燃气、氧气双向匀流式天然气冲天炉构想

谭岳云

（江西省机械科学研究所，江西南昌 330002）

1 节能、减排与均匀流动

要说节能、减排传统工业大有可为；鼓风炉窑是耗能大户、污染大户，炉窑工业更是首屈一指。改善、改变燃烧方式是达到上述目的的必然途径。实施燃烧有两大主要要素：一是燃料，长期以来主要是煤炭或焦炭；二是助燃剂，主要是空气或者氧气。在采用固体燃料的年代里，改善送风几乎是提高热效率的唯一途径。

早在1931年，德国人J.E.Fletscher以均匀送风冲天炉取得英国专利，尽管现在看来显得十分幼稚，但比之现今主要炉种，例如冲天炉的姐妹炉高炉，真是太有先见之明了！1985年，蜗螺风箱冲天炉的发明，可以说解决了冲天炉的均匀送风问题[1]。均匀送风也即均匀送氧取得阶段性成果。

2006年作者也曾企图解决气体燃料如天然气的均匀输送问题，现在吉守勤、张明等多人更是明确著文《研制天然气冲天炉的重大战略意义》，全面阐述难得企及的诸多深刻理由[2]。

作者以为，煤改气已是燃烧技术发展的必然趋势，或者说是世界技术革新的潮流，冲天炉当然也必须适应；而天然气、氧气同时实施匀流输送似乎已经迫在眉睫。

匀流小组的蜗螺冲天炉强化了燃烧功能，实践证明，节能、减排与强化功能相辅相成，最终都会归结为均匀流动，以促使资源的最佳利用。助燃剂的均匀流动加上燃料天然气的均匀流动，效果叠加，更加不可小视。

现在借助霍尔效应，连电子也要实施均匀流动，何况天然气呢!更令人感概的是：巴西圣保罗儿童剧院的设计也采用蜗螺形，以实现人员的均匀流动，如图1所示[2]。我们所做的，不过是利用断面控制流体的等速均匀流动，即努力减少湍流，尽量接近层流而已。

2 燃气、氧气双向匀流输送天然气冲天炉的设计结构及其合成分配图

随着设计结构的变化，原有有关专业用词（术语）已经不符实际，必须随之变化。我们且把具有相应功能的送风机构、风箱、进风管以及风口分别称之为：输流机构、汇流箱、燃气输入管、氧气输入管以及燃气喷口、氧气喷口甚至相套喷口等等。

同送风机构由风箱、进风管和风口各部分组成一样，输流机构则由汇流箱、输入管及喷口各部分所组成，如图2所示。

图1 巴西圣保罗儿童剧场

图2 燃气、氧气双向（相）匀流输送天然气冲天炉汇流箱简图

1）汇流箱，即环绕炉体同时接受燃气、氧气两者的箱体，由AC、B C两部分组成，B C部在外侧以顺时针方向绕炉；AC部在内侧以逆时针方向绕炉；两者最大截面即B、A两面呈120°夹角；两者分别保持蜗螺形和变体蜗螺形，两者最大和最小截面面积之比均为6∶2即3∶1，以确保该箱体各断面上流体流动速度相等。

2）输入管：燃气输入管的扩大角度约15°氧气输入管扩大角度约6°，均远远小于22°，两者分别从左右两侧相向包抄进入汇流箱。

3）喷口组，燃气喷口与氧气喷口可以两两相套而成喷口组；考虑到生产实际需要和平面平衡，喷口组共用3组，不能多也不能少，纯氧顶吹百顿转炉也不过用一个喷枪；本炉利用调控气压，三组完全可以满足要求，同样可以精确调节气压、气量，考虑纵向火焰平衡，喷口组均向下倾斜5°，喷口组细部如图3所示。

图3 喷口细部

三角配置是本炉设计的特色和核心，决定了整个设计的格局。

天然气冲天炉燃气、氧气双向（相）匀流合成分配图如图4所示。燃气从左侧顺时针方向匀流（等速）进入，氧气则从右侧绕过燃气（见图2 A-A剖面）逆时针方向匀流进入；最后分别进入各个喷口组。

图4 燃气氧气合成分配图

3 铁水温度问题

铁水温度低是焦炭冲天炉的致命问题，更是无焦冲天炉的致命问题。焦炭冲天炉提高铁水温度曾经有采用铸造焦炭和采取均匀送风两条途径，现在天然气冲天炉将如何提高铁水温度呢！

3.1 匀流小组，均匀送风进而双向（相）匀流

在铸造焦炭刚刚风行的时候，均匀送风也悄然出现。蜗螺风箱冲天炉空气分配图如图5所示，其进风管如图6所示[1]。该炉风箱比之传统风箱减少约2/3的容积，为形成涡流的体积；进风管也从湍流接近层流。实践证明，该炉匀流小组、燃烧强化，在不变更其他条件（包括焦铁比）的前提下，在1400℃的水平上，铁水温度净提高50℃，即使如此，还不能以为潜力已经挖尽。

图5 蜗螺风箱冲天炉空气分配图

图6 进风管流线比较图

图7 圆拱形耐火炉床

图8 冲天炉炉架部件全焊结构图

而今燃气、氧气同时均匀输送，效果叠加，铁水温度的提高一定会比50℃更高。

3.2 采用圆拱形耐火炉床

一般水冷炉排要消耗的热量大于总热量的10%，除去水冷炉排采用耐火炉床，作者深信不失为可靠措施。圆拱形耐火炉床如图7所示[4]，实施起来可能有些难度，但不会是不可克服的。

4 主要配套措施

没有相应配套机构的设计不会是完整的设计，下列配套机构是完全必须的。

1）支撑机构采用全焊机构，如图8所示[5]。

底座用15 mm板代替国标60 mm板，制成框架结构，同比用料节省约50%；炉腿用φ114mm～φ150mm钢管代替φ250 mm～φ300 mm的铸铁管；底门用可焊可补的焊结门代替铸铁门；完全改变既重又笨的形象。

2）烟气净化处理装置：焦炭改用天然气之后，烟气仍然必须净化处理，采取洁玉烟气净化处理系统；采用三级高强度、高密度伞形水幕，除去烟尘、微粒及有害气体，效率叠加可以无限接近100%，其烟气运行如图9所示[6]。

3）加料机采用轻便的翻斗加料机，滑轮用12#槽钢代替18#槽钢，材料既节省、运行又很平稳，其局部如图10所示[7]。

5 结语

本人认为研制天然气冲天炉的确具有重大战略意义；同时作者相信，燃气、氧气双向（相）均匀输送，将是继均匀送风之后，冲天炉技术发展史上又一次重大进步!

图9 烟气净化处理装置烟气运行图

图10 翻斗加料机局部图

［1］谭岳云.蜗螺风箱冲天炉圆了均匀送风的梦［J］.铸造设备研究，2000（3）:1-11.

［2］吉守勤，张明.研制天然气冲天炉的重大战略意义［J］.铸造，2013（3）：260-263.

［3］巴西圣保罗儿童剧场.中外著名建筑1000例［M］.杭州：浙江技术出版社.

［4］谭岳云.均匀送氧供气及无水冷无焦冲天炉［J］.铸造设备研究，2006（1）:7-9.

［5］谭岳云.论冲天炉支撑部件的结构设计［J］.中国铸造装备与技术，1999（1）：3-9.

［6］谭岳云.洁玉烟气净化处理系统设计［J］.铸造设备研究，2007（4）:1-14，28.

［7］谭岳云.冲天炉翻斗加料机评述［J］.铸造设备研究，2006（3）：8-11.