CN101906496A - 对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，有效解决结构复杂，气体混合不均匀，燃烧不充分，污染环境、浪费能源的问题，结构是，球顶锺罩的预燃室和其下的锥段筒体状的燃烧室之间采用无应力作用的迷宫连接，锥段燃烧室中充分装填多孔蓄热体，预燃室的竖直墙体上布置煤气进气管和空气进气管，燃烧室下面为圆筒状蓄热室，蓄热室中炉箅子之上堆砌格子砖蓄热体，蓄热室下面是冷风室，墙体上接有烟气排出管、冷风进口管；放置蓄热体的炉箅子相互间留有膨胀缝隙，放置在横梁上，由炉箅子支撑柱支撑，支撑柱固定在热风炉的刚性底座上，预燃室拱顶中心线上有热风出口管，并与热风炉同轴心，其结构简单、混合燃烧强度高、气流的热交换效果好、提升热风温度。

Description

对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉

一、技术领域

本发明涉及热风炉，特别作为一种设备为炼铁高炉提供高温高压的鼓风，或为一般工业加热提供工艺所需热风的一种对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉。

二、背景技术

目前，高炉热风炉已经进入顶燃式热风炉时代，从节能降耗上考虑要求高炉鼓风向高风温方向发展，尤其是在燃烧低热值高炉煤气下获得高热风温度，且还要达到一定的热效率，而最终实现高效、节能、环保、增产的目的。热风炉要实现高效与高风温，关键在于其燃烧过程与传热过程能否达到高强度燃烧与高效率传热，且二者能否恰当而有效地结合起来，于是就涉及到热风炉的燃烧装置与蓄热-换热装置。纵观目前使用的各种气体燃烧装置，均以煤气与空气在燃烧空间中混合、预热、着火燃烧模式为主，这种模式总是存在混合不均、燃烧不完全、燃烧室空间大、燃烧器结构复杂、燃烧气流组织不当(气流分布不均)、燃烧气流特征随负荷变动(即可控性差)等问题。相反，若跳出燃烧室中气流混合燃烧的模式，利用煤气与空气在固体多孔介质中混合燃烧的原理，使煤气的燃烧过程在多孔介质中完成。这必然导致煤气与空气混合更为均匀和更加充分、预热燃烧更加迅速而完全，也使进入蓄热体的烟气流场更加均匀稳定，而不受负荷变动的影响。同时，燃烧器的结构因去掉了复杂的燃烧器喷嘴的特殊结构而大为简化，热风炉的制作成本也会明显下降。这样就在热风炉中实现了高强度燃烧过程与均匀高效的传热-蓄热过程的恰当而有效的组合。对高炉热风炉而言，由于燃烧室中充填了的多孔蓄热介质，其高温的蓄热有利于在低热值煤气燃烧温度不高(约1400℃左右)的前提下实现稳定的高热风温度(1350℃)。由于燃烧温度能控制在1400℃上下就不会引起氮氧化物的大量生成，有利于减少环境污染和防止炉壳的晶间腐蚀。这也正是采用多孔蓄热介质燃烧器的重要目的之一。

这里提出一种结构简单的燃烧室充填多孔蓄热介质的新型热风炉，其煤气与空气略带旋切角度的直接进入预燃室后对冲初步混合，其后向下进入填充在燃烧室中的多孔蓄热体中继续混合、预热、且着火燃烧。由于多孔介质大量的接触面(其单位体积交换面积在80～120平方米)使得上述过程能快速且充分地完成，且同时借助于多孔介质混流均压的作用而形成向下进入格子砖的均匀烟气流场。由于蓄热室中的格子砖是多孔蓄热体的自然延伸，其中传热与蓄热过程也能均匀有效地进行，一直到流入冷风室为止。显然，在有限空间中利用多孔材料特征实现快速预混、预热与燃烧，就能有效降低过量空气系数、提高燃烧温度与燃烧强度、进而极大地简化燃烧器结构与减轻燃烧器重量。由于燃烧过程在多孔蓄热体中进行，其温度更接近燃烧温度，因而在送风过程中热风温度也会更接近燃烧温度。这就在较低燃烧温度下实现高热风温度。同时，多孔蓄热体在送风结束后的残余蓄热也能为紧接的气体燃烧过程提供高温环境使燃烧过程得以强化。

