反应、加快燃烧速度、降低燃料燃点、提高火焰温度等优点，因而采用纯氧助燃可以补足高炉煤气等低热值燃料的燃烧温度，将低热值的高炉煤气的燃烧温度提高至能够满足钢包烘烤工艺的要求的温度，并且提高高炉煤气燃烧的稳定性，使高炉煤气可以不经过太多的处理，直接应用于钢包烘烤。

但如背景技术中所述，采用纯氧燃烧会使火焰传播速度大幅增加，火焰长度明显变短，明火焰难以到达钢包底部，进而影响钢包在竖直方向上的温度均匀性。

针对以上问题，本发明的纯氧助燃预混钢包烘烤装置具体如下：

所述纯氧助燃预混钢包烘烤装置包括耐火包盖、喷气装置、烧嘴、点火装置、耐火圆台；所述耐火圆台位于耐火包盖下部；所述烧嘴贯穿耐火包盖和耐火圆台，烧嘴进口设置在耐火包盖上，烧嘴出口设置于耐火圆台底部；所述喷气装置设置于烧嘴进口上，用于向烧嘴中喷入纯氧和燃气混合气体；所述点火装置用于点燃从烧嘴出口喷出的纯氧和燃气混合气体；所述耐火包盖上还设置烟气出口，用于排出烟气。

采用上述钢包烘烤装置进行钢包烘烤的方法为：打开喷气装置，向烧嘴中喷入纯氧和燃气混合气体，启动点火装置点燃纯氧和燃气混合气体，对钢包进行烘烤，产生的烟气从烟气出口排出。

上述方法中，纯氧和燃气在进行预混后喷入烧嘴，实现预混燃烧。预混燃烧是指在燃烧前将燃气和助燃气按一定配比进行混合后点燃，以使燃烧更加充分并降低污染物排放。

由于采用了纯氧助燃，烘烤采用的燃气可为低热值的高炉煤气。烘烤过程中，供入烧嘴的纯氧和燃气混合气体的氧燃比优选为1.2-1.5，混合气体喷出烧嘴的速度可控制为20-100m/s，可以根据实际需求进行调节，控制纯氧燃烧火焰的长度。

位于耐火包盖下部的耐火圆台为圆台型的耐火异形件，可采用耐火浇注料整体浇筑，耐火圆台的设置具有以下几个作用：

(1)由于纯氧燃烧的火焰长度较短，本发明的装置中在耐火包盖下边设置耐火圆台，烧嘴贯穿耐火圆台，烧嘴出口位于耐火圆台底部。因此在钢包烘烤时烧嘴出口可以伸入钢包内部，便于纯氧燃烧产生的明火焰到达钢包底部，提高了传热效率和钢包的烘烤均匀性。

烧嘴贯穿耐火圆台同时也意味着烧嘴嵌入耐火圆台内部，被耐火材料包裹，在钢包烘烤过程中，耐火圆台可以对烧嘴进行保护。

(2)本发明的纯氧助燃为采用纯氧与燃气混合进行燃烧，因纯氧替代空气，减少了空气中79％的无效氮气的介入，大幅降低了烟气所带走热量和烟气体积。但相应地，产生烟气体积减少也会减小烟气在钢包内的充满度，导致烟气与钢包的换热时间不足，降低烘烤效果，因此本发明在耐火包盖下设置耐火圆台，占据钢包内的上部空间，减小钢包内部的空闲体积，补足纯氧燃烧减少的烟气体积。

(3)耐火圆台的设置导致进行钢包烘烤时，钢包上部空间横向截面积减少。当燃烧产生的烟气冲向钢包底部并接触底部后沿钢包底部壁面扩散，由于钢包上部空间横向截面积减少，耐火圆台的外侧壁与钢包内侧壁形成狭缝，烟气在向钢包上部流动时的流速会提高，并且烟气由于受到耐火圆台的阻碍，只能贴近钢包侧壁壁面沿着侧壁钢包内衬上升，进而导致烟气与钢包侧壁壁面的对流换热增大，提高烘烤效率。

