頂燃式熱風(fēng)爐

熱風(fēng)爐是為高爐加熱鼓風(fēng)的設(shè)備，是現(xiàn)代高爐不可缺少的重要組成部分?，F(xiàn)代大高爐目前最常用的是蓄熱式格子磚熱風(fēng)爐，蓄熱式熱風(fēng)爐按燃燒方式可以分為頂燃式，內(nèi)燃式，外燃式等幾種。其工作原理是先燃燒煤氣，用產(chǎn)生的煙氣加熱蓄熱室的格子磚，再將冷風(fēng)通過熾熱的格子磚進行加熱，然后將熱風(fēng)爐輪流交替地進行燃燒和送風(fēng)，使高爐連續(xù)獲得高溫?zé)犸L(fēng)。蓄熱式熱風(fēng)爐有燒爐、送風(fēng)兩種主要操作模式:將高爐煤氣燃燒對蓄熱室的格子磚進行加熱，即為"燒爐"操作模式，用蓄熱室格子磚對冷風(fēng)進行加熱并送風(fēng)到高爐，即為"送風(fēng)"操作模式。

內(nèi)燃式熱風(fēng)爐和外燃式熱風(fēng)爐最重要的缺陷，就是燃燒室。卡盧金博士發(fā)明的頂燃式熱風(fēng)爐，取消了燃燒室，因此消除了內(nèi)燃式和外燃式熱風(fēng)爐的主要缺陷，通過提高拱頂溫度獲得了前所未有的高風(fēng)溫。卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐在中國已經(jīng)取得了發(fā)明專利。

與內(nèi)燃式和外燃式熱風(fēng)爐相比，卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐占地更少、投資更小。

卡盧金熱風(fēng)爐(卡式熱風(fēng)爐)在結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了二代改型，與第一代卡式熱風(fēng)爐相比，第二代卡式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)更為合理、體積更小、燃燒器結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定、可靠，已經(jīng)廣泛地在中國(典型工程是5500立方米高爐)、日本(典型工程是5000立方米高爐)、俄羅斯(典型工程是5500立方米高爐，全面使用了20毫米孔徑格子磚)、烏克蘭等國家推廣使用;卡盧金公司首先發(fā)明并正在著力推廣的20毫米孔徑格子磚，與目前常規(guī)的30毫米孔徑格子磚相比，單位體積加熱面積由48平方米/每立方米提高到64平方米/每立方米，并且在熱風(fēng)爐整個運行期間不會發(fā)生渣化現(xiàn)象;卡盧金公司發(fā)明的獨立支撐的無梁式爐箅子系統(tǒng)，消除了有梁式爐箅子的弊端，允許廢氣溫度達到500度，因此提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了格子磚高度，是卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐的關(guān)鍵技術(shù)之一。

?卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐

--高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐的代表

卡盧金博士發(fā)明的卡式熱風(fēng)爐，突破了內(nèi)燃式和外燃式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)局限，使用硅磚等常規(guī)耐火材料可以達到1300~1400度的高風(fēng)溫，具備了現(xiàn)代熱風(fēng)爐高風(fēng)溫、低投資、長壽命的基本特征。在煤氣、助燃空氣雙預(yù)熱的條件下，僅僅使用高爐煤氣即可以實現(xiàn)1300度風(fēng)溫，在中國的京唐公司、安陽鋼鐵公司、太原鋼鐵公司都得到應(yīng)用。

世界煉鐵行業(yè)曾經(jīng)最多地使用內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，以及后來的改進型--外燃式熱風(fēng)爐.但是，近十余年來，卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐已經(jīng)成為發(fā)展速度最快的熱風(fēng)爐技術(shù)，本文對內(nèi)燃式、外燃式和卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐進行比較分析，結(jié)論是卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐是最具發(fā)展?jié)摿Φ臒犸L(fēng)爐技術(shù)。

