一种燃气冲天炉高温空气燃烧装置及方法与流程

本发明属于铸造、保温棉生产的燃气冲天炉领域，具体涉及一种燃气冲天炉高温空气燃烧装置及方法。

背景技术：

燃气无焦冲天炉是以天然气、焦炉煤气、液化气等为燃料的冲天炉，属于当今世界范围内铸铁熔化、保温棉熔化的先进技术，上世纪英法美等发达国家先后进行燃气冲天炉的研究与使用，典型技术为美国专利(专利号us5224985)。90年代，由于焦炭匮乏，逐步研究了焦炭与天然气合用、纯天然气的冲天炉，目前技术在欧盟、中东、美国、印度、日本、韩国等国家的铸造行业和保温材料行业内使用。

国内引进的某种燃气冲天炉应用于球墨铸铁，熔液温度1530℃，天然气消耗量80m³/t。为提高铁液温度及降低能耗，采用富氧燃烧技术，天然气消耗量是50m³/t，氧气消耗量19m³/t。富氧虽提高了燃烧温度，降低了天然气消耗，但炉渣中铁含量在5-10％，造成较大的浪费。其原因是富氧条件下加热炉气中水蒸气含量进一步增加，导致高温水蒸气与铁之间发生化学反应，同时氧气的不均匀性也导致部分铁氧化导致

《metalworld》中介绍的在印度使用的燃气冲天炉，预热熔化段燃料层的厚度控制在2.5-2.85米，排烟温度对应于650℃-250℃之间，较厚的料层可降低排烟温度，但增加了水冷炉排的荷重，同时也造成停炉时大量的残量损失，存在浪费。在烘炉和停炉前期，炉内料层厚度变薄，导致排烟温度较高，造成浪费，进而熔化成本较高。目前铸造行业受订单限制，多数是单日小于8小时运行，必将造成燃气冲天炉的启动和停炉的燃气浪费，并增加生产成本。

中国发明专利(申请号2013105532185)公开了一种岩棉生产的燃气冲天炉废热梯级利用的方法，其利用熔化段后的高温烟气，采用喷流、对流强化、再燃的喷射辐射换热器进行预热，使助燃空气温度达到500-900℃，但需要耐热钢和较大换热面积，且结构笨重和成本高，且不能随熔化率的变化而自动降低排烟温度。

多数燃气冲天除尘设施多采用旋风除尘器、火花捕集器等进行除尘，旋风除尘仅能实现大颗粒尘捕集，火花捕集器造成水的二次污染。部分燃气冲天炉连续运行时排烟温度较低，采用除尘效率较高的袋式过滤器或电除尘器，且实现目前最严的20mg/m³的排放标准。但在烘炉和停炉期间，排烟温度较高，超过袋式过滤器使用温度，不得不停止除尘而改为直排，或通过增加新鲜空气的方法来降低烟气温度后再除尘，使除尘成本增加或增加粉尘排放量。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种燃气冲天炉高温空气燃烧装置及方法，最大限度提高空气预热温度、提高熔液温度，降低烘炉、停炉期间燃气消耗量，降低排烟温度，可采用低成本、低温袋式过滤器除尘，进一步降低熔化和除尘的运行成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种燃气冲天炉高温空气燃烧装置，包括燃气冲天炉、八通阀、空气系统、烟气系统、高温空气燃烧器、气动阀；

在所述燃气冲天炉内的中上方设有熔化预热段；

所述高温空气燃烧器位于燃气冲天炉的下方，所述八通阀位于燃气冲天炉外部，且位于熔化预热段的侧上方；

所述空气系统和烟气系统分别与八通阀连接，所述空气系统包括冷空气管和高温空气管；

所述烟气系统包括烟囱和高温烟气管；

所述八通阀包括热端四通阀、蓄热体组和冷端四通阀，所述热端四通阀、冷端四通阀分别位于所述蓄热体组的两侧；所述高温烟气管的一端与热端四通阀连接，另一端与燃气冲天炉连接；烟囱的一端与冷端四通阀连接，另一端与大气连通；所述冷空气管的一端与大气连通或与风机相连，另一端与冷端四通阀连接；所述高温空气管一端与热端四通阀连接，另一端与高温空气燃烧器连接。

