专利名称：粉煤喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粉煤喷射装置，在这种喷射装置中，利用氧气来改善高炉中粉煤的燃烧，这种高炉使用粉煤来代替炼制生铁过程中价格昂贵的煤。具体的说，本发明涉及一种粉煤喷射装置，在这种装置中，在内管的表面上形成许多凹坑，以改善粉煤的燃烧。
通常，如
图1a所示，在高炉炼制生铁的过程中，用作原料的铁矿和用作燃料的焦炭是通过高炉的炉顶加入的，同时通过高炉下部的风口通入热空气。于是，焦炭便燃烧，从而制成生铁和炉渣。随着高炉生铁炼制工艺的进步，目前，借助于利用一种带有供应粉煤的风口的粉煤喷射装置4，昂贵的焦炭已经被粉煤所代替。在采用上述供入粉煤的高炉的情况下，由于高温气流，在风口的前方形成了一个称为燃烧空窝(燃烧区)3的大腔室。图1b中详细描述了这种燃烧空窝3。
大部分焦炭和粉煤在都在燃烧空窝(燃烧区)中燃烧掉了，以便为矿石的还原供应所需的热量。但是，由于各种不同的情况，未燃烧的粉煤要通过高炉内的焦炭层，有一部分被排出高炉之外，而有一部分则聚集在气体流速较慢的焦炭层内部。这种聚集起来的未燃烧的粉煤存留在高炉的内部，改变了气体的流动。此外，它降低炉内的温度，增加透气的阻力，结果，使得燃烧空窝的尺寸减小了。随着粉煤供应量的增加，粉煤燃烧效率的降低就越来越严重，结果生铁的制造成本增大了。
为了解决这个问题，通常采用的技术措施是加入纯氧，以改善粉煤的燃烧效率。通过风口加入纯氧能提高热空气流中氧气的浓度，从而促进了粉煤的燃烧。然而，在这种方法中，热风的流量是很大的，因此，即使加入很多纯氧，实际上氧气的浓度也只能增加几个百分点，收不到很好的效果。此外，新建制氧设备的成本很高，因而限制了加入纯氧这种方法。
同时，为了解决上述问题，最近正努力集中改进粉煤喷射装置的结构。
图2a是它的一个例子。图2a所示的粉煤喷射装置10是同轴线式的，粉煤通过一根内管12供入，而纯氧是从外管11中加入的。这样，提高了氧气的浓度，改进了燃烧效率。采用这种方法，与在热鼓风中加氧的情况相比燃烧效率稍有提高。然而，在这种方法中，外部的氧气不能深入到粉煤流中间，而只能促进外部区域的燃烧。
图2b是解决上述问题的另一种方案。在这种方法中，在同轴线的两根管子之间形成了一个氧气流的旋流器23，以便在粉煤流的内部形成涡流。但是，正如大家广泛认识到的，设置旋流器的效果取决于它适合于这种燃烧器的程度。换句话说，如果螺旋的角度太陡，氧气将导向粉煤流的外部，而不是导向内部，结果，燃烧的效率却降低了。另一方面，如果螺旋的角度太平缓，又与图2a中现有的同轴线喷管没有什么区别。
解决上述问题的另一个例子是用单独一根管子输送的扩张式粉煤喷射装置，在这种装置中，上述单一管子的直径尽量地扩张，以使在供应管子的前端形成一股粉煤的紊流。但是，在这种方法中，要求对辅助设施进行大规模的改进。此外，如果扩张管装在风口的内部，则风口的横断面积就减小了，从而会阻碍热风进入高炉内，以至降低了生产率。
解决上述问题的另一个例子是用一个偏心的双喷头，其中安装了两根单独的管子，以改进燃烧效率。但是，如果这两根粉煤的喷射管都安装在一个风口里，则和上面说过的一样，风口的横断面积减小了，因而不但对生产率和炉况的稳定有不利的影响，而且还对维护保养造成困难，因为喷射管的数量多了一倍。
此外，还有一个方案是改变供氧的角度，强迫氧气混合到粉煤流中去。然而，这种方案虽然能提高燃烧效率，但火焰的宽度扩大了，会导致风口的损坏。此外，管子的前端要稍稍凸出一些，以便改变供氧的角度，因而这个凸出部分由于与粉煤流不停地碰撞而很容易磨损。
本发明试图克服以上所描述的现有技术中的缺点。
因此，本发明的一个目的是提供一种粉煤喷射装置，这种装置不会损坏高炉的风口之类的部件，还能显著提高粉煤的燃烧效率。
为达到上述目的，按照本发明的粉煤喷射装置包括一根用于把粉煤供入风口中的圆筒形内管；一根同轴地围绕着上述内管的圆筒形外管；一个在内管的表面上形成的螺旋形旋流器；粉煤通过上述内管供入；以及一种可燃流体通过外管和内管之间供入。这种粉煤喷射装置还包括许多在内管的前端部的表面上形成的凹坑，用于降低流体流动阻力，以改善上述粉煤与流体的混合。
