旋切式顶燃热风炉技术特点姜凤山(中冶京诚工程技术有限公司)摘要:对旋切式顶燃热风炉的技术特点进行了总结。
实践表明，该热风炉结构合理，在同等条件下可提高风温50℃以上，热效率提高5％～10％，预期寿命可达到25年以上。
关键词:热风炉顶燃式燃烧器格子砖旋切式顶燃热风炉是近年来中冶京诚研制开发的新一代高风温、高效率、长寿命热风炉技术。
旋切式顶燃热风炉集成了卡鲁金顶燃式热风炉、新日铁外燃式热风炉和霍戈文内燃式热风炉的优点，并通过大量试验研究，如计算机仿真、全炉模型冷态模拟测试、热态运行测试等，围绕高风温、长寿、和节能环保等技术进行了系统性创新和提高。
目前，已有8项国家专利和2项经冶金建设协会认定的专有技术，拥有完全自主知识产权。
旋切式顶燃热风炉与其他类型顶燃式热风炉相比，同等条件下可提高风温50℃以上，热效率提高5％～10％，预期寿命可达到25年以上。
1燃烧器旋切式顶燃热风炉燃烧器主要由煤气环道、煤气喷口、空气环道、空气喷口、混合室、喉口等几部分组成。
煤气通过切向喷口喷入燃烧器混合室，并在混合室内圆柱面导向作用下，形成向下运动的管状旋流。
助燃空气则沿径向喷口喷入燃烧器混合室，向煤气管状旋流的中心切入，对煤气管状旋流形成有效地切割，与煤气发生强烈混合，混合物瞬间从燃烧器喉口喷出，进入燃烧室燃烧，这就是旋切式顶燃热风炉燃烧器“旋切”工作原理。
旋切式燃烧器煤气喷口和空气喷口均为水平布置，空气喷口距离煤气喷口较远而且靠近喉口。
由于煤气喷口与空气喷口距离较大，保证煤气管状旋流形成，有利于空气穿透。
空气喷口距离喉口很近，保证了煤气与空气混合的瞬间从喉口喷出，并进入燃烧室燃烧。
旋切式顶燃热风炉燃烧器只起到组织气流的作用，煤气和空气在燃烧器喉口部位一次完成混合，并瞬间从喉口喷出进入燃烧室燃烧，燃烧器内部并无火焰，这是旋切式顶燃热风炉燃烧器的显著特点，也是与其他类型顶燃式热风炉燃烧器根本区别。
旋切式燃烧器煤气和空气无预混，混合燃烧一次完成，避免了预混预燃产生的烟气与未燃煤气和空气掺混而阻碍煤气与空气进一步混合，避免了未燃煤气和空气燃烧条件恶化。
旋切式燃烧器煤气与空气混合充分，保证很小空气过剩系数下煤气燃烧完全。
国丰5号高炉旋切式顶燃热风炉实际抽测表明大范围改变空气过剩系数，烟气中的没有检测到CO。
经检测八钢新区A高炉旋切式顶燃热风炉废气O2含量在0．3％时。
CO含量小于0．03％[1]。
而常规热风炉一般在燃烧较好的情况下，废气废气O0．3％2含量时，CO含量0．3％[2]。
废气O2含量0．3％相对应的空气过剩系数约1．03，说明旋切式顶燃热风炉燃烧器燃烧性能良好，在1．03空气过剩系数可以保证燃烧完全。
计算表明，其他条件不变，过剩空气系数由1．10降低到1．03，燃烧温度可提高20℃。
力腐蚀。
由于37孔格子砖活面积增加，同等蓄热搴断面积时气体流速略有降低，所以采用37孔格子砖的热风炉阻力损失并不会增加。
3 三段式砌体结构旋切式顶燃热风炉采用三段式砌体结构，包括热风炉炉体三段式砌体结构和蓄热室格子砖三段式砌体结构。
热风炉炉体从上到下依次为燃烧器、燃烧室和蓄热室三段。
三段砌体采用完全脱开的迷宫式连接，各段砌体可以自由伸缩，避免各段砌体膨胀相瓦影响。
旋切式顶燃热风炉圆周方向为完全对称结构，不存在外燃热风炉拱顶联络管或内燃热风炉火井大墙等非对称结构，从根本上消除了由于非对称结构造成不均匀膨胀而引起的破坏。
热风出口位于燃烧室直段部位，热风出口组合砖与燃烧室锥顶拱脚砖分开处理，消除了燃烧室锥顶的薄弱环节。
另外热风出1：3与燃烧室砖托距离较小，燃烧室大墙砌体热膨胀上涨量很小，不会对热风出口造成剪切破坏。
