專利名稱：天然氣蓄熱式化鐵爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及鑄鐵熔煉領(lǐng)域，具體為一種天然氣蓄熱式化鐵爐。
背景技術(shù)：
鑄鐵熔煉最常用的設(shè)備是以焦炭為燃料的沖天爐。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，焦炭的需求矛盾日趨突出，人們開始根據(jù)各自的燃料資源情況尋求代焦熔煉鑄鐵的設(shè)備。公知，天然氣不僅是熱值很高的能源，而且燃燒后排放的SOx、NOx, CO的量最少，同時也具有易于實現(xiàn)自動控制、操作方便等優(yōu)點，因此被認為是一種綠色、環(huán)保、清潔能源。因此利用天然氣做燃料、熔煉鑄鐵也被人們所關(guān)注。20世紀70年代之后我國曾設(shè)計應(yīng)用過煤粉化鐵爐、重油化鐵爐、天然氣化鐵爐等代焦熔煉設(shè)備，也對其熔煉原理、生產(chǎn)工藝進行較系統(tǒng)的試驗研究，同時也取得了一些生產(chǎn)經(jīng)驗和理論成果。但是由于種種原因，至今對天然氣化鐵爐尚未有完整的理論和定型產(chǎn)品，特別是對化鐵爐組織合理燃燒、鐵水過熱、化學(xué)成份的控制、元素的氧化燒損以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計等重大關(guān)鍵問題未見有成熟的報道，也未見有技術(shù)成熟的定型的天然氣化鐵爐在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。發(fā)明人通過對天然氣化鐵爐長時間試驗研究，特別是對天然氣燃燒特性、化鐵爐的熱工原理和冶金原理，以及鐵水如何過熱、熱交換的強化，鐵水中諸元素氧化燃燒等問題進行了深入的探討，認為設(shè)計制造天然氣為燃料的化鐵爐其中至關(guān)重要的是如何獲得高溫、高質(zhì)量的鐵水；如何控制和減少鐵水中各元素的氧化燒損；如何減少0)2、502、顯乂等燃燒排放物。因此迫切需要研制出一種能有效解決上述諸多問題的化鐵爐。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型為了解決現(xiàn)有化鐵爐存在無法得到高溫、高質(zhì)量鐵水、鐵水中各元素氧化燒損嚴重以及燃燒排放物污染環(huán)境等問題，提供一種天然氣蓄熱式化鐵爐。
本實用新型是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:天然氣蓄熱式化鐵爐，包括前爐和后爐，前爐和后爐之間通過火口連通，前爐包含燃燒室、開設(shè)在燃燒室底部的熔池以及位于熔池與火口之間的過橋，熔池兩側(cè)分別設(shè)有排渣口，過橋橋面上開設(shè)有淺熔池，過橋兩側(cè)拱角處分別設(shè)有排渣溝，排渣溝與前爐熔池兩側(cè)的排渣口連通，燃燒室分別連有與其相通的天然氣輸送管道及送風(fēng)管道；后爐包含爐體，爐體上部設(shè)有加料口，爐體頂部設(shè)有煙氣排放口，爐體底部設(shè)有凸起狀爐底，凸起狀爐底與爐體內(nèi)壁之間形成環(huán)形火道，環(huán)形火道與火口連通，本實用新型的創(chuàng)新點在于前爐頂部至少安裝有一個空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合，燒嘴的煙氣出口、空氣進口分別與送風(fēng)管道連通，燒嘴的燃氣進口與天然氣輸送管道連通。所述空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合為現(xiàn)有公知產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)和工作原理是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的，其數(shù)量可根據(jù)爐體大小及實際需要確定。所述后爐爐體上、并且位于加料口上方安裝有管式換熱器，管式換熱器兩側(cè)的熱風(fēng)口分別經(jīng)助燃二次風(fēng)管I與后爐爐體的熔化區(qū)連通，其中一個熱風(fēng)口經(jīng)助燃二次風(fēng)管II與送風(fēng)管道連通。