顶燃式热风炉

热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。现代大高炉目前最常用的是蓄热式格子砖热风炉，蓄热式热风炉按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种。其工作原理是先燃烧煤气，用产生的烟气加热蓄热室的格子砖，再将冷风通过炽热的格子砖进行加热，然后将热风炉轮流交替地进行燃烧和送风，使高炉连续获得高温热风。蓄热式热风炉有烧炉、送风两种主要操作模式:将高炉煤气燃烧对蓄热室的格子砖进行加热，即为"烧炉"操作模式，用蓄热室格子砖对冷风进行加热并送风到高炉，即为"送风"操作模式。

内燃式热风炉和外燃式热风炉最重要的缺陷，就是燃烧室。卡卢金博士发明的顶燃式热风炉，取消了燃烧室，因此消除了内燃式和外燃式热风炉的主要缺陷，通过提高拱顶温度获得了前所未有的高风温。卡卢金顶燃式热风炉在中国已经取得了发明专利。

与内燃式和外燃式热风炉相比，卡卢金顶燃式热风炉占地更少、投资更小。

卡卢金热风炉(卡式热风炉)在结构上经历了二代改型，与第一代卡式热风炉相比，第二代卡式热风炉结构更为合理、体积更小、燃烧器结构更为稳定、可靠，已经广泛地在中国(典型工程是5500立方米高炉)、日本(典型工程是5000立方米高炉)、俄罗斯(典型工程是5500立方米高炉，全面使用了20毫米孔径格子砖)、乌克兰等国家推广使用;卡卢金公司首先发明并正在着力推广的20毫米孔径格子砖，与目前常规的30毫米孔径格子砖相比，单位体积加热面积由48平方米/每立方米提高到64平方米/每立方米，并且在热风炉整个运行期间不会发生渣化现象;卡卢金公司发明的独立支撑的无梁式炉箅子系统，消除了有梁式炉箅子的弊端，允许废气温度达到500度，因此提高了系统稳定性，降低了格子砖高度，是卡卢金顶燃式热风炉的关键技术之一。

​卡卢金顶燃式热风炉

--高风温热风炉的代表

卡卢金博士发明的卡式热风炉，突破了内燃式和外燃式热风炉的结构局限，使用硅砖等常规耐火材料可以达到1300~1400度的高风温，具备了现代热风炉高风温、低投资、长寿命的基本特征。在煤气、助燃空气双预热的条件下，仅仅使用高炉煤气即可以实现1300度风温，在中国的京唐公司、安阳钢铁公司、太原钢铁公司都得到应用。

世界炼铁行业曾经最多地使用内燃式热风炉，以及后来的改进型--外燃式热风炉.但是，近十余年来，卡卢金顶燃式热风炉已经成为发展速度最快的热风炉技术，本文对内燃式、外燃式和卡卢金顶燃式热风炉进行比较分析，结论是卡卢金顶燃式热风炉是最具发展潜力的热风炉技术。

目前，国内热风炉技术逐步向着节能高效、提高风温、延长寿命的方向发展。自从引进新日铁的外燃式热风炉、霍戈文内燃式热风炉、卡卢金的顶燃式热风炉等先进热风炉技术以来，国内相继以此为样板针对国内具体情况进行了长期的热风炉研究与开发。近年来，尤其是将燃烧器放置在蓄热体上部的顶燃式热风炉的研制工作取得了长足的进展，如:煤气与助燃气内空气混合的带高速预燃室的顶燃式热风炉，以及各种新的预混合模式的顶燃式热风炉等，将顶燃烧热风炉的应用技术腿上了一个新的高度。由于存在对国外技术不能很好的合理应用，以及对这些热风炉本身固有的结构与性能上的问题缺乏正确认识，在实际运行中并没有收到其应有的效果。同时，上述一些炉型基础上的再创新工作做的也不一定到位，使得这些改进炉型在使用中出现不少的问题。