旋切式顶燃热风炉蓄热室格子砖从上到下依次采用硅砖、低蠕变高铝砖和低蠕变粘土砖三段式结构。
通常硅砖安全工作温度不低于800℃，而粘土砖安全工作温度不高于1 000℃，其分界面理论上设置在温度900℃处，硅砖和粘土砖各有100℃的安全波动范围。
考虑到蓄热室格子砖各段高度存在设计偏差，以及热风炉操作条件的变化，特别是顶燃式热风炉蓄热室格子砖总高度比内燃式热风炉和外燃式热风炉显著降低，蓄热窜格子砖温度波动范嗣更大，热风炉实际操作中很难保证硅砖和粘土砖工作温度不超出安全界限。
若格子砖采用硅砖和粘土砖两种材质，或在硅砖和粘土砖之间只设高度很低的一段低蠕变粘土砖过渡，热风炉适应大范围温度变动的能力较差，给热风炉寿命留下隐患。
旋切式顶燃热风炉在蓄热窜中间设置一段安全温度更高的低蠕变高铝砖，可以保证热风炉操作大幅度波动情况下，始终保持各种材质都在安全工作温度范围内，增加了热风炉的适应能力和安全性。
4带有横梁的多种孔型炉箅子随着格子砖格孔直径和孔距减小，炉箅子的强度和通孔率越来越难以保证，为此，专门研制了带横梁的多种孔型炉箅子。
主要由带有多种孔型的炉算子、整体式横梁和支柱组成。
炉箅子两条边支撑在横梁上，4个角通过横梁落在支柱上，炉箅子受力合理。
炉箅子与横梁及横梁与支柱之间有锁扣相互锁定，两组横梁间有固定螺栓固定，所有炉箅子、横梁和支柱通过锁扣和螺栓连接成一个整体，结构稳定。
这种方式可有效避免独立支撑式炉箅子易出现炉箅子塌陷和倾斜问题。
通过改进炉箅子的孔型，不但强化了受力结构，保证了通孔率不降低，同等孔径和孔距、同等厚度条件下，强度比梅花孔炉箅子提高31％。
5改善气流分布技术通过改善蓄热室上部烟气分布均匀性和炉箅子下部冷风分布的均匀性，提高格子砖利用率，从而提高热风温度。
蓄热搴断面上气流分布的均匀程度，用蓄热室上表面测点数的流速均方根差与平均流速之比表示，其比值越小，表示气流分布越均匀。
旋切式顶燃热风炉能够达到较均匀蓄热室上部气流分布效果，其原因在于燃烧器、燃烧审的结构和布置较合理，燃烧器、燃烧室均为中心对称布置，且中心线重合。
煤气和助燃空气混合物从燃烧器喉口喷出进入燃烧窜燃烧，产生的高温烟气气流呈中心对称地分布，避免了内燃式热风炉产生的偏心气流。
另外，通过合理设计，可有效地控制烟气的旋度，从而达到尽可能小的径向气流分布梯度。
八钢新区A高炉燃烧器冷态模型测试第7层断面(相当于格子砖上表面600mm处)垂直方向气流速度分布如图1所示。
在断面上尽可能均匀地布置测试点96点，对垂直方向气流速度进行测试，流速均方根差与平均流速之比为0．157，而内燃式热风炉该比值为0．477—1．437[2]。
蓄热室下部采用多种孔型炉箅子，并在炉箅子下部设置冷风分配装置。
冷风分配装置的形状和位置通过计算机仿真进行优化，可使冷风在炉箅子下部的分布不均匀度小于5％。
6关节管技术与热风管道膨胀拉紧装置顶燃式热风炉与内燃式热风炉或外燃式热风炉的一个显著差别是热风出口位于热风炉上部，通常与热风围管有较大高差，需要设置垂商联络管连接。
热风主管坐落在钢结构框架上，高度基本不变，而热风出口随炉壳上涨而上涨，导致热风支管有较大的径向位移。
垂直联络管的上涨亦引起，热风主管局部产生较大的径向位移。
径向位移处理不好极易导致内部砖衬破损而引起热风管道串风，甚至管壳发红、开裂，影响热风炉能力发挥。
旋切式顶燃热风炉针对其热风管道工作特点，专门开发了关节管技术，既可适应较大径向变形要求，又可保证内部砖衬不会被损坏。
另外还采用热风管道膨胀拉紧装置，解决热风管道和大拉杆轴向变形引起的砖衬破损问题。