目前，國內(nèi)熱風(fēng)爐技術(shù)逐步向著節(jié)能高效、提高風(fēng)溫、延長壽命的方向發(fā)展。自從引進新日鐵的外燃式熱風(fēng)爐、霍戈文內(nèi)燃式熱風(fēng)爐、卡盧金的頂燃式熱風(fēng)爐等先進熱風(fēng)爐技術(shù)以來，國內(nèi)相繼以此為樣板針對國內(nèi)具體情況進行了長期的熱風(fēng)爐研究與開發(fā)。近年來，尤其是將燃燒器放置在蓄熱體上部的頂燃式熱風(fēng)爐的研制工作取得了長足的進展，如:煤氣與助燃氣內(nèi)空氣混合的帶高速預(yù)燃室的頂燃式熱風(fēng)爐，以及各種新的預(yù)混合模式的頂燃式熱風(fēng)爐等，將頂燃燒熱風(fēng)爐的應(yīng)用技術(shù)腿上了一個新的高度。由于存在對國外技術(shù)不能很好的合理應(yīng)用，以及對這些熱風(fēng)爐本身固有的結(jié)構(gòu)與性能上的問題缺乏正確認識，在實際運行中并沒有收到其應(yīng)有的效果。同時，上述一些爐型基礎(chǔ)上的再創(chuàng)新工作做的也不一定到位，使得這些改進爐型在使用中出現(xiàn)不少的問題。

對于以旋切式頂燃式熱風(fēng)爐，在保證良好性能的前提下有必要處理好結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵問題，這就是小直徑預(yù)燃室(或預(yù)混室)與錐形燃燒室連接組成的一個熱風(fēng)爐拱頂(一個類似于瓶頸狀熱風(fēng)爐錐段拱頂)的結(jié)構(gòu)問題。這種爐頂(或拱頂)結(jié)構(gòu)對于外混合燃室模式，在加熱燃燒期間上部預(yù)燃室溫度低于下部燃燒室溫度，而在冷卻送風(fēng)期間其溫度又與下部燃燒室差不多，溫度的變化使預(yù)燃室本體的結(jié)構(gòu)受到影響，而在于錐段燃燒室相連接的部分也會因溫差的存在而產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果在材料的選擇上不合理，很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。對于內(nèi)混和燃燒模式，在燃燒期間上部的預(yù)燃室實際上是一個高速燃燒室，是處在高溫與高速氣流的沖擊之下的，尤其是在與燃燒室連接處的頸部位置，這對耐火材料的品質(zhì)也提出了新的挑戰(zhàn)?？傊鲜鰻t型結(jié)構(gòu)都存在著熱風(fēng)爐使用壽命產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)問題，處理不當(dāng)后果十分嚴重。另一個主要問題是，該類爐型結(jié)構(gòu)必須采用旋流流動模式才能保證流場穩(wěn)定性和燃燒的穩(wěn)定由此而來的是產(chǎn)生進入蓄熱室氣流分布與溫度分布的極不均勻。這不僅降低了傳熱效果和血熱體的利用率，而且會導(dǎo)致不同位置的蓄熱體收到不同溫度氣流的加熱與冷卻，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)，進而使傳熱效果變得更差。

至于以霍戈文型熱風(fēng)爐為代表的燃燒火井(通道)平行與蓄熱室的內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，這也是國內(nèi)廣泛使用的爐型，其火井燃燒室的燃燒振蕩(脈動)與隔墻溫度的周期變化是影響結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的相互作用的兩個重要因素。因而問題時常在燃燒火井與蓄熱室之間的隔墻出現(xiàn)，式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一大重要隱患。隨著霍戈文技術(shù)的引進，矩形陶瓷燃燒器的應(yīng)用一定程度上客服了燃燒振蕩的問題，對懸鏈線拱頂?shù)耐茝V作用和對火井隔墻砌筑上的合理處理，也保證了爐子的安全穩(wěn)定運行，他們并沒有完全采用霍戈文技術(shù)，這是這些熱風(fēng)爐仍然存在燃燒振蕩問題、火井隔壁在熱應(yīng)力的作用下出現(xiàn)裂縫、導(dǎo)致漏風(fēng)現(xiàn)象，其結(jié)果是燃燒效果差、熱風(fēng)溫度低、熱效率低，并存在安全隱患。此外，氣流流場得分布是不均勻的，結(jié)構(gòu)特征也決定其流場不可能均勻這樣的熱風(fēng)爐根本談不上長期、高效、穩(wěn)定的運行。在適當(dāng)?shù)臅r候進行熱風(fēng)爐的徹底改造是唯一的選擇。

