CN114908201B - 一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置 - Google Patents

一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，包括：喷枪、直吹管和风口套；喷枪由富氢固态燃料喷管和富氢气体燃料喷管组成，富氢气体燃料喷管围绕富氢固态燃料喷管设置；喷枪的末端设置富氢气体燃料喷口和富氢固态燃料喷口，富氢气体燃料喷口位于富氢气体燃料喷管的末端侧壁上，富氢固态燃料喷口位于富氢固态燃料喷管的出口端并凸出富氢气体燃料喷管。本发明解决了富氢气体和煤粉同时喷吹燃烧效率低的问题，具有喷吹燃料种类多、燃烧效率高，装置结构紧凑、冷却效果好、使用寿命长的优点。

Description

一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置
技术领域
本发明涉及高炉炼铁领域，具体地涉及一种高炉喷吹富氢燃料装置。
背景技术
钢铁行业是能源消耗和碳排放的大户，其中又以高炉炼铁工序的能耗和碳排放量最大，减少炼铁生产碳排放是钢铁行业实现“双碳”目标的关键。为了降低炼铁生产碳排放，国内众多钢铁行业进行了低碳冶金技术的研究，其中氢冶金被认为是实现钢铁生产“双碳”目标的主要途径。虽然氢气竖炉直接还原工艺加电炉炼钢短流程具有更低的碳排放，是未来氢冶金技术的重点领域，但考虑到目前我国还是以高炉转炉长流程为主，大量生产高炉的淘汰需要在很长一段时间内才能完成，在此期间发展高炉富氢冶炼技术依旧具有广阔的市场需求。高炉喷吹富氢气体技术是目前可以有效减少炼铁生产过程对煤粉的消耗量，常见的富氢气体种类包括天然气、焦炉煤气、煤制气和氢气等。富氢气体喷吹在风口前燃烧为高炉冶炼提供热量和还原剂的同时，还能够改善高炉炉料的还原过程，促进间接还原的发展，降低直接还原度，进而能够降低高炉冶炼的燃料消耗。
高炉喷吹富氢气体需要专门的喷枪完成，目前能够实施高炉喷吹富氢气体的喷吹装置包括直管***式、套筒直管***式以及风口整体式。直管***式喷枪的特点是结构简单，使用寿命长和更换方便的特点，但对于富氢固态燃料例如煤粉和富氢气体共同喷吹的高炉来说，在风口套有限的空间内布置两根喷枪存在相互影响，煤粉流容易冲刷风口套内壁的问题。套筒直管***式喷枪是在煤粉喷枪的枪体上又加了一层套管，在内管中喷吹煤粉，外管和内管之间的环道内喷吹富氢气体，实现了一根喷枪同时喷吹煤粉和富氢气体的操作，但套筒直管***式喷枪喷口处内部为煤粉流股，外部为富氢气体流股，煤粉喷管出口端与热风接触，并且受到高速喷出的煤粉颗粒冲刷，容易磨损，限制喷枪使用寿命，并且富氢气体与煤粉相互影响，造成煤粉燃烧率降低、未燃煤粉含量增加，进而影响高炉生产的稳定顺行。风口整体式喷枪将富氢气体喷枪整体铸入风口套，减小了富氢气体喷吹对煤粉喷吹的干扰，实现了富氢气体和煤粉高效喷吹与燃烧，但整体式喷枪影响了风口套内部冷却水道的结构，对风口套的寿命产生了不利影响，同时不能实现富氢气体喷枪的单独更换，造成风口整体式喷枪的造价贵和使用寿命低。
因此有必要设计一种富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术之缺陷，提供一种富氢固态燃料充分燃烧，且可方便更换、造价低廉和使用寿命长的富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，。
为了实现上述目的，本发明提供一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，所述装置包括：喷枪(1)、直吹管(2)和风口套(3)；所述喷枪(1)由富氢固态燃料喷管(10)和富氢气体燃料喷管(11)组成，所述富氢气体燃料喷管(11)围绕所述富氢固态燃料喷管(10)设置；所述喷枪(1) 的末端设置富氢气体燃料喷口(13)和富氢固态燃料喷口(14)，其中，所述富氢气体燃料喷口(13)位于所述富氢气体燃料喷管(11)的末端侧壁上，所述富氢固态燃料喷口(14)位于所述富氢固态燃料喷管(10)的出口端并凸出所述富氢气体燃料喷管(11)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述喷枪(1)斜插在直吹管(2) 侧壁，两者通过喷枪安装法兰(6)固定连接，所述直吹管(2)与风口套(3) 球面接触连接，所述喷枪(1)穿过直吹管(2)延伸至风口套(3)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢气体燃料喷管(11)与所述富氢固态燃料喷管(10)同轴设置，所述富氢固态燃料喷管(10)外径小于富氢气体燃料喷管(11)内径，所述富氢气体燃料喷管(11)首端和末端与富氢固态燃料喷管(10)外壁密封连接，所述富氢气体燃料喷管(11)和富氢固态燃料喷管(10)之间形成的环道为富氢气体燃料通道(12)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢气体燃料喷口(13)的富氢气体喷口中心线与沿着喷吹方向的所述富氢固态燃料喷口中心线(5)之间的富氢气体出口角度(15)为75°-135°。