三、发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提出一种结构简单的无空间燃烧室的新型热风炉，即称之为一种对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，有效解决结构复杂，气体混合不均匀，燃烧不充分，污染环境、浪费能源的问题，其解决的技术方案是，该热风炉整体外形为保龄球状，包含上部预燃室(1)，锥段燃烧室(2)，一起构成能使气流在其中旋转、混合、燃烧的空间；预燃室(1)墙体上对称布置垂直热风炉轴线的煤气进气管(7)和空气进气管(8)，预燃室(1)拱顶上安装与热风炉同轴心的热风出口管(9)；煤气进气管(7)和空气进气管(8)在进入预燃室前由圆形截面变化为矩形截面，且带有一定的旋切角度；锥段燃烧室(2)中充分装填多孔蓄热体(3)，该蓄热体由单位换热面积较大的格子砖组成，格孔是锥形结构或异型结构、格孔直径小于孔间距、孔与孔间有相通的沟槽，使气流互通；燃烧室2下面为蓄热室(5)，其内堆砌格子砖蓄热体(4)，再其下是冷风室(6)，墙体上接有烟气排出管(11)，冷风进口管(10)；蓄热体是放置在炉箅子(12)上，其下有支撑炉箅子的支柱(13)，固定在热风炉的刚性底座上；蓄热体格子砖若能用特制的蜂窝状陶瓷结构效果会更佳，这种选择还必须与其下的主蓄热体格子砖(4)的结构相关联。

使用该热风炉能实现煤气与空气在预燃室中初步混合与旋流向下流入燃烧室中的多孔蓄热体，完成充分混合与快速稳定的高强度燃烧，从而有效解决了低热值煤气燃烧不稳定、燃烧强度小、燃烧温度低、热风温度不高等关键问题，将气流间相互混合燃烧改变为气流借助于多孔体表面相互混合与燃烧。由于燃烧后的烟气经多孔蓄热体后成为分布均匀的气流进入其下的格子砖蓄热体，有效提高了气流的传热效果与格子砖的利用率。鉴于多孔蓄热体填充了大部分燃烧室的空间，且燃烧过程在多孔蓄热体中进行，其简单的结构、混合燃烧强度、气流的热交换效果、热风温度的提升等都会明显优于采用气体燃烧是其他类型的燃烧器及其热风炉。

四、附图说明

图1为本发明的剖面主视图。

图2为本发明图1中A-A部截面图。

五、具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1、2所示，本发明是，在钢制外壳内，由不同规格的耐火材料砌筑而成，它由预燃室(1)，锥段燃烧室(2)及其内充填的多孔蓄热体(3)、蓄热室(5)及其内堆砌格子砖蓄热体(4)，冷风室(6)，一起构成热风炉整体结构，形状为球顶锺罩的预燃室(1)和其下的锥段简体状的燃烧室(2)之间采用无应力作用的迷宫连接，锥段燃烧室(2)中充分装填多孔蓄热体(3)，一起构成能使气流在其中旋转、混合、燃烧的燃烧装置，预燃室(1)的竖直墙体上对称布置垂直热风炉轴线的煤气进气管(7)和空气进气管(8)，在进入预燃室(1)空间前由圆形截面变化为矩形截面，且带有一定的旋切角度，使进入的气流部分相互对冲与部分相互旋转地进行混合，多孔蓄热体(3)是由单位换热面积较大的格子砖组成，格孔是锥形结构或异形结构、格孔直径小于格孔间距、孔与孔间有相通的沟槽，使气流互通，多孔格子砖为多孔陶瓷砖，其效果更佳；这样的选择使得经过其中混合气流混合均匀、燃烧充分、流动均匀，燃烧室(2)下面为圆筒状蓄热室(5)，采用无应力的迷宫式连接，蓄热室(5)中炉箅子(12)之上堆砌格子砖蓄热体(4)，由于其与多孔蓄热体(3)上下对接，形成相互间气流通畅的结构，蓄热室(5)下面是冷风室(6)，其墙体上接有烟气排出管(11)、冷风进口管(10)；放置蓄热体的炉箅子(12)是分成若干个独立的块，相互间留有膨胀缝隙，放置在横梁上，由炉箅子支撑柱(13)支撑，支撑柱固定在热风炉的刚性底座上，预燃室(1)拱顶中心线上有热风出口管(9)，并与热风炉同轴心，利于热风不仅通过下部主蓄热体(4)，也通过上部的多孔介质蓄热体(3)。