目前，球床熱風(fēng)爐(屬頂燃式熱風(fēng)爐一類)因其具有體積小、投資費用省、運行操作方便、換熱效果好、熱風(fēng)溫度高的特點，在中小高爐煉鐵企業(yè)中普遍配置球床熱風(fēng)爐作為高風(fēng)溫度的提供者。由于其結(jié)構(gòu)與性能上的不足，廣泛存在如燃燒強度低、流動阻力大、球床利用周期短、燃燒器部位結(jié)構(gòu)損壞、熱效率提不高等自身無法克服的問題。目前使用組廣泛的球床熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)可歸納為兩類，大拱頂帶周向旋流噴射燃燒器(多為套筒燃燒器)的球床熱風(fēng)爐和帶多噴嘴噴射旋流混合(或內(nèi)混)預(yù)燃室的球床熱風(fēng)爐。對于帶套筒燃燒器的頂燃式球床熱風(fēng)爐，常常將燃燒器布置在拱頂下部，根據(jù)爐子的不同大小可以是一個到數(shù)個燃燒器不等。燃燒器氣流進入爐膛的方式也有不同，如單個燃燒器時一般是斜上方進入燃燒室，相成一個復(fù)雜旋轉(zhuǎn)流動結(jié)構(gòu);而多燃燒器時往往在同一水平面上布置，互相以相同的水平角度進入，并形成旋轉(zhuǎn)的中心切圓，整個氣流是旋轉(zhuǎn)向下的，但燃燒器也可以同時上翹使出口氣流形成更均勻一些的如單燃燒器那樣的旋轉(zhuǎn)氣流結(jié)構(gòu);這樣的氣流結(jié)構(gòu)在流動方向上的速度分布是極不均勻的。至于帶多噴嘴噴射旋流外混(或內(nèi)混)預(yù)燃室的球床熱風(fēng)爐，預(yù)燃室是一個旋流預(yù)混室(外混合)或是一個旋流高速燃燒室(內(nèi)混合);不論是預(yù)混待燃氣流還是燃燒后煙氣流，進入錐段燃燒室后因旋轉(zhuǎn)而在中心形成回流渦環(huán)，使流動方向上的速度分布變得不均勻。

一般而言，單個套筒燃燒器的燃燒情況是很差的，即使在多燒嘴下情況也不會太大改善。通常煤氣與空氣進入后不能很好的充分的混合，燃燒過程基本上是半預(yù)混半擴散燃燒方式。這勢必導(dǎo)致燃燒不完全，燃燒強度低，過量空氣系數(shù)必須大、燃燒溫度上不去。再有預(yù)燃室的情況下，煤氣與空氣是多數(shù)目噴嘴的噴射混合、預(yù)熱燃燒的過程，燃燒方式也因噴嘴組合的不同而逐步向預(yù)混燃燒方式過渡。因此，燃燒強度會提高、燃燒溫度也會提高，其燃燒過程會明顯好于單燒嘴的情況，燃燒后的高溫?zé)煔庾詈筮M入蓄熱體，這里是球床(由耐火球堆積而成球床)，由于速度分布在旋流情況下是極不均勻的，而溫度分布也會因燃燒狀態(tài)的不佳而變成不均勻，尤其是在單燒嘴的情況下。固然，類似于多孔介質(zhì)的球床能夠起到調(diào)節(jié)速度分布的作用，但這種調(diào)節(jié)是有限的，而且對于溫度均勻性的調(diào)節(jié)是無能為力的。

