一种气流环道旋流预混垂直上喷蓄热体辅助燃烧的热风炉
技术领域
本实用新型涉及热风炉，特别是为高炉、熔炼炉、干馏炉、干燥炉、焚烧炉等提供工艺热气流的一种气流环道旋流预混垂直上喷蓄热体辅助燃烧的热风炉。
背景技术
热风炉是工业生产中常用的设备，对于采用燃烧气流加热多孔蓄热体与送风冷气流冷却多孔蓄热体从而产生高温（或高压）工艺热气流的周期性工作的热风炉而言，气体燃料燃烧过程与多孔体周期性的蓄热与放热的传热过程将直接影响到热风炉的工作性能。随着现代工业技术的进步，对热风炉也提出了更高的技术要求，主要体现在节能、高效、稳定与环保等四个主要方面。为了达到或者部分达到上述的目标，热风炉的技术创新与技术进步从来就没有停歇过，诸如为改善燃烧过程提出的各种热风炉的燃烧装置，起到了改善与促进气流混合、优化和强化燃烧的效果，再如多种结构与不同性能的格子砖蓄热体的应用，体现在各种蓄热材质的选用、蓄热体结构与形状的改变、以及热工计算的相对完善等，都促进传热与蓄热性能的优化与强化；此外，借助于数值模拟技术的发展，对炉内气流流场的合理组织与控制，提高了燃烧气流的均匀分布状态和送风气流在蓄热体中的均匀分布特征，最终从整体上实现传热过程的优化与强化等。这里有必要指出，随着燃烧、流动与传热科学与技术的进步，多孔介质燃烧技术的研发，相关的技术创新也在实际应用中逐步推进。此外，国家对环境治理的强制性措施的实施，超低排放成为一种常态，对于燃烧设备烟气的除尘、脱硫及脱硝指标要求的日趋严厉，煤气的超低氮燃烧与烟气的超低排放也成为热风炉技术不可分割的重要部分。但由于，现有热风炉在结构上存上的问题，并不能满足高效节能、超低排放，对热风炉的实际需要，因此结合热风炉内流动、传热与燃烧的过程特性，基于预混高强燃烧、均流强化传热、多孔体超焓燃烧提温、分级可控与欠氧燃烧等现有或创新的燃烧与传热技术，提出一种气流环道旋流预混垂直上喷借助多孔蓄热体辅助燃烧以实现高温低氮燃烧与均流强化传热相结合的热风炉，使之在结构稳定、性能优化、高效节能与超低排放等技术特征上向前推进，极大地适应现代工业对热风炉结构与性能的需要是必需解决的技术问题。
实用新型内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种气流环道旋流预混垂直上喷蓄热体辅助燃烧的热风炉，可有效解决实现高温低氮燃烧与均流强化传热相结合的热风炉，并使之结构稳定、性能优化、高效节能与超低排放的问题。
本实用新型解决的技术方案是，一种气流环道旋流预混垂直上喷蓄热体辅助燃烧的热风炉，包括由金属炉壳内砌筑耐火材料的封闭墙体，从上到下分为燃烧室墙体、预混室墙体、蓄热室墙体、冷风室墙体和炉底，共同构成煤气与空气在其中预混与着火燃烧的预混燃烧室空间、多孔蓄热体在其中堆放的蓄热体空间及调节进、出气流分布的冷风室空间，所述的燃烧室墙体和预混室墙体分别由半球形墙体和圆筒墙体上下同轴连接构成预混燃烧室，预混燃烧室内从下到上堆砌有上部蓄热体和顶部气流调节蓄热体，煤气进口管和空气进口管水平对称地布置在预混室墙体上，并连通设置在预混室墙体和预混室导流环墙之间的气流预混环槽，气流预混环槽顶部设置有预混气流出口环缝以及支撑环缝与引导气流的多个周向均布的预混气流出口环缝挡块，热风出口管设置在预混室墙体上，并连通气流预混环槽，燃烧室墙体与预混室墙体连成一体，由固定在燃烧室炉壳上的预混室墙体承托圈支撑；蓄热室墙体为圆筒形，与上部的预混室墙体相互间构成滑移插入式同轴连接结构，内部空间为蓄热室，蓄热室内堆砌有中部蓄热体和下部蓄热体，蓄热室墙体的底部支撑在冷风室墙体上部；冷风室墙体呈圆筒状结构，底部由炉底封闭，构成杯筒状结构，杯筒状结构内的空间为冷风室，上部承托蓄热室下部墙体，冷风室内砌筑有与之同轴的冷风室环墙，冷风室墙体与冷风室环墙之间构成冷风气流分配环道，冷风室墙体上分别设置有连通冷风气流分配环道的冷风进口管和烟气出口管，冷风室墙体上设置有沿周向水平倾斜布置的冷风进气喷口（或烟气流出喷口），冷风室环墙内的冷风室与冷风气流分配环道之间连通；冷风室内从炉底开始铺设蓄热体底部导流板，导流板上依次向上堆砌底部气流调节蓄热体、下部蓄热体、中部蓄热体、上部蓄热体和顶部气流调节蓄热体，直到堆满整个蓄热室空间。
