專利名稱：高溫低氧頂燃式熱風爐的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于熱風爐技術領域，特別是提供了一種高溫低氧頂燃式熱風爐，適 用于煉鐵工業(yè)中高爐煉鐵和熔融還原煉鐵所用的熱風爐。還可用于其它需要將氣態(tài)介質(zhì)加 熱到1000°C以上的工業(yè)技術領域中。
背景技術：
在高爐煉鐵工藝中采用熱風爐加熱鼓風已有近二百年歷史，最初加熱后風溫只有 149°C。隨著技術的不斷進步，目前最高風溫已達1300°C。提高風溫，可以大幅降低焦比，節(jié) 約焦炭，提高高爐產(chǎn)量，還可充分利用低熱值的高爐煤氣，提高能源利用效率，減少煤氣放 散，節(jié)約能源，保護環(huán)境?，F(xiàn)代高爐普遍采用蓄熱式熱風爐加熱鼓風。熱風爐由蓄熱室和燃燒室兩部分組 成。工作周期包括燃燒期和送風期。燃燒期內(nèi)，利用煤氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣加熱蓄熱室 格子磚，使格子磚儲備熱量，然后換爐至送風期。送風期則利用格子磚將冷風加熱，再通過 熱風管道送至高爐使用。為滿足高爐生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性，一座高爐一般配置3 4座 熱風爐。熱風爐按結構型式分為內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式三種。內(nèi)燃式熱風爐發(fā)展時間較長，燃燒室和蓄熱室同置于一個圓柱形爐殼內(nèi)，并各處 一側。通過不斷改進，目前的改進型內(nèi)燃式熱風爐已在一定程度上克服了傳統(tǒng)內(nèi)燃式熱風 爐拱頂耐火磚破損、掉磚，隔墻傾斜、開裂、短路，格子磚錯亂、堵塞等缺點。但未能從根本上 解決問題，限制因素較多，其中結構的穩(wěn)定性至關重要，一般用于3200m3以下的高爐。外燃式熱風爐由內(nèi)燃式熱風爐演變而來，工作原理與內(nèi)燃式熱風爐相同，只是燃 燒室和蓄熱室分別處在兩個獨立的圓柱形殼體內(nèi)，燃燒室和蓄熱室的頂部以一定方式聯(lián)接 起來。外燃式與內(nèi)燃式相比結構更趨合理，有利于強化燃燒，提高風溫，缺點是結構復雜，占 地面積大，鋼材和耐火材料消耗多，建設投資高。頂燃式熱風爐的特點是利用熱風爐的拱頂空間作為燃燒室，取消了側部或外部的 獨立燃燒室。1978年，首鋼2號高爐率先采用了頂燃式熱風爐，這是世界上第一座大型頂燃 式熱風爐。這種熱風爐具有結構對稱，溫度區(qū)間分布合理，占地小，投資少等優(yōu)點。但傳統(tǒng) 的頂燃式熱風爐受燃燒空間較小影響，很容易造成局部高溫，使燃燒室溫度變化劇烈，巨大 的熱應力會對拱頂和爐襯造成損壞。隨著煉鐵工業(yè)的技術發(fā)展，提高風溫已成為現(xiàn)代高爐的重要技術特征?，F(xiàn)代熱風 爐要實現(xiàn)1250°C以上的高風溫，壽命要大于30年，同時要降低C02、N0x等污染物的排放，節(jié) 約能源，實現(xiàn)長壽高效?，F(xiàn)有三種結構型式的熱風爐均為常規(guī)熱風爐，無論采用何種結構型式的燃燒器， 其燃燒原理和特性并無本質(zhì)區(qū)別。