同時，燃燒器是安裝在拱頂下方(拱腳下的直筒段，或干脆就在拱頂?shù)膹澢课?是一個容易出現(xiàn)問題的地方。原因在于，燃燒器的溫度在燃燒器內(nèi)是比較低的，而在送風(fēng)期內(nèi)受拱頂輻射影響溫度是較高的，交變的溫度引起燃燒器附近轉(zhuǎn)體受交變應(yīng)力的作用，極易損壞。實踐表明燃燒器的使用壽命一般在4-5年。尤其是在多燒嘴的情況，拱頂就猶如放置在一個不穩(wěn)定底座上面，其穩(wěn)定性可想而知。由于進入蓄熱體的氣流不能做到均流與均溫，甚至燃燒過程還會在蓄熱體中繼續(xù)進行，出現(xiàn)蓄熱體耐火球局部高溫，產(chǎn)生球體局部粘連乃至板結(jié)，嚴重影響蓄熱體耐火球壽命，使耐火球的換球周期極大地縮短。鑒于上述分析，頂燃式球床熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生良好的流動、燃燒、與傳熱性能，這樣的熱風(fēng)爐其熱效率不會高，熱風(fēng)溫度不會高(即使風(fēng)溫高也是付出其他代價的結(jié)果，如排煙溫度高等)。如果在考慮拱頂結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性、球床的流動阻力過大而帶來的運行費用的增加，以及球床頻頻更換耐火球，球床熱風(fēng)爐的投資省、床熱效果好的優(yōu)點就不值得一提了。

針對上述熱風(fēng)爐存在的現(xiàn)狀，有必要尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)高強度穩(wěn)定燃燒并能夠均勻的燃燒后氣流分布進入蓄熱室的燃燒室結(jié)構(gòu)，去解決帶預(yù)燃室頂燃式熱風(fēng)爐不均勻的氣流分布問題;去處理內(nèi)燃式熱風(fēng)爐氣流不穩(wěn)定、隔墻熱應(yīng)力大、燃燒傳熱性能差等問題;去取代球床熱風(fēng)爐的燃燒器或徹底進行改造。這里提出豫興型頂燃式熱風(fēng)爐，它應(yīng)該是最能有效地解決上述問題的熱風(fēng)爐爐型。

豫興Ⅰ型頂燃式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)特點是:將帶有成一定角度上噴的交錯布置的煤氣與空氣噴嘴的環(huán)形燃燒器放置在懸鏈線拱頂燃燒室底部，于是構(gòu)成了一種稱之為熱風(fēng)爐反向噴射燃燒后高溫?zé)煔庹鄯档娜紵夹g(shù)(可簡稱為反沖燃燒技術(shù))。該型熱風(fēng)爐的主要技術(shù)特征是:煤氣與助燃氣分別從噴嘴噴出后在預(yù)混合環(huán)道內(nèi)混合后向上流動，再經(jīng)回旋煙氣流的預(yù)熱而著火燃燒;燃燒氣流(煙氣)經(jīng)拱頂后向下折返，在氣流上下運動的過程中形成環(huán)狀渦旋，造成部分煙氣成回旋運動狀態(tài)，從而起到預(yù)熱與點燃煤氣與助燃空氣的混合氣流的作用;而中部煙氣因受渦旋中低壓強的牽引作用，已逐步發(fā)散的流態(tài)向下流出燃燒室;選取合適的燃燒室高度與蓄熱體的均勻氣流分布;由于上噴過程中完成與高效率的傳熱過程在這種熱風(fēng)爐中實現(xiàn)了完美的結(jié)合。

豫興頂燃式熱風(fēng)爐具體結(jié)構(gòu)包括:懸鏈線拱頂、陶瓷燃燒器與部分爐墻組成的燃燒室，圓筒形爐墻圍城的蓄熱室，爐體下部為冷風(fēng)室，它與蓄熱室之間裝有爐箅子以支撐蓄熱室中放置的蓄熱體，并布置冷風(fēng)進口和煙氣出口;爐頂上有熱風(fēng)出口，陶瓷燃燒器的墻體內(nèi)有環(huán)形布置的煤氣分配環(huán)道和助燃空氣分配環(huán)道，煤氣環(huán)道上部和空氣分配環(huán)道下部分別引出成一定角度向上的數(shù)十個的煤氣噴管與空氣噴管，兩種噴管的出口(及噴口)沿陶瓷燃燒器頂部的預(yù)混合環(huán)道的底部交錯均勻布置;在陶瓷燃燒器煤氣分配環(huán)道和助燃空氣分配環(huán)道的外墻體上分別有與之成一定角度的煤氣入口管和助燃空氣入口管。燃燒室(包括爐頂、陶瓷燃燒器以及空氣環(huán)道和煤氣環(huán)道)支撐在爐殼結(jié)構(gòu)上，使之與蓄熱室大墻間形成各自可以自由移動的結(jié)構(gòu)。