所述气动阀位于热端四通阀和冷端四通阀上。

所述燃气冲天炉高温空气燃烧装置进一步包括烟气探测装置，所述烟气探测装置位于八通阀的外部，包括co传感器和两个取样管，在两个取样管上分别设有电磁阀；一个取样管的一端与烟囱连通，另一端与co传感器连接，另一个取样管的一端与高温烟气管连通，另一端与co传感器连接；

在所述烟囱、高温烟气管上分别设有烟气文丘里管；在所述冷空气管、高温空气管上分别设有空气文丘里管。通过烟气中co含量以及文丘里管的压差变化双参数来确定切换阀的密封性能，这样冷端四通阀、热端四通阀的切换阀能够检验切换效果与阀密封性能。

所述蓄热体组包括空气侧蓄热体、烟气侧蓄热体和隔板，所述空气侧蓄热体与空气系统连通，所述烟气侧蓄热体与烟气系统连通；

所述空气侧蓄热体和烟气侧蓄热体均由多块蜂窝蓄热体组合而成，所述蜂窝蓄热体具有方形、圆形或多边形通道，空气侧蓄热体上的蜂窝蓄热体的通道与隔板形成空气通道，烟气侧蓄热体上的蜂窝蓄热体的通道与隔板形成烟气通道。

所述热端四通阀包括阀腔和设置在阀腔内的四套热切换阀、隔板以及设置在阀腔外的四套气动阀，一套热切换阀对应一套气动阀；所述气动阀通过控制器控制热切换阀的开启和关闭，所述隔板将空气系统和烟气系统分割成不同的气流通道；

所述四套热切换阀分别位于阀腔内的左上角、左下角、右上角和右下角，两两成对使用，即如果左上角和右下角的热切换阀关闭，则左下角和右上角的热切换阀开启，反之如果左下角和右上角的热切换阀关闭，则左上角和右下角的热切换阀开启；这样，同时实现烟气系统内高温烟气和空气系统内通道内高温空气流通方向的切换，热切换阀关闭运动方向与气流方向相同；

每套所述热切换阀均包括带宫型密封槽的热阀座、带宫型密封槽的热阀盖、滑动轴承、耐火料、支撑管、轴热电偶、空心轴、固定销和密封堵；

在所述热阀座的中心设有阀通道，热阀座的外缘固定在所述隔板上，所述热阀盖与热阀座成对使用，位于热阀座的上方或下方，以保证热切换阀关闭运动方向与烟气或空气流动方向相同；

在所述热阀盖上设有阀盖孔，所述空心轴的一端通过所述固定销固定在所述阀盖孔内，空心轴的另一端伸出阀腔后与一套所述气动阀相连，同时在该端固定有所述轴热电偶；

所述空心轴是空心结构，在其靠近热阀盖处设有空气喷口；

所述滑动轴承的一端固定在所述阀腔上，并位于空心轴的外侧，对空心轴进行定位和支撑；

所述支撑管位于滑动轴承的外侧，并与隔板相连；

所述耐火料位于支撑管的外侧；

当轴热电偶探知阀轴温度超过设计极限时，通过控制器发出打开空气支管的空气电磁阀，空气进入空心轴后，经空气喷口喷出，实现对空心轴的冷却。滑动轴承位于空心轴外侧，即支撑管的内侧，实现空心轴的稳定。支撑管与隔板相连，支撑管的外侧具有2-5cm的耐火料，抵挡高温烟气的热侵蚀。

所述冷端四通阀包括阀腔和设置在阀腔内的四套冷切换阀、隔板以及设置在阀腔外的四套气动阀，一套冷切换阀对应一套气动阀；所述气动阀通过控制器控制冷切换阀的开启和关闭，所述隔板将空气系统和烟气系统分割成不同的气流通道；

