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熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器的研究與應(yīng)用

發(fā)布時間：

2020-08-31

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前言

熱風(fēng)爐是高爐煉鐵的主要輔助設(shè)備，而燃燒器又是熱風(fēng)爐的主要組成部分，是熱風(fēng)爐的供熱裝置。它的工作正常與否直接影響熱風(fēng)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(fēng)溫。同時，燃燒器設(shè)計的合理與否，也將影響格子磚的使用壽命。因此，國內(nèi)外煉鐵工作者對燃燒器的研究、設(shè)計與應(yīng)用一直擺在一個極為重要的位置。

從熱風(fēng)爐發(fā)展的歷史來看，自1857年考貝式熱風(fēng)爐投入應(yīng)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(shù)的進(jìn)步，要求熱風(fēng)爐提供的風(fēng)溫不斷增高。熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)形式也由內(nèi)燃式、外燃式發(fā)展到了現(xiàn)在的頂燃式熱風(fēng)爐。各種形式的熱風(fēng)爐燃燒器不斷推陳出新，由內(nèi)燃熱風(fēng)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(fēng)爐用的陶瓷短焰燃燒器。

要使燃燒器在工業(yè)應(yīng)用中能滿足熱風(fēng)爐向高爐的供熱，向高爐提供高風(fēng)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(fēng)交替的工況中長期穩(wěn)定工作，是熱風(fēng)爐研究與設(shè)計工作者的首要任務(wù)。

各種熱風(fēng)爐燃燒器的特點與工作原理

套筒式金屬燃燒器

舊式的內(nèi)燃式熱風(fēng)爐用的是金屬燃燒器?？彰簹馔ㄟ^水平布置的同心套筒分別進(jìn)入火井，混合效果差，脈動燃燒情況比較嚴(yán)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(fēng)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(dá)頂部后經(jīng)由柵格板分成細(xì)股使空煤氣達(dá)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(yīng)用于外燃式熱風(fēng)爐使用。

圖3 預(yù)混型陶瓷燃燒器

預(yù)混型陶瓷燃燒器為爐外預(yù)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(fù)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?zé)煔饬餮毓绊斍芯€由上而下旋流進(jìn)入格子磚，格子磚表面高溫?zé)煔馑俣炔町惷黠@，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(yù)混型陶瓷燃燒器示意圖及仿真模擬溫度分布圖

非預(yù)混型陶瓷燃燒器

非預(yù)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(xì)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(jìn)行格子磚，格子磚上表面高溫?zé)煔夥植歼吘壦俣却?、中心速度小?/span>

圖5 非預(yù)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(yù)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(fù)壓區(qū)更小，高溫?zé)煔庠诟褡哟u上表面分布更均勻，格子磚利用更充分。該燃燒器已成功應(yīng)用于國內(nèi)外1000 m³至3200m³共計60余座高爐近200座熱風(fēng)爐。在節(jié)能、環(huán)保、高風(fēng)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(fēng)爐燃燒器的研究內(nèi)容與方法

熱風(fēng)燃燒器主要研究內(nèi)容

1）通過空煤氣混合方式找到不同熱風(fēng)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(jié)構(gòu)、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(xué)特性找到燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬髟诟翊u平面均勻分布的合理參數(shù)，為燃燒器合理設(shè)計提供依據(jù)。

3）對燃燒器用的耐火材料進(jìn)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(fēng)的不同工況下能穩(wěn)定長壽地工作。

熱風(fēng)爐燃燒器的研究方法

熱風(fēng)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(shè)計完成之后，首先進(jìn)行計算機(jī)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(xué)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(jìn)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(yīng)用流體力學(xué)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(xué)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(yùn)動規(guī)律，進(jìn)一步驗證數(shù)模仿真研究結(jié)果，并為燃燒器的設(shè)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(yùn)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(fēng)爐工業(yè)化設(shè)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(nèi)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(shè)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(yīng)用中實際工作狀況好壞的一種研究測試方法，是對所設(shè)計的燃燒器的最終鑒定。測試在熱風(fēng)爐燒爐過程中進(jìn)行，必須設(shè)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(shè)備，通過燃燒室（拱頂）人孔預(yù)留的測試孔進(jìn)行測試。主要測試內(nèi)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(xué)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(yīng)用必需的一項研究工作，它區(qū)別于計算機(jī)數(shù)模仿真研究與冷態(tài)模擬研究，對燃燒器進(jìn)行再次改進(jìn)提升，使燃燒器的設(shè)計更加完美提供直接的設(shè)計參考意見。

圖10 錐柱旋切三維混合燃燒器工業(yè)應(yīng)用測試

結(jié)論

安耐克錐柱旋切三維混合陶瓷燃燒器已在國內(nèi)外1000 m³至3200m³共計60余座高爐近200座熱風(fēng)爐項目上成功應(yīng)用。

采用錐柱旋切三維混合燃燒器的熱風(fēng)爐，結(jié)構(gòu)更緊湊、燃燒器功率更大。同等設(shè)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(yù)熱溫度和煤氣熱值等熱風(fēng)爐能源介質(zhì)條件相同時，送風(fēng)溫度提高20℃~30℃。通過蓄熱磚孔徑、孔型、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)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(shù)上采用三維混合渦旋燃燒器NOx排放≤50mg/m³。

未來熱風(fēng)爐的發(fā)展必將是朝著高風(fēng)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(yīng)用已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)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(fēng)爐燃燒器的持續(xù)研究和優(yōu)化改進(jìn)，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(fēng)爐燃燒器技術(shù)。

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