CN104805246B - 一种预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，燃烧室墙体和燃烧器墙体连接，燃烧器墙体支撑在蓄热室墙体上，蓄热室墙体上部和中部***燃烧器，燃烧器墙体上的煤气和空气进气管接煤气与空气分配环道，煤气和空气分配环道上的煤气与空气主喷嘴连通气流预混合喷嘴通道，气流预混合喷嘴通道顶部有预混气流调节喷口，气流预混合喷嘴通道上有连通通道，燃烧室墙体上有热风出口管，蓄热室墙体下部砌筑在炉底上，炉底上的支撑柱上有铸铁炉箅子，铸铁炉箅子上有蓄热体，铸铁炉箅子下部的蓄热室墙体上有烟气出口管和冷风进口管，本发明高效、高热强度与高送风温度，节省燃料、降低废气温度与有害气体的排放量。

Description

一种预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉

技术领域

本发明涉及热风炉，特别是用于为热利用设备提供高温鼓风的一种预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉。

背景技术

当前，热风炉从节能降耗上考虑要求在燃烧低热值高炉煤气下获得高性能和高风温，而最终达到高效、节能、环保、增产的目的。为此，在热风炉中必须实现优化的燃烧过程与强化的传热过程相结合炉内过程。这就涉及到燃烧装置的结构、蓄热体结构与布置、以及气流流场的组织。纵观目前使用的各种高炉热风炉,其气体燃烧装置均以煤气与空气混合、预混气预热而着火燃烧为主。此种燃烧器虽能克服现存的气流混合不均、燃烧不完全、燃烧室空间大、燃烧器结构复杂等问题。但主要问题是燃烧室与蓄热室中的气流组织常常安排（或组织）不当（流速选择、气流分配与控制、旋流与回流状态的应用等），导致燃烧室中燃烧气流特征难以控制、气流不易稳定且燃烧强度低，进而引起蓄热室中温度与气流速度分布的不均匀，从而降低传热效果与蓄热体的利用率，且不易获取高风温。此外，在蓄热体的结构与布置均难以按照流场结构和负荷状态选取与设计，从而更是整体影响到热风炉的性能和实际的使用效果。因此，在对热风炉的燃烧、传热传质、与流体流动的理论及其应用技术逐步掌握的基础上，结合冶金及化工行业对热工艺气体和稳定高风温的需求，以及国家对高效、节能与环保的高度重视，热风炉领域的技术创新已经呈现出活跃的态势，表现在热风炉的技术发明更加注重燃烧室与蓄热室结构、燃烧器气流混合结构、以及蓄热体结构的细节上的改进，并力求通过热风炉整体结构的改进而实现气流流场的均匀分布。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明提供一种预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，可有效解决煤气与空气混合速率低、混合不均匀，燃烧强度低、燃烧温度低、燃烧不完全、以及在送风过程中蓄热体中气流分布不均匀的问题。

本发明解决的技术方案是，包括燃烧室墙体、燃烧室、热风出口管，燃烧器墙体、煤气进气管、空气进气管、煤气分配环道、空气分配环道、煤气主喷嘴、空气主喷嘴、气流预混合喷嘴通道与其上的预混气流调节喷口，燃烧室墙体为顶部的半球形拱顶和半球形拱顶下部的圆筒体同轴相连接构成，燃烧室墙体和下部的圆筒状的燃烧器墙体同轴连接，燃烧器墙体的下端经托圈支撑在蓄热室墙体的外壁上，燃烧室墙体内为燃烧室，燃烧器墙体内为燃烧器，蓄热室墙体内为蓄热室，蓄热室墙体的上部和中部呈收缩状***燃烧器，与燃烧器墙体的内壁呈可滑移状同轴相连，燃烧器墙体上垂直其轴线上下对应布置有煤气进气管和空气进气管，煤气进气管和空气进气管分别垂直连接砌筑在燃烧器墙体内的煤气分配环道与空气分配环道，煤气分配环道在空气分配环道的上方，煤气分配环道内侧环墙的下部环形均布有多个煤气主喷嘴，煤气主喷嘴水平径向连通气流预混合喷嘴通道，气流预混合喷嘴通道沿燃烧器墙体周向垂直向上均布在燃烧器墙体内，空气分配环道内侧环墙的上部环形均布有多个空气主喷嘴，空气主喷嘴呈水平转折向上的结构接通气流预混合喷嘴通道的底部，与煤气主喷嘴在气流预混合喷嘴通道内呈垂直对冲状，气流预混合喷嘴通道的顶部有与燃烧室连通的外侧径向壁面向内倾斜与一侧周向壁面的向内倾斜的预混气流调节喷口，气流预混合喷嘴通道的周向壁面上，从上到下均布有多个让气流预混合喷嘴通道之间相互连通的连通通道，燃烧室墙体上有与燃烧室相通的热风出口管，蓄热室墙体下部砌筑在炉底上，炉底上设置支撑炉箅子的瓦片状（即横截面为弧形）的支撑柱，支撑柱上有圆形呈平面状的铸铁炉箅子，铸铁炉箅子上有从下到上堆砌至燃烧室内的蓄热体，铸铁炉箅子下部的蓄热室墙体与炉底围成的内部空间为冷风室，铸铁炉箅子下部的蓄热室墙体上有烟气出口管和冷风进口管。

