TWI710645B - 燃燒器組件及使用其之頂部燃燒爐 - Google Patents

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德商保爾伍斯耐火材料與工程有限責任公司
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Abstract

一種用於頂部燃燒熱風爐的燃燒器組件包含一被一燃燒器殼圍繞的燃燒器，其中該燃燒器具有一圓形截面；數個空氣噴嘴被排列用以將空氣切線地送入該燃燒器，該些空氣噴嘴係連接至一或更多個空氣分配室；數個氣體噴嘴被排列用以將氣體切線地送入該燃燒器，該些氣體噴嘴係連接至一或更多個氣體分配室；其中該些空氣噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的空氣噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的空氣分配室連通；該些氣體噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的氣體噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的氣體分配室連通；以及該（些）傾斜或垂直的空氣分配室與該（些）傾斜或垂直的氣體分配室係沿著該燃燒器殼的圓周排列。

Description

燃燒器組件及使用其之頂部燃燒爐
本發明一般係關於一種用於熱風爐（再生空氣加熱裝置）的燃燒器組件，用以在熱風爐操作中預先加熱鼓風。更特別地，本發明係關於所謂的頂部或圓頂燃燒爐，其中該燃燒器係被排列在該爐的頂部。
眾所皆知，在再生加熱(regenerative heating)的領域，尤其是熱風爐(hot blast stove)的領域，是將空氣通過預先加熱的耐火材料，一般稱為格子形耐火磚(checker brick)以加熱空氣。加熱格子形耐火磚的方法是在有空氣的情形下燃燒熱風爐內富含天然氣或焦爐煤氣(coke oven gas)的爐頂氣體，然後將生成的煙道氣(flue gas)通過格子形耐火磚。
燃燒介質（氣體和空氣）的燃燒通常在熱風爐內的單獨的軸（燃燒器軸）中進行，或者最近是在所謂的頂部或圓頂燃燒熱風爐的頂部圓頂中進行。
習知的頂部燃燒熱風爐一般包含被排列在熱風爐上的燃燒器，熱風爐被填入彼此分開或預先混合的氣體與空氣，經由噴嘴送入燃燒室。這些習知的組態具有一圓柱形燃燒室和環形分布的燃燒介質。在此種組態中，每一介質（空氣與氣體）具有自身的環形導管系統，還有通常整合在燃燒器的殼內的相關噴嘴。此種類型的典型範例如WO 00/58526、US 4,054,409、CN 201 288 198 Y，或WO 2015/094011等案。這類系統的最大缺點是殼的結構因為有環繞的導管的關係而變得脆弱。此外，這類組態需要用到許多不同形狀的耐火磚，因此也需要相當多的組裝工作。
[技術問題]
本發明的一個目的是提供一種用於頂部燃燒熱風爐的燃燒器組態，可用以解決至少部分的習知缺點，較佳為可提供良好或甚至更佳的燃燒效能。
[技術解決方案]
