豫兴顶燃式热风炉炉体结构的技术分析(修改)

1、豫兴顶燃式热风炉炉体结构的技术分析刘世聚 刘世聚 董事长 电话陈维汉 陈维汉 教授 总工程师 电话郑州豫兴耐火材料有限公司）摘要：由于豫兴型顶燃式热风炉采用了不同于其它大多数常规炉型的炉型结构，有必要针对所采用的各种结构以及相互间的关系，从力学常识与实际经验的角度进行分析，以便定性地证明该炉型具有良好而稳定的力学结构，能够承受高强度燃烧、高效率传热、高送风温度下的力学载荷，能够实现长期、安全而稳定地运行。1、引 言图1a豫兴热风炉燃烧器 b卡卢金热风炉燃烧器出口气流速度分布出口气流速度分布燃烧器燃烧器喷嘴燃烧器空气喷嘴燃烧器煤气喷嘴锥段拱顶燃

2、烧室预燃室悬链线拱顶燃烧室在热风炉技术逐步向着高强度、高效率、高风温、低能耗、省投资、长寿命方向发展的形势下，研究出能与之匹配新型热风炉应该是其发展的方向【1】、【2】。自从引进新日铁外燃烧热风炉、霍戈文内燃式热风炉、卡卢金带旋流预燃室的顶燃式热风炉等先进热风炉技术以来，对国内热风炉技术起到了巨大的推动作用【3】、【4】、【5】。相继在上述炉型基础上进行新炉型的开发与研究，尤其是顶燃式热风炉的研制工作取得了长足的进展【6】。但是，该热风炉的小直径预燃室（或预混室）与锥形燃烧室连接组成的一个热风炉炉顶（一个类似于瓶颈状热风炉拱顶）的结构是一个关键问题（如图1b所示）。这种炉顶（或拱顶）结构对于外

3、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，而在与燃烧室相连接的部位也会因温差的存在而产生热应力，从而导致结构的不稳定。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，这对耐火材料的品质提出了新的挑战。同时，旋转气流造成进入蓄热体气流的温度与速度的双不均匀，也是制约该种热风炉获得良好传热效果与提高蓄热体利用率的主要瓶颈，以及由此带来的蓄热室格子砖的不均匀沉降。总之，带有预燃室结构的热风炉存在的上述问题已经无法从自身结构调

4、整来加以解决。豫兴热风炉就是在对上述炉型进行深入分析的基础上提出的能从根本上解决上述问题的一个能够实现高强度稳定燃烧的燃烧室结构的热风炉【2】、【3】（如图1a所示）。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

5、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，从而起到预热煤气与助燃空气的混合气流的目的；而中部烟气因受涡旋低气压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。这种使气流的速度分布与温度分布双均匀的燃烧器，就能实现高强度燃烧过程与高效率传热过程在这种热风炉中完美结合，产生出意想不到的效果。在已经运行的三套热风炉中有两套在空气单预热下实现1200度的高风温，一套再不预热下实现1100度的热风温度。同时，烟气分析表明，不含一氧化碳，氧气体积浓度0.

6、2%，表明良好的燃烧状态。在新炉型拥有良好性能的基础上，其结构的稳定性是一个值得关注且值得深入探讨的问题。下面将对新炉型各个组成部分的结构特征进行较为详细的对比分析，以便在一定程度上定性地说明该炉型能实现长期稳定地运行，以期达到一代炉龄三十年的使用寿命。2、热风炉的燃烧室结构2-1燃烧室的悬链线拱顶热风炉使用寿命在很大程度上与设置在高温区域的拱顶使用寿命密切相关。在目前使用的热风炉中，其拱顶结构不外乎有如下4种类型：半球形拱顶、圆锥形拱顶、以悬链线为母线的旋转形拱顶、以及鸭舌帽形拱顶。在这4种拱顶结构中，第一、第二、及第四种拱顶结构的受力状态，尤其是在高温下的受力状态均不太理想，而第三种拱顶结

