專利名稱：高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱風(fēng)爐技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)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(fēng)爐。還可用于其它需要將氣態(tài)介質(zhì)加熱到
IOO(TC以上的工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中。
背景技術(shù)：
在高爐煉鐵工藝中采用熱風(fēng)爐加熱鼓風(fēng)已有近二百年歷史，最初加熱后風(fēng)溫只有 149°C。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前最高風(fēng)溫已達(dá)130(TC。提高風(fēng)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(hù)環(huán)境。 現(xiàn)代高爐普遍采用蓄熱式熱風(fēng)爐加熱鼓風(fēng)。熱風(fēng)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(fēng)期。燃燒期內(nèi)，利用煤氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜嵝顭崾?格子磚，使格子磚儲(chǔ)備熱量，然后換爐至送風(fēng)期。送風(fēng)期則利用格子磚將冷風(fēng)加熱，再通過 熱風(fēng)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(fēng)爐。 熱風(fēng)爐按結(jié)構(gòu)型式分為內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式三種。 內(nèi)燃式熱風(fēng)爐發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，燃燒室和蓄熱室同置于一個(gè)圓柱形爐殼內(nèi)，并各處 一側(cè)。通過不斷改進(jìn)，目前的改進(jìn)型內(nèi)燃式熱風(fēng)爐已在一定程度上克服了傳統(tǒng)內(nèi)燃式熱風(fēng) 爐拱頂耐火磚破損、掉磚，隔墻傾斜、開裂、短路，格子磚錯(cuò)亂、堵塞等缺點(diǎn)。但未能從根本上 解決問題，限制因素較多，其中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，一般用于3200m3以下的高爐。
外燃式熱風(fēng)爐由內(nèi)燃式熱風(fēng)爐演變而來，工作原理與內(nèi)燃式熱風(fēng)爐相同，只是燃 燒室和蓄熱室分別處在兩個(gè)獨(dú)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(jié)構(gòu)更趨合理，有利于強(qiáng)化燃燒，提高風(fēng)溫，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占 地面積大，鋼材和耐火材料消耗多，建設(shè)投資高。 頂燃式熱風(fēng)爐的特點(diǎn)是利用熱風(fēng)爐的拱頂空間作為燃燒室，取消了側(cè)部或外部的 獨(dú)立燃燒室。1978年，首鋼2號(hào)高爐率先采用了頂燃式熱風(fēng)爐，這是世界上第一座大型頂燃 式熱風(fēng)爐。這種熱風(fēng)爐具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱，溫度區(qū)間分布合理，占地小，投資少等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng) 的頂燃式熱風(fēng)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(yīng)力會(huì)對(duì)拱頂和爐襯造成損壞。 隨著煉鐵工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，提高風(fēng)溫已成為現(xiàn)代高爐的重要技術(shù)特征。現(xiàn)代熱風(fēng) 爐要實(shí)現(xiàn)1250°C以上的高風(fēng)溫，壽命要大于30年，同時(shí)要降低C02、NOx等污染物的排放，節(jié) 約能源，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽高效。 現(xiàn)有三種結(jié)構(gòu)型式的熱風(fēng)爐均為常規(guī)熱風(fēng)爐，無論采用何種結(jié)構(gòu)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，NOx的生成將急劇加快，造成爐 殼晶間應(yīng)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(fēng)爐一般將拱頂溫度控制在 142CTC以下，從而限制了風(fēng)溫的進(jìn)一步提高。因此設(shè)計(jì)開發(fā)出一種改變常規(guī)熱風(fēng)爐燃燒過程，進(jìn)一步提高風(fēng)溫，降低C02、 N0X排放的高溫低氧長(zhǎng)壽高效熱風(fēng)爐已成為克服上述技術(shù)缺 陷的必然。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，改變了傳統(tǒng)熱風(fēng)爐的燃燒過