本发明是在现有热风炉炉型结构基础上改进与创新的一种炉型。由于是采用了煤气与空气喷嘴相互间正交预混合，且采取了预混气流间互通和喷嘴出口控制以实现周向气流均匀分布，以及将预混气流出口调节喷口轴向倾斜设置用以形成弱旋流流场，能方便地调节径向气流分布，因而在上述措施的综合作用下形成了均混均流的预混燃烧方式。在该发明中利用了热风炉的预混气流燃烧室中回流自预热燃烧的特性，以及结合蓄热体中强化燃烧技术（应用多孔介质燃烧技术），同时充分利用燃烧室中上喷气流折返回流对气流均匀性的调节作用，以及配合采用套筒格子砖在燃烧室的堆砌，进一步实现蓄热体中的气流分布的均匀性。此外，利用炉箅子支柱的扇形截面的圆周向排列也能有效调节烟气出口和冷风进口的气流在冷风室截面上分布的均匀性。因此，该热风炉能有效实现热风炉燃烧装置的均匀而分步骤的混合与均匀而高强度的稳定燃烧，借助蓄热室顶部（燃烧室中）套筒格子砖的堆砌以及其下的格子砖的应用，进一步促使气流的均匀分布，极大地强化其传热均匀性与提高其热利用率。此外，合理的结构设计与砌筑材料的合理选择，有效保证了热风炉在安全与稳定运行的前提下实现热风炉的高效、高热强度与高送风温度，继而达到节省燃料、节约投资、降低废气温度与有害气体的排放量、减少环境污染的良好效果。

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截面图。

图3为本发明图1中B-B截面图。

图4为本发明图1中C-C截面图。

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。

如图1-图4所示，本发明包括燃烧室墙体1a、燃烧室2、热风出口管13，燃烧器墙体1b、煤气进气管4、空气进气管3、煤气分配环道6、空气分配环道5、煤气主喷嘴8、空气主喷嘴7、气流预混合喷嘴通道10与其上的预混气流调节喷口10a，燃烧室墙体1a为顶部的半球形拱顶和半球形拱顶下部的圆筒体同轴相连接构成，燃烧室墙体1a和下部的圆筒状的燃烧器墙体1b同轴连接，燃烧器墙体1b的下端经托圈18支撑在蓄热室墙体1c的外壁上，燃烧室墙体1a内为燃烧室2，燃烧器墙体1b内为燃烧器，蓄热室墙体1c内为蓄热室，蓄热室墙体1c的上部和中部呈收缩状***燃烧器，与燃烧器墙体1b的内壁呈可滑移状同轴相连，燃烧器墙体1b上垂直其轴线上下对应布置有煤气进气管4和空气进气管3，煤气进气管4和空气进气管3分别垂直连接砌筑在燃烧器墙体内的煤气分配环道6与空气分配环道5，煤气分配环道6在空气分配环道5的上方，煤气分配环道6内侧环墙的下部环形均布有多个煤气主喷嘴8，煤气主喷嘴水平径向连通气流预混合喷嘴通道10，气流预混合喷嘴通道沿燃烧器墙体周向垂直向上均布在燃烧器墙体内，空气分配环道5内侧环墙的上部环形均布有多个空气主喷嘴7，空气主喷嘴7呈水平转折向上的结构接通气流预混合喷嘴通道10的底部，与煤气主喷嘴8在气流预混合喷嘴通道10内呈垂直对冲状，气流预混合喷嘴通道10的顶部有与燃烧室连通的外侧径向壁面向内倾斜与一侧周向壁面的向内倾斜的预混气流调节喷口10a，气流预混合喷嘴通道10的周向壁面上，从上到下均布有多个让气流预混合喷嘴通道10之间相互连通的连通通道9，燃烧室墙体1a上有与燃烧室2相通的热风出口管13，蓄热室墙体1c下部砌筑在炉底1d上，炉底1d上设置支撑炉箅子的瓦片状（即横截面为弧形）的支撑柱14b，支撑柱14b上有圆形呈平面状的铸铁炉箅子14a，铸铁炉箅子14a上有从下到上堆砌至燃烧室内的蓄热体，铸铁炉箅子下部的蓄热室墙体1c与炉底1d围成的内部空间为冷风室15，铸铁炉箅子14a下部的蓄热室墙体1c上有烟气出口管16和冷风进口管17。