所述四套冷切换阀分别位于阀腔内的左上角、左下角、右上角和右下角，两两成对使用，即如果左上角和右下角的冷切换阀关闭，则左下角和右上角的冷切换阀开启，反之如果左下角和右上角的冷切换阀关闭，则左上角和右下角的冷切换阀开启；

每套所述冷切换阀均包括带宫型密封槽的冷阀座、带宫型密封槽的冷阀盖、固定销、阀轴和密封堵；

在所述冷阀座的中心设有阀通道，冷阀座的外缘固定在所述隔板上，所述冷阀盖与冷阀座成对使用，位于冷阀座的上方或下方；

在所述冷阀盖上设有阀盖孔，所述阀轴的一端通过所述固定销固定在所述阀盖孔内，阀轴的另一端伸出阀腔后与一套所述气动阀相连；

所述滑动轴承的一端固定在所述阀腔上，并位于阀轴的外侧，对阀轴进行定位和支撑；

所述支撑管位于滑动轴承的外侧，并与隔板相连。

所述宫型密封槽位于热切换阀和冷切换阀上，热阀盖和冷阀盖上的宫型密封槽是凸条，热阀座和冷阀座上的宫型密封槽是凹槽，或者热阀盖和冷阀盖上的宫型密封槽是凹槽，热阀座和冷阀座上的宫型密封槽是凸条，二者配合成对。

所述密封堵安装于热阀盖和冷阀盖的阀盖孔的上方或下方，对应空心轴和阀轴从阀盖孔的下方或上方引出。密封堵均可安装在热阀盖或冷阀盖的轴孔的任意一端，实现不同的阀轴安装，并实现热阀盖的密封性。

在所述熔化预热段的上方设有进料密封阀。

所述空气系统进一步包括空气支管、空气电磁阀和空气喷口；

所述空气支管与所述空心轴相连，在所述空气支管上安装所述空气电磁阀。

所述烟气系统进一步包括排烟热电偶，所述排烟热电偶位于烟囱内。

所述热切换阀和冷切换阀关闭时的运动方向与烟气或空气的气流流动方向相同；

所述热切换阀材质为耐热铸铁或耐热合金钢，所述冷切换阀为普通铸铁。

所述燃气冲天炉高温空气燃烧装置进一步包括控制器，通过控制器实现对八通阀的操作；

所述控制器控制气动阀、空气电磁阀、电磁阀的动作，并接收co传感器、空气文丘里管、烟气文丘里管的压力信号，以及轴热电偶、排烟热电偶的温度信号。具有逻辑执行切换阀循环切换、识别切换阀是否密封性能的功能以及控制烟气排放温度的功能。

利用上述装置实现的燃气冲天炉高温空气燃烧方法，包括：

(1)高温空气自高温空气管进入高温空气燃烧器与燃气进行燃烧，燃烧产生的高温烟气进入预热熔化段；

(2)烟气经预热熔化段的侧上方的高温烟气管进入热端四通阀后，进入蓄热体组的烟气侧蓄热体后，再进入冷端四通阀后，通过烟囱排到大气中；

(3)同时，空气经冷空气管进入冷端四通阀后，进入空气侧蓄热体，而后进入热端四通阀，再进入到高温空气管；

(4)当排烟热电偶的烟气温度信号经控制器识别低于150±10℃时，控制器向气动阀发出信号切换热端四通阀的4个热切换阀，同时切换冷端四通阀的4个冷切换阀，使得烟气进入空气侧蓄热体，而空气进入烟气侧蓄热体；