管式換熱器利用爐氣的余熱將助燃空氣預(yù)熱到100 150°C，一路通過助燃二次風(fēng)管II供空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴使用，另一路通過助燃二次風(fēng)管I在爐體熔化區(qū)上方送入助燃二次風(fēng)，可以減少爐氣帶走的化學(xué)熱損失，提高爐子的熱效率，節(jié)省燃料，強化預(yù)熱區(qū)的熱交換。所述環(huán)形火道側(cè)壁設(shè)有一端與環(huán)形火道貫通、另一端與助燃二次風(fēng)管I連通的空氣輸送管，空氣輸送管上設(shè)有與其連通的煤粉儲存漏斗，煤粉儲存漏斗內(nèi)安裝由動力機構(gòu)驅(qū)動的螺旋輸送器，煤粉儲存漏斗上方一側(cè)設(shè)有與空氣輸送管連接的壓力平衡管，采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計，是強化熔化區(qū)熱交換的重要手段，就是將管式換熱器預(yù)熱至100 150°C的助燃空氣和煤粉一并送入火口部位，提高了爐氣溫度、增加了爐氣膨脹、加速了氣流速度、力口大了對流傳熱、節(jié)約了燃料、提高了熱效率和熔化率，同時改善了爐氣氣氛可呈還原或弱氧化，元素?zé)龘p大為減少。所述環(huán)形火道與空氣輸送管連通處設(shè)有噴射器及環(huán)形管，使得進入環(huán)形火道的煤粉以一定面積均勻噴灑至火道內(nèi)，燃燒效率更高。所述后爐爐體頂部的煙氣排放口與布袋除塵裝置連接，所述布袋除塵裝置為現(xiàn)有公知結(jié)構(gòu)，用于處理煙塵的排放，將更小的粉塵凈化，符合國家有關(guān)工業(yè)爐窯污染物排放標(biāo)準要求。所述火口前開設(shè)虹吸式的分渣室，主要去除從環(huán)形火道流向過橋的熔渣，為第一次排渣，經(jīng)由虹吸式分渣室流出的鐵水隨后進入過橋底部，面積較大深度約50mm，斜度1:40的淺熔池，為第二次排渣，并在淺熔池兩側(cè)與過橋拱角處修筑排渣溝和排渣口，將虹吸式排渣室排出的熔渣和覆蓋過橋淺熔池的熔渣通過排渣溝排出爐外。由此增大了爐氣和爐墻對金屬液輻射對流傳熱，同時也增大了金屬液面的受熱面積。所述過橋橋面兩側(cè)交錯設(shè)有曲線擋墻，在過橋較短的情況下可適當(dāng)增加金屬液流經(jīng)過橋的時間，以加強金屬液輻射對流傳熱。本發(fā)明根據(jù)對天然氣蓄 熱式化鐵爐熱工及冶金原理的分析，申請人在如何獲得高溫、高質(zhì)量的鐵水和如何控制和減少鐵水中元素的氧化燒損關(guān)鍵問題上采取了如下具體實施措施:主要是應(yīng)用蓄熱式高溫空氣低氧燃燒全新燃燒技術(shù)(High Temperature AirCombustion簡稱HTAC技術(shù)),在前爐爐體上增加了天然氣空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合燃燒系統(tǒng)，與前爐、燃燒室、過橋、后爐等結(jié)構(gòu)巧妙的組合成天然氣蓄熱式化鐵爐，既實現(xiàn)了高效節(jié)能，獲得高溫鐵水，減少元素氧化燒損，同時也大大減少了 CO、CO2和其他溫室氣體的排放，由于高溫低氧的燃燒環(huán)境，以及煙氣回流的摻混作用，抑制了 Nx的生成，能使乂排放量大大減少(可下降到lOOmg/m3以下)，高溫環(huán)境也抑制了二噁英的生成，由于排放廢氣迅速冷卻，有效阻止了二噁英的再合成，故二噁英的排放也大大減少；同時從強化三個區(qū)帶熱交換方面采取了以下措施，一是增設(shè)管式換熱器，加強預(yù)熱區(qū)熱交換利用爐氣的余熱將助燃空氣預(yù)熱到100 