本发明的另一个方面是，按照本发明的粉煤喷射装置包括一根用于把粉煤供入风口中的圆筒形内管；一根同轴地围绕着上述内管的圆筒形外管；一条在内管的表面上形成的螺旋形流道；粉煤通过上述内管供入；以及一种可燃流体通过外管和内管之间供入。这种粉煤喷射装置还包括许多在内管的前端部的一部分表面上形成的凹坑；并且W/D为0.5-4，其中，D表示凹坑的深度，而W表示凹坑的宽度。
下面参照附图详细描述本发明的优选实施例，将能更清楚地了解本发明的上述目的和其他优点。附图中
图1a和1b表示现有高炉的工作状态；图2a和2b表示现有的粉煤喷射装置；图3表示按照本发明的粉煤喷射装置的结构；图4a和4b是比较现有的装置和本发明的装置的氧气浓度的曲线图；图5a和5b是比较现有的装置和本发明的装置的燃烧温度的曲线图；图6是比较在现有的装置的燃烧空窝中和在本发明的装置的燃烧空窝中的燃烧效率的曲线图；图7是按照本发明的粉煤喷射装置的第二实施例；图8是按照本发明的凹坑的各种横断面的形状，其中图8a、8b和8c表示圆形的横断面；而图8d、8e和8f表示成角度的横断面；图9a是当在喷管的内管与外管之间提高氧气浓度时，W/D为4、2和1时，比较其燃烧状态的曲线图，其中的D表示凹坑的深度，而W表示凹坑的宽度；图9b是在外管与内管之间提高氧气浓度时，当喷管厚度t与凹坑深度D之间的D/t的比值为0.9、0.5和0时，比较其燃烧状态的曲线图；图9c是在W/D为2的情况下，当各凹坑之间的距离L为0和L为管子外径的1/4时，比较各种提高氧气浓度的方法的曲线图；图9d是在同轴线的管子的前端扩张2mm时，并且凹坑的深度为2mm时，比较各种提高氧气浓度方法的曲线图；以及图10是当W/D为0.5-5时，比较各种燃烧空窝的曲线图。
如图3所示，按照本发明的粉煤喷射装置的第一实施例包括一根圆筒形内管32；一根同轴线地围绕着内管、用于形成同轴线的管子构件的圆筒形外管31；以及一个在内管32的表面上形成的螺旋旋流器33。
与现有的粉煤喷射装置不同，按照本发明的粉煤喷射装置在内管32的表面上形成有许多半球形的凹坑34。这种半球形的凹坑最好覆盖内管前端的100mm的距离。当流体在这样的两根管子之间流过时，需要有一个导入部分，以便克服在口上造成的搅动作用，保证稳定的流动。在层流的情况下，这个值为0.05乘以雷诺数，但，如果在紊流的情况下，这个值就要小得多。在本发明的情况下，紊流的长度为100mm，可以获得发展得很完全的流体的流动。上述圆筒形的内管能够把一种液体燃料或者一种气体燃料送入风口内。
上述半球形的凹坑减小了在内管32和外管31之间流动的可燃流体的流动阻力，从而借助于在喷射装置前端所产生的涡流而改善混合的效果。在以上的描述中，所谓可燃流体通常是指氧气。
在说明流体的流动时，通常都用流体流动的紊流程度来表示，而雷诺数则可用于表示紊流的程度。公式1雷诺数＝管子直径×速率×流体比重/流体粘度在雷诺数为2000或更小时，流动为层流，而当雷诺数为2000或更大时，流动为紊流。在雷诺数大于2000的紊流情况下，有一段中的流动方式会随着管子的表面状态而剧烈地变化。因此，在本发明中，供入可燃流体的雷诺数在2000到400,000的范围内。
当存在本发明的半球形的凹坑时，在雷诺数为40,000到400,000之间时，内管的阻力下降到1/2，流体的流动平稳了，从而促进了流体在管子前端的混合。当前所用的加入的氧气量大约为300Nm3/hr，而氧气流过内径为41mm的外管与外径为34mm的内管之间的雷诺数大致为100,000。因此，如果在内管表面上形成许多凹坑，就能改善燃烧的效率。在上述情况下，在内管表面上形成的半球形的凹坑通常应该排列成锯齿状。
下面将根据实际的试验例来说明本发明。试验例1对其上带有螺旋旋流器的现有的同轴线粉煤喷射装置，和在其上形成凹坑的同轴线粉煤喷射装置进行了试验，以观察它们在氧气与粉煤之间的混合效率。试验结果如图4所示。
在图4a那种只采用现有的螺旋旋流器的情况下，在内区的氧气浓度为50％。此外，还可以看到，随着流体沿着管的轴向向前流动，氧气将向周边区域扩散，所以粉煤与氧气之间的混合效率降低了。
另一方面，在图4b那样的采用本发明的装置的情况下，在内区中的氧气浓度为60％。此外，从图中可见，随着流体沿着管的轴向向前流动，氧气并不向周边区域扩散。因此，在气流中心的氧气浓度是逐渐增大的。试验例2为了观察两种同轴线管子的燃烧效率，在试验中使用了氧气作为助燃原料，使用氮气作为运载气体，而用气体燃料作为燃料。