对于以旋切式顶燃式热风炉，在保证良好性能的前提下有必要处理好结构上的关键问题，这就是小直径预燃室(或预混室)与锥形燃烧室连接组成的一个热风炉拱顶(一个类似于瓶颈状热风炉锥段拱顶)的结构问题。这种炉顶(或拱顶)结构对于外混合燃室模式，在加热燃烧期间上部预燃室温度低于下部燃烧室温度，而在冷却送风期间其温度又与下部燃烧室差不多，温度的变化使预燃室本体的结构受到影响，而在于锥段燃烧室相连接的部分也会因温差的存在而产生热应力。如果在材料的选择上不合理，很可能导致结构的不稳定。对于内混和燃烧模式，在燃烧期间上部的预燃室实际上是一个高速燃烧室，是处在高温与高速气流的冲击之下的，尤其是在与燃烧室连接处的颈部位置，这对耐火材料的品质也提出了新的挑战。总之上述炉型结构都存在着热风炉使用寿命产生影响的结构问题，处理不当后果十分严重。另一个主要问题是，该类炉型结构必须采用旋流流动模式才能保证流场稳定性和燃烧的稳定由此而来的是产生进入蓄热室气流分布与温度分布的极不均匀。这不仅降低了传热效果和血热体的利用率，而且会导致不同位置的蓄热体收到不同温度气流的加热与冷却，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，进而使传热效果变得更差。

至于以霍戈文型热风炉为代表的燃烧火井(通道)平行与蓄热室的内燃式热风炉，这也是国内广泛使用的炉型，其火井燃烧室的燃烧振荡(脉动)与隔墙温度的周期变化是影响结构不稳定的相互作用的两个重要因素。因而问题时常在燃烧火井与蓄热室之间的隔墙出现，式结构稳定的一大重要隐患。随着霍戈文技术的引进，矩形陶瓷燃烧器的应用一定程度上客服了燃烧振荡的问题，对悬链线拱顶的推广作用和对火井隔墙砌筑上的合理处理，也保证了炉子的安全稳定运行，他们并没有完全采用霍戈文技术，这是这些热风炉仍然存在燃烧振荡问题、火井隔壁在热应力的作用下出现裂缝、导致漏风现象，其结果是燃烧效果差、热风温度低、热效率低，并存在安全隐患。此外，气流流场得分布是不均匀的，结构特征也决定其流场不可能均匀这样的热风炉根本谈不上长期、高效、稳定的运行。在适当的时候进行热风炉的彻底改造是唯一的选择。

目前，球床热风炉(属顶燃式热风炉一类)因其具有体积小、投资费用省、运行操作方便、换热效果好、热风温度高的特点，在中小高炉炼铁企业中普遍配置球床热风炉作为高风温度的提供者。由于其结构与性能上的不足，广泛存在如燃烧强度低、流动阻力大、球床利用周期短、燃烧器部位结构损坏、热效率提不高等自身无法克服的问题。目前使用组广泛的球床热风炉结构可归纳为两类，大拱顶带周向旋流喷射燃烧器(多为套筒燃烧器)的球床热风炉和带多喷嘴喷射旋流混合(或内混)预燃室的球床热风炉。对于带套筒燃烧器的顶燃式球床热风炉，常常将燃烧器布置在拱顶下部，根据炉子的不同大小可以是一个到数个燃烧器不等。燃烧器气流进入炉膛的方式也有不同，如单个燃烧器时一般是斜上方进入燃烧室，相成一个复杂旋转流动结构;而多燃烧器时往往在同一水平面上布置，互相以相同的水平角度进入，并形成旋转的中心切圆，整个气流是旋转向下的，但燃烧器也可以同时上翘使出口气流形成更均匀一些的如单燃烧器那样的旋转气流结构;这样的气流结构在流动方向上的速度分布是极不均匀的。至于带多喷嘴喷射旋流外混(或内混)预燃室的球床热风炉，预燃室是一个旋流预混室(外混合)或是一个旋流高速燃烧室(内混合);不论是预混待燃气流还是燃烧后烟气流，进入锥段燃烧室后因旋转而在中心形成回流涡环，使流动方向上的速度分布变得不均匀。

