陶瓷燃烧器及顶燃式热风炉的制作方法

[0001]
本实用新型属于燃烧器领域，具体涉及一种陶瓷燃烧器及顶燃式热风炉。


背景技术：

[0002]
20世纪80年代末，首钢型顶燃式热风炉在大型高炉中开始投入运行，同时期，以俄罗斯卡卢金型为代表的顶燃式热风炉逐步在俄罗斯、乌克兰和中国等地得到推广应用；其中以我国曹妃甸5000m3以及日本jfe3200m3等特大型高炉上的应用为代表，标志着顶燃式热风炉在特大型高炉中应用实现了突破。
[0003]
随着高炉冶炼技术的不断发展，对高风温的要求也越发迫切，高风温是降本增效的重要举措，为了获取高风温，燃烧器的燃烧温度也要随之不断提高，因此高燃烧效率也是顶燃式热风炉燃烧器发展的需求。
[0004]
但高风温需求随之带来了环保问题，因燃烧烟气中的nox排放会相应增加，一方面，高nox排放无法满足国家日益严格的排放标准，另一方面，热风炉燃烧烟气中的nox还会对高温区炉壳产生应力腐蚀、以及换热器后产生低温露点腐蚀，从而影响了热风炉及其设备的使用寿命。故现有顶燃式热风炉无法在高风温及高环保要求下实现两全。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种陶瓷燃烧器及顶燃式热风炉，在满足环保发展要求的前提下，提高燃烧器的燃烧效率，控制nox的生成量，延长设备使用寿命。
[0006]
为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
[0007]
一种陶瓷燃烧器，包括外壳以及设置在外壳内的陶瓷内衬，陶瓷内衬中设有与煤气引入管相接的煤气环道、以及与空气引入管相接的空气环道，煤气环道上接有将煤气环道内煤气引入混合室内的煤气分流道，空气环道上接有将空气环道内空气引入混合室内的空气分流道；沿燃烧器的轴线方向，穿过陶瓷内衬的煤气分流道在陶瓷内衬的内壁面上形成多层煤气喷口，穿过陶瓷内衬的空气分流道在陶瓷内衬的内壁面上形成多层空气喷口。
[0008]
与煤气环道相接的煤气分流道由上至下共设有三层，其中，第三层煤气分流道以第二层煤气分流道支路的形式、与第二层煤气分流道共用一个进气口；与空气环道相接的空气分流道由上至下共设有三层，其中，第一层空气分流道以第二层空气分流道支路的形式、与第二层空气分流道共用一个进气口。
[0009]
在燃烧器的轴线方向上，最上层为煤气喷口层，最下层为空气喷口层，其他层均为空气喷口与煤气喷口同层设置的空煤混合层；在燃烧器的周向方向上，各煤气喷口与各空气喷口独立间隔设置。
[0010]
进一步，在燃烧器的周向方向上，煤气喷口与空气喷口以交替形式布设。
[0011]
进一步，在垂直于燃烧器轴线的水平面上，一端口为空气喷口的空气分流道的轴线与该水平面上的燃烧器对称轴间的夹角α1为0～45
°
；一端口为煤气喷口的煤气分流道的轴线与该水平面上的燃烧器对称轴间的夹角α2为0～45
°
；在竖直面上，一端口为空气喷口
的空气分流道的轴线与燃烧器轴线间的夹角β1为45
°
～90
°
；一端口为煤气喷口的煤气分流道的轴线与燃烧器轴线间的夹角β2为45
°
～90
°
。
[0012]
进一步，位于最上层的煤气分流道以喷口朝着混合室下部的方向倾斜设置，位于第二层的煤气分流道以其轴线水平的形式设置，位于第三层的煤气分流道以喷口朝着混合室下部的方向倾斜设置。
[0013]
位于最上层的空气分流道以喷口朝着混合室上部的方向倾斜设置，位于第二层的空气分流道以其轴线水平的形式设置，位于第三层的空气分流道以喷口朝着混合室上部的方向倾斜设置。
[0014]
一种顶燃式热风炉，包括沿轴线方向由高至低依次相接的陶瓷燃烧器、锥段燃烧室以及蓄热室；锥段燃烧室的直筒段上设有热风出口；陶瓷燃烧器为上述的陶瓷燃烧器。
[0015]
进一步，蓄热室的下部设有集气室，蓄热室内设有蓄热体且蓄热体通过支撑设备设置在集气室的上方。
[0016]
进一步，支撑设备包括由下至上依次设置的支柱、托梁以及梅花孔炉箅子；蓄热室底部与支柱相对应位置处设有排烟口与冷风入口。
[0017]
进一步，陶瓷燃烧器中的陶瓷内衬以及锥段燃烧室分别通过砖托作用在外壳上。
[0018]
进一步，同一空煤混合层中，煤气喷口与空气喷口的数量相同。
[0019]
本实用新型的有益效果在于：
[0020]
