一种双环道旋流柱流低氮顶燃式热风炉的制作方法

1.本实用新型涉及热风炉，特别是一种双环道旋流柱流低氮顶燃式热风炉。


背景技术：

2.热风炉是重要的工业生产设备，目前流行的卡鲁金顶燃式热风炉、仿卡鲁金顶燃式热风炉，均采用的是小预燃室保龄球结构，预燃室在锥形拱顶的顶部，独立支撑在炉壳之上，锥形拱顶独立支撑在炉壳之上，锥形拱顶部位设置有热风出口结构，预燃室结构内部设置均为上两排煤气喷孔、下两排空气喷孔，所有种类的旋流顶燃式热风炉的喷孔旋流角度全部以25度设置，以便形成旋流强化预混的作用，这样的设置形成了预混长焰燃烧模式，就需要设置预燃室和燃烧室足够大的混合燃烧空间实现完全燃烧，但由于结构上存在的问题，空气过剩系数大于1.1以上，氮氧化物排放在100-300毫克之间，热风出口和砌筑在热风出口之上的拱顶易垮塌，影响风温和效益。
3.国内一些企业，如柳钢、武汉建研院、符政学，段润心、金信合达、中冶赛迪、豫兴等生产的顶燃式热风炉也是采用小燃烧室保龄球结构，这几种热风炉以热风出口位置的不同分两类，一类是热风炉的热风出口在顶部的小燃烧室结构内，小燃烧室设置在蓄热室锥形拱顶的顶部独立支撑在炉壳之上，小燃烧室下部的锥形拱顶蓄热室独立支撑在炉壳之上，锥形拱顶部位设置有热风出口结构，如柳钢、段润心、武汉建研院的产品（柳钢、段瑞芯热风出口设置在顶部燃烧室侧墙之上）；另一类为热风出口设置在蓄热室上部、锥形拱顶下部的侧墙之上的结构，如符政学，金信合达、中冶赛迪、豫兴顶燃式热风炉。但无论是第一类，还是第二类，两类热风炉的燃烧室喷嘴结构均设置为一排短焰或者无焰混合烧嘴，烧嘴全部以25度旋切角度设置，以便形成旋流强化流场均匀分布和稳定火焰的作用，这些设置形成的燃烧火焰全部是无焰或者短焰，空气过剩系数一般在1.05-1.06状态，均属于无焰或着短焰混合燃烧。即小分流喷嘴混合后喷出，其煤气、空气在小喷孔孔部位混合着火后再喷出，其喷口的角度也一般为25
°
，而在煤气和空气喷嘴深处实现混合着火燃烧的喷嘴结构叫无焰燃烧结构，无焰燃烧技术的空气过剩系数小于1.02左右；无论是短焰或者是无焰燃烧的热风炉，均不需要燃烧室或者蓄热室有较大的空间既可以满足高效高风温技术要求。从上述长焰、无焰、短焰技术对比来看，无焰混合燃烧更好更安全、更均匀；短焰燃烧技术其喷嘴处混合燃烧火焰中还尚存有一些煤气没有燃尽。
4.所述的短焰是煤气和空气在喷嘴喷口处混合燃烧形成的火焰；无焰是煤气和空气在喷嘴深处混合着火燃烧形成的火焰。长期的实践证明采用短焰或者无焰混合燃烧的顶燃式热风炉混合燃烧过程中没有损坏燃烧器喷嘴状态，证明无爆震；而预混长焰旋流的热风炉实践证明100%存在煤气喷嘴剥落、断裂、移位等现象很严重，并同时存在爆震燃烧现象。
5.由于传统的的顶燃式热风出口往往设置在直径最大、耐材应力最集中的锥形拱顶底部，在3000
‑‑
7000吨盲板力和硅砖耐材膨胀应力和受限无法膨胀形成的上万吨应力作用下损坏率90%以上，严重影响了热风炉的工作效率和使用寿命，因此，热风炉上的改进和创新势在必行。


技术实现要素：

6.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种双环道旋流柱流低氮顶燃式热风炉，可有效解决防止热风出口垮塌、腐蚀、开裂现象，提高生产效率和使用寿命的问题。