一般而言，单个套筒燃烧器的燃烧情况是很差的，即使在多烧嘴下情况也不会太大改善。通常煤气与空气进入后不能很好的充分的混合，燃烧过程基本上是半预混半扩散燃烧方式。这势必导致燃烧不完全，燃烧强度低，过量空气系数必须大、燃烧温度上不去。再有预燃室的情况下，煤气与空气是多数目喷嘴的喷射混合、预热燃烧的过程，燃烧方式也因喷嘴组合的不同而逐步向预混燃烧方式过渡。因此，燃烧强度会提高、燃烧温度也会提高，其燃烧过程会明显好于单烧嘴的情况，燃烧后的高温烟气最后进入蓄热体，这里是球床(由耐火球堆积而成球床)，由于速度分布在旋流情况下是极不均匀的，而温度分布也会因燃烧状态的不佳而变成不均匀，尤其是在单烧嘴的情况下。固然，类似于多孔介质的球床能够起到调节速度分布的作用，但这种调节是有限的，而且对于温度均匀性的调节是无能为力的。

同时，燃烧器是安装在拱顶下方(拱脚下的直筒段，或干脆就在拱顶的弯曲部位)是一个容易出现问题的地方。原因在于，燃烧器的温度在燃烧器内是比较低的，而在送风期内受拱顶辐射影响温度是较高的，交变的温度引起燃烧器附近转体受交变应力的作用，极易损坏。实践表明燃烧器的使用寿命一般在4-5年。尤其是在多烧嘴的情况，拱顶就犹如放置在一个不稳定底座上面，其稳定性可想而知。由于进入蓄热体的气流不能做到均流与均温，甚至燃烧过程还会在蓄热体中继续进行，出现蓄热体耐火球局部高温，产生球体局部粘连乃至板结，严重影响蓄热体耐火球寿命，使耐火球的换球周期极大地缩短。鉴于上述分析，顶燃式球床热风炉的结构不会产生良好的流动、燃烧、与传热性能，这样的热风炉其热效率不会高，热风温度不会高(即使风温高也是付出其他代价的结果，如排烟温度高等)。如果在考虑拱顶结构的不稳定性、球床的流动阻力过大而带来的运行费用的增加，以及球床频频更换耐火球，球床热风炉的投资省、床热效果好的优点就不值得一提了。

针对上述热风炉存在的现状，有必要寻找一种能够实现高强度稳定燃烧并能够均匀的燃烧后气流分布进入蓄热室的燃烧室结构，去解决带预燃室顶燃式热风炉不均匀的气流分布问题;去处理内燃式热风炉气流不稳定、隔墙热应力大、燃烧传热性能差等问题;去取代球床热风炉的燃烧器或彻底进行改造。这里提出豫兴型顶燃式热风炉，它应该是最能有效地解决上述问题的热风炉炉型。

豫兴Ⅰ型顶燃式热风炉的结构特点是:将带有成一定角度上喷的交错布置的煤气与空气喷嘴的环形燃烧器放置在悬链线拱顶燃烧室底部，于是构成了一种称之为热风炉反向喷射燃烧后高温烟气折返的燃烧技术(可简称为反冲燃烧技术)。该型热风炉的主要技术特征是:煤气与助燃气分别从喷嘴喷出后在预混合环道内混合后向上流动，再经回旋烟气流的预热而着火燃烧;燃烧气流(烟气)经拱顶后向下折返，在气流上下运动的过程中形成环状涡旋，造成部分烟气成回旋运动状态，从而起到预热与点燃煤气与助燃空气的混合气流的作用;而中部烟气因受涡旋中低压强的牵引作用，已逐步发散的流态向下流出燃烧室;选取合适的燃烧室高度与蓄热体的均匀气流分布;由于上喷过程中完成与高效率的传热过程在这种热风炉中实现了完美的结合。

