用豫兴热风炉技术改造内燃式热风炉.doc

用豫兴热风炉技术改造内燃式热风炉陈维汉1 陈维汉 华中科技大学教授；2 伍积明 中冶赛迪总工程师；3 刘世聚 豫兴公司董事长 伍积明2 刘世聚3（河南豫兴热风炉工程技术有限公司）摘要：本文在分析内燃式热风炉存在的结构与性能上的问题之后，对豫兴热风炉主要技术性能进行充分的阐述，指明该炉型具有稳定的整体结构和突出的流动、传热与燃烧性能，是目前能够实现高燃烧强度、高传热效率、高热风温度，且能够安全稳定运行的先进热风炉炉型。这里提出了利用豫兴型顶燃式热风炉对内燃式热风炉进行全面技术改造的合理方案，包含燃烧室、燃烧器、蓄热室、火井通道、以及管路改变的具体处理方案，以使得内燃式热风炉重新在高温、高效、稳定、安全的运行中发挥作用。1、国内热风炉发展现状目前，国内热风炉技术逐步向着节能高效、提高风温、延长寿命的方向发展【1】、【2】。自从引进新日铁的外燃式热风炉、霍戈文内燃式热风炉、卡卢金的顶燃式热风炉等先进热风炉技术以来（见图1），国内相继以此为样板针对国内具体情况进行了长期的热风炉研究与开发【3】、【4】、【5】。近年来，尤其是将燃烧器放置在蓄热体上部的顶燃式热风炉的研制工作取得了长足的进展，如：煤气与助燃空气内混合的带高速预燃室的顶燃式热风炉，以及各种新的预混合模式的顶燃式热风炉等，将顶燃烧热风炉的应用技术推上了一个新的高度【6】。对于以卡卢金为代表的顶燃式热风炉要在保证良好性能的前提下必须处理好结构上的一个关键问题，也就是小直径预燃室（或预混室）与锥形燃烧室连接组成的一个热风炉拱顶（一个类似于瓶颈状热风炉锥段拱顶）的结构问题（如图2a所示）。这种炉顶（或拱顶）结构对于外混合燃烧模式，在加热燃烧期间上部预燃室温度低于下部燃烧室温度，而在冷却送风期间其温度又与下部燃烧室差不多，温度的变化使预燃室本身的结构受到影响，而在与锥段燃烧室相连接的部位也会因温差的存在而产生热应力。如果在材料的选择上不合理，很可能导致结构的不稳定。对于内混合燃烧模式，在燃烧期间上部的预燃室实际上是一个高速燃烧室，是处在高温与高速气流的冲击之下的，尤其是在与燃烧室连接处的颈部位置，这对耐火材料的品质提出了新的挑战。总之上述炉型结构都存在着对热风炉使用寿命产生影响的结构问题，处理不当后果十分严重。另一个主要问题是，该类炉型结构必须采用旋流流动模式才能保证流场的稳定性和燃烧的稳定，由此而来的是产生进入蓄热室气流分布与温度分布的极不均匀（如图3b所示）。这不仅降低了传热效果和蓄热体的利用率，而且会导致不同位置的蓄热体受到不同温度气流的加热与冷却，从而引起蠕变和热缩的效果不一样，蓄热体的不均匀塌陷就会出现，进而是传热效果变得更差。至于以霍戈文型热风炉为代表的燃烧火井（通道）平行于蓄热室的内燃式热风炉，火井的燃烧震荡（脉动）与隔墙温度的周期变化是影响结构不稳定的相互作用的两个重要因素，因而燃烧火井与蓄热室之间的隔墙容易出现问题（如图2b所示），是结构稳定的重要隐患。随着霍戈文技术的引进，矩形陶瓷燃烧器的应用一定程度上克服了燃烧震荡的问题，对悬链线拱顶的推广应用和对火井隔墙砌筑上的合理处理，也保证了炉子的安全稳定运行。这也推动了内燃式热风炉在大型热风炉上的发展。但是，在国内还有数目众多的小型热风炉在运行，他们并没有完全采用霍戈文技术，致使这些热风炉仍然存在燃烧震荡问题、火井隔墙在热应力的作用下出现裂缝，导致漏风现象，其结果是燃烧效果差、热风温度低、热效率低，并存在安全隐患。