為了要解決至少部分的上述問題，本發明的一第一型態提供一種用於頂部燃燒熱風爐之燃燒器組件，包含一被一燃燒器殼圍繞的燃燒器，其中該燃燒器具有一圓形截面，數個空氣噴嘴被排列（在該燃燒器殼內）用以將空氣切線地送入該燃燒器，該些空氣噴嘴係連接至一或更多個空氣分配室；數個氣體噴嘴被排列（在該燃燒器殼內）用以將氣體切線地送入該燃燒器，該些氣體噴嘴係連接至一或更多個氣體分配室。與習知技術不同之處在於，該些空氣噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的空氣噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的空氣分配室連通；該些氣體噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的氣體噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的氣體分配室連通；以及該（些）傾斜或垂直的空氣分配室與該（些）傾斜或垂直的氣體分配室係沿著該燃燒器殼的圓周排列。
在一第二型態中，本發明係關於一種頂部燃燒熱風爐，包含一爐殼；被排列在該爐殼內的一體積的格子形耐火磚；一被一燃燒器殼圍繞的燃燒器，其中該燃燒器具有一圓形截面並被軸向地排列在該爐殼的一上部；數個空氣噴嘴被排列用以將空氣切線地送入該燃燒器，該些空氣噴嘴係連接至一或更多個（分離）空氣分配室；數個氣體噴嘴被排列用以將氣體切線地送入該燃燒器，該些氣體噴嘴係連接至一或更多個（分離）氣體分配室。在此，與習知技術不同之處在於，該些空氣噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的空氣噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的空氣分配室連通；該些氣體噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的氣體噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的氣體分配室連通；以及該（些）傾斜或垂直的空氣分配室與該（些）傾斜或垂直的氣體分配室係沿著該燃燒器殼的圓周排列（也就是分佈）。
由燃燒器殼圍繞的燃燒器定義了一實質上圓柱形的內體積（通常外部也是），頂部有一圓頂形狀的蓋子遮蓋，在底部有開口，底部係被設定用以附接至一熱風爐，以下將會進一步敘述。
空氣與氣體分配室可被排列在燃燒器殼內，或者可附接至燃燒器殼的外部。在一較佳實施例中，空氣與氣體分配室係被排列在燃燒器殼的壁內，較佳地但非必要地，可以在一相對於燃燒器殼的厚度的一中心位置。當有超過一個的空氣與氣體分配室沿著燃燒器殼的圓周排列，通常它們會輪流排列（空氣－氣體－空氣－氣體…），不過其他排列方式，例如二個二個的排列（空氣－空氣－氣體－氣體…），也屬於本發明的範疇。任何二個被填有不同介質（空氣或氣體）的獨立分配室不會互相連接（空氣和氣體只會在燃燒器的主燃燒室混合）是顯而易見的，而傳送相同介質的任何二個傾斜或垂直的分配室在燃燒器殼內也不會互相連接。換句話說，如果有二個或更多傾斜或垂直的分配室是傳送相同的介質，它們是獨立的，並且在燃燒器殼內不會有任何的流體連接。所以，如果本發明的燃燒器組件包含二或更多個傾斜或垂直的空氣分配室與二或更多個傾斜或垂直的氣體分配室，該二或更多個傾斜或垂直的空氣分配室中不會有任何一個在燃燒器殼內有流體連接，而該二或更多個傾斜或垂直的氣體分配室中不會有任何一個在燃燒器殼內有流體連接。