隨著拱頂溫度的提高，N0X的生成將急劇加快，造成爐 殼晶間應力腐蝕、污染環(huán)境等一系列問題。因此現(xiàn)有的常規(guī)熱風爐一般將拱頂溫度控制在 1420°C以下，從而限制了風溫的進一步提高。因此設計開發(fā)出一種改變常規(guī)熱風爐燃燒過程，進一步提高風溫，降低C02、NOx排放的高溫低氧長壽高效熱風爐已成為克服上述技術缺 陷的必然。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種高溫低氧頂燃式熱風爐，克服了現(xiàn)有技術的缺 陷，改變了傳統(tǒng)熱風爐的燃燒過程，采用高溫空氣低氧燃燒技術，可利用低熱值高爐煤氣作 為燃料顯著提高風溫、大幅度降低NOx形成和排放。本實用新型包括冷風入口、爐箅子及支柱、格子磚、蓄熱室、爐襯、爐殼、燃燒室、拱 頂、熱風出口、煙氣出口等。高溫低氧燃燒器置于熱風爐上部，該燃燒器由煤氣入口、煤氣環(huán) 道、煤氣噴口、空氣入口、空氣環(huán)道、空氣噴口、預燃室等組成。將預熱到800°c以上的助燃 空氣(具體預熱方式可采用預熱爐或高溫換熱系統(tǒng)等預熱裝置，預熱方式不屬于本專利內(nèi) 容)，通過高溫低氧燃燒器中的分級燃燒和高溫氣流對燃燒產(chǎn)物卷吸，稀釋反應區(qū)的含氧體 積濃度，實現(xiàn)與傳統(tǒng)燃燒過程完全不同的高溫低氧燃燒。本實用新型所述的煤氣入口、煤氣環(huán)道、煤氣噴口、空氣入口、空氣環(huán)道、空氣噴口 均為兩組，從上往下的順序依次為煤氣、空氣、空氣、煤氣。每組入口、環(huán)道和噴口均包含 1 20層，空煤氣預燃室為圓柱形空間，由耐火材料砌筑而成；拱頂形狀為圓形、橢圓形、拋 物線形或懸鏈線形空間。每層煤氣噴口、空氣噴口的數(shù)量為4 40個，水平方向，各層煤氣噴口、空氣噴口 的水平徑向中心線與燃燒室徑向中心線的夾角為-90° +90°，這樣在水平方向可以控 制煤氣、空氣順時針或逆時針流動，和切線圓大小，豎直方向，各層煤氣噴口、空氣噴口的豎 直中心線與燃燒室軸向中心線的夾角為-90° +90°，以控制煤氣、空氣向上或向下流 動，由于煤氣、空氣入口位置對煤氣、空氣噴口氣流分配的均勻性影響較大，因此各煤氣噴 口、空氣噴口尺寸、間距根據(jù)煤氣、空氣入口管的數(shù)量和位置呈漸變分布或?qū)ΨQ分布。本實用新型所述的燃燒室包含喉口和擴散燃燒室，喉口的空間形狀為圓柱形或圓 臺形或雙曲圓柱形，由耐火材料砌筑而成；擴散燃燒室的空間形狀為喇叭口形或圓臺形，從 喉口噴出的燃燒氣體進入擴散燃燒室后速度降低，但隨著高溫低氧燃燒的進一步加強，燃 燒火焰由快速延伸轉為擴散，燃燒溫度升高，在整個燃燒室形成了均勻的溫度場。本實用新型的高溫低氧燃燒器中布置的兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入 口、環(huán)道、噴口，每組包含1 20層噴口，第一組煤氣噴口噴出的煤氣和第一組空氣噴口噴 出的空氣在最上部混合后燃燒，形成高溫煙氣向燃燒室下部流動，與第二組空氣噴口噴出 的高溫空氣在燃燒器中部發(fā)生混合、卷吸，形成含氧體積濃度低于15%，溫度800°C以上的 高溫低氧氣氛，之后與最下部的第二組煤氣噴口完成第二次燃燒，即高溫低氧燃燒，燃燒過 程不再存在傳統(tǒng)燃燒過程中出現(xiàn)的局部高溫高氮區(qū)，NOx的生成受到抑制。