该顶燃式热风炉所配低nox燃烧器通过内部结构形式的改变，将空煤气在水平面上分成多份交错旋流混合，或在垂直方向上实现空煤气的交错旋流混合，使得在相同的燃烧空间内，混合更均匀，燃烧更充分，燃烧效率得到提高。
[0021]
通过局部的空煤气非化学当量配比，采用浓淡燃烧技术可实现降低燃烧烟气中nox的含量，以满足国家环保及热风炉技术发展的要求；而减少燃烧烟气中nox的排放，可以降低高温区炉壳的应力腐蚀、以及换热器低温段的露点腐蚀，从而提高热风炉及其设备的使用寿命。
[0022]
本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0023]
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：
[0024]
图1为顶燃式热风炉的结构示意图；
[0025]
图2为陶瓷燃烧器的结构示意图；
[0026]
图3为图2的局部放大图；
[0027]
图4为图2的a-a剖视图；
[0028]
图5为图1的b部放大图。
[0029]
附图标记：
[0030]
陶瓷燃烧器1、锥段燃烧室2、蓄热室3、混合室4、集气室5、蓄热体6、支撑设备7、砖
托8、外壳9；
[0031]
陶瓷内衬101、煤气引入管102、煤气环道103、空气引入管104、空气环道105、煤气分流道106、空气分流道107、煤气喷口108、空气喷口109；
[0032]
热风出口201；排烟口301、冷风入口302；
[0033]
支柱701、托梁702、梅花孔炉箅子703；
[0034]
第一层煤气分流道106a、第二层煤气分流道106b、第三层煤气分流道106c；
[0035]
第一层空气分流道107a、第二层空气分流道107b、第三层空气分流道107c；
[0036]
热风炉轴线oo＇、陶瓷燃烧器对称轴pp＇、煤气分流道轴线mm＇、空气分流道轴线nn＇。
具体实施方式
[0037]
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0038]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0039]
本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0040]
请参阅图2～图4，为一种陶瓷燃烧器1，包括外壳9以及设置在外壳9内的陶瓷内衬101，陶瓷内衬101中设有与煤气引入管102相接的煤气环道103、以及与空气引入管104相接的空气环道105，煤气环道103上接有将煤气环道内煤气引入混合室4内的煤气分流道106，空气环道105上接有将空气环道内空气引入混合室4内的空气分流道107；沿燃烧器的轴线oo＇方向，穿过陶瓷内衬101的煤气分流道106在陶瓷内衬101的内壁面上形成多层煤气喷口108，穿过陶瓷内衬101的空气分流道107在陶瓷内衬的内壁面上形成多层空气喷口109。
[0041]
该陶瓷燃烧器1中，煤气环道103中的煤气通过煤气分流道106引入混合室4内，位于同一标高层中的煤气喷口108有多个，即煤气喷口108既以环绕混合室4壁面的形式设置，又以沿着燃烧器轴线oo＇高低布设的形式设置成了多层，使得煤气能均匀分布在混合室各处而不发生聚集。对应的，空气也以同样的方式引入混合室4；由于空气喷口109与煤气喷口108在层间有重叠，在喷入空、煤气的同时，则能同步实现空、煤气在水平方向上的多层交错旋流混合。一方面，该过程可使得入空、煤气混合更均匀，燃烧效率更高；另一方面，还能使
燃烧着火位置提前，这样有助于更充分地利用热风炉的燃烧室，有利于提高燃烧器能力，使燃烧器的温差减小，从而有利于提高燃烧器耐材的使用寿命。
[0042]
具体的，该陶瓷燃烧器1中，与煤气环道103相接的煤气分流道106由上至下共设有三层(图中的106a、106b、106c)，其中，第三层煤气分流道106c以第二层煤气分流道106b支路的形式、与第二层煤气分流道106b共用一个进气口；与空气环道105相接的空气分流道107由上至下共设有三层(图中的107a、107b、107c)，其中，第一层空气分流道107a以第二层空气分流道107b支路的形式、与第二层空气分流道107b共用一个进气口。在燃烧器的轴线oo＇方向上，共形成了四层喷口层，最上层为煤气喷口层，最下层为空气喷口层，其他两层均为空气喷口与煤气喷口同层设置的空-煤混合层。而在燃烧器的周向方向上，各煤气喷口与各空气喷口独立间隔设置，这意味着，即使是在空煤混合层中，煤气喷口与空气喷口也不共用(出气)喷口。这样的设置更有利于在有限空间内高低布设空气环道、煤气环道、空气分流道以及煤气分流道，同时能保证空、煤气是在混合室4混合。
