1 前言
高溫空氣燃燒（High Temperature Air Combustion,簡(jiǎn)稱HTAC）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初燃料燃燒領(lǐng)域中誕生的一項(xiàng)新技術(shù)，它具有高效節(jié)能與低NOx、CO2排放等多重優(yōu)越性。日本、美國(guó)及歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó) 家已將該技術(shù)推廣應(yīng)用于冶金、鋼鐵、機(jī)械、化工、陶瓷等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的節(jié)能與環(huán)保效益。采用HTAC技術(shù)改造傳統(tǒng)燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置也已成為工業(yè)加熱技術(shù)中的熱門(mén)課題。本文根據(jù)HTAC技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置的蓄熱式改造方案進(jìn)行初步探討。理論計(jì)算及分析結(jié)果表明改造后的輻射管加熱裝置熱效率提高，表面溫度分布均勻，NOx排放濃度顯著降低，加熱質(zhì)量提高，裝置使用壽命延長(zhǎng)，燃燒噪音減弱，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益。

2 傳統(tǒng)的燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置
燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置是在密封套管內(nèi)燃燒，通過(guò)受熱的套管表面以熱輻射為主的形式把熱量傳遞到被加熱物體，燃燒產(chǎn)物不與被加熱物體接觸，不會(huì)造成燃燒氣氛污化或者影響產(chǎn)品質(zhì)量，爐內(nèi)氣氛及加熱溫度便于控制和調(diào)節(jié)，非常適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。
輻射管加熱技術(shù)起初源于1936年的德國(guó)，隨著耐熱材料的不斷開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，熱處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，美國(guó)、日本及歐洲等各國(guó)也廣泛地采用這一間接加熱技術(shù)。近幾十年來(lái)，該技術(shù)在我國(guó)冶金、機(jī)械、輕工等行業(yè)中也逐步得到了應(yīng)用。
輻射管加熱裝置主要由管體、燒嘴和廢熱回收裝置等組成。管體是將燃料燃燒釋放的熱能輻射給被加熱物體的關(guān)鍵部件。由于其內(nèi)表面與燃燒火焰及高溫?zé)煔庵苯咏佑|，工作環(huán)境惡劣，容易被局部灼燒、氧化；若沿管體長(zhǎng)度方向存在較大的溫差，則會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時(shí)燃燒時(shí)氣流的沖擊，也會(huì)產(chǎn)生一定的震動(dòng)。因此管體應(yīng)具有良好的耐熱性能，較高的導(dǎo)熱系數(shù)，強(qiáng)的抗高溫氧化能力，小的熱膨脹系數(shù)，較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及良好的密封性能等。燒嘴是輻射管加熱裝置的核心，它控制著輻射管的功率、溫度分布、熱效率及使用壽命。傳統(tǒng)的輻射管燒嘴常見(jiàn)的形式有平行流燒嘴和旋流燒嘴，二者均采用常溫或預(yù)熱至200℃~300℃的空氣與氣體燃料擴(kuò)散混合燃燒。這種燃燒會(huì)產(chǎn)生局部高溫區(qū)，燃燒的峰值溫度較高，輻射管沿長(zhǎng)度方向存在較大的溫差，對(duì)輻射管內(nèi)表面造成局部高溫灼燒及氧化腐蝕；若助燃空氣被預(yù)熱后，燃燒形成的NOx排放濃度也將顯著增加。廢熱回收裝置是提高輻射管加熱裝置熱效率的重要部件。早先使用的輻射管加熱裝置，由于沒(méi)有設(shè)置煙氣余熱回收裝置，排煙熱損失較大，其熱效率不足50%。后來(lái)人們?yōu)樘岣咻椛涔芗訜嵫b置的熱效率，在輻射管的排煙端設(shè)置了廢熱回收裝置，回收排煙余熱來(lái)預(yù)熱助燃空氣，如圖1所示。但是由于廢熱回收裝置采用的是普通的間壁式結(jié)構(gòu)，熱回收效果不很理想，空氣預(yù)熱溫度僅200~300℃，煙氣余熱回收率僅30%左右。傳統(tǒng)燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置的熱效率難以突破75%。

