专利名称：高温低氧外燃式热风炉的制作方法
技术领域：
本实用新型属于热风炉技术领域，提供高温低氧外燃式热风炉，适用于炼铁工业 中高炉炼铁和熔融还原炼铁所用的热风炉。还可用于其它需要将气态介质加热到1000°c以 上的工业技术领域中。
背景技术：
在高炉炼铁工艺中采用热风炉加热鼓风已有近二百年历史，最初加热后风温只有 149°C。随着技术的不断进步，目前最高风温已达1300°C。提高风温，可以大幅降低焦比，节 约焦炭，提高高炉产量，还可充分利用低热值的高炉煤气，提高能源利用效率，减少煤气放 散，节约能源，保护环境。现代高炉普遍采用蓄热式热风炉加热鼓风。热风炉由蓄热室和燃烧室两部分组 成。工作周期包括燃烧期和送风期。燃烧期内，利用煤气燃烧产生的高温烟气加热蓄热室 格子砖，使格子砖储备热量，然后换炉至送风期。送风期则利用格子砖将冷风加热，再通过 热风管道送至高炉使用。为满足高炉生产的连续性和可靠性，一座高炉一般配置3 4座 热风炉。热风炉按结构型式分为外燃式、外燃式、顶燃式三种。外燃式热风炉发展时间较长，燃烧室和蓄热室同置于一个圆柱形炉壳内，并各处 一侧。通过不断改进，目前的改进型外燃式热风炉已在一定程度上克服了传统外燃式热风 炉拱顶耐火砖破损、掉砖，隔墙倾斜、开裂、短路，格子砖错乱、堵塞等缺点。但未能从根本上 解决问题，限制因素较多，其中结构的稳定性至关重要，一般用于3200m3以下的高炉。外燃式热风炉由外燃式热风炉演变而来，工作原理与外燃式热风炉相同，只是燃 烧室和蓄热室分别处在两个独立的圆柱形壳体内，燃烧室和蓄热室的顶部以一定方式联接 起来。外燃式与外燃式相比结构更趋合理，有利于强化燃烧，提高风温，缺点是结构复杂，占 地面积大，钢材和耐火材料消耗多，建设投资高。顶燃式热风炉的特点是利用热风炉的拱顶空间作为燃烧室，取消了侧部或外部的 独立燃烧室。1978年，首钢2号高炉率先采用了顶燃式热风炉，这是世界上第一座大型顶燃 式热风炉。这种热风炉具有结构对称，温度区间分布合理，占地小，投资少等优点。但传统 的顶燃式热风炉受燃烧空间较小影响，很容易造成局部高温，使燃烧室温度变化剧烈，巨大 的热应力会对拱顶和炉衬造成损坏。随着炼铁工业的技术发展，提高风温已成为现代高炉的重要技术特征。现代热风 炉要实现1250°C以上的高风温，寿命要大于30年，同时要降低C02、N0x等污染物的排放，节 约能源，实现长寿高效。现有三种结构型式的热风炉均为常规热风炉，无论采用何种结构型式的燃烧器， 其燃烧原理和特性并无本质区别。随着拱顶温度的提高，N0X的生成将急剧加快，造成炉 壳晶间应力腐蚀、污染环境等一系列问题。因此现有的常规热风炉一般将拱顶温度控制在 1420°C以下，从而限制了风温的进一步提高。因此设计开发出一种改变常规热风炉燃烧过
3程，进一步提高风温，降低C02、N0X排放的高温低氧长寿高效热风炉已成为克服上述技术缺 陷的必然。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种采用高温低氧燃烧的外燃式热风炉；克服了现有 技术的缺陷，改变了传统热风炉的燃烧过程，采用高温空气低氧燃烧技术，可利用低热值高 炉煤气作为燃料显著提高风温、大幅度降低N0X形成和排放。本实用新型包括冷风入口、炉箅子及支柱、格子砖、蓄热室、炉衬、炉壳、高温低氧 燃烧器、燃烧室、拱顶、热风出口、烟气出口 ；高温低氧燃烧器置于热风炉燃烧室的底部，燃 烧室和蓄热室分别处在两个独立的圆柱形壳体内，燃烧室和蓄热室由拱顶空间的圆柱形 通道连接，燃烧室的底部布置了分级燃烧高温低氧燃烧器，将预热到800°c以上的助燃空 气(具体预热方式可采用预热炉或高温换热系统等预热装置，预热方式不属于实用新型内 容)，通过高温低氧燃烧器中的分级燃烧和高温气流对燃烧产物卷吸，稀释反应区的含氧体 积浓度，实现与传统燃烧过程完全不同的高温低氧燃烧。