所述的燃烧室墙体1a和燃烧器墙体1b为金属外壳内壁上砌筑耐高温1300℃～1500℃的耐火材料层构成，耐高温的耐火材料层由抗热震性强的红柱石高铝砖或堇青石-莫来石砖构成的内层、轻质耐火材料构成的外层，以及外层外面的陶瓷纤维棉与喷涂层自内向外组合在一起构成。

所述的热风出口管13为耐高温且性能稳定的红柱石-莫来石砖构成的圆筒状通道，与燃烧室墙体1a垂直连接。

所述的煤气进气管4和空气进气管3是在金属管内壁上砌筑耐火材料（如高铝砖或粘土砖）构成的圆形通道，煤气进气管4和空气进气管3分别设置在燃烧器墙体1b的上部与下部。

所述的煤气分配环道6和空气分配环道5均是由红柱石高铝砖砌筑构成的环形，纵截面为矩形。

所述的煤气主喷嘴8和空气主喷嘴7的横截面均为扇形或矩形，煤气主喷嘴8以水平径向与气流预混合喷嘴通道10的下部连通，空气主喷嘴7与气流预混合喷嘴通道10的底部垂直连通。

所述的气流预混合喷嘴通道10和周向侧壁上的连通通道9均是由堇青石-莫来石砖砌筑构成的矩形。

所述的预混气流调节喷口10a外侧径向壁面向内倾斜角为10°～30°，一侧周向壁面的向内倾斜角为10°～45°。

所述的蓄热室墙体1c是在金属外壳内壁上砌筑耐火材料层构成的圆形通道，耐火材料层自上向下分别为红柱石质砖、高铝质砖、粘土质砖，蓄热室墙体是由上部小圆筒、中部锥台形和下部大圆筒依次连接构成一体的收缩状结构，上部小圆筒的截面积为下部大圆筒截面积的1/2～1/3,中部锥台形的斜面与下部大圆筒的侧壁夹角为10°～30°。

所述的蓄热体是由从上到下依次堆砌的硅质套筒格子砖11（套筒格子砖为现有技术，专利号为201320176659.3）、硅质格子砖12a、红柱石高铝质格子砖12b以及红柱石粘土质格子砖12c构成，硅质套筒格子砖11为圆筒形，在燃烧室内自下向上依次堆砌呈纵截面为阶梯状递减的锥台形；硅质格子砖12a、红柱石高铝质格子砖12b、红柱石粘土质格子砖12c均为正六边形的均布有通孔的蜂窝状结构，从上到下依次呈咬合式的错位堆砌成带有网状缝隙的六边形，当硅质套筒格子砖11、硅质格子砖12a、红柱石高铝质格子砖12b和红柱石粘土质格子砖12c的格孔间距相同时，硅质格子砖12a的格孔直径大于红柱石高铝质格子砖12b的格孔直径，红柱石高铝质格子砖12b的格孔直径大于红柱石粘土质格子砖12c的格孔直径。

所述的烟气出口管16和冷风进口管17为金属管内壁上砌筑耐火材料（通常为粘土砖）构成圆形通道，与冷风室15相连通；冷风室中的支撑柱14b自炉底1d的中心向外周均布成多圈的环状，每相邻的两圈中的支撑柱相互错位排列。