(5)当排烟热电偶的烟气温度信号再次经控制器识别低于150±10℃时，控制器向气动阀再次发出信号切换热切换阀和冷切换阀，以此循环进行；

(6)检测空气文丘里管和烟气文丘里管的压力信号，并存储于控制器中；

(7)通过控制器向取样管上的电磁阀进行间歇切换，实现从高温烟气管和烟囱取样，经co传感器分析得到的浓度信号存储于控制器中；

(7)根据存储于控制器中的压力信号和浓度信号，判断热切换阀和冷切换阀的密封程度；

(8)当轴热电偶探测到空心轴温度超过100±10℃时，控制器指挥空气支管上的空气电磁阀打开，空气进入空心轴，最后经空气喷出口排出，实现对空心轴的冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过高温蓄热体对的交替运行，实现空气温度的极限预热，达到600-1000℃；同时可实现烟气的极限排烟，达到150℃左右，最大限度降低了烟气排放所带走的热量。不仅为高温空气燃烧提供需要的高温空气，而且实现高温炉的低排烟温度，实现燃气的极限利用。

附图说明

图1是本发明优选实施例的功能示意图

图2是本发明优选实施例的热端四通阀的结构示意图

图3是本发明的热端切换阀结构详图

图4是本发明的冷端切换阀结构详图

图中，1-燃气冲天炉，2-预热熔化段，21-物料，3-八通阀，4-热端四通阀，41-热切换阀，42-热阀座，43-热阀盖，44-滑动轴承，45-耐火料，46-支撑管，47-轴热电偶，48-空心轴，5-蓄热体组，51-空气侧蓄热体，52-烟气侧蓄热体，53-隔板，54-蜂窝蓄热体，541-通道，55-空气通道，56-烟气通道，6-冷端四通阀，61-冷切换阀，62-冷阀座，63-冷阀盖，64-固定销，65-阀轴，66-密封堵，67-宫型槽，68-阀通道，69-阀盖孔，7-空气系统，71-冷空气管，72-高温空气管，73-空气，74-空气支管，75-空气电磁阀，76-空气喷口，78-空气喷口，8-烟气系统，81-高温烟气管，82-烟气，83-烟囱，84-排烟热电偶，9-高温空气燃烧器，10-烟气探测装置，101-co传感器，102-取样管，103-电磁阀，104-空气文丘里管，105-烟气文丘里管，11-控制器，12-密封进料阀，13-气动阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明是在综合国内外先进燃气冲天炉的基础上，提出实现空气的高温预热，进而达到较高燃烧温度，提高熔化效率，提高熔液温度，同时降低烘炉和停炉期间的天然气消耗，进一步扩大燃气冲天炉在铸铁、铸钢领域的应用范围，进一步降低铸造行业能耗和污染物排放。

本发明燃气冲天炉高温空气燃烧装置及方法具体如下：降低燃气冲天炉熔化预热段物料的厚度，料层厚度可控制在1.5m之内，烟气温度达到600-1200℃，高温烟气进入热端四通阀，经四通阀的烟气通道侧蜂窝蓄热体组，沿蜂窝蓄热体通道方向逐渐加热蓄热体后，低温烟气经冷端四通阀排入烟囱；常温空气经冷端四通阀，进入空气通道侧蜂窝蓄热体组，被蓄热体组的蓄热所加热，进入热端四通阀后的热空气通道，再进入燃气冲天炉的空气通道，最后去高温空气燃烧器，实现高温空气燃烧。

进一步，具体步骤如下：

步骤一：高温空气与燃气经燃烧器燃烧后，进入薄预热熔化物料层，加热熔化物料后，高温烟气进入炉顶空间；炉顶空间的烟气，经高温空气管、热端四通阀的切换阀后进入烟气通道，加热烟气通道内的蜂窝蓄热体，烟气逐步释放出热量而将热量蓄热到蓄热体内后，进入冷端四通阀后排入烟囱；

步骤二：同时，冷空气经冷空气管、冷端四通阀的冷切换阀后进入空气通道，空气吸收空气通道内的蓄热体蓄热而逐步被加热，生成的高温空气进入热端四通阀后经切换阀进入高温空气管，高温空气最后进入高温空气燃烧器；

