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热风炉陶瓷燃烧器的研究与应用
发布时间：
2020-08-31
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前言
热风炉是高炉炼铁的主要辅助设备，而燃烧器又是热风炉的主要组成部分，是热风炉的供热装置。它的工作正常与否直接影响热风炉在燃烧期能否给格子砖提供足够的热量，向高炉提供稳定的风温。同时，燃烧器设计的合理与否，也将影响格子砖的使用寿命。因此，国内外炼铁工作者对燃烧器的研究、设计与应用一直摆在一个极为重要的位置。
从热风炉发展的历史来看，自1857年考贝式热风炉投入应用以来已经过了160年。在这段100多年的历史中，随着炼铁技术的进步，要求热风炉提供的风温不断增高。热风炉结构形式也由内燃式、外燃式发展到了现在的顶燃式热风炉。各种形式的热风炉燃烧器不断推陈出新，由内燃热风炉用的古老的金属套筒式长焰燃烧器发展到了现在的顶燃式热风炉用的陶瓷短焰燃烧器。
要使燃烧器在工业应用中能满足热风炉向高炉的供热，向高炉提供高风温，保证格子砖安全高效利用，同时保证燃烧器在燃烧与送风交替的工况中长期稳定工作，是热风炉研究与设计工作者的首要任务。
各种热风炉燃烧器的特点与工作原理
套筒式金属燃烧器
旧式的内燃式热风炉用的是金属燃烧器。空煤气通过水平布置的同心套筒分别进入火井，混合效果差，脉动燃烧情况比较严重。
图1 套筒式金属燃烧器
套筒式陶瓷燃烧器
空煤气通道与喷口均由耐火材料制成。煤气从中心喷口向上喷出，助燃空气被外环众多喷口分割成小股气流以一定角度高速喷向中心煤气流，使煤气与空气形成较好的混合，火焰末端高温区处于热风炉拱顶部位。
图2 套筒式陶瓷燃烧器
栅格式陶瓷燃烧器
空煤气通道与喷口均由耐火材料制成。空煤气从燃烧器的底部分别形成单独相间通道向上到达顶部后经由栅格板分成细股使空煤气达到较好的混合，这种燃烧器火焰长度较套筒式燃烧器短，广泛应用于外燃式热风炉使用。
图3 预混型陶瓷燃烧器
预混型陶瓷燃烧器为炉外预混型大功率短焰燃烧器，烧嘴少，功率大，沿拱顶圆周切向燃烧，单烧嘴负荷大，烧嘴附近温度高，气流速度变化大，高温集中在燃烧器附近，易烧坏燃烧器砖。通过数模仿真实验可看出其燃烧气流及温度分布特点，高温烟气流沿拱顶切线由上而下旋流进入格子砖，格子砖表面高温烟气速度差异明显，边缘速度大，中心速度小，格子砖表面温度分布不均匀，边缘温度高、中心温度低，中心格子砖利用率偏低。
图4 预混型陶瓷燃烧器示意图及仿真模拟温度分布图
非预混型陶瓷燃烧器
非预混型陶瓷燃烧器为平面旋流燃烧器，煤气环道在上，空气环道在下，空煤气被喷口分割成细股高速喷出，形成平面旋流通过喉口在锥形拱顶空间边混合边燃烧。燃烧器中心气流直接向下进行格子砖，格子砖上表面高温烟气分布边缘速度大、中心速度小。
图5 非预混型陶瓷燃烧器示意图及仿真模拟温度分布图
锥柱旋切三维混合陶瓷燃烧器
安耐克锥柱旋切三维混合非预混型陶瓷燃烧器，改变平面旋流燃烧器流场为三维交叉立体混合，混合效果更好，燃烧器中心负压区更小，高温烟气在格子砖上表面分布更均匀，格子砖利用更充分。该燃烧器已成功应用于国内外1000 m3至3200m3共计60余座高炉近200座热风炉。在节能、环保、高风温方面取得了良好的使用效果。
图6 锥柱旋切三维混合燃烧器示意图及仿真模拟温度分布图
热风炉燃烧器的研究内容与方法
热风燃烧器主要研究内容
