徐榮興 畢艷國

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司 煉鐵部，安徽 蕪湖241002）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)步非常之快，高爐熱風(fēng)爐大型化、多樣化、高效化，大大縮小了我們與世界先進(jìn)水平的差距，引起世人關(guān)注。

在熱風(fēng)爐中目前使用最多的結(jié)構(gòu)形式有內(nèi)燃式和外燃式兩種，在內(nèi)燃式結(jié)構(gòu)中因其燃燒裝置的不同設(shè)置，又分為燃燒室置于底部的火井內(nèi)燃式熱風(fēng)爐和燃燒室放在熱風(fēng)爐頂部的頂燃式熱風(fēng)爐。

所謂頂燃式熱風(fēng)爐，是指燃燒器安裝在熱風(fēng)爐爐頂，在拱頂空間燃燒，不需專門的燃燒室，又稱無燃燒室式熱風(fēng)爐。

在熱風(fēng)爐技術(shù)逐步向高強度、高效率、高風(fēng)溫、低能耗、投資省、長壽命方向發(fā)展的形勢下，一代具有燃燒強度大、火焰距離短、結(jié)構(gòu)相對簡單、投資相對少的頂燃式熱風(fēng)爐得到了長足的進(jìn)展和廣泛的應(yīng)用[1]，頂燃式熱風(fēng)爐也由20 世紀(jì)80 年代的外混合燒嘴頂燃式熱風(fēng)爐發(fā)展到21 世紀(jì)初以卡魯金結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的多種頂燃式熱風(fēng)爐。使熱風(fēng)爐風(fēng)溫由1000℃左右提高到1200℃以上。

我公司原3 號高爐有4 座熱風(fēng)爐，其中一座是2007 年7 月2 日建成投用的新興鑄管型外置短焰旋切式燃燒器頂燃式熱風(fēng)爐（以下簡稱新興鑄管型熱風(fēng)爐），其余3 座為2007 年8、9、10 月由新興鑄管型熱風(fēng)爐改成新興鑄管型與卡魯金相結(jié)合的卡魯金旋流式頂燃式熱風(fēng)爐（即將頂部燃燒室改造）；1 號、2 號高爐均為2003 年新建的新興鑄管型頂燃式熱風(fēng)爐。以上熱風(fēng)爐均無預(yù)熱，單燒高爐煤氣（高爐燃料比505～510 公斤/噸鐵）。

1 3 號高爐熱風(fēng)爐的設(shè)計參數(shù)和運行情況比較

1.1 設(shè)計參數(shù)（表1）

表1

1.2 改造前后有關(guān)運行參數(shù)比較（表2）

從表2 比較可看出改造后的卡魯金旋流式熱風(fēng)爐各項指標(biāo)均優(yōu)于外混合燒嘴頂燃式熱風(fēng)爐，而且煤氣消耗少，燃燒效率高。從熱風(fēng)爐廢氣成分分析，3 號高爐熱風(fēng)爐廢氣中CO2含量為29%，O2含量0.6%；1 號高爐熱風(fēng)爐廢氣中CO2含量為15%，O2含量0.8%；2 號高爐熱風(fēng)爐廢氣中CO2含量為13%，O2含量0.8%；可以看出改造后的卡魯金旋流式熱風(fēng)爐由于結(jié)構(gòu)燃燒器結(jié)構(gòu)的改變，使氣流分布均勻，煤氣和空氣混合充分，提高了燃燒效率。

2 熱風(fēng)爐拱頂溫度與風(fēng)溫的關(guān)系

隨著高爐裝備水平和操作技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是為了改善噴吹燃料的效果，以進(jìn)一步降低燃料比，要求熱風(fēng)爐提供的風(fēng)溫越來越高。為了把風(fēng)溫提高到1200℃以上，從設(shè)計方面考慮應(yīng)采取措施把熱風(fēng)爐的拱頂溫度提高到1300℃以上。生產(chǎn)實踐證明，風(fēng)溫的提高是隨著拱頂溫度的提高而提高，其關(guān)系如圖1。