150°C，一路供蓄熱式燃燒系統(tǒng)使用，另一路通過助燃二次風(fēng)管I在爐體熔化區(qū)上方送入；二是在熔化區(qū)，由于爐氣給金屬爐料熱量以對流傳熱為主，金屬爐料熔化過程中受金屬熔點的高低、化學(xué)成份、爐料的塊度等原因影響很大，因此改善熔化區(qū)的熱交換首先應(yīng)該是減小料塊尺寸，增加爐料傳熱面積以加速熔化進程；三是增加煤粉二次送風(fēng)結(jié)構(gòu)，提高了爐氣溫度、增加了爐氣膨脹、加速了氣流速度、加大了對流傳熱、節(jié)約了燃料、提高了熱效率和熔化率，同時改善了爐氣氣氛可呈還原或弱氧化，元素?zé)龘p大為減少；此外，本實用新型將天然氣蓄熱式化鐵爐爐底結(jié)構(gòu)設(shè)計成倒鍋型，并于后爐爐壁形成環(huán)形火道，在過橋與火口之間修筑了虹吸式排渣室，去除從環(huán)形火道流向過橋的熔渣，作為第一次排渣，經(jīng)由虹吸式排渣室流出的鐵水隨后進入過橋底部，面積較大深度約50mm，斜度1:40的淺熔池，并在淺熔池兩側(cè)與過橋拱角處修筑排渣溝和排渣口，將虹吸式排渣室排出的熔渣和覆蓋過橋淺熔池的熔渣通過排渣溝排出爐外，由此增大了爐氣和爐墻對金屬液輻射對流傳熱，同時也增大了金屬液面的受熱面積?？傊?，為了實現(xiàn)減少和控制元素的氧化燒損，發(fā)明人采用高溫空氣、低氧燃燒技術(shù)及煤粉二次風(fēng)控制爐氣的氣氛(呈還原或弱氧化)以及采用兩次分渣技術(shù)清除渣中的氧化物等措施后，大大減少了 C、S1、Mn的氧化燒損，本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊合理，技術(shù)先進，爐況運行穩(wěn)定，能滿足鑄造各種鑄鐵件的要求，與使用焦炭為燃料的沖天爐相比節(jié)能效果顯著，元素?zé)龘p率低，向大氣環(huán)境少排放C0230%以上。NOx、S02也大幅度的減少，適用于有天然氣資源的中小型鑄造企業(yè)，特別是熔煉低碳低硫高質(zhì)量鑄鐵件更為優(yōu)越。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合的工作原理圖；圖3為空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3的俯視圖；圖5為煤粉二次風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為過橋與前爐、后爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:1_前爐；2-后爐；3-火口 ；4_燃燒室；5-熔池；6-過橋；7_排渣口 ；8-淺熔池；9_排洛溝；10-天然氣輸送管道；11-送風(fēng)管道；12_爐體；13-加料口 ； 14-煙氣排放口 ；15-凸起狀爐底；16_環(huán)形火道；17_空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合；18_煙氣出口 ；19_空氣進口 ；20_燃氣進口 ；21_管式換熱器；22-助燃二次風(fēng)管I ;23_助燃二次風(fēng)管II ;24_空氣輸送管；25_煤粉儲存漏斗；26_螺旋輸送器；27_壓力平衡管；28_噴射器；29_環(huán)形管；30-布袋除塵裝置；31_曲線擋墻；32_分渣室；33_蓄熱室；34_四通換向閥；35_鼓風(fēng)機；36-引風(fēng)機；37-蓄熱體；38-燒嘴噴頭；39-控制閥門。
具體實施方式
天然氣蓄熱式化鐵爐，如圖1所示，包括前爐I和后爐2，前爐和后爐之間通過火口3連通，前爐包含燃燒室4、開設(shè)在燃燒室底部的熔池5以及位于熔池與火口之間的過橋6，熔池兩側(cè)分別設(shè)有排渣口 7，過橋橋面上開設(shè)有淺熔池8，過橋兩側(cè)拱角處分別設(shè)有排渣溝9，排渣溝與前爐熔池兩側(cè)的排渣口連通，燃燒室分別連有與其相通的天然氣輸送管道10及送風(fēng)管道11 ;后爐包含爐體12，爐體上部設(shè)有加料口 13，爐體頂部設(shè)有煙氣排放口 14，后爐爐體12頂部的煙氣排放口 14與布袋除塵裝置30連接；爐體底部設(shè)有凸起狀爐底15，凸起狀爐底與爐體內(nèi)壁之間形成環(huán)形火道16，環(huán)形火道與火口連通，如圖2、3、4所示，前爐I頂部至少安裝有一個空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合17，燒嘴的煙氣出口 18、空氣進口 19分別與送風(fēng)管道連通，燒嘴的燃氣進口 20與天然氣輸送管道連通。