预燃室(1)的竖直墙体上对称布置垂直热风炉轴线的煤气进气管(7)和空气进气管(8)，它们在进入预燃室(1)空间之前气流通道由圆形截面变化为矩形截面，其截面的高宽比在2～4之间变动，且在大型燃烧器中增设分隔导流块(14)，其数目在1～5之间变动；气流通道与预燃室径向夹角在1°～15°之间选取(旋切角度)。

多孔介质蓄热体(3)是由单位换热面积较大的特制格子砖组成，要求格孔是上部直径大而下部直径小的锥孔结构，孔径差控制在5～10mm之间，锥孔截面为圆形或异形结构，多为梅花孔、正六边形孔等；格孔的孔间距与格孔直径之比在1.5以下；采用环形槽或圆形凹槽实现格孔与格孔之间气流的互通；多孔蓄热体也可以用特制的耐高温的异型耐火球，其直径在50～100mm之间。

预燃室(1)与其下的燃烧室(2)以及燃烧室(2)下面布置的圆筒状蓄热室(5)，它们之间均采用无应力的迷宫连接方式，也就是预燃室(1)和燃烧室(2)均借助支撑环而将其重力作用在炉壳上，且三者之间在轴线方向均可上下自由滑移。

蓄热室(5)中炉箅子(12)之上堆砌格子砖蓄热体(4)，其结构可以是耐火球堆砌，球的直径在φ40～φ80mm之间，可以是不同孔径的格子砖，其孔径在φ15～φ40mm之间，也可以是蜂窝状陶瓷结构，即小孔为正六边形或梅花形等，其选择与热风炉大小及用途密切相关，也与上层多孔介质蓄热体(3)有关，做到孔间距一致。

热风出口管(9)是布置在预燃室(1)拱顶中心线上，并与热风炉同轴心；为了减小热风管内应力对预燃室拱顶的作用，热风出口管(9)与预燃室(1)间的连接采用以压应力为主的球头形(关节状)连接方式。

使用上述热风炉时，煤气通过进气管(7)而空气通过进气管(8)以低旋流方式进入预燃室(1)，在相互对冲下实现初步混合，并迅速向下进入充填在燃烧室(2)内的多孔介质蓄热体(3)中，两种气流借助于多孔蓄热体充足的接触表面实现充分混合、预热着火、完全燃烧；之后以均匀的气流分布进入其下部蓄热室的格子砖蓄热体(4)中，在充分均匀地换热之后进入冷风室(6)，由烟气排出管(11)进入热风炉的后部换热装置或直接进入烟道，燃烧过程结束后，进入送风过程；高压冷风从冷风管(10)进入，经冷风室(6)后流入蓄热体格子砖(4)，再流经燃烧室中的，从上部热风出口管(9)流出，鉴于多孔蓄热体(3)是燃烧装置的一部分，温度接近燃烧温度，于是热风温度仅能更加接近燃烧温度，使得在低热值煤气燃烧下获得高的热风温度，选取合适的的煤气与空气的流速、以及旋切的角度、预燃室的相对高度与直径、多孔介质蓄热体和主蓄热体格子砖的结构形状与高度，以实现煤气与空气的迅速充分混合以及在多孔蓄热体中完全燃烧；达到提高燃烧强度与燃烧温度并有效控制燃烧过程的目的，同时保证送风过程达到稳定而持续输送高风温的效果。