3 采用HTAC技術(shù)的W型燃?xì)廨椛涔?br /> 輻射管加熱裝置有多種形式，如直管型、套管型、U型、W型、P型、O型等，其中以帶廢熱回收裝置的U型輻射管加熱裝置應(yīng)用較為廣泛。由于W型管的形狀具有雙U型的特點(diǎn)，適當(dāng)加長(zhǎng)其中間段長(zhǎng)度可形成雙U型輻射管。因此本文以W型輻射管加熱裝置為例，采用HTAC技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造。蓄熱式改造主要從高溫?zé)煔獾母咝Щ厥找约案邷氐脱跞紵齼蓚€(gè)方面著手，改造方案:
（1）采用具有高效余熱回收的蜂窩陶瓷蓄熱體替代傳統(tǒng)的廢熱回收裝置
回收排煙余熱預(yù)熱助燃空氣已被實(shí)踐證明是一項(xiàng)卓有成效的節(jié)能措施。傳統(tǒng)的廢熱回收效率較低，排煙顯熱損失仍很大，若采用先進(jìn)的余熱回收裝置，“極限” 回收輻射管裝置的排煙余熱，則可大大提高裝置的熱效率。近些年來(lái)開(kāi)發(fā)的蜂窩陶瓷蓄熱式換熱裝置是HTAC技術(shù)的關(guān)鍵部件之一。該裝置具有蓄熱量大，換熱速度快，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，耐高溫高壓，抗氧化與腐蝕，阻力損失小，經(jīng)濟(jì)耐用等特點(diǎn)。其材料主要成分為氧化鋁。由于其多孔性結(jié)構(gòu)，換熱體積比表面積非常高，高達(dá)1389mm2/m3。蜂窩通道呈直線，壓力損失小，不易發(fā)生粉塵堵塞，由于該蓄熱體的高速蓄熱與釋熱，使得切換時(shí)間可設(shè)定為20~30s。采用該裝置，可將1000℃以上的高溫?zé)煔饨档偷?00℃以下，常溫空氣預(yù)熱到接近高溫?zé)煔鉁囟龋ǖ湫偷南嗖顑H50~150℃）。該裝置的熱效率可達(dá)到80%以上。由于該類型蓄熱體具有非常高的換熱比表面積，蓄熱體需要量大幅減少，以至于添加蓄熱體后對(duì)輻射管的體積影響并不大。文獻(xiàn)以爐溫為900℃，長(zhǎng)度為3m的燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置為例進(jìn)行了理論計(jì)算。以焦?fàn)t煤氣為燃料，過(guò)?？諝庀禂?shù)為1.02。選用蜂窩陶瓷蓄熱體，其單元間距為1.4 mm×1.4mm，壁厚0.5mm，橫截面積為50 mm×50mm。通過(guò)計(jì)算表明，只需200mm長(zhǎng)的這種蓄熱體就可將煙氣溫度降低到200℃，空氣溫度從室溫預(yù)熱到850℃。與采用傳統(tǒng)的空氣預(yù)熱器將空氣溫度預(yù)熱到300℃相比，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能21.55%。
（2）采用高溫低氧燃燒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通空氣燃燒
高溫空氣燃燒技術(shù)主要包含兩項(xiàng)基本技術(shù)手段：一是將助燃空氣預(yù)熱到較高的溫度，達(dá)到燃料自燃點(diǎn)以上；一是利用燃燒煙氣回流等措施控制燃燒區(qū)的含氧體積濃度，使之低于15%，甚至更低。由于助燃空氣預(yù)熱溫度很高，燃料除了與氧發(fā)生支鏈反應(yīng)以外，還伴隨著高溫分解和熱裂化，因而其反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜。中南大學(xué)蔣紹堅(jiān)等人對(duì)其燃燒特性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明高溫低氧燃燒火焰具有體積成倍增大，亮度降低，顏色變淺，峰值溫度降低，溫度場(chǎng)分布均勻，穩(wěn)定燃燒范圍擴(kuò)大，燃燒噪音低，不存在傳統(tǒng)火焰的局部高溫高氧區(qū)等特點(diǎn)；由于峰值溫度降低，燃燒形成的熱力型NOx大大減少。