[0043]
优选的，在燃烧器的周向方向上，同层设置的多个煤气喷口108与多个空气喷口109以交替形式布设，即在一个空煤混合层(空气喷口与煤气喷口位于同一标高层)上，各空气喷口109两侧对应为煤气喷口108，而各煤气喷口108的两侧则对应为空气喷口109，这样的设置可使空-煤气交错旋流混合达到最优效果。
[0044]
为获得较好的旋流效果，煤气与空气是呈一定空间角度对应从煤气喷口108以及空气喷口109中喷出的，这意味着，出气口端为煤气喷口108/空气喷口109的煤气分流道106/空气分流道107在陶瓷内衬101中呈一定空间角度设置。优选的，在垂直于轴线oo＇方向的水平面上，一端口为空气喷口109的空气分流道107的(空间)轴线nn＇(同时也为该空气喷口轴线)与该水平面上的陶瓷燃烧器的对称轴pp＇间的夹角α1为0～45
°
。而在竖直面上，一端口为空气喷口109的空气分流道107的轴线nn＇与陶瓷燃烧器轴线oo＇间的夹角β1为45
°
～90
°
。此处轴线nn＇可对应投影在水平面与竖直面上，而对称轴pp＇是在垂直于陶瓷燃烧器轴线oo＇的水平面上的任意直径所在直线。
[0045]
同样的，在垂直于轴线oo＇的水平面上，一端口为煤气喷口108的煤气分流道106的(空间)轴线mm＇(同时也为煤气喷口轴线)与该水平面上的陶瓷燃烧器对称轴pp＇间的夹角α2为0～45
°
。而在竖直面上，一端口为煤气喷口的煤气分流道的轴线mm＇与燃烧器轴线oo＇间的夹角β2为45
°
～90
°
。根据实际需求，空气喷口与煤气喷口的空间倾斜角度可以选择相同或是不同的。
[0046]
作为上述方案的进一步改进，位于最上层的煤气分流道(第一层煤气分流道106a)以喷口朝着混合室4下部的方向倾斜设置，位于第二层的煤气分流道106b以其轴线水平的形式设置，位于第三层的煤气分流道106c以喷口朝着混合室下部的方向倾斜设置。位于最上层的空气分流道(第一层空气分流道107a)以喷口朝着混合室4上部的方向倾斜设置，位于第二层的空气分流道107b以其轴线水平的形式设置，位于第三层的空气分流道107c以喷口朝着混合室4上部的方向倾斜设置。此时，从各层喷口对应喷出的空气、煤气能够在混合式4内实现“旋流”，除“旋流”外，因喷口朝向不同方向，还使得空气、煤气因反向喷吹而在混合式内实现“混流”，从而使空-煤气交错旋流混合达到最优效果。
[0047]
如图1、图5所示，一种顶燃式热风炉，包括沿轴线oo＇方向由高至低依次相接的陶瓷燃烧器1、锥段燃烧室2以及蓄热室3；锥段燃烧室2的直筒段上设有热风出口201；陶瓷燃
烧器1为上述的陶瓷燃烧器。
[0048]
该顶燃式热风炉调整了陶瓷燃烧器1的结构形式，煤气环道103中的煤气通过煤气分流道106引入混合室4内，以高低形式布置的煤气分流道106a、106b、106c形成了三层煤气喷口108，以高低形式布置的空气分流道107a、107b、107c形成了三层空气喷口109，同时，下两层煤气喷口与上两层空气喷口以喷口交替布置的形式对应同标高层设置，这样，在喷入空、煤气的过程中能同步实现空、煤气在层间的交错旋流混合，以使得入空、煤气混合更均匀，燃烧效率更高；通过局部的空煤气非化学当量配比，采用浓淡燃烧，即能配合实现降低燃烧烟气中nox的含量的目的。另外，该设置还能使燃烧着火位置提前，这样有助于更充分地利用热风炉的燃烧室，有利于提高燃烧器的能力，使燃烧器的温差减小，从而有利于提高燃烧器耐材的使用寿命。
[0049]
另外，为更好的配合浓淡燃烧，同一空煤混合层中，煤气喷口108与空气喷口109的数量相同。
[0050]
该顶燃式热风炉中，蓄热室3的下部设有集气室5，蓄热室3内设有蓄热体6且蓄热体6通过支撑设备7设置在集气室5的上方。此处的支撑设备7包括由下至上依次设置的支柱701、托梁702以及梅花孔炉箅子703；蓄热室3底部与支柱701相对应位置处设有排烟口301与冷风入口302，其中冷风入口302也可以从排烟口301进入。
[0051]
