對兩種頂燃式熱風爐燃燒室的技術分析

徐榮興 畢艷國

（蕪湖新興鑄管有限責任公司 煉鐵部，安徽 蕪湖241002）

近年來，隨著我國經濟的高速發(fā)展，高爐煉鐵技術進步非常之快，高爐熱風爐大型化、多樣化、高效化，大大縮小了我們與世界先進水平的差距，引起世人關注。

在熱風爐中目前使用最多的結構形式有內燃式和外燃式兩種，在內燃式結構中因其燃燒裝置的不同設置，又分為燃燒室置于底部的火井內燃式熱風爐和燃燒室放在熱風爐頂部的頂燃式熱風爐。

所謂頂燃式熱風爐，是指燃燒器安裝在熱風爐爐頂，在拱頂空間燃燒，不需專門的燃燒室，又稱無燃燒室式熱風爐。

在熱風爐技術逐步向高強度、高效率、高風溫、低能耗、投資省、長壽命方向發(fā)展的形勢下，一代具有燃燒強度大、火焰距離短、結構相對簡單、投資相對少的頂燃式熱風爐得到了長足的進展和廣泛的應用[1]，頂燃式熱風爐也由20 世紀80 年代的外混合燒嘴頂燃式熱風爐發(fā)展到21 世紀初以卡魯金結構為基礎的多種頂燃式熱風爐。使熱風爐風溫由1000℃左右提高到1200℃以上。

我公司原3 號高爐有4 座熱風爐，其中一座是2007 年7 月2 日建成投用的新興鑄管型外置短焰旋切式燃燒器頂燃式熱風爐（以下簡稱新興鑄管型熱風爐），其余3 座為2007 年8、9、10 月由新興鑄管型熱風爐改成新興鑄管型與卡魯金相結合的卡魯金旋流式頂燃式熱風爐（即將頂部燃燒室改造）；1 號、2 號高爐均為2003 年新建的新興鑄管型頂燃式熱風爐。以上熱風爐均無預熱，單燒高爐煤氣（高爐燃料比505～510 公斤/噸鐵）。

1 3 號高爐熱風爐的設計參數(shù)和運行情況比較

1.1 設計參數(shù)（表1）

表1

1.2 改造前后有關運行參數(shù)比較（表2）

從表2 比較可看出改造后的卡魯金旋流式熱風爐各項指標均優(yōu)于外混合燒嘴頂燃式熱風爐，而且煤氣消耗少，燃燒效率高。從熱風爐廢氣成分分析，3 號高爐熱風爐廢氣中CO2含量為29%，O2含量0.6%；1 號高爐熱風爐廢氣中CO2含量為15%，O2含量0.8%；2 號高爐熱風爐廢氣中CO2含量為13%，O2含量0.8%；可以看出改造后的卡魯金旋流式熱風爐由于結構燃燒器結構的改變，使氣流分布均勻，煤氣和空氣混合充分，提高了燃燒效率。

2 熱風爐拱頂溫度與風溫的關系

隨著高爐裝備水平和操作技術的不斷發(fā)展，特別是為了改善噴吹燃料的效果，以進一步降低燃料比，要求熱風爐提供的風溫越來越高。為了把風溫提高到1200℃以上，從設計方面考慮應采取措施把熱風爐的拱頂溫度提高到1300℃以上。生產實踐證明，風溫的提高是隨著拱頂溫度的提高而提高，其關系如圖1。