程，采用高溫空氣低氧燃燒技術(shù)，可利用低熱值高爐煤氣作為燃料顯著提高風(fēng)溫、大幅度降
低N0X形成和排放。 本發(fā)明包括冷風(fēng)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(fēng)出口 、煙氣出口 ，高溫低氧燃燒器；在熱風(fēng)爐底部設(shè)置高溫低氧燃燒器，該高溫低氧燃 燒器由空煤氣預(yù)燃室、兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入口、環(huán)道、噴口組成，每組入 口、環(huán)道和噴口包含1 20層，空煤氣預(yù)燃室為圓柱形空間，由耐火材料砌筑而成；高溫低 氧燃燒器，將預(yù)熱至80(TC以上的助燃空氣通過高溫低氧燃燒器中的分級(jí)燃燒和高溫氣流 對(duì)燃燒產(chǎn)物巻吸，稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃燒過程完全不同的高溫低氧 燃燒。 本發(fā)明所述的拱頂形狀為圓形、橢圓形、拋物線形或懸鏈線形空間，燃燒室形狀為 圓形、蘋果形、橢圓形或眼睛形空間。 本發(fā)明設(shè)有兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入口、環(huán)道、噴口，從上至下的順 序?yàn)槊簹?、空氣、空氣、煤氣。每層煤氣、空氣噴口的?shù)量為4 40個(gè)，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、空氣的流動(dòng)方向(順時(shí)針/逆時(shí)針)和切線圓大小，豎直方向，各層 煤氣、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、 空氣的流動(dòng)方向(向上/向下)，由于煤氣、空氣入口位置對(duì)煤氣、空氣噴口氣流分配的均勻 性影響較大，因此各煤氣、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。 在高溫低氧燃燒器中布置了兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入口、環(huán)道、噴 口 ，每組噴口可包含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 空氣在最底部混合后燃燒，形成高溫?zé)煔庀蛉紵疑喜苛鲃?dòng)，與第二組空氣噴口噴出的空 氣在燃燒器中部發(fā)生混合、巻吸，形成含氧體積濃度低于15%，溫度80(TC以上的高溫低氧 氣氛，之后與最上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(shí)低氧狀態(tài)下燃燒的火 焰體積增大，在整個(gè)燃燒室內(nèi)形成溫度分布均勻的高溫強(qiáng)輻射黑體，傳熱效率顯著提高，煙 氣中N0X生成量減少30%，還可節(jié)約25%的燃料消耗，相應(yīng)可降低C02排放。
通過數(shù)值仿真模擬計(jì)算研究分析證實(shí)，高溫低氧熱風(fēng)爐在整個(gè)燃燒室內(nèi)，形成了 均勻的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、流場(chǎng)和壓力場(chǎng)?；鹧鏈囟确植季鶆?，在燃燒室頂部水平方向溫度差 約為2(TC，在拱頂溫度142(TC時(shí)煙氣中生成的N(^僅為傳統(tǒng)燃燒過程的30%。高溫?zé)煔饩?勻的進(jìn)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(zhǎng)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。 本發(fā)明采用的高溫空氣燃燒技術(shù)的基本原理是使煤氣在高溫低氧體積濃度氣氛
4中燃燒。本發(fā)明包含兩項(xiàng)基本技術(shù)措施一項(xiàng)是采用助燃空氣高溫預(yù)熱技術(shù)，將助燃空氣溫 度預(yù)熱到800°C以上。另一項(xiàng)是采取煤氣分級(jí)燃燒和高速氣流巻吸熱風(fēng)爐爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物，稀 釋反應(yīng)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(xué)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(fēng)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(yīng)減少了(A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(shè)法降低N0X的排放。N0X主要有熱力型和燃料型，熱風(fēng)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(guān)，其中溫度是影響熱力型NOx的主要因素。在 高溫空氣燃燒條件下，由于熱風(fēng)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(shí)爐 內(nèi)高溫?zé)煔馀c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。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，與傳統(tǒng)熱風(fēng)爐相比，煙氣中N0x生成量減少30X，格子磚上表 面速度、溫度分布均勻性大幅度提高，高溫?zé)煔饩鶆虻倪M(jìn)入蓄熱室格子磚，有利于提高格子 磚的熱效率和延長(zhǎng)格子磚的壽命。