1）通过空煤气混合方式找到不同热风炉对燃烧要求的合理火焰长度，确定高温区在燃烧室（拱顶）中心的位置。火焰长度、高温区位置通过燃烧器结构、空煤气喷口位置、形状及速度比等参数获得。
2）通过对燃烧器在燃烧室（拱顶）空间的空气动力学特性找到燃烧产生的高温烟气流在格砖平面均匀分布的合理参数，为燃烧器合理设计提供依据。
3）对燃烧器用的耐火材料进行研究。通过研究找到一种与燃烧器工作环境相匹配的材料，既耐高温又具有良好的抗热震性，保证燃烧器燃烧与送风的不同工况下能稳定长寿地工作。
热风炉燃烧器的研究方法
热风炉燃烧器的研究一般研究分为四个阶段。
1）数模仿真研究：燃烧器初步设计完成之后，首先进行计算机数模仿真研究，确定它在工作状态下的高温空气动力学特性，分析流场特点。它是冷态模拟实验的前奏，在完成数模仿真之后，可以有的放矢地进行冷态模拟实验。数模仿真研究可以节省人力、物力与时间，大大提高研究效率。
图7 锥柱旋切三维混合燃烧器温度分布图
2）冷态模拟实验:冷态模拟实验是一种直观的应用流体力学相似原理（几何相似、物理相似、动量相似），测试燃烧器工作状态下空气动力学特性的研究方法。通过实验找到空煤气在燃烧室（拱顶）空间混合流动的运动规律，进一步验证数模仿真研究结果，并为燃烧器的设计优化提供理论依据和试验数据。如空煤气喷口的形状、数量、角度、速度比、空煤气通道及喷口的阻力系数、火焰长度、燃烧室气流分布情况及运动轨迹等。
图8 锥柱旋切三维混合燃烧器冷态模拟实验
3）热态模拟实验：热态模拟实验装置为热风炉工业化设计提供的实验平台。该实验装置采用一烧一送的工作制度，每座试验炉布置了290个热电偶和若干个压力检测点及烟气成分检测点，验证不同部位，不同工作状态下的温度场变化、压力场变化和烟气成分变化，分析得出炉内温度和气流分布规律。为提高燃烧器燃烧效率和改善格子砖蓄热与放热效率提供可靠的设计参数。
图9 锥柱旋切三维混合燃烧器热态模拟实验
4）热态工业测试:热态工作测试是一种现场测试的方法，是对燃烧器在工业应用中实际工作状况好坏的一种研究测试方法，是对所设计的燃烧器的最终鉴定。测试在热风炉烧炉过程中进行，必须设计制作出测试用的高压水冷测试枪、高温铂铑电偶与相配的仪器仪表、U型压力计、取烟气分析用的球胆等专用设备，通过燃烧室（拱顶）人孔预留的测试孔进行测试。主要测试内容为燃烧器正常工作状况下燃烧室（拱顶）空间蓄热室断面上的温度场分布、压力场分布以及空、煤气的化学不完全燃烧率的状况，以此判断与鉴定燃烧器工作的好坏。这是新型燃烧器投入工业应用必需的一项研究工作，它区别于计算机数模仿真研究与冷态模拟研究，对燃烧器进行再次改进提升，使燃烧器的设计更加完美提供直接的设计参考意见。
图10 锥柱旋切三维混合燃烧器工业应用测试
结论
安耐克锥柱旋切三维混合陶瓷燃烧器已在国内外1000 m3至3200m3共计60余座高炉近200座热风炉项目上成功应用。
采用锥柱旋切三维混合燃烧器的热风炉，结构更紧凑、燃烧器功率更大。同等设计条件下可显著降低工程材料使用量，降低工程投资约10%-18%；在空、煤气预热温度和煤气热值等热风炉能源介质条件相同时，送风温度提高20℃~30℃。通过蓄热砖孔径、孔型、结构、材质的协同优化，换热效率提高20%以上。在合理的空燃比技术上采用三维混合涡旋燃烧器NOx排放≤50mg/m3。
未来热风炉的发展必将是朝着高风温、长寿命、低排放的发展方向，安耐克锥柱旋切三维混合燃烧器的应用已取得了显著的经济效益和社会效益，特别适合我国高炉新建或改造使用。安耐克将持续致力于顶燃式热风炉燃烧器的持续研究和优化改进，为我国钢铁企业用户提供高温长寿、节能降耗、集约降资的顶燃式热风炉燃烧器技术。