該型熱風(fēng)爐不同于或優(yōu)于其他熱風(fēng)爐的顯著特點可以歸納如下:

(a)煤氣、空氣成一定角度向上噴射，在熱風(fēng)爐內(nèi)借助于高溫?zé)煔獾幕亓鲗ζ溥M行高溫預(yù)熱，經(jīng)交錯噴射使其完全充分混合而燃燒，達到燃燒充分與燃燒溫度高的目的;

(b)煤氣、空氣成一定角度向上噴射而混合燃燒后，受熱風(fēng)爐拱頂?shù)淖饔孟蛳抡鄯担纬蓽囟扰c速度分布都較為均勻的向下熱氣流，再進入熱風(fēng)爐蓄熱體的上部，從而使蓄熱體受熱均勻，有效增加單位蓄熱體的換熱能力，明顯提高蓄熱體的利用率，有利于實現(xiàn)高熱風(fēng)溫度和低熱風(fēng)溫度變化的工藝要求;

(c)利用折返氣流形成的回流流場與配合恰當(dāng)?shù)娜紵医Y(jié)構(gòu)，可以形成穩(wěn)定的流場結(jié)構(gòu)，從而使燃燒過程更加穩(wěn)定，有效避免燃燒振蕩問題，增強了燃燒室的熱負荷調(diào)節(jié)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)熱風(fēng)爐安全、穩(wěn)定、高負荷運作;

(d)由于采用煤氣與助燃空氣分別交叉成一定角度上噴，煤氣射流與空氣射流在燃燒室中混合燃燒，有效避免了燃燒過程產(chǎn)生回火的可能性，提高了熱風(fēng)爐操作運行的安全性;

(e)由于燃燒室可以采用高熱負荷運行狀態(tài)，蓄熱體中氣體標態(tài)流速可以選取較大數(shù)值，從而增強蓄熱體與氣流見的傳熱強度，進而有效減少單位鼓風(fēng)量的蓄熱體材料的重量，有效地節(jié)省了熱風(fēng)爐的初投資;

(f)采用懸鏈線拱形結(jié)構(gòu)的拱頂，減小了上部拱頂?shù)那拾霃剑哂辛己玫氖芰Y(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性，能有效增加熱風(fēng)爐使用壽命;

(g)燃燒器設(shè)置在拱頂?shù)幕坎⑴c之構(gòu)成一體形成燃燒室，由于其墻體不論在燃燒周期還是在送風(fēng)周期均處于相同的熱穩(wěn)定狀態(tài)，十分有利熱風(fēng)爐穩(wěn)定長壽命的運行;

(h)將燃燒室組成設(shè)計成由爐殼支撐，有效地將其與蓄熱體大墻分離，之間配合迷宮式滑移縫連接，以保證蓄熱體大墻在運行過程中溫度周期性變化造成的上下移動不受阻礙，有效延長爐體使用壽命;

(i)煤氣與空氣分配環(huán)道均設(shè)置在爐體大墻外，使之不論在燃燒周期還是在送風(fēng)周期，均能保持在不高的溫度狀態(tài)且變化較小，保證其運行狀態(tài)良好;

(j)燃燒器的煤氣與空氣出口噴嘴部分在受爐膛輻射與氣流變化的影響溫度變化較大，當(dāng)采用噴嘴上部設(shè)置能自由膨脹的矩形截面的預(yù)混合環(huán)形通道后，就能有效克服這一問題;該環(huán)道還能起到加強氣流混合、均勻氣流分配的作用，因而使燃燒過程得到進一步改善;

(k)煤氣環(huán)道和空氣環(huán)道的進氣采用氣流均勻裝置，使得各自均勻布置交錯排列的幾十個出口噴嘴管中能得到平均誤差較小±5%速度分布，從而改善周向的氣流混合，提高氣流分布的均勻性，從而整體高燃燒與傳熱效率。