基于耐火圆台起到的上述作用，其体积和高度等尺寸特征可以按照以下原则设置：耐火圆台的体积可由采用纯氧助燃时比采用空气助燃时减少的烟气体积确定，耐火圆台的高度即为烧嘴伸入钢包内部的距离，可以根据纯氧燃烧的火焰长度(一般为2-2.5m)确定，比如将耐火圆台底部距钢包底部的距离设置为低于火焰长度。

具体来说，所述耐火圆台的尺寸可以根据所述钢包烘烤装置要应用的钢包的尺寸进行设置：耐火圆台的体积为钢包内部容积的40％-60％；耐火圆台的外侧壁与钢包内侧壁平行，耐火圆台的横截面积占据钢包横截面积的70％-75％左右；耐火圆台的底部与钢包内侧底部的距离可以为0.8-1.4m，耐火圆台的外侧壁与钢包内侧壁之间留出150-300mm左右的缝隙。

烟气出口可以沿耐火包盖边缘均匀分布若干个，直径优选为120-180mm。进一步地，每个烟气出口上方可设置一个集烟罩，集烟罩直径大于烟气出口直径，便于将烟气全部从钢包内抽出；多个集烟罩连接在一起，均连通烟气管道，烟气管道与引风机连通，使用时可以用风机将烟气抽出。

优选地，所述烧嘴可以为金属结构烧嘴，烧嘴可设置于耐火包盖中心，并且嵌入耐火圆台内部。进一步地，烧嘴可以采用烧嘴上部直径大于下部直径的“上大下小”结构，以进一步提高喷入烧嘴的混合气体的流速，烧嘴大直径处和小直径处的中间为圆锥过渡段，以减少流动损失。

优选地，所述点火装置可为贯穿耐火包盖和耐火圆台、伸出耐火圆台底部的长明火管。长明火管的出口位于烧嘴出口附近，用于点燃从烧嘴出口喷出的混合气体。

所述喷气装置用于向烧嘴中喷入纯氧和燃气混合气体，进一步地，本发明提出了一种喷气装置的具体结构：所述喷气装置包括燃气管道、纯氧助燃管道、喷气出口、喷射阀，其中燃气管道的直径优选为200-300mm，纯氧助燃管道的直径优选为100-160mm。燃气管道和纯氧助燃管道上均设置流量调节阀门，以控制燃气和纯氧的进气量。燃气管道与纯氧助燃管道相互连通，并且燃气管道连通喷气出口，纯氧助燃管道则设置于喷气出口附近。喷气出口连通烧嘴进口，混合气体可经喷气出口喷入烧嘴。喷射阀设置于喷气出口处，可以采用开度螺杆等结构形式，用于改变喷气出口的开度大小，进而改变气体的局部流速。

这种喷射装置的具体原理和使用方式如下：在烘烤前，打开燃气管道和纯氧助燃管道的流量调节阀门，燃气以一定的速度在管道内流动，当燃气通过喷射阀时，通过调节喷射阀，减小喷气出口的开度，从而提高燃气的局部流速，形成负压，将纯氧也吸入烧嘴内，在湍流的作用下，燃气与纯氧进行混合并喷入烧嘴中。可以根据需求调节燃气的流速，以改变烘烤火焰的长短。

与传统的老式套管结构燃烧器相比，上述喷射装置在使用过程中，高速的燃气卷吸纯氧，可使燃气与纯氧混合更加均匀，更好地实现燃气的预混燃烧。

本发明的有益效果在于：

本发明采用纯氧助燃，提高了火焰燃烧温度，降低了烟气等污染物的排放，增加了烘烤效率，提高了低热值高炉煤气的利用率，扩大燃料的适用性，促进了高炉煤气燃烧的稳定性，实现了高炉煤气的更高效利用，并解决了采用纯氧燃烧时喷出火焰太短导致火焰无法到达钢包底使竖直方向烘烤不均匀的问题，从而使钢包烘烤更加均匀，同时，由于采用预混方式，燃气和纯氧混合均匀，燃烧效率高。