7、构是霍戈文50年代末期在爱因莫登公司设计建造的4000m3高炉用内燃式热风炉中首次采用。该热风炉的拱顶结构，到目前为止已有近六十年的使用历史，结构的稳定性受到了时间很好的检验。这种链索状物体在重力场作用下的自然悬垂所形成的形状，其内部具有很好的受力状态，通常称之为悬链线。如果将悬链线反转过来，原来良好的内部受拉应力的情况变成了良好的受压应力的状态。显然，以悬链线围绕其对称轴旋转而产生的悬链线拱顶结构就会有一个理想的受压应力状态。在最早的赵州桥，现在的铁路、公路中应用的拱桥、以及有拱形结构的蒙古包等，实际上都是悬链线拱顶的各种应用的例子。在新密、巩义以及景德镇等陶瓷材料烧制用的倒焰窑上也都是采用

8、类似悬链线形的拱顶，使用中确实很少有拱顶倒塌的现象发生，而热风炉悬链线拱顶结构的高度和直径之比是1.5：1，其受力状态应远好于倒焰窑的1：1高径比的结构。因此，新炉型采用悬链线拱顶结构能有效地保证热风炉安全而稳定地长期运行（如图2所示）。2-2拱顶的支撑结构燃烧器环道分配隔墙燃烧器环道燃烧器喷嘴燃烧器预混环道悬链线拱顶蓄热室与燃烧器之间的迷宫式连接燃烧器支撑结构拱顶支撑结构图2 拱顶与燃烧器结构与支撑图拱顶结构的稳定与其支撑关系很大，支撑基础不稳定就会导致整个拱顶结构变形，受力状态也就会发生改变。由于拱顶是支撑在燃烧室的圆筒形墙体上，为保证墙体的坚固，以及墙体之下的燃烧器，均采用相互咬合且层层

9、相扣的耐火砖砌筑。燃烧器墙体与燃烧器的砖型结构是否合理，是否相互咬合，是否能构筑成坚固的整体，砖型结构的设计是关键。因此，我们在设计墙体及燃烧器的砖形时，注意从结构的受力、构筑的整体性，支撑的合理性等方面进行综合考虑，使燃烧室和燃烧器都能实现各自的稳定性和耐久性，也能达到整体的坚固耐用，从而保证热风炉使用寿命。2-3燃烧器结构与设置经验表明，热风炉的使用寿命终取还是决于热风炉燃烧器的使用寿命，因为常规下热风炉的燃烧器都是处于比较恶劣的运行环境之中的。因此，改变燃烧器的运行环境和改变燃烧器的结构是争取达到一代热风炉三十年使用寿命的关键。为此，豫兴型热风炉的燃烧器的主要部分设置在蓄热体大墙与钢壳之

10、间的温度较低的区域，不会受燃烧室高温的影响，且不论在燃烧阶段还是送风阶段环境的温度变化都不大；另一方面，前面已经提到，燃烧器的环道墙体都是带凸凹槽镇扣的砖紧扣为一体，即使砖体的收缩、膨胀也是在凸凹槽作用下作周向膨胀，而对环道和对炉壳均无外向膨胀力作用。显然，这样的热风炉燃烧器结构与布置是合理的，能有效地保证热风炉长期稳定运行，使得燃烧器能满足一代热风炉三十年以上的寿命的要求。2-4燃烧器喷嘴的有效保护燃烧器虽然设置在燃烧室底部的蓄热体外墙体与外壳之间，但燃烧器喷嘴必须暴露在燃烧室高温环境中。不可避免地有一部分煤气与助燃空气的喷嘴通道会受到热风炉温度周期波动的影响，长期交变的热应力作用必然会造成

11、喷嘴热损毁。为此，在燃烧器喷嘴出口上部设置一个与喷嘴等宽的周向约600mm深的一环形槽道，喷嘴在环道底部均匀布置（如图2所示）。环形槽道能在送风阶段有效降低燃烧室与喷嘴间的辐射传热而致使喷嘴温度下降，从而减小喷嘴温度的周期变化，也就避免了喷嘴长期暴露在燃烧室中造成的损坏。此外，这种结构有助于煤气与助燃空气的预混合，使得燃烧着火过程得以提前，进而改善燃烧状态。由于构成环道部以及燃烧器喷嘴的砌筑材料要应用在热风炉中工况条件最差部位，选用一种抗热震砖HRK（其抗热震次数大于100次，是目前最好的抗热震砖）作为砌筑材料，以增强燃烧器的结构稳定性。这样就使得燃烧器从结构到材质都具有了长期稳定运的条件。3