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢气体出口角度(15)为 90°-120°。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢气体燃料通道(12)入口端连接富氢气体燃料喷吹接管(8)和辅助气体吹扫接管(9)，所述富氢固态燃料喷管(10)入口端连接富氢固态燃料喷吹接管(7)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述喷枪(1)的末端与所述喷枪的主体之间具有一定角度，使所述富氢固态燃料喷口(14)的富氢固态燃料喷口中心线(5)与所述风口套(3)的风口套中心线(4)重合。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，富氢气体燃料包括氢气、煤气、天然气、人工燃气、液化气中的一种或多种混合气，富氢固态燃料包括烟煤、无烟煤、贫瘦煤、褐煤、半焦的一种或多种混合物。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，富氢气体燃料和富氢固态燃料分别单独喷吹，或者同时喷吹；单独喷吹富氢固态燃料时，富氢气体燃料通道通入氮气，或者富氢气体燃料通道通入氧气。
本发明的有益效果在于：本发明可以在现有喷吹煤粉高炉的基础上将安装喷煤枪的位置替换为煤粉和富氢气体组合式喷枪，实现富氢气体燃料和富氢固态燃料的同时喷吹，具有喷吹燃料种类适应性强、燃料燃烧效率高，装置结构紧凑、喷枪冷却效果好、制造成本低和使用寿命长的优点。
附图说明
图1为本发明一种富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置结构示意图；
图2为本发明一种富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷枪结构示意图；
图3为本发明一种富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷枪枪体横截面结构示意图；
图4为本发明一种富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷枪枪头纵截面结构示意图；
图5为本发明一种富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷枪枪头局部放大图；
图中：1-喷枪；2-直吹管；3-风口套；4-风口套中心线；5-富氢固态燃料喷口中心线；6-喷枪安装法兰；7-富氢固态燃料喷吹接管；8-富氢气体燃料喷吹接管；9-辅助气体吹扫接管；10-富氢固态燃料喷管；11-富氢气体燃料喷管；12- 富氢气体燃料通道；13-富氢气体燃料出口；14-富氢固态燃料喷管出口；15-富氢气体燃料出口角度(15)。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
所述装置包括喷枪(1)、直吹管(2)和风口套(3)；所述喷枪(1)由富氢固态燃料喷管(10)和富氢气体燃料喷管(11)组成，所述富氢气体燃料喷管(11)围绕所述富氢固态燃料喷管(10)设置，优选的是，所述富氢固态燃料喷管(10)和富氢气体燃料喷管(11)同轴设置；所述喷枪(1)的末端设置富氢气体燃料喷口(13)和富氢固态燃料喷口(14)，所述富氢气体燃料喷管(11)末端侧壁开设富氢气体燃料喷口(13)，所述富氢固态燃料喷管(10) 出口端凸出富氢气体燃料喷管(11)形成富氢固态燃料喷口(14)。这种富氢固态燃料喷管(10)出口端凸出富氢气体燃料喷管(11)形成富氢固态燃料喷口(14)的设计，在生产中即使富氢固态燃料对富氢固态燃料喷管出口端产生了一定的磨损，但也不会影响整个喷枪的使用效果，解决了富氢固态燃料喷口容易磨损，使用寿命短的问题。并且，富氢固态燃料喷管的出口端凸出富氢气体燃料喷管的设计，使得富氢气体可以首先与热风接触并进行混合燃烧，减少富氢气体裂解生成炭黑的量，有利于改善高炉的透气性，稳定高炉生产。并且富氢气体在与热风燃烧后生成的高温含氧气体温度高于热风温度，再与喷吹富氢固态燃料接触，能进一步促进富氢固态燃料的着火和燃烧，提升喷吹富氢固态燃料的燃烧率，改善高炉冶炼状况。