本实用新型结构新颖独特，使用稳定可靠，效果好，实现高温低氮燃烧与均流强化传热相结合，高效节能与超低排放，极大地适应现代工业对热风炉结构与性能的需要，经济和社会效益巨大。
附图说明
图1为本实用新型热风炉的结构剖面主视图。
图2为本实用新型热风炉的冷风室墙体部分的横剖面图。
图3为本实用新型热风炉的预混室墙体横剖面俯视图。
图4为本实用新型热风炉的预混室部位横向的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型热风炉的具体实施方式作详细说明。
由图1-4给出，本实用新型一种气流环道旋流预混垂直上喷蓄热体辅助燃烧的热风炉，包括由金属炉壳内砌筑耐火材料的封闭墙体，从上到下分为燃烧室墙体1、预混室墙体2、蓄热室墙体3、冷风室墙体4和炉底5，共同构成煤气与空气在其中预混与着火燃烧的预混燃烧室1-1空间、多孔蓄热体在其中堆放的蓄热体空间及调节进、出气流分布的冷风室4-1空间，所述的燃烧室墙体1和预混室墙体2分别由半球形墙体和圆筒墙体上下同轴连接构成预混燃烧室1-1，预混燃烧室内从下到上堆砌有上部蓄热体2-9和顶部气流调节蓄热体1-2，煤气进口管2-1和空气进口管2-2水平对称地布置在预混室墙体2上，并连通设置在预混室墙体2 和预混室导流环墙2-3之间的气流预混环槽2-4，气流预混环槽顶部设置有预混气流出口环缝2-5以及支撑环缝与引导气流的多个周向均布的预混气流出口环缝挡块2-6，热风出口管2-7设置在预混室墙体上，并连通气流预混环槽2-4，燃烧室墙体与预混室墙体2连成一体，由固定在燃烧室炉壳上的预混室墙体承托圈2-8支撑；蓄热室墙体3为圆筒形，与上部的预混室墙体2相互间构成滑移插入式同轴连接结构，内部空间为蓄热室3-1，蓄热室内堆砌有中部蓄热体3-2和下部蓄热体3-3，蓄热室墙体3的底部支撑在冷风室墙体4上部；冷风室墙体4呈圆筒状结构，底部由炉底5封闭，构成杯筒状结构，杯筒状结构内的空间为冷风室4-1，上部承托蓄热室下部墙体，冷风室4-1内砌筑有与之同轴的冷风室环墙4-3，冷风室墙体4与冷风室环墙4-3之间构成冷风气流分配环道4-4，冷风室墙体4上分别设置有连通冷风气流分配环道4-4的冷风进口管4-2和烟气出口管4-6，冷风室墙体4上设置有沿周向水平倾斜布置的冷风进气喷口4-5（或烟气流出喷口），冷风室环墙4-3内的冷风室4-1与冷风气流分配环道4-4之间连通；冷风室4-1内从炉底5开始铺设蓄热体底部导流板4-8，导流板上依次向上堆砌底部气流调节蓄热体4-7、下部蓄热体3-3、中部蓄热体3-2、上部蓄热体2-9和顶部气流调节蓄热体1-2，直到堆满整个蓄热室空间。
所述的燃烧室墙体1和预混室墙体2为金属外壳内用耐高温、低变形、抗热震性好的耐火材料砌筑而成，从内到外分别为重质材料、轻质材料和外层的耐高温轻质棉毡。
所述的蓄热室墙体3为金属外壳内用耐高温、低变形的耐火材料砌筑而成，从内到外分别为重质材料、轻质材料和外层的耐高温轻质棉毡。
所述的冷风室墙体4，与蓄热室墙体相同，均为环筒墙体结构，所述的炉底5为金属外壳内用耐热混凝土浇筑而成，其上再砌筑重质耐火材料砖体。
所述的顶部气流调节蓄热体1-2、上部蓄热体2-9、中部蓄热体3-2、下部蓄热体3-3及底部气流调节蓄热体4-7，是成型的多孔块体规则堆砌的结构，或是含有规则排列的通气管道组成的蜂窝块体的组合，或是堆积的各种蓄热球的堆积体，顶部气流调节蓄热体1-2和上部蓄热体2-9的材质具有耐高温、抗热震、防粘附及高热容性能。