本实用新型所述的高温低氧燃烧器由空煤气预燃室、两组煤气入口、环道、喷口和 两组空气入口、环道、喷口组成，从上至下依次为煤气、空气、空气、煤气，每组入口、环道和 喷口包含1 20层，空煤气预燃室为圆柱形空间，由耐火材料砌筑而成。本实用新型所述的燃烧室的形状为圆形、苹果形、椭圆形或眼睛形空间；拱顶的形 状为圆形、椭圆形、抛物线形或悬链线形空间。每层煤气、空气喷口的数量为4 40个，水平方向，各层煤气喷口、空气喷口的水 平径向中心线与燃烧室径向中心线的夹角为-90° +90°，这样在水平方向可以控制煤 气、空气的流动方向为顺时针或逆时针方向和切线圆大小；竖直方向，各层煤气、空气喷口 的竖直中心线与燃烧室轴向中心线的夹角为-90° +90°，以控制煤气、空气向上或向下 流动方向；各煤气、空气喷口尺寸、间距根据煤气、空气入口管的数量和位置呈渐变分布或 对称分布。本实用新型所述的高温低氧外燃式热风炉，其特征在于，高温低氧燃烧器中布置 了两组煤气入口、环道、喷口和两组空气入口、环道、喷口，每组包含1 20层喷口，第一组 煤气喷口喷出的煤气和第一组空气喷口喷出的空气在燃烧室底部混合后燃烧，形成高温烟 气向燃烧室上部流动，与第二组空气喷口喷出的高温空气在燃烧器中部发生混合、卷吸，形 成含氧体积浓度低于15%，温度800°C以上的高温低氧气氛，之后与最上部的第二组煤气 喷口完成第二次燃烧，即高温低氧燃烧，燃烧过程不再存在传统燃烧过程中出现的局部高 温高氮区，N0X的生成受到抑制。同时低氧状态下燃烧的火焰体积增大，在整个燃烧室内形 成温度分布均勻的高温强辐射黑体，传热效率显著提高，烟气中N0X生成量减少30 %，还可 节约25%的燃料消耗，相应可降低C02排放。本实用新型采用的高温空气燃烧技术的基本原理是使煤气在高温低氧体积浓度 气氛中燃烧。本实用新型包含两项基本技术措施一项是采用助燃空气高温预热技术，将助 燃空气温度预热到800°C以上。另一项是采取煤气分级燃烧和高速气流卷吸热风炉炉内燃 烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得氧浓度低于15% (体积)的低氧气氛。煤气在这 种高温低氧气氛中，形成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与低氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。热风炉高温低氧燃烧方式一方面使燃烧室内的温度整体升高且分布更加均勻，使 煤气消耗显著降低。降低煤气消耗也就意味着相应减少了 CO2等温室气体的排放。另一方 面有效抑制了热力型氮氧化物(NOx)的生成。氮氧化物(NOx)是造成大气污染的重要来源 之一，各工业企业都在设法降低NOx的排放。NOx主要有热力型和燃料型，热风炉主要采用气 体燃料，其中含氮化合物少，因此燃料型NOx生成极少。由热力型NOx的生成速度主要与燃 烧过程中的火焰最高温度及氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NOx的主要因素。在 高温空气燃烧条件下，由于热风炉内平均温度升高，但没有传统燃烧的局部高温区；同时炉 内高温烟气与助燃空气旋流混合，降低了气氛中氮、氧的浓度；此外，气流速度大，燃烧速度 快，因此NOx排放浓度大幅度降低。