如圖2所示，該空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴由兩組結(jié)構(gòu)相同的蓄熱室33、一個四通換向閥34及鼓風(fēng)機35、引風(fēng)機36用管路連接組成，蓄熱室內(nèi)分布有蓄熱體37，當(dāng)燒嘴A工作時，加熱工件后的高溫廢氣經(jīng)燒嘴B排出，以輻射和對流方式迅速將熱量傳給蓄熱體，煙氣放熱后溫度降至200°C以下，經(jīng)四通閥排出。經(jīng)過一定時間，四通換向閥換向，使助燃空氣流經(jīng)蓄熱體B，蓄熱體在將熱量迅速傳給空氣，空氣被預(yù)熱至800°C以上，通過燒嘴B完成燃燒過程，同時燒嘴A和蓄熱體A轉(zhuǎn)換為排煙和蓄熱裝置，通過如此往復(fù)交替運行方式，可以實現(xiàn)煙氣極限回收和助燃空氣的預(yù)熱?？諝鈫晤A(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合中的蓄熱體采用的是結(jié)構(gòu)緊湊的、抗壓強度高、耐高溫、沖擊性能好的高鋁質(zhì)材料制造的蜂窩體，新型的蜂窩蓄熱體可以使排氣溫度和被預(yù)熱空氣溫度之間的溫差下降到50 150°C。如圖1所示，后爐爐體12上、并且位于加料口 13上方安裝有管式換熱器21，管式換熱器兩側(cè)的熱風(fēng)口分別經(jīng)助燃二次風(fēng)管I 22與后爐爐體的熔化區(qū)連通，其中一個熱風(fēng)口經(jīng)助燃二次風(fēng)管II 23與送風(fēng)管道連通。助燃二次風(fēng)的位置選擇在爐氣溫度700 800°C的位置，可設(shè)兩排風(fēng)口，排距100 120mm，每排設(shè)置4 8個風(fēng)口，風(fēng)口直徑10 15_，風(fēng)量和風(fēng)壓不宜太大，在調(diào)整時確定。如圖5所示，環(huán)形火道16側(cè)壁設(shè)有一端與環(huán)形火道貫通、另一端與助燃二次風(fēng)管I 22連通的空氣輸送管24，該系統(tǒng)的風(fēng)源來自鋼管換熱器100°C 150°C的預(yù)熱空氣，空氣輸送管上設(shè)有與其連通的煤粉儲存漏斗25，下方設(shè)有控制閥門39，煤粉儲存漏斗內(nèi)安裝由動力機構(gòu)驅(qū)動的螺旋輸送器26，煤粉儲存漏斗上方一側(cè)設(shè)有與空氣輸送管連接的壓力平衡管27。環(huán)形火道16與空氣輸送管24連通處設(shè)有噴射器28及環(huán)形管29。將管式換熱器預(yù)熱至100 150°C的助燃空氣和煤粉一并送入火口部位1/2 H環(huán)的位置，風(fēng)口直徑取32 40mm，風(fēng)口可無角度或上傾5°，風(fēng)源與燃燒系統(tǒng)的風(fēng)源共用，煤粉應(yīng)干燥，水分低于1%，粒度100 150目，固定碳含量要高，含S和灰份要小。，煤粉供給量控制在8 IOkg/t鐵水，送風(fēng)量10 Ilm /kg煤粉，由于煤粉中含有一定量的氧，在環(huán)形火道1450°C的高溫中H呈原子狀態(tài)，除本身可以燃燒還可促進CO的燃燒，反應(yīng)式為:CH4+02==C02+2H20C02+C==2C0。如圖6所示，火口前開設(shè)虹吸式的分渣室32，過橋6橋面兩側(cè)交錯設(shè)有曲線擋墻31。首先排除來自后爐的熔渣，同時在過橋底部開設(shè)一個表面積較大的淺熔池，過橋兩側(cè)的拱角處分別砌筑排渣溝，排渣溝與過橋兩側(cè)的排渣口相連，從而形成兩次分渣機構(gòu)。