本发明实施时，在燃烧器中煤气与空气通过各自的分配环道内侧引出均布的煤气主喷嘴8和空气主喷嘴7，分别进入气流预混合喷嘴通道10，并在其中相互对冲混合形成预混气流，气流预混合喷嘴通道10中的预混气流会通过其侧壁间的连通通道9而相互流动，因而有效调节预混气周向分布的均匀程度，更由于预混气调节喷口10a的导向作用，预混气流以特定的角度向上喷射进入燃烧室。在此，预混气流受高温回流烟气预热而着火燃烧，继续向上经拱顶折返形成周向整体旋流结构与轴向回流涡旋结构相结合的流场。在这样的流动与燃烧过程中就能形成周向与轴向都均匀的烟气流场，而进入阶梯堆砌于燃烧室内的硅质套筒格子砖11中，经其进一步的调节作用与助燃作用而形成更为均匀的气流分布与较高的温度分布。在高温烟气继续向下进入下部堆砌的硅质格子砖14a、红柱石高铝质格子砖14b、以及红柱石粘土质格子砖14c中时，由于硅质格子砖14a、红柱石高铝质格子砖14b、红柱石粘土质格子砖14c均有气流互通结构，使得其气流分布得到进一步的均化，格子砖与气流间的热交换变得更加均匀，从而形成从上到下的截面温度均匀分布蓄热体结构。在烟气流进入冷风室15之前，上部逐渐收缩的蓄热室结构也使气流的流速得到提高与均化，进而强化了格子砖与气流间的传热过程，有效提高蓄热体的利用率。低温烟气最后通过冷风室15进入烟气出口管16而流出，结束热风炉的燃烧与传热过程。在送风阶段，冷风经冷风进口管17进入冷风室15，在支撑柱14b的作用下气流流场分布的均匀性得到提高，继而通过铸铁炉箅子14a进入蓄热体中，经过蓄热室内格子砖格孔互通结构与堆砌缝隙结构的共同作用，冷风气流在逐步被加热的同时气流速度的分布也逐渐变得均匀，加之本已在燃烧过程中得到均匀化的格子砖堆砌体与均匀气流的传热作用，就能使冷风的整个加热过程十分均匀，尤其热风在上行过程中蓄热室的逐渐收缩更加有利于气流的均匀与有效强化格子砖与气流间的传热，从而有效防止送风过程中气流的偏析的出现，以及由此引起的热风平均温度的降低。

通过上述实施过程的描述与分析，该发明是一种能有效解决热风炉内流体流动、传热与燃烧过程的可行的技术方案，能有效实现热风炉燃烧装置内的气流的均匀混合与均匀流动，以及高效而均匀的稳定燃烧，并极大地强化与均匀传热过程与提高其热利用率。因此，采用该技术方案能实现热风炉的高效、高热强度与高送风温度，继而达到节省燃料、节约投资、降低废气温度与有害气体的排放量、减少环境污染的良好效果，据统计，本发明的热风炉比现有热风炉燃料节约可达10%，废气温度降低到260℃以下，有害气体的排放量和现有热风炉的排放量相比，减少了20%以上。

Claims (9)

1.一种预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，包括燃烧室墙体(1a)、燃烧室(2)、热风出口管(13)，燃烧器墙体(1b)、煤气进气管(4)、空气进气管(3)、煤气分配环道(6)、空气分配环道(5)、煤气主喷嘴(8)、空气主喷嘴(7)、气流预混合喷嘴通道(10)与其上的预混气流调节喷口(10a)，其特征在于，燃烧室墙体(1a)为顶部的半球形拱顶和半球形拱顶下部的圆筒体同轴相连接构成，燃烧室墙体(1a)和下部的圆筒状的燃烧器墙体(1b)同轴连接，燃烧器墙体(1b)的下端经托圈(18)支撑在蓄热室墙体(1c)的外壁上，燃烧室墙体(1a)内为燃烧室(2)，燃烧器墙体(1b)内为燃烧器，蓄热室墙体(1c)内为蓄热室，蓄热室墙体(1c)的上部和中部呈收缩状***燃烧器，与燃烧器墙体(1b)的内壁呈可滑移状同轴相连，燃烧器墙体(1b)上垂直其轴线上下对应布置有煤气进气管(4)和空气进气管(3)，煤气进气管(4)和空气进气管(3)分别垂直连接砌筑在燃烧器墙体内的煤气分配环道(6)与空气分配环道(5)，煤气分配环道(6)在空气分配环道(5)的上方，煤气分配环道(6)内侧环墙的下部环形均布有多个煤气主喷嘴(8)，煤气主喷嘴水平径向连通气流预混合喷嘴通道(10)，气流预混合喷嘴通道沿燃烧器墙体周向垂直向上均布在燃烧器墙体内，空气分配环道(5)内侧环墙的上部环形均布有多个空气主喷嘴(7)，空气主喷嘴(7)呈水平转折向上的结构接通气流预混合喷嘴通道(10)的底部，与煤气主喷嘴(8)在气流预混合喷嘴通道(10)内呈垂直对冲状，气流预混合喷嘴通道(10)的顶部有与燃烧室连通的外侧径向壁面向内倾斜与一侧周向壁面的向内倾斜的预混气流调节喷口(10a)，气流预混合喷嘴通道(10)的周向壁面上，从上到下均布有多个让气流预混合喷嘴通道(10)之间相互连通的连通通道(9)，燃烧室墙体(1a)上有与燃烧室(2)相通的热风出口管(13)，蓄热室墙体(1c)下部砌筑在炉底(1d)上，炉底(1d)上设置支撑炉箅子的瓦片状的支撑柱(14b)，支撑柱(14b)上有圆形呈平面状的铸铁炉箅子(14a)，铸铁炉箅子(14a)上有从下到上堆砌至燃烧室内的蓄热体，铸铁炉箅子下部的蓄热室墙体(1c)与炉底(1d)围成的内部空间为冷风室(15)，铸铁炉箅子(14a)下部的蓄热室墙体(1c)上有烟气出口管(16)和冷风进口管(17)；所述的预混气流调节喷口(10a)外侧径向壁面向内的倾斜角为10°～30°，一侧周向壁面的向内倾斜角为10°～45°。