此外，气流流场的分布也是不均匀的，结构特征也决定其流场不可能均匀（见图3c）这样的热风炉根本谈不上长期、高效、稳定地运行。在适当的时候进行热风炉的彻底改造是唯一的选择。针对上述热风炉存在的现状，有必要寻找一种能够实现高强度稳定燃烧并能有均匀的燃烧后气流分布进入蓄热室的的燃烧室结构，去解决带预燃室顶燃式热风炉不均匀的气流分布的问题；去处理内燃式热风炉气流不稳定、隔墙热应力大、燃烧传热性能差等问题。这里提及的豫兴型顶燃式热风炉（如图2c所示），它应该是最能有效地解决上述问题的热风炉炉型。该热风炉的燃烧室采用霍戈文炉型的悬链线形的大拱顶，利用卡卢金外混合的环形陶瓷燃烧器结构，为了取消旋转气流而采用逆向喷射之后折返形成均匀稳定气流的模式，将带有垂直上喷喷嘴的环形燃烧器放置在拱顶燃烧室底部。这也就构成了一种称之为热风炉反向喷射燃烧后高温烟气折返的燃烧技术（可简称为反冲燃烧技术）。这种热风炉的主要技术特征是：煤气与助燃空气分别从喷嘴喷出后在预混合环道内混合后向上流动，再经回旋烟气流的预热而着火燃烧；燃烧气流（烟气）经拱顶后向下折返，在气流上下运动的过程中形成环状涡旋，造成部分烟气成回旋运动状态，从而起到预热与点燃煤气与助燃空气的混合气流的作用；而中部烟气因受涡旋中低压强的牵引作用，以逐步发散的流态向下流出燃烧室；选取合适的燃烧室高度与蓄热体的堆放形式，就能够获得进入蓄热体的均匀气流分布；由于上喷过程中完成燃烧致使进入蓄热体的烟气温度的分布极为均匀；结果是高强度的燃烧过程与高效率的传热过程在这种热风炉中实现了完美的结合（见图3a）。2、豫兴型热风炉的主要技术性能豫兴型顶燃式热风炉是指一种具有悬链线拱型炉顶、并带有设置在拱顶下部的环形布置且垂直向上喷射型燃烧器的顶燃式热风炉。该型热风炉具体结构包括：悬链线拱顶、陶瓷燃烧器与部分炉墙组成的燃烧室，圆筒形炉墙围成的蓄热室，炉体下部为冷风室，它与蓄热室之间装有炉箅子以支撑蓄热室中放置的蓄热体，并布置冷风进口和烟气出口；炉顶上有热风出口，陶瓷燃烧器的墙体内有环形布置的煤气分配环道和助燃空气分配环道，煤气环道上部和空气分配环道的下部都分别引出垂直向上的数十个煤气喷管与空气喷管，两种喷管的出口（即喷口）沿陶瓷燃烧器顶部的预混合环道的底部交叉均匀布置；在陶瓷燃烧器煤气分配环道和助燃空气分配环道的外墙体上分别有与之垂直的煤气入口管和助燃空气入口管。燃烧室（包括炉顶、陶瓷燃烧器以及空气环道和煤气环道）支撑在炉壳结构上，使之与蓄热室大墙间形成各自可以自由移动的结构。基于上述结构特征而设计的新型顶燃式热风炉，其不同于或优于其它热风炉的显著特点可以归纳如下： 煤气、空气垂直向上喷射，在热风炉内借助于高温烟气的回流对其进行高温预热，经交错喷射使其完全充分混合而燃烧，达到燃烧充分与燃烧温度高的目的； 煤气、空气垂直向上喷射而混合燃烧之后，受热风炉拱顶的作用向下折返，形成温度与速度分布都较为均匀的向下热气流，再进入热风炉蓄热体的上部，从而使蓄热体受热均匀，有效增加单位蓄热体的换热能力，明显提高蓄热体的利用率，有利于实现高热风温度和低热风温度变化的工艺要求； 利用折返气流形成的回流流场与配合恰当的燃烧室结构，可以形成稳定的流场结构，从而使燃烧过程更加稳定，有效避免燃烧震荡问题，增强了燃烧室的热负荷调节能力，能够实现热风炉安全、稳定、高负荷运行； 由于采用煤气与助燃空气分别交叉垂直上喷，煤气射流与空气射流在燃烧室中混合燃烧，有效避免了燃烧过程产生回火的可能性，提高了热风炉操作运行的安全性； 