总之，本发明巧妙应用多孔蓄热体加强气流混合、促进化学反应、调节气流分布的特点，以简单而合理的结构，有效地提高了燃烧器煤气与空气间的混合效果、克服气体空间混合不均、燃烧不完全、火焰不稳定、燃烧强度难提高、燃烧气流速度分布不均匀、气流结构不可控等关键问题，有效地保证了热风炉、工业炉窑等能高效、高温、均速、高热强度、且安全与稳定地运行；继而实现节省燃料、节约投资、降低废气温度与排放量、减少环境污染的良好的经济效益与社会效益。

Claims (6)

1.一种对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，其特征是，在钢制外壳内，由不同规格的耐火材料砌筑而成，它由预燃室(1)、锥段燃烧室(2)和其内充填的多孔蓄热体(3)，蓄热室(5)和其内堆砌格子砖蓄热体(4)、冷风室(6)，一起构成热风炉整体结构，形状为球顶锺罩的预燃室(1)和其下的锥段筒体状的燃烧室(2)之间采用无应力作用的迷宫连接，锥段燃烧室(2)中充分装填多孔蓄热体(3)，构成能使气流在其中旋转、混合、燃烧的燃烧装置；预燃室(1)的竖直墙体上对称布置垂直热风炉轴线的煤气进气管(7)和空气进气管(8)，煤气进气管(7)和空气进气管(8)在进入预燃室(1)空间前，由圆形截面变化为矩形截面，且带有一定的旋切角度；多孔蓄热体(3)是由单位换热面积较大的特制格子砖组成，燃烧室(2)下面有圆筒状蓄热室(5)，它们之间采用无应力的迷宫式连接，蓄热室(5)中炉箅子(12)之上堆砌格子砖蓄热体(4)，与多孔蓄热体(3)上下对接，构成相互间气流通畅的结构；蓄热室下面是冷风室(6)，其墙体上接有烟气排出管(11)、冷风进口管(10)；放置蓄热体的炉箅子(12)为若干个独立的块，相互间留有膨胀缝隙，并放置在横梁之上，由炉箅子支撑柱(13)支撑，炉箅子支撑柱固定在热风炉的刚性底座上，预燃室(1)拱顶中心线上有热风出口管(9)，并与热风炉同轴心，利于热风不仅通过下部主蓄热体(4)，也通过上部的多孔蓄热体(3)。

2.根据权利要求1所述的对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，其特征在于，所说的预燃室(1)的竖直墙体上对称布置垂直热风炉轴线的煤气进气管(7)和空气进气管(8)，在进入预燃室(1)空间之前气流通道由圆形截面变化为矩形截面，其截面的高宽比在2～4之间，燃烧器中有1-5个分隔导流块(14)，气流通道与预燃室径向旋切角为1°～15°；

3.根据权利要求1所述的对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，其特征在于，所说的多孔蓄热体(3)其格孔是上部直径大而下部直径小的锥孔结构，孔径差为5～10mm，锥孔截面为圆形、或梅花孔形或正六边形；格孔的孔间距与格孔直径之比在1.5以下；其顶面上有环形槽或圆形凹槽，实现格孔与格孔之间气流的互通；多孔蓄热体为耐高温的耐火球时，其直径为50～100mm。

4.根据权利要求1所述的对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，其特征在于，所说的预燃室(1)与其下的燃烧室(2)以及燃烧室(2)下面布置的圆筒状蓄热室(5)，它们之间均采用无应力的迷宫式连接，预燃室(1)和燃烧室(2)均借助支撑环而将其重力作用在炉壳上，三者之间在轴线方向均上下自由滑移。

5.根据权利要求1所述的对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，其特征在于，所说的蓄热室(5)中炉箅子(12)之上堆砌的蓄热体(4)可为耐火球堆砌，球的直径为φ40～φ80mm，或不同孔径的格子砖，其孔径在φ15～φ40mm，或是蜂窝状陶瓷结构，小孔为正六边形，孔间距与多孔蓄热体一致。

6.根据权利要求1所述的对冲旋流蓄热介质中燃烧的高风温热风炉，其特征在于，所说的热风出口管(9)与预燃室(1)间的连接采用以压应力为主的球头形连接。

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