7.本实用新型解决的技术方案是，一种双环道旋流柱流低氮顶燃式热风炉，包括悬链线拱顶、燃烧器和炉体，悬链线拱顶同心置于燃烧器上部，燃烧器下部有第一支撑板，与下部的独立拱顶上部呈迷宫联接，独立拱顶下部独立支撑在炉壳上部外的第二支撑板上，与蓄热室大墙呈迷宫联接结构，燃烧器的墙体侧壁上置有热风出口管，热风出口管与燃烧器内的燃烧室相连通，燃烧器墙体内设置有上下相间开的空气环道和煤气环道，构成双环道结构，悬链线拱顶、燃烧器和独立拱顶同心连为一体，构成的内部空间为燃烧室，燃烧器墙体内壁上设有相间开朝向燃烧器内燃烧室的第一排喷嘴、第二排喷嘴、短焰燃烧喷嘴和无焰燃烧喷嘴，空气入口管与空气环道相连通，煤气入口管与煤气环道相连通，空气环道下行的第一出口管和煤气环道的第一上升出口管与第一混合气短管进口相连通，经第一混合气短管分别与第一排喷嘴、短焰燃烧喷嘴相连通，空气环道的向下第二出口管和煤气环道的第二上升出口管与第二混合气短管的进口相连通，并经第二混合气短管分别与第二排喷嘴、无焰燃烧喷嘴相连通，第一排喷嘴为柱流，第二排喷嘴为旋流，构成喷嘴柱流短焰无焰旋流多角度广流场喷流结构，炉体内部空间构成蓄热室，蓄热室内装有调流高效格子砖蓄热体。
8.本实用新型结构新颖独特，易生产制造，是对现有热风炉结构上的一大创新，将无焰、短焰大功率旋流柱流结合燃烧流场技术充分应用到本实用新型的结构中，可有效防止煤气喷嘴脱落、断裂、移位，防止爆震燃烧现象，生产效率高，使用寿命长，有巨大的经济和社会效益。
附图说明
9.图1为本实用新型的剖面主视图。
10.图2为本实用新型图1的a-a向剖面图。
11.图3为本实用新型图1的b-b向剖面图。
12.图4为本实用新型图1的c-c向剖面图。
13.图5为本实用新型图1的d-d向剖面图。
14.图6为本实用新型图1的e-e向剖面图。
15.图7为本实用新型图1的f-f向剖面图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。
17.由图1-7所示，本实用新型一种双环道旋流柱流低氮顶燃式热风炉，包括悬链线拱顶、燃烧器和炉体，悬链线拱顶8同心置于燃烧器上部，燃烧器下部有第一支撑板11，与下部的独立拱顶12上部呈迷宫联接，独立拱顶12下部独立支撑在炉壳上部外的第二支撑板13上，与蓄热室7大墙呈迷宫联接结构，燃烧器的墙体侧壁上置有热风出口管10，热风出口管10与燃烧器内的燃烧室相连通，燃烧器墙体内设置有上下相间开的空气环道9-1和煤气环
道9-2，构成双环道结构，悬链线拱顶8、燃烧器和独立拱顶12同心连为一体，构成的内部空间为燃烧室，燃烧器墙体内壁上设有相间开朝向燃烧器内燃烧室的第一排喷嘴1、第二排喷嘴2、短焰燃烧喷嘴3和无焰燃烧喷嘴4，空气入口管14与空气环道9-1相连通，煤气入口管15与煤气环道9-2相连通，空气环道9-1下行的第一出口管9-1-1和煤气环道9-2的第一上升出口管9-2-1与第一混合气短管17进口相连通，经第一混合气短管17分别与第一排喷嘴1、短焰燃烧喷嘴3相连通，空气环道9-1的向下第二出口管9-1-2和煤气环道9-2的第二上升出口管9-2-2与第二混合气短管16的进口相连通，并经第二混合气短管16分别与第二排喷嘴2、无焰燃烧喷嘴4相连通，第一排喷嘴1为柱流，第二排喷嘴2为旋流，构成喷嘴柱流短焰无焰旋流多角度广流场喷流结构，炉体内部空间构成蓄热室，蓄热室内装有调流高效格子砖蓄热体。
18.所述的调流高效格子砖为孔孔互通均压均流的格子砖，提高了格子砖的利用率和效率，提高了风温，降低了煤气消耗，蓄热室上顶面伸入独立拱顶12内下部，蓄热室上顶部与独立拱顶12上部小直径φ1之间的高与小直径的比值为0.5-0.6，蓄热室上部与独立拱顶12下部大直径之间的高h与大直径φ2的比值为0.5-0.65（如小直径φ6840mm，大直径φ11514mm，高h6230mm），悬链线拱顶为球面弧形，拱顶的高与内直径的比值为1.15以上，受力稳定、长寿，燃烧器下部的独立拱顶12为锥形，锥形的水平夹角为60-70
°
，上部直径与下部直径的比值为1.5-2，高径比为1.8-2。
19.为了保证使用效果和使用方便，第一排喷嘴1的速度与高于第二排喷嘴2，让柱流不能截面积太大，形成绕柱流旋转，但又不能形成较大的离心力，使柱扩大，以限制柱流麻面可控的范围；