由于燃烧室可以采用高热负荷运行状态，蓄热体中气体标态流速可以选取较大数值，从而增强蓄热体与气流间的传热强度，进而有效减少单位鼓风量的蓄热体材料的重量，有效地节省了热风炉的初投资； 采用悬链线拱形结构的拱顶，减小了上部拱顶的曲率半径，具有良好的受力结构与稳定性，能有效增加热风炉的使用寿命； 燃烧器设置在拱顶的基部并与之构成一体形成燃烧室组成，由于其墙体不论在燃烧周期还是在送风周期均处于相同的热稳定状态，十分有利于热风炉稳定长寿命地运行； 将燃烧室组成设计成由炉壳支撑，有效地将其与蓄热体大墙分离，之间配合迷宫式滑移缝连接，以保证蓄热体大墙在运行过程中温度周期性变化造成的上下移动不受阻碍，有效延长炉体使用寿命； 煤气与空气分配环道均设置在炉体大墙外，使之不论在燃烧周期还是在送风周期，均能保持在不高的温度状态且变化较小，保证其运行状态良好； 燃烧器的煤气与空气出口喷嘴部分在受炉膛辐射与气流变化的影响温度变化较大，当采用喷嘴上部设置能自由膨胀的矩形截面的预混合环形通道后，就能有效克服这一问题；该环道还能起到加强气流混合、均匀气流分配的作用，因而使燃烧过程得到进一步改善； 煤气环道和空气环道的进气管为切向接入，或者 采用气流均匀装置可使得各自均匀布置交错排列的几十个出口喷嘴管中能得到平均误差小于5%速度分布，从而改善周向的气流混合，提高气流分布的均匀性，从而整体提高燃烧与传热效率；总之，该型顶燃式热风炉，结构独特而新颖，有效而巧妙地解决气流混合、气流稳定、气流均匀分布、与烟气预热等燃烧过程的关键问题，实现火焰稳定、提高燃烧强度、防止燃烧震荡、改善传热效果，从而提高热风炉效率、增强负荷调节功能、保证运行的安全与稳定，实现节省燃料、节约投资的目标。基于合理的热稳定结构的应用，使得热风炉的使用寿命得到有效的延长。3内燃式热风炉的改造方案3-1热风炉技术参数的重新设计与优化将原有的内热风炉的各个部位（或结构）尺寸测量之后，参照原有的技术参数对热风炉进行重新设计，其目的在于，一则检测新炉型是否满足原有高炉的送风量与送风温度的要求，二则确定采用豫兴热风炉后的燃烧室与燃烧器的结构尺寸以及蓄热体的大小，三则是基于现有炉子的结构尺寸利用计算程序来优化热风炉的技术参数，使其能够提供更高质量与数量的热风。一般而言，内燃式热风炉炉身普遍较高，炉体内直径也偏大（这是燃烧器火井占据了一部分蓄热体容积所致），这为采用豫兴热风炉炉型和进行技术参数优化提供了回旋余地。比如：就其炉身较高，且在取消火井墙之后换热-蓄热面积就会增加很多，设计中可以在内层砌筑一圈承载墙减小直径以减少换热-蓄热面积，可为新炉子增加蓄热体的设计高度，以降低排烟温度，也能在换热-蓄热面积不变条件下延长送风时间或者保持送风时间不变而减小热风温度波动。经过计算程序的计算一定可以寻找到用户满意的优化的技术参数。3-2原热风炉改造的具体方案 当新设计热风炉的技术参数确定之后，就可进行热风炉结构设计，确定其形状与大小，特别是燃烧室的尺寸、燃烧器的大小、蓄热体的高度与直径、以及热风管等管口尺寸等。