該化鐵爐是可做成熔化率為2t 10t/h的系列產(chǎn)品，前爐的具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體情況設(shè)計成臥式或豎式結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種天然氣蓄熱式化鐵爐，包括前爐(I)和后爐(2)，前爐和后爐之間通過火口(3)連通，前爐包含燃燒室(4)、開設(shè)在燃燒室底部的熔池(5)以及位于熔池與火口之間的過橋(6)，熔池兩側(cè)分別設(shè)有排渣口(7)，過橋橋面上開設(shè)有淺熔池(8)，過橋兩側(cè)拱角處分別設(shè)有排渣溝(9)，排渣溝與前爐熔池兩側(cè)的排渣口連通，燃燒室分別連有與其相通的天然氣輸送管道(10)及送風(fēng)管道(11);后爐包含爐體(12)，爐體上部設(shè)有加料口(13)，爐體頂部設(shè)有煙氣排放口(14)，爐體底部設(shè)有凸起狀爐底(15)，凸起狀爐底與爐體內(nèi)壁之間形成環(huán)形火道(16)，環(huán)形火道與火口連通，其特征是前爐(I)頂部至少安裝有一個空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴單元組合(17)，燒嘴的煙氣出口(18)、空氣進口(19)分別與送風(fēng)管道連通，燒嘴的燃氣進口(20)與天然氣輸送管道連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣蓄熱式化鐵爐，其特征是后爐爐體(12)上、并且位于加料口(13)上方安裝有管式換熱器(21)，管式換熱器兩側(cè)的熱風(fēng)口分別經(jīng)助燃二次風(fēng)管I (22)與后爐爐體的熔化區(qū)連通，其中一個熱風(fēng)口經(jīng)助燃二次風(fēng)管II (23)與送風(fēng)管道連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然氣蓄熱式化鐵爐，其特征是環(huán)形火道(16)側(cè)壁設(shè)有一端與環(huán)形火道貫通、另一端與助燃二次風(fēng)管I (22)連通的空氣輸送管(24)，空氣輸送管上設(shè)有與其連通的煤粉儲存漏斗(25)，煤粉儲存漏斗內(nèi)安裝由動力機構(gòu)驅(qū)動的螺旋輸送器(26)，煤粉儲存漏斗上方一側(cè)設(shè)有與空氣輸送管連接的壓力平衡管(27)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣蓄熱式化鐵爐，其特征是環(huán)形火道(16)與空氣輸送管(24 )連通處設(shè)有噴射器(28 )及環(huán)形管(29 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然氣蓄熱式化鐵爐，其特征是后爐爐體(12)頂部的煙氣排放口(14)與布袋除塵裝置(30)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然氣蓄熱式化鐵爐，其特征是火口前開設(shè)虹吸式的分渣室(32)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或 2所述的天然氣蓄熱式化鐵爐，其特征是過橋(6)橋面兩側(cè)交錯設(shè)有曲線擋墻(31)。
專利摘要本實用新型涉及鑄鐵熔煉領(lǐng)域，具體為一種天然氣蓄熱式化鐵爐，解決現(xiàn)有化鐵爐存在無法得到高溫、高質(zhì)量鐵水、鐵水中各元素氧化燒損嚴重等問題，包括前爐、后爐，前爐包含燃燒室、熔池、過橋，熔池兩側(cè)分別設(shè)有排渣口，過橋橋面上開設(shè)淺熔池，過橋兩側(cè)設(shè)排渣溝，燃燒室分別連有與其相通的天然氣輸送管道及送風(fēng)管道；后爐包含爐體、加料口、煙氣排放口，前爐頂部安裝空氣單預(yù)熱蓄熱式燒嘴，燒嘴的煙氣出口、空氣進口與送風(fēng)管道連通，燃氣進口與天然氣輸送管道連，爐體中部有煤粉二次風(fēng)和助燃二次風(fēng)結(jié)構(gòu)，管式換熱器安裝在加料口上方，結(jié)構(gòu)緊湊合理，爐況運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，元素?zé)龘p率低，大幅度的減少CO2、NOx、SO2排放，適用范圍廣。
文檔編號F27B19/02GK203083359SQ20132004758
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者孫秉功 申請人:孫秉功, 梁興勇