表2

拱頂所能達(dá)到的最高溫度，則是由燃料在燃燒時所能達(dá)到的溫度決定的。

實際燃燒溫度可用下列公式算出：

T 實——實際燃燒溫度，℃；

Q 低——燃料燃燒時放出的熱量，千卡/米3；

Q 空——助燃空氣帶進(jìn)的物理熱，千卡/米3；

Q 燃——燃料帶進(jìn)的物理熱，千卡/米3；

Q 失——燃燒產(chǎn)物散失掉的熱量，千卡/米3；

Vn——燃燒產(chǎn)物體積, 米3/米3；

C——燃燒產(chǎn)物的比熱, 千卡/米3*℃。

有上式可見，提高實際燃燒溫度的途徑有：

1）提高煤氣發(fā)熱值。這在要求高爐燃料比越來越低的情況下煤氣發(fā)熱值不可能提高；除否配加高發(fā)熱值的燃?xì)狻?/p>

2）預(yù)熱煤氣和助燃空氣。

3）盡量減少設(shè)備的熱損失。

4）盡量減少過剩空氣，以減少燃燒產(chǎn)物體積。

圖1 蕪湖新興鑄管3 號高爐熱風(fēng)爐拱頂溫度與風(fēng)溫的變化

以上四項，二、三項可通過技術(shù)手段和增加設(shè)備來實現(xiàn)。第四項必須通過研發(fā)設(shè)計，對燃燒器的改進(jìn)，以改變氣體的流場結(jié)構(gòu)及組分混合特性，促進(jìn)空、煤氣的充分混合，在保證完全燃燒的情況下，較少過?？諝?。因此各種頂燃式熱風(fēng)爐的出現(xiàn)、計算機自動燒爐的應(yīng)有也是基于此因素。

3 兩種頂燃式熱風(fēng)爐爐頂燃燒結(jié)構(gòu)分析

3.1 新興鑄管型外混合燒嘴頂燃式熱風(fēng)爐（以下簡稱新興鑄管型熱風(fēng)爐）

其結(jié)構(gòu)有外置式金屬燃燒器、火焰噴射孔、燃燒室等組成。如圖2。從圖可看出，新興鑄管型熱風(fēng)爐實際上是一種外置短焰燃燒器旋切式頂燃式熱風(fēng)爐，由于外混合燒嘴在加熱燃燒期間，煤氣和空氣在熱風(fēng)爐外部燒嘴中混合后從火焰噴射孔高速噴入爐內(nèi)離開燒嘴在燃燒室內(nèi)燃燒，此時燒嘴區(qū)溫度低于燃燒室和下部錐頂溫度（一般在600～700℃左右），而在送風(fēng)期間受下部熱輻射作用其溫度又與下部差不多（一般在1000℃左右），溫度的變化使燃燒室和燒嘴本身的結(jié)構(gòu)受到影響，使在與燃燒室相聯(lián)接的燒嘴部位因溫度的交替變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，造成燃燒室頂損壞和燒嘴的頻繁開裂漏風(fēng)。另外由于其燒嘴安裝的角度是火焰旋流的切線方向，在熱風(fēng)爐燃燒期間從燒嘴噴射出的火焰在燃燒室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，燃燒室上部處在高溫與高速氣流的沖擊之下，尤其是在燒嘴與燃燒室連接處(火焰噴射孔部位)，耐火材料很容易脫落，造成對燒嘴的破壞。同時，因熱風(fēng)爐燒爐時空氣和煤氣是靠在燒嘴內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)混合的，由于兩股氣體在燒嘴內(nèi)流動速度高，燒嘴內(nèi)的空間有限，勢必造成氣體混合的不均勻，影響到煤氣的利用率和燃燒的溫度，一般爐頂溫度最高只能到1250℃。另外，由于該類爐型結(jié)構(gòu)必須采用氣體強旋流流動模式才能保證流場的穩(wěn)定和燃燒的穩(wěn)定，由此而帶來的是進(jìn)入蓄熱室氣流分布的極不均勻，由于蓄熱體氣流的溫度與速度的雙不均勻，這不僅降低了傳熱效果與蓄熱體利用率，而且會導(dǎo)致不同位置的蓄熱體受到不同溫度的加熱與冷卻，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)[3]，進(jìn)而使傳熱效果變得更差。

圖2 新興鑄管型外混合燒嘴頂燃式熱風(fēng)爐爐頂圖

3.2 卡魯金旋流式頂燃式熱風(fēng)爐

卡魯金旋流式頂燃式熱風(fēng)爐，是一種帶有噴嘴環(huán)形交錯布置旋流噴射燃燒器的新一代頂然室熱風(fēng)爐，其結(jié)構(gòu)是保證空煤氣混合均勻的關(guān)鍵，因此在其小拱頂預(yù)然室上端各布置了一圈交錯排列的煤氣與空氣噴嘴，煤氣噴嘴與徑向成一定角度進(jìn)入預(yù)燃室，空氣噴嘴上翹一定角度進(jìn)入預(yù)燃室；其工作原理是氣流進(jìn)入預(yù)然室后激烈混合、預(yù)熱著火而燃燒，再以高速進(jìn)入下部燃燒室完成整個燃燒過程；微弱的漩流維持氣流穩(wěn)定，并使進(jìn)入蓄熱體氣流趨于均勻，在實現(xiàn)強化燃燒中加強蓄熱體的換熱過程。如圖3。