本发明的装置和方法可以有效地烘烤钢包，去除钢包中的水分，提高包壁温度，减少钢水与包壁之间的散热损失，从而避免钢水倒入钢包时遇水发生爆炸，保持钢水温度稳定，在低过热度下进行连铸，提高板坯质量。

附图说明

图1和图2为本发明具体实施方式中纯氧助燃预混钢包烘烤装置和钢包的示意图，图1为主视图，图2为侧视图。

其中：1.耐火包盖，2.离心式风机，3.烟气管道，4.纯氧助燃管道，5.喷气出口，6.开度螺杆，7.流量调节阀门，8.燃气管道，9.集烟罩，10.烟气出口，11.耐火圆台，12.长明火管，13.烧嘴，14.钢包。

具体实施方式

一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置，如图1、图2所示，装置所应用的钢包14高4000mm，钢包上端开口半径为1400mm，下底面半径为1200mm，钢包烘烤装置采用高炉煤气为燃气，其可燃成分为CO、H₂，当采用空气助燃时，因空气中氧气的含量较少，为21％，需要较大的空燃比才能满足燃烧需求，并且燃烧不稳定，如采用纯氧助燃时，高浓度的氧气代替普通空气可减少空气中79％的无效氮气的介入，大幅降低了烟气体积。

具体来说，所述纯氧助燃预混钢包烘烤装置包括耐火包盖1、烧嘴13、长明火管12、耐火圆台11、喷气装置。

所述耐火圆台11位于耐火包盖下部1，采用耐火浇注料整体浇筑。烧嘴13嵌入并贯穿耐火包盖和耐火圆台的中心，烧嘴进口设置在耐火包盖上，烧嘴出口设置于耐火圆台底部，烧嘴采用上部直径大于下部直径的“上大下小”结构，中间为圆锥形的过渡段，这种结构可以减少流动损失，进一步提高混合气体的流速。长明火管12为点火装置，贯穿耐火包盖和耐火圆台，出口位于烧嘴13附近距耐火包盖1和耐火圆台11的中心220mm处，用于装置的点火。

本实施方式中，采用高炉煤气为燃气，控制氧燃比为1.5:1，相比空燃比为4:1的空气助燃，可减少51.34％的烟气体积。烟气体积的减少会影响烟气与钢包内壁之间的换热，因此用耐火圆台11的体积补充烟气缺少的体积增加烟气与钢包壁之间的换热。经计算钢包的体积为21.28m³，由此确定采用耐火圆台的体积为10.93m³。耐火圆台的外侧壁与钢包内侧壁之间互相平行，会形成狭缝，本实施方式中狭缝宽度为200mm，可以将烟气进入狭缝后的流速提高2.4倍，增加换热提高烘烤效率。

耐火圆台的上端面半径为1200mm，下底面半径为1064.5mm，高度为2710mm，耐火圆台底部(或者说下底面)距钢包内侧底面约1.29m，由于耐火圆台中镶嵌了金属结构的烧嘴13，耐火圆台的高度也是烧嘴伸入钢包的深度，即烧嘴出口与钢包内侧底面也为约1.29m，该距离的设置符合纯氧燃烧的火焰长度，火焰可以烘烤到钢包底部。

耐火包盖1上有烟气出口10，共4个，呈十字型排列，位于耐火包盖1边缘距耐火包盖中心300mm处，烟气出口10直径为160mm。每个烟气出口上方设置一个集烟罩9，集烟罩直径大于烟气出口直径，便于将烟气全部从钢包内抽出。4个集烟罩9均连通烟气管道3，烟气管道3与离心式风机2连通。烟气经烟气管道收集，由离心式风机抽出。

所述喷气装置包括燃气管道8、纯氧助燃管道4、与烧嘴进口连通的喷气出口5、作为喷射阀的开度螺杆6。其中，燃气管道8的直径为300mm，纯氧助燃管道4设置3个，直径均为120mm，燃气管道8和纯氧助燃管道4上均设置流量调节阀门7；燃气管道8竖直方向连通喷气出口5，纯氧助燃管道4设置于喷气出口5附近，也与燃气管道8连通。作为喷射阀的开度螺杆6设置于喷气出口处，通过调节开度螺杆6，改变喷气出口的开度大小，可以提高燃气在此处的局部流速，形成负压，将纯氧吸入燃烧器内，在湍流作用下，燃气与氧气混合，喷入烧嘴13，点燃后发生预混燃烧。

