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对两种顶燃式热风炉燃烧室的技术分析
作者：徐荣兴 毕艳国
来源：《山东工业技术》2013年第10期
【摘 要】本文通过对新兴铸管型热风炉改造成卡鲁金旋流式顶燃式热风炉设计参数、结构形式、气流在混合和燃烧过程中的流场状况分析及生产运行的比较，认为卡鲁金旋流式顶燃式热风炉克服了新兴铸管型热风炉结构的缺点，具有结构稳定、燃烧强度大、传热效果好、使用寿命长和节能环保的特点，是一种较理想的热风炉结构形式。
【关键词】外置短焰燃烧器旋切顶燃式热风炉；卡鲁金旋流式顶燃式热风炉；旋流；涡流；燃烧效率；高强度；高效率；高风温；低能耗
近年来，随着我国经济的高速发展，高炉炼铁技术进步非常之快，高炉热风炉大型化、多样化、高效化，大大缩小了我们与世界先进水平的差距，引起世人关注。
在热风炉中目前使用最多的结构形式有内燃式和外燃式两种，在内燃式结构中因其燃烧装置的不同设置，又分为燃烧室置于底部的火井内燃式热风炉和燃烧室放在热风炉顶部的顶燃式热风炉。
所谓顶燃式热风炉，是指燃烧器安装在热风炉炉顶，在拱顶空间燃烧，不需专门的燃烧室，又称无燃烧室式热风炉。
在热风炉技术逐步向高强度、高效率、高风温、低能耗、投资省、长寿命方向发展的形势下，一代具有燃烧强度大、火焰距离短、结构相对简单、投资相对少的顶燃式热风炉得到了长足的进展和广泛的应用[1]，顶燃式热风炉也由20世纪80年代的外混合烧嘴顶燃式热风炉发展到21世纪初以卡鲁金结构为基础的多种顶燃式热风炉。使热风炉风温由1000℃左右提高到1200℃以上。
我公司原3号高炉有4座热风炉，其中一座是2007年7月2日建成投用的新兴铸管型外置短焰旋切式燃烧器顶燃式热风炉（以下简称新兴铸管型热风炉），其余3座为2007年8、9、10月由新兴铸管型热风炉改成新兴铸管型与卡鲁金相结合的卡鲁金旋流式顶燃式热风炉（即将顶部燃烧室改造）；1号、2号高炉均为2003年新建的新兴铸管型顶燃式热风炉。以上热风炉均无预热，单烧高炉煤气（高炉燃料比505～510公斤/吨铁）。 1 3号高炉热风炉的设计参数和运行情况比较 1.1 设计参数（表1） 表1
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1.2 改造前后有关运行参数比较（表2）
从表2比较可看出改造后的卡鲁金旋流式热风炉各项指标均优于外混合烧嘴顶燃式热风炉，而且煤气消耗少，燃烧效率高。从热风炉废气成分分析，3号高炉热风炉废气中CO2含量为29%，O2含量0.6%；1号高炉热风炉废气中CO2含量为15%，O2含量0.8%；2号高炉热风炉废气中CO2含量为13%，O2含量0.8%；可以看出改造后的卡鲁金旋流式热风炉由于结构燃烧器结构的改变，使气流分布均匀，煤气和空气混合充分，提高了燃烧效率。 2 热风炉拱顶温度与风温的关系
随着高炉装备水平和操作技术的不断发展，特别是为了改善喷吹燃料的效果，以进一步降低燃料比，要求热风炉提供的风温越来越高。为了把风温提高到1200℃以上，从设计方面考虑应采取措施把热风炉的拱顶温度提高到1300℃以上。生产实践证明，风温的提高是随着拱顶温度的提高而提高，其关系如图1。 表2
拱顶所能达到的最高温度，则是由燃料在燃烧时所能达到的温度决定的。 实际燃烧温度可用下列公式算出： T■=■℃，[2]
T实——实际燃烧温度，℃；
Q低——燃料燃烧时放出的热量，千卡/米3； Q空——助燃空气带进的物理热，千卡/米3； Q燃——燃料带进的物理热，千卡/米3； Q失——燃烧产物散失掉的热量，千卡/米3； Vn——燃烧产物体积， 米3/米3； C——燃烧产物的比热， 千卡/米3*℃。 有上式可见，提高实际燃烧温度的途径有：
1）提高煤气发热值。这在要求高炉燃料比越来越低的情况下煤气发热值不可能提高；除否配加高发热值的燃气。
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2）预热煤气和助燃空气。 3）尽量减少设备的热损失。
4）尽量减少过剩空气，以减少燃烧产物体积。
图1 芜湖新兴铸管3号高炉热风炉拱顶温度与风温的变化
以上四项，二、三项可通过技术手段和增加设备来实现。第四项必须通过研发设计，对燃烧器的改进，以改变气体的流场结构及组分混合特性，促进空、煤气的充分混合，在保证完全燃烧的情况下，较少过剩空气。因此各种顶燃式热风炉的出现、计算机自动烧炉的应有也是基于此因素。
3 两种顶燃式热风炉炉顶燃烧结构分析
3.1 新兴铸管型外混合烧嘴顶燃式热风炉（以下简称新兴铸管型热风炉）
其结构有外置式金属燃烧器、火焰喷射孔、燃烧室等组成。如图2。从图可看出，新兴铸管型热风炉实际上是一种外置短焰燃烧器旋切式顶燃式热风炉，由于外混合烧嘴在加热燃烧期间，煤气和空气在热风炉外部烧嘴中混合后从火焰喷射孔高速喷入炉内离开烧嘴在燃烧室内燃烧，此时烧嘴区温度低于燃烧室和下部锥顶温度（一般在600～700℃左右），而在送风期间受下部热辐射作用其温度又与下部差不多（一般在1000℃左右），温度的变化使燃烧室和烧嘴本身的结构受到影响，使在与燃烧室相联接的烧嘴部位因温度的交替变化产生热应力，从而导致结构的不稳定，造成燃烧室顶损坏和烧嘴的频繁开裂漏风。另外由于其烧嘴安装的角度是火焰旋流的切线方向，在热风炉燃烧期间从烧嘴喷射出的火焰在燃烧室内高速旋转，燃烧室上部处在高温与高速气流的冲击之下，尤其是在烧嘴与燃烧室连接处（火焰喷射孔部位），耐火材料很容易脱落，造成对烧嘴的破坏。同时，因热风炉烧炉时空气和煤气是靠在烧嘴内的高速旋转混合的，由于两股气体在烧嘴内流动速度高，烧嘴内的空间有限，势必造成气体混合的不均匀，影响到煤气的利用率和燃烧的温度，一般炉顶温度最高只能到1250℃。另外，由于该类炉型结构必须采用气体强旋流流动模式才能保证流场的稳定和燃烧的稳定，由此而带来的是进入蓄热室气流分布的极不均匀，由于蓄热体气流的温度与速度的双不均匀，这不仅降低了传热效果与蓄热体利用率，而且会导致不同位置的蓄热体受到不同温度的加热与冷却，从而引起蠕变和热缩的效果不一样，蓄热体的不均匀塌陷就会出现[3]，进而使传热效果变得更差。 1.燃烧室；2.火焰喷射孔；3.烧嘴；4.收缩段；5.锥体段 图2 新兴铸管型外混合烧嘴顶燃式热风炉炉顶图 3.2 卡鲁金旋流式顶燃式热风炉