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熱風爐陶瓷燃燒器的研究與應用

發(fā)布時間：

2020-08-31

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前言

熱風爐是高爐煉鐵的主要輔助設備，而燃燒器又是熱風爐的主要組成部分，是熱風爐的供熱裝置。它的工作正常與否直接影響熱風爐在燃燒期能否給格子磚提供足夠的熱量，向高爐提供穩(wěn)定的風溫。同時，燃燒器設計的合理與否，也將影響格子磚的使用壽命。因此，國內外煉鐵工作者對燃燒器的研究、設計與應用一直擺在一個極為重要的位置。

從熱風爐發(fā)展的歷史來看，自1857年考貝式熱風爐投入應用以來已經(jīng)過了160年。在這段100多年的歷史中，隨著煉鐵技術的進步，要求熱風爐提供的風溫不斷增高。熱風爐結構形式也由內燃式、外燃式發(fā)展到了現(xiàn)在的頂燃式熱風爐。各種形式的熱風爐燃燒器不斷推陳出新，由內燃熱風爐用的古老的金屬套筒式長焰燃燒器發(fā)展到了現(xiàn)在的頂燃式熱風爐用的陶瓷短焰燃燒器。

要使燃燒器在工業(yè)應用中能滿足熱風爐向高爐的供熱，向高爐提供高風溫，保證格子磚安全高效利用，同時保證燃燒器在燃燒與送風交替的工況中長期穩(wěn)定工作，是熱風爐研究與設計工作者的首要任務。

各種熱風爐燃燒器的特點與工作原理

套筒式金屬燃燒器

舊式的內燃式熱風爐用的是金屬燃燒器。空煤氣通過水平布置的同心套筒分別進入火井，混合效果差，脈動燃燒情況比較嚴重。

圖1 套筒式金屬燃燒器

套筒式陶瓷燃燒器

空煤氣通道與噴口均由耐火材料制成。煤氣從中心噴口向上噴出，助燃空氣被外環(huán)眾多噴口分割成小股氣流以一定角度高速噴向中心煤氣流，使煤氣與空氣形成較好的混合，火焰末端高溫區(qū)處于熱風爐拱頂部位。

圖2 套筒式陶瓷燃燒器

柵格式陶瓷燃燒器

空煤氣通道與噴口均由耐火材料制成?？彰簹鈴娜紵鞯牡撞糠謩e形成單獨相間通道向上到達頂部后經(jīng)由柵格板分成細股使空煤氣達到較好的混合，這種燃燒器火焰長度較套筒式燃燒器短，廣泛應用于外燃式熱風爐使用。

圖3 預混型陶瓷燃燒器

預混型陶瓷燃燒器為爐外預混型大功率短焰燃燒器，燒嘴少，功率大，沿拱頂圓周切向燃燒，單燒嘴負荷大，燒嘴附近溫度高，氣流速度變化大，高溫集中在燃燒器附近，易燒壞燃燒器磚。通過數(shù)模仿真實驗可看出其燃燒氣流及溫度分布特點，高溫煙氣流沿拱頂切線由上而下旋流進入格子磚，格子磚表面高溫煙氣速度差異明顯，邊緣速度大，中心速度小，格子磚表面溫度分布不均勻，邊緣溫度高、中心溫度低，中心格子磚利用率偏低。

圖4 預混型陶瓷燃燒器示意圖及仿真模擬溫度分布圖

非預混型陶瓷燃燒器

非預混型陶瓷燃燒器為平面旋流燃燒器，煤氣環(huán)道在上，空氣環(huán)道在下，空煤氣被噴口分割成細股高速噴出，形成平面旋流通過喉口在錐形拱頂空間邊混合邊燃燒。燃燒器中心氣流直接向下進行格子磚，格子磚上表面高溫煙氣分布邊緣速度大、中心速度小。

圖5 非預混型陶瓷燃燒器示意圖及仿真模擬溫度分布圖

錐柱旋切三維混合陶瓷燃燒器

安耐克錐柱旋切三維混合非預混型陶瓷燃燒器，改變平面旋流燃燒器流場為三維交叉立體混合，混合效果更好，燃燒器中心負壓區(qū)更小，高溫煙氣在格子磚上表面分布更均勻，格子磚利用更充分。該燃燒器已成功應用于國內外1000 m³至3200m³共計60余座高爐近200座熱風爐。在節(jié)能、環(huán)保、高風溫方面取得了良好的使用效果。

圖6 錐柱旋切三維混合燃燒器示意圖及仿真模擬溫度分布圖

熱風爐燃燒器的研究內容與方法

熱風燃燒器主要研究內容

1）通過空煤氣混合方式找到不同熱風爐對燃燒要求的合理火焰長度，確定高溫區(qū)在燃燒室（拱頂）中心的位置?；鹧骈L度、高溫區(qū)位置通過燃燒器結構、空煤氣噴口位置、形狀及速度比等參數(shù)獲得。