同時低氧狀態(tài)下 燃燒的火焰體積增大，在整個燃燒室內(nèi)形成溫度分布均勻的高溫強輻射黑體，傳熱效率顯 著提高，煙氣中NOx生成量減少30%，還可節(jié)約25%的燃料消耗，相應可降低CO2排放。本實用新型采用的高溫空氣燃燒技術的基本原理是使煤氣在高溫低氧體積濃度 氣氛中燃燒。本實用新型包含兩項基本技術措施一項是采用助燃空氣高溫預熱技術，將助 燃空氣溫度預熱到800°C以上。另一項是采取煤氣分級燃燒和高速氣流卷吸熱風爐爐內(nèi)燃 燒產(chǎn)物，稀釋反應區(qū)的含氧體積濃度，獲得氧濃度低于15% (體積)的低氧氣氛。煤氣在這種高溫低氧氣氛中，形成與傳統(tǒng)燃燒過程完全不同的熱力學條件，在與低氧氣體作延緩狀 燃燒下釋出熱能，不再存在傳統(tǒng)燃燒過程中出現(xiàn)的局部高溫高氧區(qū)。熱風爐高溫低氧燃燒方式一方面使燃燒室內(nèi)的溫度整體升高且分布更加均勻，使 煤氣消耗顯著降低。降低煤氣消耗也就意味著相應減少了 co2等溫室氣體的排放。另一方 面有效抑制了熱力型氮氧化物(N0X)的生成。氮氧化物(N0X)是造成大氣污染的重要來源 之一，各工業(yè)企業(yè)都在設法降低N0X的排放。N0X主要有熱力型和燃料型，熱風爐主要采用氣 體燃料，其中含氮化合物少，因此燃料型N0X生成極少。由熱力型N0X的生成速度主要與燃 燒過程中的火焰最高溫度及氮、氧的濃度有關，其中溫度是影響熱力型N0X的主要因素。在 高溫空氣燃燒條件下，由于熱風爐內(nèi)平均溫度升高，但沒有傳統(tǒng)燃燒的局部高溫區(qū)；同時爐 內(nèi)高溫煙氣與助燃空氣旋流混合，降低了氣氛中氮、氧的濃度；此外，氣流速度大，燃燒速度 快，因此N0X排放濃度大幅度降低。通過數(shù)值仿真模擬計算研究分析證實，高溫低氧熱風爐在整個燃燒室內(nèi)，形成了 均勻的溫度場、濃度場、流場和壓力場。火焰溫度分布均勻，在燃燒室下部水平方向溫度差 約為20°C，在拱頂溫度1420°C時煙氣中生成的N0X僅為傳統(tǒng)燃燒過程的30%。高溫煙氣均 勻的進入蓄熱室格子磚，使格子磚被高效利用，有利于提高格子磚熱效率和延長格子磚壽 命。這種高溫低氧燃燒方式，還避免了局部助燃空氣濃度太高，產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象，從而有 效減少了 N0X等有害物質(zhì)的生成。

圖1是高溫低氧頂燃式熱風爐的基本結構圖，其中，冷風入口 1、爐箅子及支柱2、 煙氣出口 3、格子磚4、蓄熱室5、爐襯6、爐殼7、熱風出口 8、燃燒室9、高溫低氧燃燒器10、第 一組煤氣噴口 11、第一組煤氣環(huán)道12、第一組煤氣入口 13、第一組空氣噴口 14、第一組空氣 環(huán)道15、第一組空氣入口 16、第二組空氣噴口 17、第二組空氣環(huán)道18、第二組空氣入口 19、 第二組煤氣噴口 20、第二組煤氣環(huán)道21、第二組煤氣入口 22。圖2是圖1中A-A截面的俯視圖，其中，第一組煤氣噴口 11、第一組煤氣環(huán)道12、 第一組煤氣入口 13。圖3是圖1中B-B截面的俯視圖，其中，第一組空氣噴口 14、第一組空氣環(huán)道15、 第一組空氣入口 16。