该顶燃式热风炉中，陶瓷内衬2是由多层耐火材料砌筑而成，陶瓷内衬101的工作层可选用抗热震性优良的耐材，而混合室4的下边缘与锥段燃烧室2相连接，整个陶瓷燃烧器1中的陶瓷内衬101以及锥段燃烧室2分别通过砖托8作用在金属质外壳9上。
[0052]
以某顶燃式热风炉为例进行说明：
[0053]
设置在金属外壳9内的耐火材料按其组成的功能部位由上至下依次为(空煤气)混合室4、锥段燃烧室2、蓄热室3以及集气室5。其中蓄热室3与下部的集气室5间有用于支撑蓄热体6的支撑设备7。
[0054]
该顶燃式热风炉中的陶瓷燃烧器1上设有三层空气喷口109以及三层煤气喷口108，其中两层煤气喷口对应与两层空气喷口以同标高层形式间隔布置，在该陶瓷燃烧器上，共形成四层喷口层，由上至下依次为：煤气喷口层、空-煤气喷口层、空-煤气喷口层以及空气喷口层。而在水平面上，煤气喷口与空气喷口绕圆周方向交错布置。通过局部的空煤气非化学当量配比，采用浓淡燃烧即可实现降低燃烧烟气中nox含量的目的。
[0055]
空气由一根空气引入管104引进入空气环道105中，空气环道105上由上至下连有三组(亦为“三层”)空气分流通道107a、107b、107c，其中空气分流通道107a、107b为同一进口，出口则分成两层，三层空气分流通道107a、107b、107c在混合室4的壁面上对应形成三层空气喷口。
[0056]
空气从空气环道105经由三组空气分流通道107a、107b、107c以及与每个空气分流通道所对应的空气喷口进入到混合室4中。为同一进口的两层空气分流通道107a、107b中的第一层空气分流道107a引至第二层煤气分流道106b层，并与其间隔交替布置。由下至上的三层空气喷口层中，最下一层仅有空气喷口；其余两层均为空-煤气喷口层，包含空气喷口与煤气喷口。为进一步加强混合，三层空气喷口在水平面上其中心轴线与燃烧器半径线的夹角α1为15
°
～30
°
；为了进一步加强混合，三层空气喷口在竖直面上其中心轴线混合室竖直轴线间的夹角β1为60
°
～75
°
。
[0057]
对应的，煤气由一根煤气引入管102引进入煤气环道105中，煤气环道105上由上至下连有三组(亦为“三层”)煤气分流道106a、106b、106c，其中煤气分流道106b、106c为同一进口，出口则分成两层，三层煤气分流道在混合室4的壁面上对应形成三层煤气喷口。
[0058]
煤气从煤气环道103经由三组煤气分流通道106a、106b、106c以及每个与煤气分流通道对应的煤气喷口进入到混合室4中。为同一进口的两层煤气分流通道106b、106c中的第三层煤气分流道106c引至第二层空气分流道107b层，并与其间隔交替布置。由上至下的三层煤气喷口层中，最上一层仅有煤气喷口，其余两层均为空-煤气喷口层，包含空气喷口与煤气喷口。为了进一步加强混合，三层煤气喷口在水平面上其中心轴线与燃烧器横截面半径的夹角α2为15
°
～30
°
；为了进一步加强混合，三层煤气喷口在竖直面上其中心轴线混合室轴线间的夹角β2为60
°
～75
°
。通过空煤气多层交错旋流混合，使空煤气混合的更均匀，燃烧更充分，从而使燃烧效率得到了提高。
[0059]
该顶燃式热风炉在燃烧期，煤气和(助燃)空气分别通过煤气引入管102和空气引入管104进入陶瓷燃烧器1，然后从煤气喷口108和空气喷口109交错旋流喷出，在混合室4混合好后，进入锥段燃烧室2进行燃烧，通过控制各煤气喷口108与空气喷口109的配比，按非化学当量配比，采用浓淡燃烧实现降低燃烧烟气中nox的含量，烟气中较少的nox的含量对高温炉壳产生较小的应力腐蚀，高温烟气后进入蓄热室3，烟气将热量传递给蓄热体6后，进入下部的集气室5，最后通过排烟口301排出，烟气中剩余的热量，还可以通过余热回收装置将该部分热量回收给空、煤气，烟气中较少的nox的含量对余热回收装置产生较小的低温段露点腐蚀。
[0060]
该顶燃式热风炉在送风期，冷风从下部的冷风入口302进入集气室5，穿过蓄热室3，与高温蓄热体6发生热交换，将冷风加热为热风，从上部的热风出口201排出送给高炉，用于高炉的冶炼。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

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