表2

拱頂所能達到的最高溫度，則是由燃料在燃燒時所能達到的溫度決定的。

實際燃燒溫度可用下列公式算出：

T 實——實際燃燒溫度，℃；

Q 低——燃料燃燒時放出的熱量，千卡/米3；

Q 空——助燃空氣帶進的物理熱，千卡/米3；

Q 燃——燃料帶進的物理熱，千卡/米3；

Q 失——燃燒產物散失掉的熱量，千卡/米3；

Vn——燃燒產物體積, 米3/米3；

C——燃燒產物的比熱, 千卡/米3*℃。

有上式可見，提高實際燃燒溫度的途徑有：

1）提高煤氣發(fā)熱值。這在要求高爐燃料比越來越低的情況下煤氣發(fā)熱值不可能提高；除否配加高發(fā)熱值的燃氣。

2）預熱煤氣和助燃空氣。

3）盡量減少設備的熱損失。

4）盡量減少過剩空氣，以減少燃燒產物體積。

圖1 蕪湖新興鑄管3 號高爐熱風爐拱頂溫度與風溫的變化

以上四項，二、三項可通過技術手段和增加設備來實現(xiàn)。第四項必須通過研發(fā)設計，對燃燒器的改進，以改變氣體的流場結構及組分混合特性，促進空、煤氣的充分混合，在保證完全燃燒的情況下，較少過?？諝?。因此各種頂燃式熱風爐的出現(xiàn)、計算機自動燒爐的應有也是基于此因素。

3 兩種頂燃式熱風爐爐頂燃燒結構分析

3.1 新興鑄管型外混合燒嘴頂燃式熱風爐（以下簡稱新興鑄管型熱風爐）

其結構有外置式金屬燃燒器、火焰噴射孔、燃燒室等組成。如圖2。從圖可看出，新興鑄管型熱風爐實際上是一種外置短焰燃燒器旋切式頂燃式熱風爐，由于外混合燒嘴在加熱燃燒期間，煤氣和空氣在熱風爐外部燒嘴中混合后從火焰噴射孔高速噴入爐內離開燒嘴在燃燒室內燃燒，此時燒嘴區(qū)溫度低于燃燒室和下部錐頂溫度（一般在600～700℃左右），而在送風期間受下部熱輻射作用其溫度又與下部差不多（一般在1000℃左右），溫度的變化使燃燒室和燒嘴本身的結構受到影響，使在與燃燒室相聯(lián)接的燒嘴部位因溫度的交替變化產生熱應力，從而導致結構的不穩(wěn)定，造成燃燒室頂損壞和燒嘴的頻繁開裂漏風。另外由于其燒嘴安裝的角度是火焰旋流的切線方向，在熱風爐燃燒期間從燒嘴噴射出的火焰在燃燒室內高速旋轉，燃燒室上部處在高溫與高速氣流的沖擊之下，尤其是在燒嘴與燃燒室連接處(火焰噴射孔部位)，耐火材料很容易脫落，造成對燒嘴的破壞。同時，因熱風爐燒爐時空氣和煤氣是靠在燒嘴內的高速旋轉混合的，由于兩股氣體在燒嘴內流動速度高，燒嘴內的空間有限，勢必造成氣體混合的不均勻，影響到煤氣的利用率和燃燒的溫度，一般爐頂溫度最高只能到1250℃。另外，由于該類爐型結構必須采用氣體強旋流流動模式才能保證流場的穩(wěn)定和燃燒的穩(wěn)定，由此而帶來的是進入蓄熱室氣流分布的極不均勻，由于蓄熱體氣流的溫度與速度的雙不均勻，這不僅降低了傳熱效果與蓄熱體利用率，而且會導致不同位置的蓄熱體受到不同溫度的加熱與冷卻，從而引起蠕變和熱縮的效果不一樣，蓄熱體的不均勻塌陷就會出現(xiàn)[3]，進而使傳熱效果變得更差。

圖2 新興鑄管型外混合燒嘴頂燃式熱風爐爐頂圖

3.2 卡魯金旋流式頂燃式熱風爐

卡魯金旋流式頂燃式熱風爐，是一種帶有噴嘴環(huán)形交錯布置旋流噴射燃燒器的新一代頂然室熱風爐，其結構是保證空煤氣混合均勻的關鍵，因此在其小拱頂預然室上端各布置了一圈交錯排列的煤氣與空氣噴嘴，煤氣噴嘴與徑向成一定角度進入預燃室，空氣噴嘴上翹一定角度進入預燃室；其工作原理是氣流進入預然室后激烈混合、預熱著火而燃燒，再以高速進入下部燃燒室完成整個燃燒過程；微弱的漩流維持氣流穩(wěn)定，并使進入蓄熱體氣流趨于均勻，在實現(xiàn)強化燃燒中加強蓄熱體的換熱過程。如圖3。