20.所述的第一排喷嘴1为柱流喷射、第二排喷嘴2带有15～25
°
夹角；
21.所述的燃烧器下部经第一支撑板11支撑在独立拱顶12上部外，独立拱顶12的下部经第二支撑板13支撑在炉体上部外；
22.所述的炉体下部设有烟气出口管19，与烟气出口管19对应的炉体下部内设有相间开的导流块20，导流块上方装有置于燃烧室底部的炉箅子18，调流高效格子砖蓄热体置于炉箅子上面；
23.所述的热风出口管10设置在燃烧器下部外侧壁上，下部与独立拱顶12上部小直径处平齐，小直径φ1与独立拱顶下部大直径φ2的比值为1.5-2（如小直径φ6840mm，大直径φ11514mm）；
24.所述的热风出口管10还可设置在独立拱顶12下部蓄热室上部位置，热风出口管下部与炉体内的蓄热室大墙上部平齐，这样的设置目的在于当将热风炉的锥形拱顶切割掉一半时，热风出口不会切割掉，再在上部安装燃烧器，以使燃烧器适应目前这样炉子的改造。
25.上述给出的仅是实施例，目的在于用于说明本实用新型的具体实施方式，而不是用于限制本实用新型的保护范围，凡是采用等同、等效替换或变换手段作出的在本质上与本实用新型技术方案相同的技术方案，均属于本实用新型的保护范围。
26.由上述结构可以清楚看出，本实用新型采用：
27.1、无焰、短焰大功率多旋流柱流结合燃烧流场技术，空气、煤气三环道设置，其喷嘴为短焰无焰上下交错设置，长期的实践证明采用短焰、无焰混合燃烧的顶燃式热风炉混合燃烧过程中没有损坏燃烧器喷嘴状态，证明无爆震；而预混长焰旋流的热风炉实践证明
100%存在煤气喷嘴剥落、断裂、移位等现象很严重，存在爆震燃烧现象，可以很好的密度大的煤气置于空气的中端，解决了爆镇很好的解决空气的均匀分配，又把密度高被氮气吹扫的煤气环道中的残留煤气以上顶部赶出环道，又可以使上部开后的空气，把赶出的煤气压向下方或强制混合燃烧掉，避免爆震对燃烧器结构的损坏，使燃烧室结构稳定与蓄热室同步，使用寿命长，工作效率高。
28.2、旋流多角度多广流场分布喷嘴结构，第一排喷嘴为无角度正对轴向中心喷射的短焰喷射烧嘴结构，设置的目的是填补旋流形成的漩涡流场不均，柱流烧嘴火焰喷射后自上而下正对涡流区域运行分布，抵补了涡流导致的局部流场分布不均；第二排是旋角15-25度，采用无焰燃烧模式，形成了15-25度辐射对应的格子砖床面流场，可以在烟气运行中边混合变膨胀，采用无焰，形成辐射对应的格子砖床面流场；同时，流速有所不同，调整后的燃烧器混合燃烧后的空气过剩系数由原来的1.1以上下降至1.02-1.05之间，由原来的长焰单旋流预混长焰燃烧优化为短焰无焰结合旋流柱流混合燃烧技术。
29.3、由于传统的的顶燃式热风出口往往设置在直径最大、耐材应力最集中的锥形拱顶底部，在3000
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7000吨盲板力和硅砖耐材膨胀应力和受限无法膨胀形成的上万吨应力作用下损坏率90%以上。因此，将热风出口设置到燃烧器燃烧室侧部位（也可以设置到燃烧室朝天孔部位设置），该部位直径小盲板力在数百吨至3000吨之内，耐材膨胀量小，无受限应力等集中应力作用，稳定长寿，彻底解决了热风出口垮塌损坏弊端。确保了热风炉稳定长寿。
30.4、燃烧器下部的锥型拱顶分离了热风出口结构独立支撑于热风炉的炉体之上，应力分散稳定长寿。锥形独立拱顶的夹角有原来的60度调整为65-70度，调整烟气流压力和加热格子砖辐射力度，火焰近距大面积温度均布，实现低氮低碳高风温，调整后的受力更合理稳定，同时锥形拱顶上部直径与下部直径的比值由原来传统的2.8-3.5优化设计比值小于1.5-2；高径比由原来比值1.2-1.5优化设计比值为1.8-2；高径比和大小直径比值调整后的热风炉燃烧器出口面积得到了扩充和有效扩充改善，增加格子砖加热堆积高格子砖高度，增加格子砖加热热焓，辐射加热加旋流柱流均布加热，烟气流场分布均匀、对格子砖的辐射加热更直接充分，燃烧压力降低，热力型氮氧化物降低，锥形拱顶受力更合理长寿。氮氧化物（no