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述喷枪(1)末端进行折弯，使喷枪的末端与喷枪的主体之间具有一定角度，这样可以使富氢固态燃料喷管出口中心线(5)与风口套中心线(4)重合，以减小富氢固态燃料喷吹时对风口套的磨损。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述喷枪(1)斜插在直吹管(2) 侧壁，两者通过喷枪安装法兰(6)进行固定连接，所述直吹管(2)与风口套 (3)球面接触连接，所述喷枪(1)穿过直吹管(2)延伸至风口套(3)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢固态燃料喷管(10)外径小于富氢气体燃料喷管(11)内径，所述富氢气体燃料喷管(11)首端和末端与富氢固态燃料喷管(10)外壁密封连接，所述富氢气体燃料喷管(11)和富氢固态燃料喷管(10)之间形成的环道为富氢气体燃料通道(12)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢气体燃料喷口(13)中心线与沿着喷吹方向的富氢固态燃料喷口(14)中心线之间的富氢气体燃料出口角度(15)值为75°-135°，更为优选的是富氢气体燃料出口角度(15)值为 90°-120°，此时富氢气体喷出的方向与热风喷吹的方向接近相互垂直(富氢气体燃料出口角度接近90°)或者富氢气体喷出的方向相对于热风喷吹的方向沿着倾斜向后的方向(富氢气体燃料出口角度大于90°)，这种设计进一步增加了富氢气体燃烧后形成的热风接触富氢固态燃料的间隔时间，使富氢气体可以与热风更加充分地接触并进行更充分的混合燃烧，进一步减少富氢气体裂解生成炭黑的量，能进一步改善高炉的透气性，稳定高炉生产。并且富氢气体在与热风充分燃烧后生成的高温含氧气体温度高于热风温度，再与喷吹富氢固态燃料接触，更易促进富氢固态燃料的着火和燃烧，这种富氢气体出口角度的设置能进一步提升喷吹富氢固态燃料的燃烧率，改善高炉冶炼状况。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，所述富氢气体燃料通道(12)入口端连接富氢气体燃料喷吹接管(8)和辅助气体吹扫接管(9)，所述富氢固态燃料喷管(10)入口端连接富氢固态燃料喷吹接管(7)。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，富氢气体燃料包括氢气、煤气、天然气、人工燃气、液化气中的一种或多种混合气，富氢固态燃料包括烟煤、无烟煤、贫瘦煤、褐煤、半焦一种或多种混合物。
作为本发明的一种优选实施方式，其中，富氢气体燃料和富氢固态燃料可以单独喷吹，或者同时喷吹；单独喷吹富氢固态燃料时，富氢气体燃料通道可通过辅助气体吹扫接管(9)通入辅助气体对喷枪进行冷却，以提升喷枪使用寿命，富氢气体燃料通道也可以通过辅助气体吹扫接管(9)通入氧气，在实现对喷枪冷却的同时还可以提升富氢固态燃料的燃烧率。
工作原理：以煤粉作为富氢固态燃料为例，煤粉和富氢气体喷吹首要任务是如何在风口套有限的空间内布置煤粉喷枪和富氢气体喷枪，既能确保煤粉的高效燃烧，同时避免富氢气体裂解产生大量炭黑影响高炉生产。采用同轴直管式喷枪具有结构紧凑和安装方便的特点，一根喷枪可以实现煤粉和富氢气体的同时喷吹，喷枪枪头中心线与风口套中心线重合可以避免喷吹煤粉流股对风口套的冲刷，提升风口套的使用寿命，进而提升高炉冶炼效率和降低炼铁生产成本。对于同轴直管式喷枪，煤粉喷管出口端与热风接触，并且受到高速喷出的煤粉颗粒冲刷，容易磨损，是喷枪使用寿命的限制部位，采用煤粉喷管的出口端凸出富氢气体喷管的设计，在生产中即使煤粉对煤粉喷管出口端产生了一定的磨损，但也不会影响整个喷枪的使用效果，解决了煤粉喷口容易磨损，使用寿命短的问题。并且，煤粉喷管的出口端凸出富氢气体喷管的设计，使得富氢气体可以首先与热风接触并进行混合燃烧，减少富氢气体裂解生成炭黑的量，有利于改善高炉的透气性，稳定高炉生产。并且富氢气体在与热风燃烧后生成的高温含氧气体温度高于热风温度，再与喷吹煤粉接触，能促进煤粉的着火和燃烧，提升喷吹煤粉的燃烧率，改善高炉冶炼状况。并且，为了进一步改进喷吹煤粉的燃烧率，本申请在富氢气体喷管侧壁开设富氢气体喷口，使富氢气体出口角度保持在75°-135°，此时富氢气体喷出的方向与热风喷吹的方向接近相互垂直(富氢气体燃料出口角度接近90°)或者富氢气体喷出的方向相对于热风喷吹的方向沿着倾斜向后的方向(富氢气体燃料出口角度大于90°)，这种设计在煤粉喷管的出口端凸出富氢气体喷管设计的基础上进一步增加了富氢气体燃烧后形成的热风接触煤粉的间隔时间，使富氢气体可以与热风更加充分地接触并进行更充分的混合燃烧，进一步减少富氢气体裂解生成炭黑的量，能进一步改善高炉的透气性，稳定高炉生产。