4 改造后燃?xì)廨椛涔苎b置的技術(shù)性能評(píng)價(jià)
如前所述，以蜂窩陶瓷作蓄熱體，采用蓄熱式燃燒技術(shù)，在輻射管出口兩端均設(shè)置蓄熱室，通過(guò)四通閥的高頻切換，“極限”回收高溫?zé)煔庥酂?，?shí)行助燃空氣的高溫預(yù)熱。由于高溫助燃空氣流速很高，卷吸輻射管內(nèi)的燃燒產(chǎn)物回流，稀釋助燃空氣，從而降低反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，實(shí)現(xiàn)高溫低氧燃燒。同時(shí)，可采取空氣噴口偏心設(shè)置等措施，以延長(zhǎng)燃燒火焰的長(zhǎng)度。由于助燃空氣在入口處形成一股高速貼壁噴射流，大量的助燃空氣沿輻射管壁流動(dòng)，減少了入口段與燃料反應(yīng)的空氣量，使部分燃料發(fā)生不完全燃燒。這樣，一方面可降低入口段輻射管的壁面溫度，有利于均勻整個(gè)輻射管的管壁溫度，另一方面可增加火焰的輝度，增強(qiáng)其輻射能力。其基本技術(shù)性能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
4.1 熱效率
燃?xì)廨椛涔艿臒嵝适禽椛涔艿囊豁?xiàng)重要技術(shù)性能指標(biāo)，其計(jì)算公式為：
η=[(Qg+Qa)-Qf]/Qg  （1）
式中：η——燃?xì)廨椛涔軣嵝剩?；
Qg——燃?xì)廨斎霟崃?，kJ；
Qa——預(yù)熱空氣帶入熱量，kJ；
Qf——煙氣帶出熱量，kJ。
以文獻(xiàn)中的舉例為對(duì)象，假設(shè)改造前空氣預(yù)熱溫度為300℃，改造后空氣預(yù)熱溫度升高到850℃，改造前后均采用1.02的過(guò)?？諝庀禂?shù)，通過(guò)計(jì)算，改造前的燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置的熱效率只有62.21%，而改造后的熱效率為85.30%，熱效率提高了23.09 %。
高溫空氣燃燒比常溫普通空氣燃燒所需的過(guò)?？諝庀禂?shù)通常要小一些，比如采用高溫空氣燃燒只需1.02的過(guò)?？諝庀禂?shù)，而采用常溫普通空氣燃燒可能就需要1.1甚至更高的過(guò)?？諝庀禂?shù)。若爐溫更高，以及考慮過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)熱效率的影響，改造前后熱效率的增大幅度還會(huì)更大。

4.2 輻射管表面溫度分布
燃?xì)廨椛涔鼙砻鏈囟确植嫉木鶆蛐砸彩且粋€(gè)十分重要的技術(shù)性能指標(biāo)，它影響輻射管的加熱能力、加熱質(zhì)量以及輻射管的使用壽命。輻射管表面溫度分布的均勻性可由其溫度不均勻系數(shù)來(lái)表征，溫度不均勻系數(shù)越小，溫度分布越均勻。工程上通常用輻射管溫度分布的偏差來(lái)判斷其表面溫度分布的均勻程度。
傳統(tǒng)的U型輻射管溫度分布的差值通常為±20~±50℃。而采用HTAC技術(shù)改造后，由于高溫空氣燃燒火焰自身溫度分布的均勻性以及預(yù)熱空氣與高溫?zé)煔獾母哳l切換，使輻射管內(nèi)氣流流動(dòng)頻繁換向，輻射管的管壁溫度分布更趨均勻，輻射管溫度分布的差值其表面溫度分布的差值可降低到±10℃左右。

4.3 輻射管的使用壽命
輻射管的使用壽命受許多因素的影響，燃?xì)廨椛涔艿谋砻鏈囟确植紝?duì)輻射管使用壽命影響是不可忽略的。如果輻射管表面溫度存在較大的溫度差，則由于溫度差引起的應(yīng)力變形或局部過(guò)熱將造成輻射管損壞，同時(shí)也影響輻射管表面輸出功率的不均。例如，若輻射管輸出功率比額定輸出功率增大了一倍，則輻射管的使用壽命將縮短到原來(lái)的1/10左右。采用HTAC技術(shù)后，這一問(wèn)題得到了很好的解決。此外，由于采用低過(guò)剩空氣系數(shù)燃燒及燃燒產(chǎn)物回流，降低了輻射管內(nèi)氣氛的氧化性，這對(duì)延長(zhǎng)輻射管的使用壽命也是十分有利的。

4.4 污染物的排放
蓄熱式高溫空氣燃燒可大幅度節(jié)約燃料，燃燒產(chǎn)物中CO2顯著降低，因而減少了溫室氣體的排放。此外，燃?xì)廨椛涔芘艧熤械腘Ox主要為熱力型NOx，因而其NOx的排放濃度主要與爐溫、爐內(nèi)氣氛的含氧濃度及高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的停留時(shí)間有關(guān)。采用HTAC技術(shù)改造后，由于高溫空氣燃燒火焰的峰值溫度降低，溫度場(chǎng)分布均勻以及采用低過(guò)?？諝庀禂?shù)燃燒及燃燒產(chǎn)物回流降低了燃燒氣氛的含氧濃度，熱力型NOx的形成受到抑制。同時(shí)，輻射管內(nèi)氣流高速流動(dòng)，縮短了高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的停留時(shí)間，也有利于降低NOx的生成。

5 結(jié)論
蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置，可使輻射管表面溫度分布更趨均勻、加熱能力和加熱質(zhì)量均得到提高,熱效率大幅度提高，輻射管使用壽命延長(zhǎng)，污染物排放量顯著降低。


關(guān)鍵詞：輻射管　

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