2.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的燃烧室墙体(1a)和燃烧器墙体(1b)为金属外壳内壁上砌筑耐高温1300℃～1500℃的耐火村料层构成，耐高温的耐火村料层由抗热震性强的红柱石高铝砖或堇青石-莫来石砖构成的内层、轻质耐火村料构成的外层，以及外层外面的陶瓷纤维棉与喷涂层自内向外组合在一起构成，所述的热风出口管(13)为耐高温且性能稳定的红柱石-莫来石砖构成的圆筒状通道，与燃烧室墙体(1a)垂直连接。

3.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的煤气进气管(4)和空气进气管(3)是在金属管内壁上砌筑耐火村料构成的圆形通道，煤气进气管(4)和空气进气管(3)分别设置在燃烧器墙体(1b)的上部与下部。

4.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的煤气分配环道(6)和空气分配环道(5)均是由红柱石高铝砖砌筑构成的环形，纵截面为矩形。

5.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的煤气主喷嘴(8)和空气主喷嘴(7)的横截面均为扇形或矩形，煤气主喷嘴(8)以水平径向与气流预混合喷嘴通道(10)的下部连通，空气主喷嘴(7)与气流预混合喷嘴通道(10)的底部垂直连通。

6.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的气流预混合喷嘴通道(10)和周向侧壁上的连通通道(9)均是由堇青石-莫来石砖砌筑构成的矩形。

7.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的蓄热室墙体(1c)是在金属外壳内壁上砌筑耐火村料层构成的圆形通道，耐火村料层自上向下分别为红柱石质砖、高铝质砖、粘土质砖，蓄热室墙体是由上部小圆筒、中部锥台形和下部大圆筒依次连接构成一体的收缩状结构，上部小圆筒的截面积为下部大圆筒截面积的1／2～1／3，中部锥台形的斜面与下部大圆筒的侧壁夹角为10°～30°。

8.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的蓄热体是由从上到下依次堆砌的硅质套筒格子砖(11)、硅质格子砖(12a)、红柱石高铝质格子砖(12b)以及红柱石粘土质格子砖(12c)构成，硅质套筒格子砖(11)为圆筒形，在燃烧室内自下向上依次堆砌呈纵截面为阶梯状递减的锥台形；硅质格子砖(12a)、红柱石高铝质格子砖(12b)、红柱石粘土质格子砖(12c)均为正六边形的均布有通孔的蜂窝状结构，从上到下依次呈咬合式的错位堆砌成带有网状缝隙的六边形，当硅质套筒格子砖(11)、硅质格子砖(12a)、红柱石高铝质格子砖(12b)和红柱石粘土质格子砖(12c)的格孔间距相同时，硅质格子砖(12a)的格孔直径大于红柱石高铝质格子砖(12b)的格孔直径，红柱石高铝质格子砖(12b)的格孔直径大于红柱石粘土质格子砖(12c)的格孔直径。

9.根据权利要求1所述的预混气流喷嘴互通与送风气流曲径流动的均流热风炉，其特征在于，所述的烟气出口管(16)和冷风进口管(17)为金属管内壁上砌筑耐火村料构成圆形通道，与冷风室(15)相连通；冷风室中的支撑柱(14b)自炉底(1d)的中心向外周均布成多圈的环状，每相邻的两圈中的支撑柱相互错位排列。