傾斜或甚至實質上垂直的堆疊噴嘴與沿著燃燒器圓周的切線方向的氣體和空氣入口之特定組合，可以產生具有較佳的燃燒介質分層與燃燒的漩流。更重要的是，在達成此一有利的燃燒條件的同時，與習知的圓周水平分配室相比，即使分配室是被排列在燃燒器殼內，也大幅提升了燃燒器的結構穩定性。實際上，分配室係傾斜或垂直地沿著燃燒器的圓周排列或分佈，燃燒器殼在分散的分配室之間包含傾斜或垂直的底部至頂部的連續壁區段。燃燒器殼的壁結構在防火磚型形狀與組裝工作上都大幅地簡化。根據本發明的燃燒器組件在燃燒器殼中並不包含環形或同軸分配室，或任何其他互連類型的分配室，因此現行配置可避免習知的脆弱內部環形防火磚方式。在此所敘述的燃燒器不需要額外的施工措施來補強結構穩定性。空氣與氣體分配室的高度通常為圓柱形內部體積，也稱為燃燒室，或更特別地稱為主燃燒室的高度的0.3至1倍，較佳為0.5至0.9，更佳為0.6至0.8。視燃燒器的尺寸和所需容量而定，每一燃燒介質的分配室數目通常是在1 和10之間，較佳為介於2和4之間，不過此一數目也有可能視需求而超過10。
一般來說，分配室為傾斜或垂直的軸區段，較佳為具有圓形或多邊形截面，具有數個垂直（若傾斜的話為橫向的）相間隔的孔對著燃燒器，這些孔用來將燃燒介質送入燃燒器。對於實質上垂直的分配室來說，通常實質上是直軸。對於傾斜的分配室來說，可具有彎曲的形狀，而曲線實質上是依循（或對應）圓形的燃燒器殼。視傾斜角度與軸長度（也就是燃燒器的高度）而定，分配室將各自具有（部分的）螺旋(spiral)或螺旋線(helix)的形狀。根據組態（空氣與氣體分配室的數目、傾斜角與燃燒器高度），分配室可以代表多個纏繞的螺旋。如果需要，燃燒器殼內的此種傾斜（螺旋形）分配室的圓周角可以達到90°或甚至更多。然而，在任何情況下，燃燒器殼的穩定性會由從燃燒器殼的頂部到底部的連續（傾斜或垂直）壁區段來保護。
與分配室相關聯的噴嘴在任何情況下都可表示為堆疊（疊加）陣列，其中噴嘴的出口可以完全垂直地排列或以最大60°的角度相互偏移（傾斜），較佳為最大至50°，特別在約0°至約45°之間。在非垂直噴嘴陣列（噴嘴出口與垂直方向呈一定角度）的情況下，相關聯的分配室可以類似地定向或垂直，在後一種情況下，噴嘴導管可調適為使噴嘴出口在所選擇的相互偏移的位置。堆疊噴嘴的其它非對準變化包括像是Z字形配置也有可能。根據本發明的具有傾斜或垂直分配室的優點可確保燃燒器殼體的最大穩定性。此外，由於分配室是傾斜的或垂直的，並且通常在噴嘴陣列的整個高度上，因此從分配室到噴嘴出口的噴嘴導管可以水平地配置，這又簡化了燃燒器殼的設計和組裝。若有需要，特別是如果傾斜或垂直分配室的垂直高度小於相關聯的堆疊噴嘴陣列的垂直高度，噴嘴導管當然可以是非水平、甚至非直線的。噴嘴以及／或者噴嘴導管的截面可以是任何適當的形狀。噴嘴的數目可以根據燃燒器的尺寸和所需容量適當地選擇。一般來說，每個堆疊陣列的噴嘴數目是在2和20之間，最常在3和10之間，若有必要或需求，數目也可以大於20。
在特定的較佳實施例中，燃燒器組件或熱風爐更包含被一錐形殼圍繞的截頭圓錐體二次燃燒室，被排列在燃燒器之下，也就是在熱風爐中內介於燃燒器和一體積的格子形耐火磚之間。實際上，二次燃燒室具有正圓錐的截頭錐體的形狀，其頂端側在頂部，以及較佳為具有介於50°和70°之間的圓錐孔徑角（也就是在圓錐的徑向相對的側面之間測量的角度）。