具體實施方式
圖1 圖3為本實用新型的一種具體實施方式
。如圖1所示，高溫低氧頂燃式熱 風爐由冷風入口 1、爐箅子及支柱2、煙氣出口 3、格子磚4、蓄熱室5、爐襯6、爐殼7、熱風出 口 8、燃燒室9、高溫低氧燃燒器10層成。其中高溫低氧燃燒器10由第一層煤氣噴口 11、第 一層煤氣環(huán)道12、第一層煤氣入口 13、第一層空氣噴口 14、第一層空氣環(huán)道15、第一層空氣 入口 16、第二層空氣噴口 17、第二層空氣環(huán)道18、第二層空氣入口 19、第二層煤氣噴口 20、 第二層煤氣環(huán)道21、第二層煤氣入口 22組成。由圖1可知，本實用新型高溫低氧燃燒器10置于熱風爐的頂部。高溫低氧燃燒器 10的拱頂結構是圓形，下部空間為圓柱形；高溫低氧燃燒器10的下部為燃燒室9，其結構為 圓臺形；熱風出口 8設在燃燒室9的下部；燃燒室9的下部為圓柱形蓄熱室5，蓄熱室5由格子磚4砌筑而成；格子磚4支撐在爐箅子及支柱2上。第一層煤氣入口 13、第二層煤氣入口 22分別與外部的煤氣管道連接，將煤氣引入 第一層煤氣環(huán)道12和第二層煤氣環(huán)道21 ；第一層煤氣環(huán)道12在圓周方向設20個第一層 煤氣噴口 11，第二層煤氣環(huán)道21在圓周方向設20個第二層煤氣噴口 20。水平方向，第一 層煤氣噴口 11和第二層煤氣噴口 20的水平徑向噴口中心線與高溫低氧燃燒器10的徑向 中心線的夾角為25°，這樣在水平方向可以控制煤氣的流動方向(順時針旋流)和切線圓 大??；豎直方向，第一層煤氣噴口 11的豎直噴口中心線與高溫低氧燃燒器10的軸向中心線 的夾角為-25°，控制煤氣的流動方向向下，第二層煤氣噴口 20的豎直噴口中心線與高溫 低氧燃燒器10的軸向中心線的夾角為25°，控制煤氣的流動方向向上。第一層空氣入口 13、第二層空氣入口 19分別與外部的空氣管道連接，將空氣引入 第一層空氣環(huán)道15和第二層空氣環(huán)道18 ；第一層空氣環(huán)道15在圓周方向設20個第一層 空氣噴口 14，第二層空氣環(huán)道18在圓周方向設20個第二層空氣噴口 17。水平方向，第一 層空氣噴口 14和第二層空氣噴口 17的水平徑向噴口中心線與高溫低氧燃燒器10的徑向 中心線的夾角為25°，這樣在水平方向可以控制空氣的流動方向(順時針旋流)和切線圓 大??；豎直方向，第一層空氣噴口 14和第二層空氣噴口 17的豎直噴口中心線與高溫低氧燃 燒器10的軸向中心線的夾角為25°，控制空氣的流動方向向上。第一層煤氣噴口 11噴出的煤氣與第一層空氣噴口 14噴出的空氣在旋流擴散的條 件下混合后燃燒，形成高溫煙氣向高溫低氧燃燒器10的下部流動；由第二層空氣噴口 17噴 出的空氣與燃燒室9內(nèi)向下流動的高溫煙氣混合后，其溫度可達到800 1000°C，氧濃度低 于15%，形成高溫低氧的助燃空氣，在燃燒室9內(nèi)向下旋轉流動；由第二層煤氣噴口 20噴 出的煤氣在燃燒室9內(nèi)高溫低氧的氣氛中燃燒，燃燒過程成為擴散控制反應，不再存在傳 統(tǒng)燃燒過程中出現(xiàn)的局部高溫高氮區(qū)，N0X的生成受到抑制，燃燒而形成的高溫煙氣向下旋 轉流動進入蓄熱室5，進而加熱格子磚4，然后煙氣經(jīng)煙氣出口 3排入煙道。