图5表示了这两种同轴线管子的试验结果。其中，图5a表示在火焰中心测得的温度，而图5b表示在火焰周边区域测得的温度。
在中心区域测得的温度示于图5a。即，在本发明的装置的情况下，在前半部分中所发生的燃烧几乎达到100％，因此，前半部分中的中心温度要比现有的装置高出大约200-300℃。在后半部分中，没有剩下要燃烧的燃料了，所以后半部分的温度相当低。
同时，在周边区域的温度示于图5b。即，在现有装置的情况下，周边区域的火焰温度降低了大约200℃。这一点与冷轧试验相符，这是由于氧气没有扩散到周边区域，而是集中在中央区域的缘故。试验例3在进行高炉操作时，为了比较在燃烧空窝中的实际燃烧效率，在粉煤喷射装置中采用了150Kg/t-p的粉煤和加氧达到10,000Nm3/hr。这样，就能测得在燃烧空窝中的最高温度，测量的结果示于图6。
如图6所示，与现有的装置相比，本发明的装置的燃烧效率大约增加了1-2％，因此，可使每吨生铁的燃料消耗率降低大约2kg。
图7是按照本发明的粉煤喷射装置的第二实施例。
在本发明的粉煤喷射装置的第二实施例中，在内管142(其厚度为t)前端的表面上有许多凹坑105。凹坑105的深度为D，宽度为W。在上述假设下，把W/D设计成0.5-4。在使用的氧气浓度为20-400Nm3/hr，氧气通过外管145(其内径为41mm)与内管142(其外径为31mm)之间时，雷诺数为60,000-200,000。因此，如果在内管142的表面上形成许多凹坑105，那么，就能改善流过内管142的粉煤流道150的燃料与流过内管142与外管145之间的流体的混合状况。但是，所产生的效果随着凹坑的形状而不同。因此，通过采用下面所描述的不同形状的凹坑，能用试验来确定燃烧的效率。
如图8所示，凹坑105可以随着它的深度D和宽度W而做成不同的形状。要区别下列各种不同的情况凹坑底部的直径与顶部的直径不同；凹坑底部与顶部的直径相同；以及凹坑顶部的直径大于底部的直径。图8a、8b和8c表示凹坑的断面形状呈圆弧形，而图8d和8e则表示凹坑的断面形状是成角度的。试验例4图9a是当在喷管的内管与外管之间提高氧气浓度时，W/D为4、2和1时，比较其燃烧状态的曲线图，其中的D表示凹坑的深度，而W表示凹坑的宽度。根据这些试验可知，当W/D为2时，图中所示的试验结果最好。即，当W/D为2时，离开前端的第一点的温度很高。在第二点上的温度也很高，而在第三、第四和第五点(残余燃料燃烧的地点)上的温度就下降了。由此可见，当W/D为2时燃烧的效率最高。试验例5图9b是在外管与内管之间提高氧气浓度时，当喷管厚度t与凹坑深度D之间的D/t的比值为0.9、0.5和0时，比较其燃烧状态的曲线图。当D/t为0.9时，燃烧的效率最高。试验例6图9c是在W/D为2的情况下，当各凹坑之间的距离L为0和L为管子外径的1/4时，比较各种提高氧气浓度的方法的曲线图。图中所示的试验结果如下即，当凹坑105之间的距离L为0，也即凹坑105呈锯齿状排列时，燃烧的效率最高。这表明了凹坑105的数量的作用，即，凹坑的数量多，提高的燃烧效率越多。根据同样的原理，如果凹坑105的数量多，那么最初的温度和最高的温度就很高，而后半部分的温度就低。试验例7图9d是在同轴线的管子的前端扩张2mm时，并且凹坑的深度为2mm时，比较各种提高氧气浓度方法的曲线图。图中的结果表明，由于凹坑105的作用，燃烧效率大大地提高了。在现有喷射装置的情况下，由于残余氧气的燃烧，后半部分中的温度很高。试验例8
图8中所示的各种不同的凹坑形状，其燃烧效率几乎相同。图8a表示凹坑105的W/D为4时的断面形状。图8c表示凹坑105的W/D为0.5时的断面形状。所有这些情况下的燃烧效率都比现有的喷射装置的高。
图10是当按照本发明的凹坑的W/D为0.5-4时和在现有的喷射装置情况下，比较各种燃烧空窝的曲线图。
如图所示，与现有的喷射装置相比，本发明的喷射装置的温度提高了50℃以上。
如上所述，按照本发明，流体的流动特别有利于改善粉煤的燃烧效率，因此，能够节约增大氧气浓度的费用和燃料的费用。
同样，如果是通过外管和内管之间的空隙喷射粉煤的情况，则可在内管的内表面上形成凹坑，并通过内管来喷射燃烧流体。