豫兴顶燃式热风炉具体结构包括:悬链线拱顶、陶瓷燃烧器与部分炉墙组成的燃烧室，圆筒形炉墙围城的蓄热室，炉体下部为冷风室，它与蓄热室之间装有炉箅子以支撑蓄热室中放置的蓄热体，并布置冷风进口和烟气出口;炉顶上有热风出口，陶瓷燃烧器的墙体内有环形布置的煤气分配环道和助燃空气分配环道，煤气环道上部和空气分配环道下部分别引出成一定角度向上的数十个的煤气喷管与空气喷管，两种喷管的出口(及喷口)沿陶瓷燃烧器顶部的预混合环道的底部交错均匀布置;在陶瓷燃烧器煤气分配环道和助燃空气分配环道的外墙体上分别有与之成一定角度的煤气入口管和助燃空气入口管。燃烧室(包括炉顶、陶瓷燃烧器以及空气环道和煤气环道)支撑在炉壳结构上，使之与蓄热室大墙间形成各自可以自由移动的结构。

该型热风炉不同于或优于其他热风炉的显著特点可以归纳如下:

(a)煤气、空气成一定角度向上喷射，在热风炉内借助于高温烟气的回流对其进行高温预热，经交错喷射使其完全充分混合而燃烧，达到燃烧充分与燃烧温度高的目的;

(b)煤气、空气成一定角度向上喷射而混合燃烧后，受热风炉拱顶的作用向下折返，形成温度与速度分布都较为均匀的向下热气流，再进入热风炉蓄热体的上部，从而使蓄热体受热均匀，有效增加单位蓄热体的换热能力，明显提高蓄热体的利用率，有利于实现高热风温度和低热风温度变化的工艺要求;

(c)利用折返气流形成的回流流场与配合恰当的燃烧室结构，可以形成稳定的流场结构，从而使燃烧过程更加稳定，有效避免燃烧振荡问题，增强了燃烧室的热负荷调节能力，能够实现热风炉安全、稳定、高负荷运作;

(d)由于采用煤气与助燃空气分别交叉成一定角度上喷，煤气射流与空气射流在燃烧室中混合燃烧，有效避免了燃烧过程产生回火的可能性，提高了热风炉操作运行的安全性;

(e)由于燃烧室可以采用高热负荷运行状态，蓄热体中气体标态流速可以选取较大数值，从而增强蓄热体与气流见的传热强度，进而有效减少单位鼓风量的蓄热体材料的重量，有效地节省了热风炉的初投资;

(f)采用悬链线拱形结构的拱顶，减小了上部拱顶的曲率半径，具有良好的受力结构与稳定性，能有效增加热风炉使用寿命;

(g)燃烧器设置在拱顶的基部并与之构成一体形成燃烧室，由于其墙体不论在燃烧周期还是在送风周期均处于相同的热稳定状态，十分有利热风炉稳定长寿命的运行;

(h)将燃烧室组成设计成由炉壳支撑，有效地将其与蓄热体大墙分离，之间配合迷宫式滑移缝连接，以保证蓄热体大墙在运行过程中温度周期性变化造成的上下移动不受阻碍，有效延长炉体使用寿命;

(i)煤气与空气分配环道均设置在炉体大墙外，使之不论在燃烧周期还是在送风周期，均能保持在不高的温度状态且变化较小，保证其运行状态良好;

(j)燃烧器的煤气与空气出口喷嘴部分在受炉膛辐射与气流变化的影响温度变化较大，当采用喷嘴上部设置能自由膨胀的矩形截面的预混合环形通道后，就能有效克服这一问题;该环道还能起到加强气流混合、均匀气流分配的作用，因而使燃烧过程得到进一步改善;

(k)煤气环道和空气环道的进气采用气流均匀装置，使得各自均匀布置交错排列的几十个出口喷嘴管中能得到平均误差较小±5%速度分布，从而改善周向的气流混合，提高气流分布的均匀性，从而整体高燃烧与传热效率。