這種頂然式熱風(fēng)爐主要特點是預(yù)燃室中采用的兩種氣流分離成交錯排列小股間的相互混合，使交錯上噴的空氣與煤氣氣流提前充分混合后快速燃燒，形成預(yù)混燃燒模式。氣流在預(yù)燃室和燃燒室內(nèi)的流場狀況為，球頂中心、預(yù)燃室中心、燃燒室回流區(qū)域速度相對較低，空、煤氣噴口和收縮段外側(cè)速度較大。煤氣沿環(huán)道從上層噴口高速噴入預(yù)燃室形成旋流，一部分向上充塞半球拱頂并延半球拱頂壁面向下流動，形成回流區(qū)，另一部分旋流向下與空氣之噴口噴射出的對沖空氣氣流混合，形成中心以煤氣為主外圍包裹著空氣的圓筒狀下降氣流，從而減輕燃燒時高溫火焰對預(yù)燃室壁面的沖刷[4]。同時，回流渦旋對上行混合氣流的預(yù)熱為火焰穩(wěn)定提供了條件，保證了整個氣流流場的穩(wěn)定。其相對于主氣流的低壓特征，使向下氣流分布自然趨于均勻。可見，這種氣流流場結(jié)構(gòu)就能有效而巧妙地實現(xiàn)氣體燃料燃燒過程中氣流混合、氣流預(yù)熱、著火燃燒、氣流穩(wěn)定、氣流分布均勻、節(jié)能增效等一系列目標(biāo)。預(yù)燃室與收縮段間設(shè)置一圓臺，使得氣流出預(yù)燃室的直徑小于燃燒室的直徑，除了內(nèi)層砌體結(jié)構(gòu)密封的需要外,變徑節(jié)流的擾動作用削弱了邊沿氣流，使得空煤氣更加充分混合，減少剩余空氣使拱頂溫度進(jìn)一步提高。并使氣流整體以旋流形式延燃燒室徑向擴(kuò)展，氣流出收縮段后，由于流通截面增大,氣流速度迅速降低，形成邊緣氣流速度大而中心區(qū)域壓力低速度小的流動狀態(tài)。在預(yù)燃室中心區(qū)域形成回流和燃燒室下部產(chǎn)生渦流的共同作用是此種熱風(fēng)爐燃燒器的關(guān)鍵所在[5]。

圖3 卡魯金旋流式頂燃式熱風(fēng)爐爐頂圖

另外由于混合氣體在預(yù)燃室進(jìn)行燃燒，使預(yù)燃室就成為一個高速燃燒室，使得預(yù)然室不論在燃燒過程還是送風(fēng)過程均能維持在高溫狀態(tài)，減少了拱頂區(qū)域溫度場的周期變化，非常有利于燃燒器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，有效的保證了熱風(fēng)爐的使用壽命。此外，由于燃燒室錐端采用了加大錐頂角度來改善結(jié)構(gòu)狀態(tài)和受力狀態(tài)，以提高拱頂運行的穩(wěn)定性。由于拱頂錐角的加大，使得預(yù)然室出口與燃燒室入口的截面積比值加大，有利于預(yù)然室出口氣流的穩(wěn)定。使進(jìn)入蓄熱體的氣流的均勻程度也會增加，有效的改善了蓄熱體與煙氣流間的熱交換?；谏鲜龇治?，該形式熱風(fēng)爐具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、燃燒強度大、傳熱效果好、使用壽命長和減排環(huán)保的特點，有效地保證其為高爐提供高風(fēng)溫條件的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。使其在國內(nèi)近年來新、改建高爐上得到迅速、普遍的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

從上述對兩種頂燃式熱風(fēng)爐爐頂結(jié)構(gòu)特點的分析比較，卡魯金旋流式頂燃式熱風(fēng)爐具有燃燒效率高和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用壽命長的特點，使之能在高風(fēng)溫條件下安全穩(wěn)定地運行，在單一燒高爐煤氣的情況下，經(jīng)過對空氣和煤氣的預(yù)熱處理，完全具備給高爐送1200～1250℃的高風(fēng)溫的能力。

［1］劉全興.我國高爐熱風(fēng)爐的新技術(shù)應(yīng)用回顧與展望[J].煉鐵，2007（2）.

［2］東北工業(yè)學(xué)院煉鐵教研室.高爐煉鐵：下冊[M].冶金工業(yè)出版社，1978.

［3］李少春，李軍.寶鋼熱風(fēng)爐風(fēng)溫條件下的長壽技術(shù)[J].煉鐵，2008（1）.

［4］李隆鍵，彭川，武成波.卡魯金頂燃式熱風(fēng)爐的流場結(jié)構(gòu)及組分混合特性[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)，2011（1）.

［5］賀友多，李學(xué)華，李超，等.對頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器的認(rèn)識[J].煉鐵，2007（26）.