此外，按照本发明，因为燃料的成本通过提高燃烧效率而减少了，而且能够防止未燃烧的煤的细微粒子的积聚，所以能够保证高炉运行状态的稳定。
权利要求
1.一种粉煤喷射装置，它包括一根用于把粉煤供入风口中的圆筒形内管；一根同轴地围绕着上述内管的圆筒形外管；一个在上述内管的表面上形成的螺旋形旋流器；上述粉煤通过上述内管供入；以及一种可燃流体通过上述外管和上述内管之间供入；这种粉煤喷射装置还包括许多在上述内管的前端部的表面上形成的凹坑，用于降低流体流动阻力，以改善粉煤与流体的混合。
2.如权利要求1所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述凹坑形成在离上述内管前端100mm内的一部分上。
3.如权利要求1所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述凹坑呈锯齿形排列。
4.如权利要求1所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述流体是氧气。
5.如权利要求1-3中任何一项权利要求所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述凹坑具有半球形的断面。
6.如权利要求1所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述圆筒形内管将一种液体燃料或气体燃料输入风口内。
7.如权利要求1所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述可燃流体在雷诺数为2000-400000的范围内供入。
8.如权利要求1所述的粉煤喷射装置，其特征在于，当通过上述外管与内管之间的间隙喷射粉煤，而通过上述内管喷射上述可燃流体时，上述凹坑在内管的内表面上形成。
9.一种粉煤喷射装置，它包括一根用于把粉煤供入风口中的圆筒形内管；一根同轴地围绕着上述内管的圆筒形外管；一条在上述内管的表面上形成的螺旋形流道；一种粉煤通过上述内管供入；以及一种可燃流体通过上述外管和上述内管之间供入；这种粉煤喷射装置还包括许多在上述内管的前端部的一部分表面上形成的凹坑，并且W/D为0.5-4，其中，D表示上述凹坑的深度，而W表示上述凹坑的宽度。
10.如权利要求9所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述W/D为2。
11.如权利要求9所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述各凹坑之间的距离为0。
12.如权利要求9-11中任何一项权利要求所述的粉煤喷射装置，其特征在于，上述凹坑具有一个成角度的断面形状。
13.一种粉煤喷射装置，它包括一根用于把粉煤供入风口中的圆筒形内管；一根同轴地围绕着上述内管的圆筒形外管；一条在上述内管的表面上形成的螺旋形流道；一种粉煤通过上述内管供入；以及一种可燃流体通过上述外管和上述内管之间供入；这种粉煤喷射装置还包括许多在上述内管的前端部的一部分表面上形成的凹坑，上述凹坑的深度与上述内管的厚度所能容许的尺寸一样大。
全文摘要
本发明公开一种粉煤喷射装置(30),这种装置不会损坏高炉的风口之类的部件,同时又能显著提高粉煤的燃烧效率。在采用粉煤代替价格昂贵的煤来炼制生铁的高炉中,利用氧气改善高炉中的燃烧效率。这种粉煤喷射装置(30)包括一根用于将粉煤送入风口的圆筒形内管(32),和一根同轴地围绕着上述内管(32)的外管(31)。在内管(32)的表面上形成了一个螺旋旋流器(33)。粉煤是通过内管(32)供入的,而可燃流体是通过外管与内管之间的空隙供入的。这种粉煤喷射装置(30)还包括许多在内管(32)的前端部分表面上形成凹坑(34),用于减小流体流动阻力,以改善流体与粉煤的混合。上述流体的流动变得有利于提高粉煤的燃烧效率,从而能节约提高氧气浓度的费用和燃料的费用。此外,还能保证高炉运行状态的稳定。
文档编号C21B7/00GK1275168SQ99801352
公开日2000年11月29日 申请日期1999年8月9日 优先权日1998年8月13日
发明者郑镇垌, 陆相锡, 赵奉来, 金甲烈, 崔允硕 申请人:浦项综合制铁株式会社