所述的蓄热体底部导流板4-8，为带有水平槽的砖体排列组合而成的带多条平行槽的板面，导流板至少砌筑两层，平行槽相互垂直或成一定的相交角度，其材质耐压强度高与低温抗热震性能好。
所述的气流预混环槽2-4是预混室墙体2与预混室导流环墙2-3之间的环形通道，其顶部留有阶梯收缩后形成的预混气流出口环缝2-5，以及支撑环缝和引导气流方向的周向均布在环缝上的多个预混气流出口环缝挡块2-6。
所述的热风出口管2-7，通过其组合砖体结构垂直连接到预混室墙体2的圆筒墙体上，其出口结构的稳定性取决于其组合砖体的结构，并连通气流预混环槽2-4；所述的煤气进口管2-1和空气进口管2-2水平对称地布置在圆筒形的预混室墙体2上，并与之中心线垂直，煤气进口管2-1和空气进口管2-2与气流预混环槽2-4之间是中心对称的偏心连通，构成煤气与空气气流在气流预混环槽2-4中快速充分的旋流混合结构。
所述的冷风室环墙4-3的中下部设置贯通的冷风进气喷口4-5，用以连通冷风室4-1和冷风气流分配环道4-4，并水平倾斜连通，其倾斜角≤60º。
所述的冷风室墙体4的圆筒墙体的上有冷风进口管4-2和烟气出口管4-6在错位与冷风气流分配环道4-4水平呈倾斜式连通，倾斜角≤60º，并与冷风室环墙4-3上的冷风进气喷口4-5的倾斜角度方向一致。
本实用新型热风炉在具体使用时，煤气与空气分别通过煤气进气管2-1和空气进气管2-2进入气流预混环槽2-4，在此通过同向相互旋流混合形成预混其流后，向上通过气流预混环槽2-4上部的预混气流出口环缝2-5进入预混燃烧室1-1，并被预热着火燃烧形成高温烟气向上流动，在拱顶折返后进入顶部气流调节蓄热体1-2；在此完成燃烧过程以及还未进行混合的煤气与空气的继续混合燃烧，同时，部分在顶部气流调节蓄热体中的高温气流会受到从预混气流出口环缝2-5高速流出的匀气流的引射而形成高温烟气回流，该回流烟气会有效加热预混气流，使之快速预热而着火燃烧，导致预混燃烧室中燃烧强度与燃烧温度得以提高；之后高温烟气继续向下依次进入上部蓄热体2-9、中部蓄热体3-2及下部蓄热体3-3，在流动过程中完成其与蓄热体之间的传热并使蓄热体吸收热量；经过充分热交换之后在提升蓄热体温度同时而自身温度进一步降低，烟气继续向下进入底部气流调节蓄热体4-7，再经由蓄热室底部导流板4-8进入冷风进气喷口4-5和冷风气流分配环道4-4，最后经烟气出口管4-6而排放到热风炉外，由此完成蓄热体的加热过程（换热与吸热）。当蓄热体充分蓄热之后，关闭燃烧过程而进入送风过程，也就是高压鼓风的加热过程与蓄热体的冷却过程。此时，冷风从冷风进口管4-2进入冷风气流分配环道4-4，再经过冷风进气喷口4-5进入蓄热室底部导流板4-8，继而依次进入底部气流调节蓄热体4-7、下部蓄热体3-3、中部蓄热体3-2和上部蓄热体2-9，在经过与各部位蓄热体的热交换过程中逐步提高温度，最后进入堆砌在燃烧室中的顶部气流调节蓄热体1-2后进入预混燃烧室1-1，再经由预混气流出口环缝2-5到气流预混环槽2-4，最后由预混室墙体2上的热风出口管2-7引出。至此热风炉完成输送热鼓风的过程，也完成了一台热风炉的一个工作周期。在多台相同热风炉交替的周期运行过程中完成对高炉或其他热利用设备连续的工艺热鼓风的连续提供。
由上述结构可以看出，本实用新型采用的技术方案是，（1）热风炉整体由金属炉壳内砌筑耐火材料砌筑的封闭墙体构成，从上到下分为燃烧室墙体1、预混室墙体2、蓄热室墙体3、冷风室墙体4和热风炉炉底5，共同构成煤气与空气在其中预混与中燃烧的预混燃烧室1-1空间、多孔蓄热体在其中堆放的蓄热体空间、及调节进、出气流分布的冷风室4-1空间；（2）燃烧室墙体1和预混室墙体2分别由半球形墙体和圆筒墙体上下同轴连接而构成的预混燃烧室1-1，其内从下到上堆砌有上部蓄热体2-9和顶部气流调节蓄热体1-2，煤气进口管2-1和空气进口管2-2水平对称地布置在预混室墙体2上，并连通设置在预混室墙体2和预混室导流环墙2-3之间的气流预混环槽