通过数值仿真模拟计算研究分析证实，高温低氧热风炉在整个燃烧室内，形成了 均勻的温度场、浓度场、流场和压力场。火焰温度分布均勻，在燃烧室顶部水平方向温度差 约为20°C，在拱顶温度1420°C时烟气中生成的NOx仅为传统燃烧过程的30%。高温烟气均 勻的进入蓄热室格子砖，使格子砖被高效利用，有利于提高格子砖热效率和延长格子砖寿 命。这种高温低氧燃烧方式，还避免了局部助燃空气浓度太高，产生局部高温现象，从而有 效减少了 NOx等有害物质的生成。
图1是高温低氧外燃式热风炉的基本结构图，其中，冷风入口 1 ；炉箅子及支柱2 ； 烟气出口 3 ；格子砖及蓄热室4 ；炉衬5 ；炉壳6 ；燃烧室7 ；热风出口 8 ；高温低氧燃烧器9 ； 第二组煤气喷口 10 ；第二组煤气环道11 ；第二组煤气入口 12 ；第二组空气喷口 13 ；第二组 空气环道14 ；第二组空气入口 15 ；第一组空气喷口 16 ；第一组空气环道17 ；第一组空气入 口 18 ；第一组煤气喷口 19 ；第一组煤气环道20 ；第一组煤气入口 21。图2是图1中的A-A截面的俯视图，其中，炉衬5 ；炉壳6 ；第二组煤气喷口 10 ；第 二组煤气环道11 ；第二组煤气入口 12。
具体实施方式
图1为本实用新型的一种具体实施方式
。如图1所示，高温低氧外燃式热风炉由 冷风入口 1、炉箅子及支柱2、烟气出口 3、格子砖及蓄热室4、炉衬5、炉壳6、燃烧室7、热风 出口 8、、高温低氧燃烧器9组成。其中高温低氧燃烧器9由第二层煤气喷口 10、第二层煤气 环道11、第二层煤气入口 12、第二层空气喷口 13、第二层空气环道14、第二层空气入口 15、 第一层空气喷口 16、第一层空气环道17、第一层空气入口 18、第一层煤气喷口 19、第一层煤 气环道20、第一层煤气入口 21组成。由图1可知，本实用新型高温低氧外燃式热风炉燃烧室和蓄热室分别处在两个独 立的圆柱形壳体内，两部分由拱顶空间的圆柱形通道连接。拱顶结构是圆形；高温低氧燃烧 器9置于热风炉燃烧室的底部。热风出口 8设在燃烧室7的中部；燃烧室7的外部为圆柱 形蓄热室4，蓄热室4由格子砖砌筑而成；格子砖支撑在炉箅子及支柱2上。第一层煤气入口 21、第二层煤气入口 12分别与外部的煤气管道连接，将煤气引入 第一层煤气环道20和第二层煤气环道11、第一层煤气环道20在圆周方向设10个第一层煤气喷口 19，第二层煤气环道11在圆周方向设10个第二层煤气喷口 10。水平方向，第一层 煤气喷口 19和第二层煤气喷口 10的水平径向喷口中心线与高温低氧燃烧器10的径向中 心线的夹角为0°，这样在水平方向可以控制煤气的流动方向(无旋流)和切线圆大小；竖 直方向，第一层煤气喷口 19的竖直喷口中心线与高温低氧燃烧器10的轴向中心线的夹角 为25°，控制煤气的流动方向向上，第二层煤气喷口 10的竖直喷口中心线与高温低氧燃烧 器10的轴向中心线的夹角为-25°，控制煤气的流动方向向下。第一层空气入口 18、第二层空气入口 15分别与外部的空气管道连接，将空气引入 第一层空气环道17和第二层空气环道14、第一层空气环道17在圆周方向设10个第一层空 气喷口 16，第二层空气环道14在圆周方向设10个第二层空气喷口 13。水平方向，第一层 空气喷口 16和第二层空气喷口 13的水平径向喷口中心线与高温低氧燃烧器10的径向中 心线的夹角为0°，这样在水平方向可以控制空气的流动方向(无旋流)和切线圆大小；竖 直方向，第一层空气喷口 16和第二层空气喷口 13的竖直喷口中心线与高温低氧燃烧器10 的轴向中心线的夹角为-25°，控制空气的流动方向向下。