圖1是高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的基本結(jié)構(gòu)圖，其中，冷風(fēng)入口 1 、爐箅子及支柱2、 爐襯3、爐殼4、蓄熱室及格子磚5、懸鏈線拱頂6、燃燒室與蓄熱室隔墻7、燃燒室8、熱風(fēng)出 口9、高溫低氧燃燒器10、第二組煤氣噴口 11、第二組煤氣環(huán)道12、第二組煤氣入口 13、第二 組空氣噴口 14、第二組空氣環(huán)道15、第二組空氣入口 16、第一組空氣噴口 17、第一組空氣環(huán) 道18、第一組空氣入口 19、第一組煤氣噴口 20、第一組煤氣環(huán)道21、第一組煤氣入口 22、煙 氣出口 23。 圖2是圖1中的A-A截面的俯視圖，其中，冷風(fēng)入口 1、燃燒室與蓄熱室隔墻7、熱 風(fēng)出口 9、第二組煤氣噴口 11、第二組煤氣環(huán)道12、第二組煤氣入口 13、煙氣出口 23。
具體實(shí)施例方式
圖1、圖2為本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
。如圖1的本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖所示， 高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐由冷風(fēng)入口1、爐箅子及支柱2、爐襯3、爐殼4、蓄熱室及格子磚5、懸 鏈線拱頂6、燃燒室與蓄熱室隔墻7、燃燒室8、熱風(fēng)出口 9、高溫低氧燃燒器10、煙氣出口 23 層成。其中高溫低氧燃燒器IO由第一層煤氣噴口 20、第一層煤氣環(huán)道21、第一層煤氣入口 22;第一層空氣噴口 17、第一層空氣環(huán)道18、第一層空氣入口 19、第二層空氣噴口 14、第二 層空氣環(huán)道15、第二層空氣入口 16、第二層煤氣噴口 11、第二層煤氣環(huán)道12、第二層煤氣入 口 13層成。 本具體實(shí)施方式
中，高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的拱頂結(jié)構(gòu)是懸鏈線形。由圖l可知， 本發(fā)明高溫低氧燃燒器10置于熱風(fēng)爐的底部。上部空間是圓柱形，熱風(fēng)出口 9設(shè)在燃燒室 8的下部。燃燒室與蓄熱室隔墻7的另外一側(cè)為月亮形蓄熱室5，蓄熱室5由格子磚砌筑而成、格子磚支撐在爐箅子及支柱2上。 第一層煤氣入口 22、第二層煤氣入口 13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21和第二層煤氣環(huán)道12、第一層煤氣環(huán)道21在圓周方向設(shè)10個(gè)第一層煤 氣噴口 20，第二層煤氣環(huán)道12在圓周方向設(shè)10個(gè)第二層煤氣噴口 11。水平方向，第一層 煤氣噴口 20和第二層煤氣噴口 11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0。，這樣在水平方向可以控制煤氣的流動(dòng)方向(無旋流)和切線圓大??；豎 直方向，第一層煤氣噴口 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(dòng)方向向上，第二層煤氣噴口 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(dòng)方向向下。 第一層空氣入口 19、第二層空氣入口 16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18和第二層空氣環(huán)道15、第一層空氣環(huán)道18在圓周方向設(shè)10個(gè)第一層空 氣噴口 17，第二層空氣環(huán)道15在圓周方向設(shè)10個(gè)第二層空氣噴口 14。水平方向，第一層 空氣噴口 17和第二層空氣噴口 14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0。，這樣在水平方向可以控制空氣的流動(dòng)方向(無旋流)和切線圓大?。回Q 直方向，第一層空氣噴口 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0° ，控制空氣的流動(dòng)方向?yàn)樗?，第二層空氣噴?14的豎直噴口中心線與高溫低氧燃 燒器IO的軸向中心線的夾角為-25° ，控制空氣的流動(dòng)方向向下。 第一層煤氣噴口 20噴出的煤氣與第一層空氣噴口 17噴出的空氣在旋流擴(kuò)散的條 件下混合后燃燒，形成高溫?zé)煔庀蚋邷氐脱跞紵?0的上部流動(dòng)、由第二層空氣噴口 14噴 出的空氣與燃燒室8內(nèi)向上流動(dòng)的高溫?zé)煔饣旌虾?，其溫度可達(dá)到800°C以上，氧濃度低于 15% ，形成高溫低氧的助燃空氣，在燃燒室8內(nèi)向上旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、由第二層煤氣噴口 11噴出的 煤氣在燃燒室8內(nèi)高溫低氧的氣氛中燃燒，燃燒過程成為擴(kuò)散控制反應(yīng)，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?zé)煔庀蛳滦D(zhuǎn)流 動(dòng)進(jìn)入蓄熱室5，進(jìn)而加熱格子磚，然后煙氣經(jīng)煙氣出口 23排入煙道。 