2）通過對燃燒器在燃燒室（拱頂）空間的空氣動力學特性找到燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣流在格磚平面均勻分布的合理參數(shù)，為燃燒器合理設計提供依據(jù)。

3）對燃燒器用的耐火材料進行研究。通過研究找到一種與燃燒器工作環(huán)境相匹配的材料，既耐高溫又具有良好的抗熱震性，保證燃燒器燃燒與送風的不同工況下能穩(wěn)定長壽地工作。

熱風爐燃燒器的研究方法

熱風爐燃燒器的研究一般研究分為四個階段。

1）數(shù)模仿真研究：燃燒器初步設計完成之后，首先進行計算機數(shù)模仿真研究，確定它在工作狀態(tài)下的高溫空氣動力學特性，分析流場特點。它是冷態(tài)模擬實驗的前奏，在完成數(shù)模仿真之后，可以有的放矢地進行冷態(tài)模擬實驗。數(shù)模仿真研究可以節(jié)省人力、物力與時間，大大提高研究效率。

圖7 錐柱旋切三維混合燃燒器溫度分布圖

2）冷態(tài)模擬實驗:冷態(tài)模擬實驗是一種直觀的應用流體力學相似原理（幾何相似、物理相似、動量相似），測試燃燒器工作狀態(tài)下空氣動力學特性的研究方法。通過實驗找到空煤氣在燃燒室（拱頂）空間混合流動的運動規(guī)律，進一步驗證數(shù)模仿真研究結果，并為燃燒器的設計優(yōu)化提供理論依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。如空煤氣噴口的形狀、數(shù)量、角度、速度比、空煤氣通道及噴口的阻力系數(shù)、火焰長度、燃燒室氣流分布情況及運動軌跡等。

圖8 錐柱旋切三維混合燃燒器冷態(tài)模擬實驗

3）熱態(tài)模擬實驗：熱態(tài)模擬實驗裝置為熱風爐工業(yè)化設計提供的實驗平臺。該實驗裝置采用一燒一送的工作制度，每座試驗爐布置了290個熱電偶和若干個壓力檢測點及煙氣成分檢測點，驗證不同部位，不同工作狀態(tài)下的溫度場變化、壓力場變化和煙氣成分變化，分析得出爐內溫度和氣流分布規(guī)律。為提高燃燒器燃燒效率和改善格子磚蓄熱與放熱效率提供可靠的設計參數(shù)。

圖9 錐柱旋切三維混合燃燒器熱態(tài)模擬實驗

4）熱態(tài)工業(yè)測試:熱態(tài)工作測試是一種現(xiàn)場測試的方法，是對燃燒器在工業(yè)應用中實際工作狀況好壞的一種研究測試方法，是對所設計的燃燒器的最終鑒定。測試在熱風爐燒爐過程中進行，必須設計制作出測試用的高壓水冷測試槍、高溫鉑銠電偶與相配的儀器儀表、U型壓力計、取煙氣分析用的球膽等專用設備，通過燃燒室（拱頂）人孔預留的測試孔進行測試。主要測試內容為燃燒器正常工作狀況下燃燒室（拱頂）空間蓄熱室斷面上的溫度場分布、壓力場分布以及空、煤氣的化學不完全燃燒率的狀況，以此判斷與鑒定燃燒器工作的好壞。這是新型燃燒器投入工業(yè)應用必需的一項研究工作，它區(qū)別于計算機數(shù)模仿真研究與冷態(tài)模擬研究，對燃燒器進行再次改進提升，使燃燒器的設計更加完美提供直接的設計參考意見。

圖10 錐柱旋切三維混合燃燒器工業(yè)應用測試

結論

安耐克錐柱旋切三維混合陶瓷燃燒器已在國內外1000 m³至3200m³共計60余座高爐近200座熱風爐項目上成功應用。

采用錐柱旋切三維混合燃燒器的熱風爐，結構更緊湊、燃燒器功率更大。同等設計條件下可顯著降低工程材料使用量，降低工程投資約10%-18%；在空、煤氣預熱溫度和煤氣熱值等熱風爐能源介質條件相同時，送風溫度提高20℃~30℃。通過蓄熱磚孔徑、孔型、結構、材質的協(xié)同優(yōu)化，換熱效率提高20%以上。在合理的空燃比技術上采用三維混合渦旋燃燒器NOx排放≤50mg/m³。

未來熱風爐的發(fā)展必將是朝著高風溫、長壽命、低排放的發(fā)展方向，安耐克錐柱旋切三維混合燃燒器的應用已取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，特別適合我國高爐新建或改造使用。安耐克將持續(xù)致力于頂燃式熱風爐燃燒器的持續(xù)研究和優(yōu)化改進，為我國鋼鐵企業(yè)用戶提供高溫長壽、節(jié)能降耗、集約降資的頂燃式熱風爐燃燒器技術。

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