這種頂然式熱風爐主要特點是預燃室中采用的兩種氣流分離成交錯排列小股間的相互混合，使交錯上噴的空氣與煤氣氣流提前充分混合后快速燃燒，形成預混燃燒模式。氣流在預燃室和燃燒室內的流場狀況為，球頂中心、預燃室中心、燃燒室回流區(qū)域速度相對較低，空、煤氣噴口和收縮段外側速度較大。煤氣沿環(huán)道從上層噴口高速噴入預燃室形成旋流，一部分向上充塞半球拱頂并延半球拱頂壁面向下流動，形成回流區(qū)，另一部分旋流向下與空氣之噴口噴射出的對沖空氣氣流混合，形成中心以煤氣為主外圍包裹著空氣的圓筒狀下降氣流，從而減輕燃燒時高溫火焰對預燃室壁面的沖刷[4]。同時，回流渦旋對上行混合氣流的預熱為火焰穩(wěn)定提供了條件，保證了整個氣流流場的穩(wěn)定。其相對于主氣流的低壓特征，使向下氣流分布自然趨于均勻。可見，這種氣流流場結構就能有效而巧妙地實現(xiàn)氣體燃料燃燒過程中氣流混合、氣流預熱、著火燃燒、氣流穩(wěn)定、氣流分布均勻、節(jié)能增效等一系列目標。預燃室與收縮段間設置一圓臺，使得氣流出預燃室的直徑小于燃燒室的直徑，除了內層砌體結構密封的需要外,變徑節(jié)流的擾動作用削弱了邊沿氣流，使得空煤氣更加充分混合，減少剩余空氣使拱頂溫度進一步提高。并使氣流整體以旋流形式延燃燒室徑向擴展，氣流出收縮段后，由于流通截面增大,氣流速度迅速降低，形成邊緣氣流速度大而中心區(qū)域壓力低速度小的流動狀態(tài)。在預燃室中心區(qū)域形成回流和燃燒室下部產生渦流的共同作用是此種熱風爐燃燒器的關鍵所在[5]。

圖3 卡魯金旋流式頂燃式熱風爐爐頂圖

另外由于混合氣體在預燃室進行燃燒，使預燃室就成為一個高速燃燒室，使得預然室不論在燃燒過程還是送風過程均能維持在高溫狀態(tài)，減少了拱頂區(qū)域溫度場的周期變化，非常有利于燃燒器結構的穩(wěn)定，有效的保證了熱風爐的使用壽命。此外，由于燃燒室錐端采用了加大錐頂角度來改善結構狀態(tài)和受力狀態(tài)，以提高拱頂運行的穩(wěn)定性。由于拱頂錐角的加大，使得預然室出口與燃燒室入口的截面積比值加大，有利于預然室出口氣流的穩(wěn)定。使進入蓄熱體的氣流的均勻程度也會增加，有效的改善了蓄熱體與煙氣流間的熱交換。基于上述分析，該形式熱風爐具有結構穩(wěn)定、燃燒強度大、傳熱效果好、使用壽命長和減排環(huán)保的特點，有效地保證其為高爐提供高風溫條件的可靠性和經濟性。使其在國內近年來新、改建高爐上得到迅速、普遍的應用。

4 結束語

從上述對兩種頂燃式熱風爐爐頂結構特點的分析比較，卡魯金旋流式頂燃式熱風爐具有燃燒效率高和結構穩(wěn)定，使用壽命長的特點，使之能在高風溫條件下安全穩(wěn)定地運行，在單一燒高爐煤氣的情況下，經過對空氣和煤氣的預熱處理，完全具備給高爐送1200～1250℃的高風溫的能力。

［1］劉全興.我國高爐熱風爐的新技術應用回顧與展望[J].煉鐵，2007（2）.

［2］東北工業(yè)學院煉鐵教研室.高爐煉鐵：下冊[M].冶金工業(yè)出版社，1978.

［3］李少春，李軍.寶鋼熱風爐風溫條件下的長壽技術[J].煉鐵，2008（1）.

［4］李隆鍵，彭川，武成波.卡魯金頂燃式熱風爐的流場結構及組分混合特性[J].重慶理工大學學報：自然科學，2011（1）.

［5］賀友多，李學華，李超，等.對頂燃式熱風爐燃燒器的認識[J].煉鐵，2007（26）.