本實用新型高溫低氧頂燃式熱風爐適用于冶金和節(jié)能技術領域，由于高溫燃燒過 程改變了傳統(tǒng)熱風爐的燃燒特性，使燃燒充分，火焰溫度分布均勻，可顯著提高格子磚的熱 效率和使用壽命；可有效抑制燃燒過程N0X的生成和排放；可完全使用低熱值煤氣實現(xiàn)高 風溫，而且可以降低燃料消耗，節(jié)約能源，降低C02排放。本實用新型高溫低氧頂燃式熱風爐具有多種實施方案，按附圖說明中的具體實施 例僅是優(yōu)選方案，并非是對本實用新型的保護范圍的限制。任何未脫離本實用新型設計思 路，對本實用新型作非實質(zhì)性改動的，均仍屬于本專利的范圍。
權利要求一種高溫低氧頂燃式熱風爐，包括冷風入口、爐箅子及支柱、格子磚、蓄熱室、爐襯、爐殼、高溫低氧燃燒器、燃燒室、拱頂、熱風出口、煙氣出口；其特征在于，在熱風爐的上部布置了高溫低氧燃燒器，高溫低氧燃燒器由煤氣入口、煤氣環(huán)道、煤氣噴口、空氣入口、空氣環(huán)道、空氣噴口和空煤氣預燃室組成；煤氣入口、煤氣環(huán)道、煤氣噴口、空氣入口、空氣環(huán)道、空氣噴口均為兩組，從上至下的順序依次為煤氣、空氣、空氣、煤氣；每組入口、環(huán)道和噴口均包含1～20層，空煤氣預燃室為圓柱形空間，由耐火材料砌筑而成；拱頂形狀為圓形、橢圓形、拋物線形或懸鏈線形空間。
2.根據(jù)權利1要求所述的頂燃式熱風爐，其特征在于，每層煤氣噴口、空氣噴口的數(shù)量 為4 40個，水平方向，各層煤氣噴口、空氣噴口的水平徑向中心線與燃燒室徑向中心線的 夾角為-90° +90°，豎直方向，各層煤氣噴口、空氣噴口的豎直中心線與燃燒室軸向中 心線的夾角為-90° +90° ；各煤氣、空氣噴口呈漸變分布或?qū)ΨQ分布。
3.根據(jù)權利1要求所述的頂燃式熱風爐，其特征在于，所述的燃燒室包含喉口和擴散 燃燒室，喉口的空間形狀為圓柱形或圓臺形或雙曲圓柱形，由耐火材料砌筑而成，擴散燃燒 室的空間形狀為喇叭口形或圓臺形。
專利摘要一種高溫低氧頂燃式熱風爐，屬于熱風爐技術領域。包括冷風入口、爐箅子及支柱、格子磚、蓄熱室、爐襯、爐殼、高溫低氧燃燒器、燃燒室、拱頂、熱風出口、煙氣出口；其特征在于，在熱風爐的上部布置高溫低氧燃燒器，高溫低氧燃燒器由兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入口、環(huán)道、噴口以及空煤氣預燃室組成，每組入口、環(huán)道和噴口包含1～20層；溫度為800℃以上的助燃空氣通過高溫低氧燃燒器中的分級燃燒和高溫氣流對燃燒產(chǎn)物卷吸，稀釋反應區(qū)的含氧體積濃度，實現(xiàn)與傳統(tǒng)燃燒過程完全不同的高溫低氧燃燒。適用于煉鐵工業(yè)中高爐煉鐵和熔融還原煉鐵所用的熱風爐，還可用于其它需要將氣態(tài)介質(zhì)加熱到1000℃以上的工業(yè)技術領域中。
文檔編號C21B9/04GK201634702SQ201020102450
公開日2010年11月17日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2010年1月26日
發(fā)明者倪蘋, 張福明, 李欣, 梅叢華, 毛慶武, 程樹森, 胡祖瑞, 錢世崇, 銀光宇 申請人:北京首鋼國際工程技術有限公司