分析已有资料,不难看出,实现高炉煤气在低温炉内的稳定燃烧,关键是两点:一是加强燃烧器的预混性能,促进高炉煤气和助燃空气的燃烧反应过程。二是要对燃气进行预热,提供一定量的物理热。只预热高炉煤气,需要加热到600℃,如果将高炉煤气和助燃空气同时预热,温度可望降低,如果预热不足,可以在高炉煤气中加少许焦炉煤气。

1)预混式燃烧器。燃烧作为一种化学反应过程,实际上是高炉煤气所含的一氧化碳分子和助燃空气中的氧气分子进行的化学反应。根据阿累尼乌斯的碰撞反应原理,要使高炉煤气能够稳定燃烧,一个先决条件就是反应物分子必须相互靠近并发生碰撞。高炉煤气燃烧困难,主要是反应物分子数量少,氧气分子必须穿过惰性气层,才能接近燃料分子并发生碰撞而反应。实现高炉煤气的燃烧,除了反应物分子应具有足够高的温度和动能,有利于分子的接近和碰撞外,燃烧器还应具有良好的预混性能。经过燃烧器的机械混合,具有较高温度和能量的反应物分子借助强对流作用而迅速接近进行反应。

    根据我们多年从事燃烧技术研究的经验,开发了同轴交叉旋转射流高效燃烧器[10],如图1所示。煤气在芯管中流动,助燃空气由风机输送并流经套管,管壁上开有若干小孔,空气穿过小孔形成许多股小气流射入煤气流中,形成交叉流动。同时,在燃烧器内设置旋流片,使反应物气体做旋转运动,从而使反应物分子能够迅速进行反应。

    2)燃气预热与热管换热器管式炉废气温度高达350℃,可以用作加热介质。燃烧器实际上是一个反应器,根据质量守恒原理,反应物和燃烧产物质量相等,反应物和燃烧产物的比热相差不大,因此,烟气的温降和燃气(煤气+助燃气)的温升大致相等,采用燃料气和助燃气双预热更为合理。

    用烟气加热高炉煤气和助燃空气,是典型的气气换热过程,热管换热器是适用于这一过程的高效换热设备[8-9]。它是将换热管内充入某种工作介质并抽成真空而制成“热管”,再将这种热管组装成热管换热器。用普通列管换热器加热气体时,通常是让气体流经管外,并在管外缠绕螺旋翅片增大传热面积以强化传热,而对于气气换热场合,流经管内的气体就不能像管外气体那样通过增加传热面来强化传热,所以普通列管式换热器用于气气换热时,传热速率低,很不经济。热管换热器通过巧妙设计,使两种气体都流经管外,能够轻而易举的增加传热面积和强化传热。管内处于真空状态的工作介质从热端吸收热量并气化为蒸汽,蒸汽流至冷端放出热量并凝结为液体,液体借助重力流回热端再次受热气化,周而复始,实现从热气体中取热并传给冷气体的操作。在气气换热场合,热管换热器的传热速率远高于普通列管换热器。

    双预热热管换热器区域划分如图2所示,换热器热端和冷端用隔板隔开,热端为烟气通道,冷端再用隔板分为煤气通道和空气通道,各部分传热面积由热工计算确定。