高温低氧顶燃式热风炉 【技术领域】
本发明属于热风炉技术领域，特别是提供了一种高温低氧顶燃式热风炉，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内燃式、外燃式、顶燃式三种。
内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，目前的改进型内燃式热风炉已在一定程度上克服了传统内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。
外燃式热风炉由内燃式热风炉演变而来，工作原理与内燃式热风炉相同，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。外燃式与内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、NOX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，NOX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、NOX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高温低氧顶燃式热风炉，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NOX形成和排放。
本发明采取的技术方案为：一种采用高温低氧燃烧技术的顶燃式热风炉，包括冷风入口、炉箅子及支柱、格子砖、蓄热室、炉衬、炉壳、燃烧室、拱顶、热风出口、烟气出口等。高温低氧燃烧器置于热风炉上部，该燃烧器由煤气入口、煤气环道、煤气喷口、空气入口、空气环道、空气喷口、预燃室等组成。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。
本发明所述的煤气入口、煤气环道、煤气喷口、空气入口、空气环道、空气喷口均为两组，从上往下的顺序依次为：煤气、空气、空气、煤气。每组入口、环道和喷口均包含1～20层，空煤气预燃室为圆柱形空间，由耐火材料砌筑而成；拱顶形状为圆形、椭圆形、抛物线形或悬链线形空间。
每层煤气喷口、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、空气顺时针或逆时针流动，和切线圆大小，竖直方向，各层煤气喷口、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，由于煤气、空气入口位置对煤气、空气喷口气流分配的均匀性影响较大，因此各煤气喷口、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。
本发明所述的燃烧室包含喉口和扩散燃烧室，喉口的空间形状为圆柱形或圆台形或双曲圆柱形，由耐火材料砌筑而成；扩散燃烧室的空间形状为喇叭口形或圆台形，从喉口喷出的燃烧气体进入扩散燃烧室后速度降低，但随着高温低氧燃烧的进一步加强，燃烧火焰由快速延伸转为扩散，燃烧温度升高，在整个燃烧室形成了均匀的温度场。
本发明的高温低氧燃烧器中布置的两组煤气入口、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最上部混合后燃烧，形成高温烟气向燃烧室下部流动，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，之后与最下部地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，NOX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NOX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(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，在燃烧室下部水平方向温度差约为20℃，在拱顶温度1420℃时烟气中生成的NOX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NOX等有害物质的生成。
【附图说明】
图1是高温低氧顶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4；蓄热室5；炉衬6；炉壳7；热风出口8；燃烧室9；高温低氧燃烧器10；第一组煤气喷口11；第一组煤气环道12；第一组煤气入口13；第一组空气喷口14；第一组空气环道15；第一组空气入口16；第二组空气喷口17；第二组空气环道18；第二组空气入口19；第二组煤气喷口20；第二组煤气环道21；第二组煤气入口22。
图2是图1中A-A截面的俯视图，其中，第一组煤气喷口11；第一组煤气环道12；第一组煤气入口13。
图3是图1中B-B截面的俯视图，其中，第一组空气喷口14；第一组空气环道15；第一组空气入口16。
【具体实施方式】
图1～图3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，高温低氧顶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4、蓄热室5、炉衬6、炉壳7、热风出口8、燃烧室9、高温低氧燃烧器10层成。其中高温低氧燃烧器10由第一层煤气喷口11、第一层煤气环道12、第一层煤气入口13、第一层空气喷口14、第一层空气环道15、第一层空气入口16、第二层空气喷口17、第二层空气环道18、第二层空气入口19、第二层煤气喷口20、第二层煤气环道21、第二层煤气入口22组成。
由图1可知，本发明高温低氧燃烧器10置于热风炉的顶部。高温低氧燃烧器10的拱顶结构是圆形，下部空间为圆柱形；高温低氧燃烧器10的下部为燃烧室9，其结构为圆台形；热风出口8设在燃烧室9的下部；燃烧室9的下部为圆柱形蓄热室5，蓄热室5由格子砖4砌筑而成；格子砖4支撑在炉箅子及支柱2上。
第一层煤气入口13、第二层煤气入口22分别与外部的煤气管道连接，将煤气引入第一层煤气环道12和第二层煤气环道21；第一层煤气环道12在圆周方向设20个第一层煤气喷口11，第二层煤气环道21在圆周方向设20个第二层煤气喷口20。水平方向，第一层煤气喷口11和第二层煤气喷口20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25°，这样在水平方向可以控制煤气的流动方向(顺时针旋流)和切线圆大小；竖直方向，第一层煤气喷口11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，第二层煤气喷口20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。
第一层空气入口13、第二层空气入口19分别与外部的空气管道连接，将空气引入第一层空气环道15和第二层空气环道18；第一层空气环道15在圆周方向设20个第一层空气喷口14，第二层空气环道18在圆周方向设20个第二层空气喷口17。水平方向，第一层空气喷口14和第二层空气喷口17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25°，这样在水平方向可以控制空气的流动方向(顺时针旋流)和切线圆大小；竖直方向，第一层空气喷口14和第二层空气喷口17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上。
第一层煤气喷口11喷出的煤气与第一层空气喷口14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10的下部流动；由第二层空气喷口17喷出的空气与燃烧室9内向下流动的高温烟气混合后，其温度可达到800～1000℃，氧浓度低于15％，形成高温低氧的助燃空气，在燃烧室9内向下旋转流动；由第二层煤气喷口20喷出的煤气在燃烧室9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下旋转流动进入蓄热室5，进而加热格子砖4，然后烟气经烟气出口3排入烟道。
本发明高温低氧顶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。
本发明高温低氧顶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。