本發(fā)明高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐適用于冶金和節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，由于高溫燃燒過程改 變了傳統(tǒng)熱風(fēng)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N(yùn)0X的生成和排放、可完全使用低熱值煤氣實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫， 而且可以降低燃料消耗，節(jié)約能源，降低C02排放。 本發(fā)明高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐具有多種實(shí)施方案，按

中的具體實(shí)施例僅 是優(yōu)選方案，并非是對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。任何未脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)思路，對(duì)本發(fā)明作 非實(shí)質(zhì)性改動(dòng)的，均仍屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，包括冷風(fēng)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(fēng)出口、煙氣出口，高溫低氧燃燒器；其特征在于，在熱風(fēng)爐底部設(shè)置高溫低氧燃燒器，該高溫低氧燃燒器由空煤氣預(yù)燃室、兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入口、環(huán)道、噴口組成，每組入口、環(huán)道和噴口包含1～20層，空煤氣預(yù)燃室為圓柱形空間，由耐火材料砌筑而成；高溫低氧燃燒器，將預(yù)熱溫度達(dá)800℃以上的高溫助燃空氣通過高溫低氧燃燒器中的分級(jí)燃燒和高溫氣流對(duì)燃燒產(chǎn)物卷吸，稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，其特征在于，拱頂形狀為圓形、橢圓形、拋物線形或懸鏈線形空間，燃燒室形狀為圓形、蘋果形、橢圓形或眼睛形空間。
3. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，其特征在于，每層煤氣、空氣噴口的數(shù)量為4 40個(gè)，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° ，這樣在水平方向控制煤氣、空氣的順時(shí)針或逆時(shí)針的流動(dòng)方向和切線圓大?。回Q直方向，各層煤氣、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、空氣的向上或向下流動(dòng)方向，各煤氣、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。
4. 根據(jù)權(quán)利l要求所述的高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，其特征在于，高溫低氧燃燒器中布置了兩組煤氣噴口和兩組空氣噴口，從上倒下依次為煤氣、空氣、空氣、煤氣，每組噴口包含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底部混合后燃燒，形成高溫?zé)煔庀蛉紵疑喜苛鲃?dòng)，與第二組空氣噴口噴出的空氣在燃燒器中部發(fā)生混合、巻吸，形成含氧體積濃度低于15%，溫度80(TC以上的高溫低氧氣氛，之后與最上部的第二組煤氣噴口完成第二次燃燒。
5. 根據(jù)權(quán)利4要求所述的高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，其特征在于，所述的第二次燃燒是指高溫低氧燃燒。
全文摘要
一種高溫低氧內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，屬于熱風(fēng)爐技術(shù)領(lǐng)域。包括冷風(fēng)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(fēng)出口、煙氣出口，高溫低氧燃燒器；其特征在于，在熱風(fēng)爐底部設(shè)置高溫低氧燃燒器，該高溫低氧燃燒器由空煤氣預(yù)燃室、兩組煤氣入口、環(huán)道、噴口和兩組空氣入口、環(huán)道、噴口組成，每組入口、環(huán)道和噴口包含1～20層；采用高溫預(yù)熱技術(shù)，將助燃空氣溫度預(yù)熱到800℃以上，通過高溫低氧燃燒器中的分級(jí)燃燒和高溫氣流對(duì)燃燒產(chǎn)物卷吸，稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，實(shí)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(fēng)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(shù)領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)C21B9/04GK101792838SQ20101010153
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司