高温低氧外燃式热风炉.pdf

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。

1.  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，预热至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，实现高温低氧燃烧。

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。

3.  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。

4.  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°，这样在水平方向控制煤气、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。

5.  根据权利1要求所述的外燃式热风炉，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℃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。

6.  根据权利5要求所述的高温低氧外燃式热风炉，其特征在于，所述的第二次燃烧是指高温低氧燃烧。

高温低氧外燃式热风炉
技术领域
本发明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℃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℃。随着技术的不断进步，目前最高风温已达1300℃。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℃以上的高风温，寿命要大于30年，同时要降低CO₂、NO_X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，NO_X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℃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程，进一步提高风温，降低CO₂、NO_X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
本发明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NO_X形成和排放。
本发明包括冷风入口、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℃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，预热方式不属于本发明内容)，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。
本发明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。
本发明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。
本发明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℃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，NO_X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匀的高温强辐射黑体，传热效率显著提高，烟气中NO_X生成量减少30％，还可节约25％的燃料消耗，相应可降低CO₂排放。
本发明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。本发明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℃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匀，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(NO_X)的生成。氮氧化物(NO_X)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NO_X的排放。NO_X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NO_X生成极少。由热力型NO_X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NO_X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NO_X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，形成了均匀的温度场、浓度场、流场和压力场。火焰温度分布均匀，在燃烧室顶部水平方向温度差约为20℃，在拱顶温度1420℃时烟气中生成的NO_X仅为传统燃烧过程的30％。高温烟气均匀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NO_X等有害物质的生成。
附图说明
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为本发明的一种具体实施方式。如图1的本发明实施例的结构图所示，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，本发明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℃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，NO_X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。
本发明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，火焰温度分布均匀，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NO_X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。
本发明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，并非是对本发明的保护范围的限制。任何未脱离本发明设计思路，对本发明作非实质性改动的，均仍属于本发明的范围。