并且富氢气体在与热风充分燃烧后生成的高温含氧气体温度高于热风温度，再与喷吹煤粉接触，更易促进煤粉的着火和燃烧，这种富氢气体出口角度的设置能进一步提升喷吹煤粉的燃烧率，改善高炉冶炼状况。本发明的方案既实现了富氢固态燃料和富氢气体燃料的同时喷吹，同时解决了富氢气体与富氢固态燃料同时喷吹时相互影响导致在风口前端燃烧效率低的问题，并且延长了喷枪的使用寿命，具有喷吹燃料种类适应性强、燃烧效率高，装置结构紧凑、喷枪冷却效果好、制造成本低和使用寿命长的优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的有点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施列的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应该将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利 要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利 要求的同等要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利 要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利 要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例方式加以描述，但并非每个实施例方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于，所述装置包括：喷枪(1)、直吹管(2)和风口套(3)；
所述喷枪(1)由富氢固态燃料喷管(10)和富氢气体燃料喷管(11)组成，所述富氢气体燃料喷管(11)围绕所述富氢固态燃料喷管(10)设置；
所述喷枪(1)的末端设置富氢气体燃料喷口(13)和富氢固态燃料喷口(14)，其中，所述富氢气体燃料喷口(13)位于所述富氢气体燃料喷管(11)的末端侧壁上，所述富氢固态燃料喷口(14)位于所述富氢固态燃料喷管(10)的出口端并凸出所述富氢气体燃料喷管(11)；以及
所述富氢气体燃料喷口(13)的富氢气体喷口中心线与沿着喷吹方向的所述富氢固态燃料喷口中心线(5)之间的富氢气体出口角度(15)为75°-135°。
2.根据权利要求1所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：所述喷枪(1)斜插在直吹管(2)侧壁，两者通过喷枪安装法兰(6)固定连接，所述直吹管(2)与风口套(3)球面接触连接，所述喷枪(1)穿过直吹管(2)延伸至风口套(3)。
3.根据权利要求1所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：所述富氢气体燃料喷管(11)与所述富氢固态燃料喷管(10)同轴设置，所述富氢固态燃料喷管(10)外径小于富氢气体燃料喷管(11)内径，所述富氢气体燃料喷管(11)首端和末端与富氢固态燃料喷管(10)外壁密封连接，所述富氢气体燃料喷管(11)和富氢固态燃料喷管(10)之间形成的环道为富氢气体燃料通道(12)。
4.根据权利要求1所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：所述富氢气体出口角度(15)为90°-120°。
5.根据权利要求3所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：所述富氢气体燃料通道(12)入口端连接富氢气体燃料喷吹接管(8)和辅助气体吹扫接管(9)，所述富氢固态燃料喷管(10)入口端连接富氢固态燃料喷吹接管(7)。
6.根据权利要求1所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：所述喷枪(1)的末端与所述喷枪的主体之间具有一定角度，使所述富氢固态燃料喷口(14)的富氢固态燃料喷口中心线(5)与所述风口套(3)的风口套中心线(4)重合。
7.根据权利要求1所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：富氢气体燃料包括氢气、煤气、天然气、人工燃气、液化气中的一种或多种混合气，富氢固态燃料包括烟煤、无烟煤、贫瘦煤、褐煤、半焦的一种或多种混合物。
8.根据权利要求5所述的一种高炉富氢固态燃料和富氢气体燃料组合式喷吹装置，其特征在于：富氢气体燃料和富氢固态燃料分别单独喷吹，或者同时喷吹；单独喷吹富氢固态燃料时，富氢气体燃料通道通入氮气，或者富氢气体燃料通道通入氧气。
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