内燃式热风炉燃烧器结构优化

内燃式热风炉燃烧器结构优化

魏洪超

徐州燃烧控制研究院有限公司

摘要：目前使用的热风炉主要有内燃式热风炉、外燃式热风炉和顶燃式热风炉等三种类型。这三种热风炉中,内燃式热风炉的火井墙结构稳定性差,存在燃烧热震,热风温度不易提高;外燃式热风炉结构复杂且材料用量大、占地大、投资大,要实现结构稳定和提高送风温度的技术要求也更高;顶燃式热风炉,因其结构简单且材料用量少,是最便于实现高风温的炉型结构。因此,随着高炉炼铁对风温品质要求的提高,顶燃式热风炉正在逐步取代内燃式热风炉和外燃式热风炉,成为炼铁热风炉的主流产品。

关键词：内燃式热风炉；燃烧器；结构优化

1原有内燃式热风炉的结构

潍钢3#、4#高炉原来配置的热风炉均为内燃式热风炉,采用悬链线拱顶,火井燃烧室与蓄热室平行的位于炉体内,火井燃烧室下部设格栅式燃烧器。蓄热室内砌筑七孔格子砖。烧炉采用高炉煤气掺烧转炉煤气的形式,同时选用空、煤气双预热设备回收余热。

内燃式热风炉混合燃烧过程在火井内完成。燃烧室在整个工作周期中存在温度突变,易导致耐材热裂,送风时下部高温使耐材既承受高温,又承受高压,导致耐材蠕变,燃烧室侧与蓄热室侧温度不同,引起燃烧室与蓄热室之间隔墙产生香蕉形弯曲、掉砖倾斜、烧穿短路,这不仅使其寿命缩短,而且会引起燃烧时煤气泄漏,增加能耗,污染环境,送风温度低。加上长期以来格子砖堵塞渣化,热风炉平均风温仅为1100℃左右。

2燃烧器的优化

热风炉以燃烧煤气作为热源,受煤气与空气的混合过程控制。按照两种气体的混合情况,通常分为边混合边燃烧的扩散燃烧方式和预先混合后再燃烧的预混燃烧方式,以及介于两者之间的部分预混部分扩散混合的半预混燃烧方式。以上三种混合方式,就是通常所说的长焰燃烧、无焰燃烧及短焰燃烧。一定量煤气的燃烧,长焰燃烧所需要的燃烧空间最大,过量空气系数最大,无焰燃烧所需要的空间最小,过量空气系数最小。过剩空气要加热到燃烧温度,就要消耗热量,导致燃烧室温度的整体下降,所以预混燃烧的燃烧温度要高于扩散燃烧的温度。这就是说在相同的绝热条件下,无焰燃烧与短焰燃烧的温度就会高一些。热风炉的燃烧方式只能是越接近无焰燃烧方式越好。燃烧器一定要让煤气与空气快速且均匀地混合、充分预热后即时燃烧。这样的燃烧器所需燃烧空间明显缩小,散热也相应减小,燃烧强度(单位时间单位体积的燃烧煤气量)则明显提高,而过量空气系数也就相应减小,这些都会直接导致燃烧温度的提高。因此,采用预混燃烧方式的燃烧器能在相同条件下获得最高的燃烧温度。

3内燃式热风炉燃烧器结构优化措施

3.1矩形燃烧器结构优化

增加挡板可以改气体的流动方向，其在钢铁工业中有着广泛的应用。为了优化现有燃烧器结构，提出一种改进型的矩形燃烧器。为加入挡板后高炉煤气通道，在高炉煤气通道与燃烧室接触的部分增加一种倾斜挡板，使高炉煤气进入燃烧室的流动方向产生偏移，从而让高炉煤气流向中间部分与喷嘴喷出的助燃空气充分混合燃烧。倾斜角度为挡板与水平面的夹角。挡板的倾斜角度分别取45°、60°、75°3组进行测试。利用所建立的数学模型和边界条件对改进矩形燃烧器进行研究。

3.2风温品质

顶燃式热风炉平均风温投产后已经达到1250℃,比改造前风温增加了150℃。提高风温对于高炉顺行,既有有利的一面,也有不利的一面,提高风温使鼓风动能增大,燃烧带扩大,炉缸活跃,同时高温区和软熔带下移,块状带扩大,高炉上部区域温度降低,这些因素有利于高炉顺行。但随着风温的提高,使得SiO2挥发加剧,恶化了料柱的透气性,同时炉缸煤气体积因炉缸温度的提高而膨胀,煤气流速增大,于是高炉下部压差升高,易产生液泛,另外,焦比下降,使料柱的透气性相应变差,这些因素均不利于高炉顺行,因此在一定的原料条件下,每座高炉都有一个适宜的风温水平,盲目追求高风温,将导致高炉不顺。或者说存在一个界限风温,达到界限风温后,再继续提高风温,不会收到更好效果,据计算,在目前冶炼条件下,理论上的界限风温为2000℃,但现在风温水平据此相差甚远。