步骤三：当排烟热电偶测量烟气温度达到150℃或更低时，向控制器发出信号，控制热端四通阀、冷端四通阀的热切换阀和冷切换阀同时动作，将原先的烟气通道切换为空气通道，将原先的空气通道切换为烟气通道，并按步骤一和二运行进行直到排烟热电偶测量烟气温度再次达到150℃±10℃；

本发明具体如图1-图4所示，包括燃气冲天炉1、预热熔化段2、八通阀3、空气系统7、烟气系统8、高温空气燃烧器9、烟气探测装置10、控制器11、密封进料阀12、气动阀13等组成，所述预热熔化段2位于燃气冲天炉1的中上方，所述进料密封阀11位于预热熔化段2的上方，所述高温空气燃烧器9位于燃气冲天炉1的下方，所述八通阀3位于预热熔化段2的侧上方，所述烟气探测装置10位于八通阀3内，所述空气系统7和烟气系统8连接于八通阀3的两侧，所述气动阀13位于八通阀3上并通过控制器11实现对八通阀3的操作。

所述八通阀3，包含热端四通阀4、蓄热体组5、冷端四通阀6组成，所述热端四通阀4、冷端四通阀6位于所述蓄热体组5的两侧，热端四通阀4与高温烟气管81、高温空气管72相连，冷端四通阀6与排烟管83、冷空气管71相连。

所述蓄热体组5包含空气侧蓄热体51、烟气侧蓄热体52、隔板53、空气通道、烟气通道组成，所述空气侧蓄热体51和烟气侧蓄热体52是由多块蜂窝蓄热体54组合而成，蜂窝蓄热体54具有方形或圆形通道541，蜂窝蓄热体54的通道541与隔板53共同形成空气通道和烟气通道。

所述热端四通阀4包含四套热切换阀41、隔板53、四套气动阀13等组成，所述气动阀13通过控制器11控制热切换阀41的开启和关闭，所述隔板53将空气系统7和烟气系统8分割成不同的气流通道；

所述热切换阀41包含热阀座42、热阀盖43、滑动轴承44、耐火料45、支撑管46、轴热电偶47、空心轴48、固定销64、密封堵66、宫型槽67、阀通道68、阀盖孔69等组成，所述热阀座42中心有气流的阀通道68，且固定在所述隔板53上，所述热阀盖43与热阀座42成对使用，可在热阀座42上方或下方，所述空心轴48的一端通过所述固定销64固定在所述阀盖孔69内，另一端与所述气动阀13相连，所述轴热电偶47固定在同一端。所述滑动轴承44位于空心轴48的外侧，并对空心轴48进行定位。所述支撑管46位于空心轴48和滑动轴承44的组合体的外侧，并与隔板53相连，所述耐火料45位于支撑管的外侧。所述空心轴48是空心结构，一端接空气支管74和空气电磁阀75，另一端靠近热阀盖43处有空气喷口78。

所述冷端四通阀6包含四套冷切换阀61、隔板53、四套气动阀13等组成，所述气动阀13通过控制器11控制冷切换阀61的开启和关闭，所述隔板53将空气系统7和烟气系统8分割成不同的气流通道；

所述冷切换阀61包含冷阀座62、冷阀盖63、固定销64、阀轴65、密封堵66、宫型槽67、阀通道68、阀盖孔69组成。所述冷阀座62固定在隔板53上，所述冷阀座62中心有阀通道68；所述冷阀盖63与冷阀座62成对使用，可在冷阀座62的上方或下方。所述阀轴65通过定位销64固定在冷阀盖63的阀盖孔69内，阀轴65另一端与气动阀13相连。

所述宫型槽67位于热切换阀41和冷切换阀61上，热阀盖43和冷阀盖43上的宫型槽67是凸条，热阀座42和冷阀座42上的宫型槽67是凹槽，二者配合成对，或者反过来，热阀盖43和冷阀盖43上的宫型槽67是凹槽，热阀座42和冷阀座42上的宫型槽67是凸条。切换阀分为开启或关闭两种状态，比如图3中上图所示，气流方向是上部黑色箭头，即气流方向是自上而下。切换阀关闭时，运动方向也是自上而下，不是自下而上。主要原因是关闭后，上部气体是有压力的，会对关闭的阀有个压力作用，更加密封。如果是相反的，而气体就要顶开阀门，导致关闭不严实。