x
）由原来的100-300毫克降低至30-100毫克范围之内，非常有利于低氮排放，环保。
31.5、将受力差的球形拱顶进行优化，拱顶高径比值由原来的1提高到1.15之上，受力得到改善稳定长寿。
32.6、格子砖采用孔孔互通均压均流格子砖结构，提高了格子砖的利用率和效率，提高了风温，降低了煤气消耗。
33.实验和实践证明，本实用新型的热风炉燃烧技术采用短焰和无焰相结合，主要其目的是为了安全燃烧，让燃烧室温度不能比蓄热室高，也不能比蓄热室低，有利于对格子砖的加热和小顶燃烧室结构稳定长寿，采用柱流短焰燃烧特征，是烟气自上而下随着混合燃烧体积的膨胀逐渐扩大来弥补这一缺陷，除了中心柱流作用，设置旋流短焰混合燃烧的目的和中心柱流一样，让短焰随旋流往下体积的逐渐膨胀扩充流场宽度，通过这样的设置，使流场均匀分布在格子砖床面，大大提高了格子砖的加热均匀度、利用率。目前我国乃至世界上热风炉蓄热室已经保持在5-11米之间，京唐公司蓄热室床面为10.894米，蓄热室床面面积已达93.16平方米，如此之大的格子砖床面靠单旋流25度角度无论如何也分布不均匀，格
子砖造成浪费巨大，热损失和风温损失更大，燃料损失更是无法计算，加热格子砖的多旋流流场加注流流场有采取了较多的措施使格子砖充分均匀加热，也填补了国内外顶燃式热风炉低效耗砖单一旋流流场的空白，是新一代创新技术。
34.有关资料显示，空气中的氮在高温下氧化产生的nox，称为热力型nox。热风炉气流燃烧送风过程产生的nox，主要是热力型nox。
35.热力型nox的生成机理，以及各种抑制热力型nox生成的燃烧技术和燃烧器的分析。证明影响热力型nox生成量的主要因素是温度、氧气浓度和高温区停留时间，由此而得到控制热力型nox生成量的主要方法可概括为：（1）避免局部高温（气流混合必须均匀）。（2）降低氧气浓度（减少过剩空气量）。（3）缩短燃烧气流在高温区内的停留时间（短焰燃烧）。因此，研究开发降低热力型nox生成量的热风炉，才能减少有毒有害气体排放和防止壳氧化腐蚀开裂现象，以提高热风炉使用寿命。
36.小帽子顶燃式热风炉的燃烧器喷嘴设置在内侧，煤气喷嘴和空气喷嘴分上下混合气排列，气流旋切喷射，旋转预混燃烧。气流旋转预混燃烧，是气流沿预混燃烧室内侧，旋转向下预混燃烧，不但延长预混燃烧停留时间（长焰燃烧），提高氮氧化物产生量，而且会造成周边气流强，中间气流弱，形成局部高温。为了降低氮氧化物产生量，可以采取去除热风出口，增加格子砖堆砌高度，降低燃烧室高度，可缩短燃烧气体运行时间，降低氮氧化物产生量（无焰、短焰燃烧）。采用燃烧器内侧无焰短焰多旋流柱流设置混合燃烧烧嘴，空气过剩系数小至1.02-1.05之间，并能使高温烟气均匀分布，可防止局部高温，降低氮氧化物产生量。
37.本实用新型热风出口设置在燃烧器的一边侧壁上，锥形独立拱顶经支撑托板支撑炉体上，结构稳定，并通过优化格子砖，综合格子砖麻面燃烧嘴的距离近喷口加大，燃烧高温压力减少，实现柱多旋流均不加热，其风温、效率、氮氧化物均可以调节为符合设计要求的最先进的节能、高效、高风温、低碳、长寿热风炉，可延长使用寿命五年以上。
38.总之，本实用新型结构新颖独特，使用效果好，既提高了风温，降低了煤耗，又降低了氮氧化物排放量，排放量低至30-90mg/m3，热风炉使用寿命长，可延长使用寿命5年以上，提高了热风炉的使用效率，有效实现节能、低氮、环保，是热风炉上的一大创新，经济和社会效益显著。