2-4，该环槽顶部设置有预混气流出口环缝2-5，以及支撑环缝与引导气流的多个周向均布的预混气流出口环缝挡块2-6，热风出口管2-7设置在预混室墙体上并连通气流预混环槽2-4，燃烧室墙体与预混室墙体2连成一体并由固定在燃烧室炉壳上的预混室墙体承托圈2-8支撑；（3）蓄热室墙体3为圆筒形墙体结构，与其上的预混室墙体2相互间构成可滑移的插入式同轴连接结构，其内部空间为蓄热室3-1，其内堆砌中部蓄热体3-2和下部蓄热体3-3，蓄热室墙体3的底部支撑在冷风室墙体4上；（4）冷风室墙体4也是圆筒状结构，其底部由热风炉炉底5封闭，形成杯筒状结构，其内的空间为冷风室4-1，其上部承托蓄热室下部墙体3，冷风室4-1内砌筑有与之同轴的冷风室环形墙体4-3，并在冷风室墙体4与冷风室环形墙体4-3之间形成冷风气流分配环道4-4，在冷风室墙体4上分别设置有连通冷风气流分配环道4-4的冷风进口管4-2和烟气出口管4-6，在冷风室环形墙体5-3中下部设置有沿周向水平倾斜布置的冷风进气喷口（烟气流出喷口）4-5，构成冷风室环形墙体4-3内的冷风室4-1与冷风气流分配环道4-4之间的连通；（5）冷风室4-1内从底部（热风炉炉底5）开始铺设蓄热体底部导流板4-8，其上堆砌底部气流调节蓄热体4-7，再向上进入蓄热室3-1空间，分别向上堆砌下部蓄热体3-3、中部蓄热体3-2、再进入预混燃烧室1-1中堆砌的上部蓄热体2-9和顶部气流调节蓄热体1-2，直到堆满整个蓄热室空间。
本实用新型经实际应用和测试，效果非常好，可有效实现煤气与空气的快速、充分且均匀的旋流混合，然后上行进入燃烧室空间，借助回流热气流被快速点燃着火，之后高速向下流动而进入预混预燃室中的调节蓄热体与上部蓄热体完成预混燃烧过程，之后进入蓄热室中布置的蓄热体中，最后完成蓄热体与烟气流之间的热量传递过程；由于燃烧室空间有限，燃烧气流很快进入上下部的蓄热体中，未充分燃烧的煤气会在上部格子砖中完成燃烧过程，使得该部分蓄热体获得了接近燃烧温度的蓄热，为高风温创造了良好条件。冷风室的气流调节环道使得冷风进入蓄热室之前能得到比较均匀的流场分布，有效提高蓄热体的利用率；由于热风出口位置设置在燃烧室的气流预混环槽外侧面，热风失去了短路流动的机会，促使蓄热室中多孔蓄热体截面上的气流分布变得更加均匀均（相较于设置蓄热室顶端燃烧室拱顶下部的热风出口管）；此外，冷风室取消炉箅子结构，而采用蓄热体特殊砌筑，在减少了投资成本的同时增加了蓄热体用量，有效降低了热风炉的制作成本。因此，该热风炉具有均匀快速预混、高强度预混燃烧及均匀高效传热的技术特征，以及简单、合理且有效的结构特征，同时兼具高性价比（让燃烧室和冷风室部分空间成为蓄热体堆放的地方）与节能环保结构的热风炉普遍能提高送风温度50℃到80℃，送风周期温度波动能控制在40℃到60℃。投资成本降低15%-20%。
总之，本实用新型的热风炉具有以下突出的实质点特点和显著的技术进步：1）采用直接的煤气进口管与空气进口管在气流预混环槽中同向旋流混合来完成气流预混，最大程度的实现高强度的快速预混，且简化了燃烧器结构；2）预混气流高速向上喷入预混燃烧室，利用喷射过程的引射回流自强化预热着火燃烧过程，由于完全预混燃烧在获得高温的同时并有效抑制燃烧过程中的氮氧化物； 3）由于燃烧过程部分在蓄热体中完成，借助于局部超焓燃烧过程，有利于显著提高蓄热体的温度；4）冷风室中充填流场气流流通与分配的蓄热体，实现了蓄热传热过程与气流流动调节过程的有机结合。该热风炉相比传统热风炉，在相同煤气热值下可以获得较高的稳定的热风温度，提高热风温度50-80℃,在高强度且充分预混的高温燃烧下实现了高燃烧温度下的低氮氧化物排放，在简化传统热风炉燃烧器结构、省去燃烧室与冷风室空间而获得热风炉制作成本的显著节省，成本降低15-20%，能真正称为是一种结构稳定性能优良的高效低耗与节能环保的热风炉，是热风炉上的一大创新，经济和社会效益巨大。