燃燒介質通常會在燃燒器（也稱為燃燒室或主燃燒室）內燃燒。根據本發明的圓柱形燃燒器以及尤其是噴嘴陣列的組態，燃燒介質的分層漩流會達成燃燒介質的目的。藉由提供截頭圓錐體二次燃燒室，正常燃燒掉的介質的漩流會沿著錐形殼的內側旋轉以擴大其直徑，從而產生一垂直（軸向）流回燃燒器（主燃燒室）的部分回流。此一熱煙道氣的回流會促進燃燒器內的燃燒介質的激烈混合，同時允許將燃燒器中的溫度保持在高於點火點的值，即便是當進入的燃燒介質過冷的情況下，也能讓燃燒器中的溫度保持在高於點火點的值。
燃燒器（主燃燒室）和二次燃燒室（截頭圓錐體）的尺寸較佳係選擇為讓回流區可穩定地形成在所需負載範圍之上。一般來說，截頭圓錐體區段的高度會選擇為主燃燒室的高度的0.3至5倍，較佳為0.5至2倍。
燃燒器殼和錐形殼可以一體製成，或者較佳地，燃燒器殼係經由凸緣組件或具有特定優點的類似裝置，可拆卸地附接到爐殼或截頭圓錐體二次燃燒室的錐形殼，燃燒器可被拆卸以進行修理和維修，或者簡單地以相同規格的燃燒器取代，或者更有利地以不同規格（例如，更高容量／更多噴嘴等）的燃燒器取代。此種更換或升級很快，因此可減少熱風爐或甚至工廠的停機時間。
實際上，在此所述的燃燒器組件通常包括二或更多個空氣分配室與二或更多個氣體分配室。因此，此種燃燒器組件較佳地更包含歧管類型的空氣進料管與供氣管，其整合在燃燒器殼內部或被排列在燃燒器殼外部，並分別流體連接空氣與氣體分配室至空氣與氣體供應。在二個相鄰的分配室輸送相同介質的組態中，例如在上述的二乘二排列的空氣－空氣－氣體－氣體...的組態中，二個個別的室可以藉由整合的進料管連接。
較佳地，一循環區（基本上是圓柱形空間或頂部空間）係位於格子形耐火磚之上，用以加強爐殼的整個截面上的煙道氣的分布。循環區係位於燃燒器組件之下，如此處所述。
熱風爐可以是無軸的熱風爐熱風爐，也就是其中的格子形耐火磚的主體積實質上佔據了爐的整個橫截面，以及其中熱風下向流管被排在爐殼外。熱風爐還可以是具有內軸或熱風下向流管的熱風爐。
在一第三型態中，本發明也提出了使用在此所述的燃燒器組件以翻新、修復，或升級一現有任何類型的熱風爐，不論是頂部燃燒或燃燒器軸式熱風爐皆適用。本發明同樣也提出一種以一現有的燃燒器組件翻新、修復，或升級一現有的熱風爐的方法，該方法包含將現有的燃燒器組件從該熱風爐移除，並將在此所述的燃燒器組件架設至該熱風爐的步驟，較佳係藉由凸緣組件架設。
圖1所示為一用以加熱空氣以用於鼓風爐的再生器（熱風爐）的操作之裝置的較佳實施例，圖中所示為裝置上半部的截面。
燃燒器10具有圓形截面的燃燒器殼(burner shell) 11 of 圓形截面，並藉由凸緣組件(flange assembly)111軸向架設在熱風爐(hot blast stove)1的上部，熱風爐1包含一爐殼(stove shell)2，其具有再生格子形耐火磚(checker bricks)40的主體積，用以儲存和交換熱，以及 一沒有格子形耐火磚的循環區(circulation zone) 30或頂部空間(headroom)。
燃燒器(burner) 10（也可稱為燃燒室(combustion chamber)或主燃燒室(primary combustion chamber)）的頂部係由圓頂(dome)140封閉，並具有用於燃燒介質空氣12和氣體13的單獨進料配置。進料配置包括空氣進料管(air feeding pipe)125與供氣管(gas feeding pipe) 135，以及空氣連接管123、124與氣體連接管133、134，分別連接空氣進料管和供氣管至垂直空氣分配室(air distribution chamber)121、122與氣體分配室(gas distribution chamber)131、132。空氣與氣體經由數個交替的空氣噴嘴(air nozzle)120和氣體噴嘴(gas nozzles)130的垂直陣列而被注入至燃燒器10。垂直噴嘴陣列的數目可為二或更多（在圖1與2中有4個陣列），主要視燃燒器的尺寸（直徑）而定。在一個陣列中的噴嘴數目通常在2到10或更多之間（圖1中的每一陣列有5個噴嘴）。