7废气综合利用技术旋切式顶燃热风炉除了追求高风温和长寿目标以外，还特别注重提高热风炉系统的整体热效率。
通常，中型以上高炉旋切顶燃热风炉系统整体热效率都可达到85％以上。
这一目标的实现除旋切式燃烧器燃烧完全、炉壳散热损失小等热风炉自身因素外，还针对不同用户的要求和条件，尽可能回收热风炉废气余热，提升热风炉系统的效率，减少煤气消耗。
对风温要求1 250 ℃以上而缺乏高热值煤气的用户，可以采用带有附加燃烧炉的热风炉废气综合利用技术，部分热风炉废气直接送往喷煤制粉系统，另一部分则与附加燃烧炉高温烟气混合后预热煤气和助燃空气，既可满足较高的甲预热温度要求，又可实现较低的热风炉废气排放温度，使废气余热得到充分回收利用。
采用旋切式顶燃热风炉，通过改进炉箅子材质，适当提高热风炉废气平均温度，采用板式换热器对煤气和助燃空气进行双预热，单一高炉煤气条件下即可实现1 200—1 250 ℃风温目标。
板式换热器采用不锈钢材质制造，可以适应更高的废气温度而不存在爆管问题，可以适应更低的废气排放温度而不发生露点腐蚀，从而可以达到较高的双预热温度并回收更多废气余热。
附加小热风炉的预热系统，空气预热温度高，可满足较高的风温要求。
但是小热风炉只能预热助燃空气，通常采用热管换热器回收热风炉废气余热对煤气进行预热，热风炉和小热风炉废气余热得不到充分回收，系统热效率相对较低。
附加小热风炉的预热系统适用于风温要求高、煤气较富余、投资较宽裕的用户。
8高热值煤气分时燃烧技术对可提供少量高热值煤气用户，可以采用高热值煤气分时燃烧装置技术，充分发挥高炉煤气供应充足、可以提供大量热量和高热值煤气可提高拱顶温度的作用。
采用高热值煤气分时燃烧技术，高热值煤气只在燃烧周期的后期才参与燃烧，只使用正常高热值煤气用量的三分之一，即可达到所需要的高风温要求，节省高热值煤气用量。
或者原来l座高炉高热值煤气供应量条件下可以满足2～3座高炉对高热值煤气的需求，大幅度提高高热值煤气利用率。
9数学模型控制技术热风炉控制数学模型的设计思路是根据送风温度所需要的拱顶温度，计算高炉煤气与高热值煤气的配比；根据要存储的下次送风所需的热量，计算燃烧过程不同阶段所需的高炉煤气或混合煤气的流量；根据高炉煤气或混合煤气流量及成分计算所需要的空气流量。
该模型开发考虑了4座热风炉或3座热风炉不同配置、顺序送风或并联送风等不同工作制度的控制要求，还融人了高热值煤气分时燃烧技术。
该模型减少人工干预工作量，大幅度提高热风炉燃烧控制精度，提高燃烧温度，并可有效管理拱顶温度和炉箅子温度。
10应用效果(1)国丰5号高炉，2004年l 1月24日投产，是第一座使用旋切式顶燃热风炉的高炉。
使用单一高炉煤气烧炉，助燃空气单预热，热风温度稳定在1 180—1 200℃之间。
使用5年后停炉检查各部位砌体结构完好，炉壳温度在正常范围内。
(2)宝钢集团八钢A高炉，有效容积2500m3，2007年2月28日投产，采用3座旋切式顶燃热风炉，配备整体式热管式宅气换热器和煤气换热器，掺烧部分焦炉煤气，助燃风机集中供风。
目前操作采用单一高炉煤气烧炉，两烧一送工作制度，送风周期60min，拱顶温度约1320 ℃，热风温度l 180℃。
仪表检测烟气O2含量在0．3％时，CO含量<0．03％。
送风期阻力损失7kPa。
各部位炉壳温度不超过80℃，热风炉本体结构稳定。
(3)兴澄特钢3200m3高炉，2009年9月25 日投产，采用3座旋切式顶燃热风炉，配备整体式热管式空气换热器和煤气换热器，助燃风机集中供风，采用单一高炉煤气烧炉，两烧一送工作制度，送风周期45min。