第一层煤气喷口 19喷出的煤气与第一层空气喷口 16喷出的空气在旋流扩散的条 件下混合后燃烧，形成高温烟气向高温低氧燃烧器9的上部流动、由第二层空气喷口 13喷 出的空气与燃烧室7内向上流动的高温烟气混合后，其温度可达到800°C以上，氧浓度低于 15%，形成高温低氧的助燃空气，在燃烧室7内向上旋转流动、由第二层煤气喷口 10喷出的 煤气在燃烧室7内高温低氧的气氛中燃烧，燃烧过程成为扩散控制反应，不再存在传统燃 烧过程中出现的局部高温高氮区，NOx的生成受到抑制，燃烧而形成的高温烟气向上旋转流 动，通过拱顶的连接通道进入蓄热室4，进而加热格子砖，然后烟气经烟气出口 3排入烟道。本实用新型高温低氧外燃式热风炉适用于冶金和节能技术领域，由于高温燃烧过 程改变了传统热风炉的燃烧特性，使燃烧充分，火焰温度分布均勻，可显著提高格子砖的热 效率和使用寿命；可有效抑制燃烧过程NOx的生成和排放；可完全使用低热值煤气实现高 风温，而且可以降低燃料消耗，节约能源，降低CO2排放。本实用新型高温低氧外燃式热风炉具有多种实施方案，按附图说明中的具体实施 例仅是优选方案，并非是对本专利的保护范围的限制。任何未脱离本专利设计思路，对本专 利作非实质性改动的，均仍属于本专利的范围。
权利要求一种高温低氧外燃式热风炉，包括冷风入口、炉箅子及支柱、格子砖、蓄热室、炉衬、炉壳、高温低氧燃烧器、燃烧室、拱顶、热风出口、烟气出口；其特征在于，燃烧室和蓄热室分别处在两个独立的圆柱形壳体内，燃烧室和蓄热室由拱顶空间的圆柱形通道连接，燃烧室的底部布置了高温低氧燃烧器，高温低氧燃烧器由空煤气预燃室、两组煤气入口、环道、喷口和两组空气入口、环道、喷口组成，由上至下的顺序为煤气、空气、空气、煤气，每组入口、环道和喷口包含1～20层，空煤气预燃室为圆柱形空间，由耐火材料砌筑而成。
2.根据权利1要求所述的外燃式热风炉，其特征在于，所述的燃烧室的形状为圆形、苹 果形、椭圆形或眼睛形空间；拱顶的形状为圆形、椭圆形、抛物线形或悬链线形空间。
3.根据权利1要求所述的外燃式热风炉，其特征在于，每层煤气、空气喷口的数量为 4 40个，水平方向，各层煤气喷口、空气喷口的水平径向中心线与燃烧室径向中心线的夹 角为-90° +90° ；竖直方向，各层煤气、空气喷口的竖直中心线与燃烧室轴向中心线的夹 角为-90° +90° ；各煤气、空气喷口呈渐变分布和对称分布。
专利摘要一种高温低氧外燃式热风炉，属于热风炉技术领域。包括冷风入口、炉箅子及支柱、格子砖、蓄热室、炉衬、炉壳、高温低氧燃烧器、燃烧室、拱顶、热风出口、烟气出口；其特征在于，热风炉的燃烧室和蓄热室分别处在两个独立的圆柱形壳体内，燃烧室和蓄热室由拱顶空间的圆柱形通道连接，燃烧室的底部布置了分级燃烧高温低氧燃烧器，高温低氧燃烧器由两组煤气入口、环道、喷口和两组空气入口、环道、喷口以及空煤气预燃室组成，温度为800℃以上的助燃空气，通过高温低氧燃烧器中的分级燃烧和高温气流对燃烧产物卷吸，稀释反应区的含氧体积浓度。适用于炼铁工业中高炉炼铁和熔融还原炼铁所用的热风炉或其它需要将气态介质加热到1000℃以上的工业技术领域中。
文档编号C21B9/02GK201634701SQ201020102469
公开日2010年11月17日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者倪苹, 张福明, 李欣, 梅丛华, 毛庆武, 程树森, 胡祖瑞, 钱世崇, 银光宇 申请人:北京首钢国际工程技术有限公司