所述密封堵66可安装于热阀盖43和冷阀盖63的阀盖孔69的上方或下方，对应空心轴48和阀轴65从阀盖孔69的下方或上方引出。

所述空气系统7包含冷空气管71、空气通道55、高温空气管72、空气支管74、空气电磁阀75和空气喷口组成，所述空气支管74和空气电磁阀75与空心轴48相连，所述冷空气管71与冷端四通阀6相连；所述高温空气管72一端与热四通阀4相连，一端与高温空气燃烧器9相连。

所述烟气系统8包含高温烟气管81、烟气通道56、烟囱83、排烟热电偶84组成，所述高温烟气管81与熔化预热段2相连，所述高温烟气管81与热端四通阀4相连，所述烟囱83与冷端四通阀6相连，所述排烟热电偶84位于烟囱83内。

所述烟气探测装置10包含co传感器101、取样管102、电磁阀103、空气文丘里管104、烟气文丘里管105组成，所述烟气文丘里管105分别位于烟囱83和高温烟气管81内，所述空气文丘里管104分别位于冷空气管71和高温空气管72内，所述取样管102分别位于烟囱83和高温烟气管81内，所述取样管102连接电磁电磁阀后与co传感器相连。

所述控制器11，可控制气动阀13、空气电磁阀75、电磁阀的动作，可接受co传感器101、空气文丘里管104、烟气文丘里管105的信号，可接受轴热电偶47、排烟热电偶84的温度信号；

本发明还公开了一种燃气冲天炉高温空气燃烧方法，包括如下步骤：

(1)高温空气73自高温空气管72进入高温空气燃烧器9与燃气进行燃烧，燃烧产生的高温烟气82经熔化物料21后，进入预热熔化段2；

(2)烟气82经预热熔化段2的侧上方的高温烟气管81进入热端四通阀4后，进入蓄热体组5的烟气侧蓄热体52后，进入冷端四通阀6后，进入烟囱83而排到大气中；

(3)空气73经冷空气管71进入冷端四通阀6后，进入空气侧蓄热体51，而后进入热端四通阀4，再进入到高温空气管；

(4)当排烟热电偶84的烟气温度信号，经控制器11识别低于150±10℃时，控制器11向气动阀13发出切换热端四通阀4的4个热切换阀41(如图2中左上角和右下角的是关闭，则左下角和右上角的就是开启)，同时切换冷端四通阀6的4个冷切换阀61，使得烟气82进入空气侧蓄热体51，而空气进入烟气侧蓄热体52；

(5)当排烟热电偶84烟气温度信号，再次经控制器11识别低于150±10℃时，控制器11向气动阀13再次发出进行热切换阀41和冷切换阀61，以此循环进行；

(6)检测空气文丘里管104和烟气文丘里管105的压力信号，和，并存储于控制器11中；

(7)通过控制器11向取样管102上的电磁阀103进行间歇切换，实现从高温烟气管81和烟囱83取样烟气，经co传感器101分析得到的浓度信号存储于控制器11中；

(7)根据存储于控制器11中的压力信号和浓度信号大数据，判断热切换阀41和冷切换阀61的密封程度；

(8)当轴热电偶47探测到空心轴48温度超过100±10℃时，控制器11指挥空气支管74上的空气电磁阀75打开，空气73进入空心轴48，最后经空气喷出口76排出，实现对空心轴48的冷却。

本发明能保证燃气冲天炉运行时，预热空气温度达到600-1000℃，燃气冲天炉的排烟温度控制在150℃±10℃左右。不仅实现高温空气燃烧下的高温熔化，而且实现烟气低温排放，最大限度利用燃气热能，进一步降低燃气冲天炉的运行费用，属于节能型新发明技术。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。