使用上述装置进行钢包烘烤的方法为：在烘烤前，打开燃气和纯氧助燃管道的流量调节阀门7，燃气以一定的速度在管道内流动，当燃气到达喷气出口处时，调节开度螺杆6，导致喷气出口处开度减小，气体局部流速提高形成负压，将纯氧从纯氧助燃管道4吸入，在湍流作用下燃气与纯氧发生混合，混合后的气体进入烧嘴，因烧嘴下部截面积缩小，导致混合气体速度进一步提升。当混合气体到达烧嘴出口后喷出，被长明火管12上的明火点燃，烘烤钢包。本实施方式中，控制混合气体喷出烧嘴的速度为40m/s，也可以根据实际需求进行调节，控制纯氧燃烧火焰的长度，使火焰可以烘烤到钢包底部。

烘烤产生的烟气通过耐火包盖1上的4个烟气出口10进入集烟罩9，集烟罩9由烟气管道连接在一起，并由离心式风机2将烟气抽出。

Claims (9)

1.一种纯氧助燃预混钢包烘烤装置，其特征在于，包括耐火包盖、喷气装置、烧嘴、点火装置、耐火圆台；

所述耐火圆台位于耐火包盖下部；

所述烧嘴贯穿耐火包盖和耐火圆台，烧嘴进口设置在耐火包盖上，烧嘴出口设置于耐火圆台底部；

所述喷气装置设置于烧嘴进口上，用于向烧嘴中喷入纯氧和燃气混合气体；

所述点火装置用于点燃从烧嘴出口喷出的纯氧和燃气混合气体；

所述耐火包盖上还设置烟气出口，用于排出烟气。

2.根据权利要求1所述的纯氧助燃预混钢包烘烤装置，其特征在于，所述喷气装置包括燃气管道、纯氧助燃管道、喷气出口、喷射阀；

燃气管道和纯氧助燃管道上均设置流量调节阀门；

燃气管道与纯氧助燃管道相互连通，并连通喷气出口；

纯氧助燃管道设置于喷气出口附近；

喷气出口连通烧嘴进口；

喷射阀设置于喷气出口处，用于调节流速。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的纯氧助燃预混钢包烘烤装置，其特征在于，所述耐火圆台的尺寸根据所述钢包烘烤装置要应用的钢包进行设置：耐火圆台的体积为钢包内部容积的40％-60％，耐火圆台的外侧壁与钢包内侧壁平行，耐火圆台的底部与钢包内侧底部的距离为0.8-1.4m,耐火圆台的外侧壁与钢包内侧壁之间留出150-300mm的缝隙。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的纯氧助燃预混钢包烘烤装置，其特征在于，所述烟气出口沿耐火包盖边缘均匀分布若干个；每个烟气出口上方设置一个集烟罩，集烟罩直径大于烟气出口直径；多个集烟罩均连通烟气管道，烟气管道与风机连通。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的纯氧助燃预混钢包烘烤装置，其特征在于，所述烧嘴上部直径大于下部直径，中间为圆锥过渡段。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的纯氧助燃预混钢包烘烤装置，其特征在于，所述点火装置为贯穿耐火包盖和耐火圆台伸出耐火圆台底部的长明火管。

7.一种钢包烘烤方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的钢包烘烤装置，方法包括以下步骤：打开喷气装置，向烧嘴中喷入纯氧和燃气混合气体，启动点火装置点燃纯氧和燃气混合气体，对钢包进行烘烤，烟气从烟气出口排出。

8.根据权利要求7所述的烘烤钢包的方法，其特征在于，喷入烧嘴的纯氧和燃气混合气体的氧燃比为1.2-1.5，混合气体喷出烧嘴的速度为20-100m/s。

9.根据权利要求7所述的烘烤钢包的方法，其特征在于，所述燃气为高炉煤气。

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