3.3热风炉的布置方式

(1)操作维护。新增热风炉采用“一列式”布置,与现有热风炉一致,有利于操作控制;采用“并列式”布置,与现有热风炉不一致,由于管道走向、长度变化较大,阻损不同,对烧炉操作控制造成一定影响。

(2)占地、投资。“一列式”占地小,投资低;“并列式”占地大,新增管道较长,投资约增加400~500万元。但是由于采用“一列式”布置时,原有换热器需移地大修,考虑该费用以后,二者基本相当。

(3)施工难易程度及工期。“一列式”场地受限,施工困难,工期略长,施工成本略高;“并列式”不受场地限制,施工方便。

(4)不利因素。“一列式”占用原有换热器区域,须对换热器系统设备、管道等进行移地改造;而“并列式”不占用原换热器区域,换热器设施可以根据其运行状况确定何时更新,相对有利。“并列式”热风管道较长,“一列式”热风管道较短,热风管道越长,散热损失越大,投资也就越高,也就越不利。

因此,采用“一列式”布置,与现有热风炉基本一致,便于以后生产操作、维护,而且占地较小,更有利。

3.4CO浓度场

不同结构下燃烧室出口截面CO浓度场(摩尔分数)。原始结构下出口CO主要分布在两端的眼角处，同样也是受限于内燃式热风炉燃烧室的大小和矩形燃烧器结构，助燃空气从喷嘴喷出进入燃烧室之后主要集中在燃烧室中间部，而两端眼角处的燃烧不够充分，导致出口的CO主要集中在出口两端的眼角处。

与原始结构下相比两端眼角处的燃烧不充分的问题得到了有效的改善，出口截面CO的平均体积分数有一定程度的下降，并且出口截面CO的浓度分布也更加均匀，不再残留在两端眼角处，由此提高了热风炉的稳定运行，降低了安全隐患。

原始结构下的出口截面CO平均体积分数为0.007028%,加入煤气挡板之后出口处的CO平均体积分数有一定程度下降；煤气挡板倾斜角度为45°时，燃烧室出口截面CO平均体积分数为0.006968%;煤气挡板倾斜角度为60°时，燃烧室出口截面CO平均体积分数为0.005678%;煤气挡板倾斜角度为75°时，燃烧室出口CO平均体积分数为0.006264%。随着煤气挡板的倾斜角度不断增大，出口截面CO平均体积分数先减小后增大，这与出口平均温度的变化相互对应，说明燃烧越充分，CO平均体积分数也就越小。采用倾斜角度为60°时的煤气挡板，出口截面CO平均体积分数最小。

3.5提高煤气热值

随着高炉生产水平的提高,燃料比逐渐降低,高炉煤气的发热值也随之降低。这就存在一个矛盾,高炉生产时要降低煤气中的CO含量,以提高煤气的利用率,而热风炉则希望煤气中CO含量高些,提高煤气的发热值。为了保证热风炉的风温水平,就要提高高热值燃料的比例,简单易行的方法是在高炉煤气中混入焦炉煤气或者天然气。另外,高炉煤气采用干法除尘时,也可提高高炉煤气的发热值。但焦炉煤气和天然气价格昂贵,不是提高风温的合理途径。

3.6预热助燃空气和煤气

燃烧室温度是决定热风炉风温水平的主要参数之一,为了获得高的燃烧室温度,一般采用烟道废气预热助燃空气及煤气的能源二次利用的方法,如热管式换热器、热媒式换热器。同时对预热后的空气和煤气管道进行外保温处理,尽量减少热损失。

结论

对原有的两座高炉内燃式热风炉升级改造为顶燃式,改善炼铁产业结构,提高煤气利用率,大幅度降低高炉焦比,优化了生产条件和技术水平,提高风温品质,增强企业的竞争能力,提高企业经济效益明显,炼铁成本大幅降低。

参考文献：

[1]王振东.内燃式热风炉的技术改造实践[J].工业炉，2017,39(5):68.

[2]朱仁良.关于炼铁低碳冶炼的思考[J].炼铁，2018,37(5):8.

[3]孙敏敏，宁晓钧，张建良，等.炼铁系统节能减排技术的现状和发展[J].中国冶金，2018,28(3):1.

[4]张福明.中国高炉炼铁技术装备发展成就与展望[J].钢铁，2019,54(11):1.

[5]熊拾根，王贤，张少魁.热风炉富氧烧炉工艺及应用[J].炼铁，2021,40(4):47.