在圖2中特別可以看到，垂直空氣分配室121、122與氣體分配室131、132不僅可供給具有大量堆疊噴嘴（因此燃燒器具有顯著高度）的陣列，而且更重要的是，它們為燃燒器殼11的支撐壁結構留下足夠的空間。在燃燒器殼內的分配室之間沒有會削弱燃燒器殼結構的流體水平連接，即使二個相鄰的分配室輸送相同的燃燒介質，每個垂直分配室與相鄰的分配室都是獨立的。實際上，先前的解決方案是以燃燒介質的環狀分佈為基礎，不僅需要大量不同形狀的磚來組裝為燃燒器殼，而且會導致整體結構穩定性差。
替代地，垂直空氣分配室121、122與氣體分配室131、132也可相對於燃燒器的垂直軸傾斜，每一分配室可藉此形成一螺旋區段。圖2中所示的截面也可是具有交替的氣體－空氣分配室的傾斜分配室配置。在圖1，傾斜配置通常（但非必要）是以與分配室相同的傾斜角來堆疊空氣噴嘴120、氣體噴嘴130。
空氣噴嘴120、氣體噴嘴130被排列為使得燃燒介質實質上在燃燒器10中具備切線入口，這可以藉由讓整個噴嘴在燃燒器殼11內（例如圖2所示）以一定角度定向，或者僅針對噴嘴的出口部分提供適當設計，來實現燃燒器的切線入口。交替的空氣和氣體噴嘴陣列在圓周上的分佈以及每個陣列在燃燒器的高度之上的空氣噴嘴120、氣體噴嘴130的數目，可根據設備的尺寸調節。更重要的是，在燃燒器中交替注入切線的氣體和空氣，會產生交替的燃燒介質的漩流，這有利於在燃燒器的燃燒室內的混合和燃燒。
本發明的燃燒器幾何形狀和噴嘴的排列係設計為在燃燒室的軸向和切線方向都會產生高速漩流。
在一特定的較佳實施例中，燃燒器10係結合一二次燃燒室20(也可稱為錐形（實際上為截頭圓錐體）二次燃燒器)，作為燃燒器10的延伸燃燒室，以及格子形耐火磚40上產生的煙道氣的分配裝置。實際上，由於二次燃燒室的截頭圓錐體形狀的關係，燃燒器10中產生的漩流SF在沿著錐形殼21向下流時會擴張，藉此產生一朝向燃燒器10的軸向內部（部分）回流BF。熱煙道氣從錐形二次燃燒室20流向燃燒器10的強勁回流BF不僅具有進一步混合燃燒介質的效果，而且還可加熱進入的燃燒介質，進而增加它們的點火潛能。
儘管燃燒介質通常在離開燃燒器10前就已燒完，不過二次燃燒室20中的漩流SF也有助於燃燒，尤其是在燃燒階段開始的時候。
1‧‧‧熱風爐2‧‧‧爐殼10‧‧‧燃燒器11‧‧‧燃燒器殼111‧‧‧凸緣組件12‧‧‧空氣120‧‧‧空氣噴嘴121‧‧‧空氣分配室122‧‧‧空氣分配室123‧‧‧空氣連接管124‧‧‧空氣連接管125‧‧‧空氣進料管13‧‧‧氣體130‧‧‧氣體噴嘴131‧‧‧氣體分配室132‧‧‧氣體分配室133‧‧‧氣體連接管134‧‧‧氣體連接管135‧‧‧供氣管140‧‧‧圓頂20‧‧‧二次燃燒室21‧‧‧錐形殼30‧‧‧循環區40‧‧‧格子形耐火磚SF‧‧‧漩流BF‧‧‧回流
以下將配合所附圖式敘述本發明的一較佳實施例，其中： 圖1為採用本發明的較佳實施例的燃燒器組件之熱風爐，其上部的截面圖示；以及 圖2為根據本發明的較佳實施例的燃燒器組件之部分截面頂視圖。
本發明的進一步細節與優點將透過後續的非限定實施例，並參考附屬的圖表加以敘述。
1‧‧‧熱風爐