12、整体布局的结构处理3-1燃烧室与蓄热室的连接与炉墙结构热风炉的各个部位（或结构）处在不同的温度变化区域，由温度引起的热应力分布是不同的，因而导致不同的形式的体积涨缩。由于燃烧室处于高温环境，且温度变化比较小，加之将其放置在温度变化不大的燃烧器上，因而周期性体积变化比较小。但是蓄热室却不同，周期性的温度变化较大，加上长筒状的结构（高径比值较大），因而温差改变引起的高度方向的绝对热胀变化量大。如果将上述两个结构刚性连接，就会造成蓄热体的过大的承重和整体上下移动，这又会给连接管路带来附加应力。为了保证整个炉体结构的稳定与安全，必须将炉燃烧室与蓄热室分开支撑，相互间构成柔性连接。由此将燃烧室支撑在热风

13、炉的外钢壳之上，而蓄热室落座在热风炉基础上，相互之间采用迷宫密封的方式连接。这样燃烧室与蓄热室各自的膨胀与收缩都是自由的，相互没有明显的影响。同时由于燃烧室的相对稳定也不会给其它连接管道带来附加应力。（如图2所示）。除此之外，在炉墙砖型设计时根据材料的性能选择涨缩缝隙与砖型大小，为限制不均匀胀缩引起结构变形，特将该炉体的大墙砖设计成上、下砖凸凹槽使单体砖的胀缩限制在凸凹槽活动间隙内，而且迫使其按预留的涨缩缝而周向膨胀，以有效保证炉体结构的稳定性。3-2热风出口与燃烧室的连接在燃烧室墙体上热风出口设置的好坏也是影响热风炉结构稳定的重要因素。在国内外热风炉的热风出口处出现问题是十分常见的事情，如新

14、日铁设计生产的宝钢2#高炉的4#热风炉出现热风出口掉砖，其砖体脱落情况【7】，这显然会影响到热风炉的使用寿命。经验表明，由于组合砖的砖型多，几乎一砖两块，无法实现机制成型，而手工成型，密度小，气孔大，强度极低。这是热风出口组合砖在高温下损坏的主要因素。因此，在目前工艺无法生产高强度、高密度组合砖的情况下，应排除使用手工制作的组合砖，实现机压以保证热风出口结构在高风温下稳定运行的首选方法。3-3 喷嘴环道与燃烧室墙壁的合理间距 我们知道，煤气、空气混合燃烧后形成的高温烟气一般都在1400以上，且由于气流的升温膨胀速度显著提高，一般不希望对燃烧室内壁面造成危害。因此，喷嘴出口一定要与壁面保持一定距

15、离。此外，由于悬链线拱顶收缩的曲面，为了防止喷嘴喷出的高速气流燃烧后直接喷吹到炉墙上，拱顶下面一段垂直高度的炉墙是必须的，以便于射流有逐步扩散减速的空间。只要充分考虑这两个因素来设计燃烧室的合理结构，就能够有效避免高温高速的射流对炉墙和拱顶造成损害，使它们的温度保持在安全范围之内。3-4 燃烧器气流环道结构的调整由于煤气和助燃空气的喷嘴是均匀分布在它们各自的环形通道上的，而煤气与助燃空气管是在环道的某处接入的，那么煤气与空气喷嘴的出口速度分布就不可能均匀。这样不均匀气流喷出会严重影响燃烧室中气流的速度分布与浓度分布，进而使燃烧状况变坏，致使进入蓄热体的烟气温度与速度的分布不均匀。为此，进行环形

16、通道的递减坡度大小的试验，在按比例制作煤气与空气环道分别通入两种气体，根据混合气体火焰情况进行环道坡度调节，找到最佳的均匀燃烧状态就是气流分布均匀的通道截面递减的合适的坡度。4 结 论从上述对豫兴型热风炉结构的分析可以看出，该炉型具有满足高强度燃烧和高效率传热的整体结构，且具有优良的力学性能，经过炉体各部位的合理设置，使之能在高温和高温差条件下安全稳定地运行。当然，继续深入地进行理论上的定量分析与评价是不可或缺的，实际运行情况的跟踪分析处理也是必须坚持要去做的工作。可以相信，经过不断地努力新型热风炉的结构将会进一步完善，其性能将会逐步提高。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