按照结构尺寸选择对原有热风炉结构进行恰当处理，通常有如下三种改造方案：方案1（整体改造）：保留热风炉的外壳与蓄热室的大部分墙体，拆除拱顶之下到蓄热室的某个位置，为砌筑新型燃烧器和燃烧室留出空间；拆除原来的燃烧室火井与燃烧器；采用蓄热室内墙再砌筑一圈耐火砖的办法减小蓄热室的内直径；增加蓄热体格子砖或调整（也可能更换）格子砖，这要由设计数据确定；补充或更换炉箅子（依照蓄热体直径和格子砖砖型情况而定），并补充炉箅子支撑；去掉原热风炉的热风出口、煤气进口、助燃空气进口，而冷风入口与烟气出口不动；由此需要更改一些热风管、煤气管、助燃空气管的管路；操作平台以及控制系统可能会相应进行一些调整性的改变。方案2（不完整改造）：保留热风炉的外壳与蓄热室的大部分墙体，拆除拱顶之下到蓄热室的某个位置，为砌筑新型燃烧器和燃烧室留出空间；拆除原来的燃烧室火井与燃烧器，新建热风通道火井；增加蓄热体格子砖或调整（也可能更换）格子砖，这要由设计数据确定；补充或更换炉箅子（依照蓄热体直径和格子砖砖型情况而定），并补充炉箅子支撑；仍然利用原热风炉的热风出口，仅改变煤气进口、助燃空气进口，而冷风入口与烟气出口不动；由此需要更改煤气管、助燃空气管的管路；操作平台以及控制系统可能会相应进行一些小的调整。方案3（简单改造）：保留热风炉的外壳与蓄热室的大部分墙体，拆除拱顶之下到蓄热室的某个位置，为砌筑新型燃烧器和燃烧室留出空间；不拆除原来的燃烧室火井与燃烧器，仅对隔墙做加固和防串风处理；蓄热体格子砖不需进行调整，炉箅子也不必更换；原热风炉的热风出口不变，但煤气进口、助燃空气进口要改动，而冷风入口与烟气出口不动；由此，仅需要更改煤气管、助燃空气管的管路走向；操作平台以及控制系统基本不用调整。3-3对内燃式热风炉进行技术改造方案的评价在三个方案中第一个方案是最佳的技术方案，他能完整地体现出豫兴热风炉的主要结构特征和性能指标，因为改造后的热风炉与新建的豫兴热风炉没有任何差别。它具有良好的流动特征与燃烧性能，且进入蓄热室的气流速度与温度分布双均匀，具有传热效果好和蓄热体利用率高，且能保证蓄热体格子砖的长期安全运行。但是投入的经费需要量最大，炉子的改动也是最大的。第三个方案是最差的方案，虽然能节省大量的费用，对系统也只是做不多的改动，但所得到的改造效果却不能令人满意。改动后的炉子在燃烧室中流场特性与燃烧性能得到了极大改善，但进入蓄热体的流场因为有原来燃烧室火井存在而分布不均匀，致使传热效果欠佳，且格子砖利用率也不高。由于原来的火井没有拆除，蓄热面积没法进行调整，要进行整个的技术参数的优化几乎是不可能的。但是，这个方案的特点就在于节省投资，避免了对热风管道的改动，且改造过程时间较短。比较而言，采用第二个方案是一个折中的方案，蓄热室流场特性有了一定改善，且不用改动热风管路。整体效果虽不如第一方案，也好于第三方案。从时间与经费节省的角度考虑，应该是能够让更多人接受的方案。4 结 论从上述讨论可以看出，豫兴热风炉既具有满足高强度燃烧和高效率传热的整体结构，还在局部结构组合上日趋完善；由于现存内燃式热风炉在外形结构与豫兴热风炉的相似性，将其进行技术改造时豫兴热风炉应该是首选的炉型结构。可以肯定地说，经过整体改造后的炉体结构与豫兴热风炉结构并无二致，其性能也将会与豫兴热风炉完全一样。这样，在很少的投入（仅仅是一次大修的费用）下就可以获得新型热风炉的技术特征，从而实现高效、高温、安全、稳定运行的热风炉，进而实现高炉增收与节能目标。参考文献：【1】吴启常 苍大强： 我国热风炉的现状及提高风温的对策 炼铁2002年 第5期【2】刘全兴：我国高炉热风炉的新技术应用回顾与展望 炼铁2007年 第2期【3】文经国：霍戈文热风炉技术的应用炼铁 2002年21卷1期 【4】唐兴智 唐冬宁 汪浩 陈静