2‧‧‧爐殼
10‧‧‧燃燒器
11‧‧‧燃燒器殼
12‧‧‧空氣
13‧‧‧氣體
20‧‧‧二次燃燒室
21‧‧‧錐形殼
30‧‧‧循環區
40‧‧‧格子形耐火磚
111‧‧‧凸緣組件
120‧‧‧空氣噴嘴
121‧‧‧空氣分配室
123‧‧‧空氣連接管
125‧‧‧空氣進料管
130‧‧‧氣體噴嘴
131‧‧‧氣體分配室
133‧‧‧氣體連接管
135‧‧‧供氣管
140‧‧‧圓頂
SF‧‧‧漩流
BF‧‧‧回流

Claims (14)

  1. 一種用於頂部燃燒熱風爐之燃燒器組件，包含：一被一燃燒器殼圍繞的燃燒器，其中該燃燒器具有一圓形截面；數個空氣噴嘴被排列用以將空氣切線地送入該燃燒器，該些空氣噴嘴係連接至一或更多個空氣分配室；數個氣體噴嘴被排列用以將氣體切線地送入該燃燒器，該些氣體噴嘴係連接至一或更多個氣體分配室；其特徵在於，該些空氣噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的空氣噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的空氣分配室連通；該些氣體噴嘴被排列為一或更多個傾斜或垂直堆疊的氣體噴嘴陣列，每一傾斜或垂直堆疊的陣列係與一個傾斜或垂直的氣體分配室連通；以及該(些)傾斜或垂直的空氣分配室與該(些)傾斜或垂直的氣體分配室係沿著該燃燒器殼的圓周排列。
  2. 如請求項1所述之燃燒器組件，其中該些傾斜或垂直的空氣分配室與氣體分配室係被排列在該燃燒器殼內。
  3. 如請求項1所述之燃燒器組件，其中每一堆疊陣列的噴嘴數目係介於2和20之間。
  4. 如請求項1所述之燃燒器組件，其中該些傾斜的堆疊陣列係以一相對於該燃燒器的一垂直軸最大至60°的角度傾斜。
  5. 如請求項1所述之燃燒器組件，更包含一截頭圓錐體二次燃燒室，其被一錐形殼圍繞並排列在該燃燒器之下。
  6. 如請求項5所述之燃燒器組件，其中該燃燒器係藉由一凸緣組件可拆卸地固定至該截頭圓錐體二次燃燒室的該錐形殼。
  7. 如請求項5所述之燃燒器組件，其中該截頭圓錐體二次燃燒室的孔徑角係介於50°和70°之間。
  8. 如請求項5所述之燃燒器組件，其中該截頭圓錐體區段的高度係選擇為該主燃燒室的高度的0.3至5倍。
  9. 如請求項5所述之燃燒器組件，包含二或更多個空氣分配室與二或更多的氣體分配室，更包含歧管類型的空氣進料管與供氣管，其被排列在該燃燒器殼外部並分別流體連接該些空氣分配室與氣體分配室以供應空氣與氣體。
  10. 一種頂部燃燒熱風爐，包含一爐殼；被排列在該爐殼內的一體積的格子形耐火磚；以及一如請求項1所述之燃燒器組件，其中該燃燒器係軸向被排列在該爐殼的一上部。
  11. 如請求項10所述之頂部燃燒熱風爐，更包含一位於該體積的格子形耐火磚之上的循環區。
  12. 如請求項10所述之頂部燃燒熱風爐，更包含一在該爐殼內的熱風下向流管。
  13. 一種以一現有的燃燒器組件翻新、修復，或升級一現有的熱風爐的方法，該方法包含將現有的燃燒器組件從該熱風爐移除，並將一如請求項1所述之燃燒器組件架設至該熱風爐的步驟。
  14. 一種以一現有的燃燒器組件翻新、修復，或升級一現有的熱風爐的方法，該方法包含將現有的燃燒器組件從該熱風爐移除，並將一如請求項5所述之燃燒器組件架設至該熱風爐的步驟。
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