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摘要 介绍了一种利用高温空气燃烧技术改造W型燃气辐射管加热装置的方案,并通过计算举例,论证了其可行性,分析了新型燃气辐射管的技术性能。蓄热式改造后的装置具有热效率高,表面温度分布均匀,使用寿命延长,污染物排放浓度降低等特点。
关键词 高温空气燃烧；燃气辐射管；节能；低污染
1前言
高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion,简称HTAC）技术是20世纪90年代初燃料燃烧领域中诞生的一项新技术，它具有高效节能与低NOx、CO2排放等多重优越性。日本、美国及欧洲一些发达国家已将该技术推广应用于冶金、钢铁、机械、化工、陶瓷等众多领域，取得了显著的节能与环保效益[1]。采用HTAC技术改造传统燃气辐射管加热装置也已成为工业加热技术中的热门课题。本文根据HTAC技术的特点，对燃气辐射管加热装置的蓄热式改造方案进行初步探讨。理论计算及分析结果表明改造后的辐射管加热装置热效率提高，表面温度分布均匀，NOx排放浓度显著降低，加热质量提高，装置使用寿命延长，燃烧噪音减弱，具有显著的经济效益及环保效益。
2 传统的燃气辐射管加热装置
燃气辐射管加热装置是在密封套管内燃烧，通过受热的套管表面以热辐射为主的形式把热量传递到被加热物体，燃烧产物不与被加热物体接触，不会造成燃烧气氛污化或者影响产品质量，炉内气氛及加热温度便于控制和调节，非常适用于产品质量要求高的场合。
辐射管加热技术最初源于1936年的德国，随着耐热材料的不断开发，产品质量的不断提高，热处理技术的不断进步，美国、日本及欧洲等各国也广泛地采用这一间接加热技术[2]。近几十年来，该技术在我国冶金、机械、轻工等行业中也逐步得到了应用。
辐射管加热装置主要由管体、烧嘴和废热回收装置等组成。管体是将燃料燃烧释放的热能辐射给被加热物体的关键部件。由于其内表面与燃烧火焰及高温烟气直接接触，工作环境恶劣，容易被局部灼烧、氧化；若沿管体长度方向存在较大的温差，则会产生较大的热应力，同时燃烧时气流的冲击，也会产生一定的震动。因此管体应具有良好的耐热性能，较高的导热系数，强的抗高温氧化能力，小的热膨胀系数，较高的结构强度以及良好的密封性能等。烧嘴是辐射管加热装置的核心，它控制着辐射管的功率、温度分布、热效率及使用寿命。传统的辐射管烧嘴常见的形式有平行流烧嘴和旋流烧嘴，二者均采用常温或预热至200℃~300℃的空气与气体燃料扩散混合燃烧。这种燃烧会产生局部高温区，燃烧的峰值温度较高，辐射管沿长度方向存在较大的温差，对辐射管内表面造成局部高温灼烧及氧化腐蚀；若助燃空气被预热后，燃烧形成的NOx排放浓度也将显著增加。废热回收装置是提高辐射管加热装置热效率的重要部件。早先使用的辐射管加热装置，由于没有设置烟气余热回收装置，排烟热损失较大，其热效率不足50%[2]。后来人们为提高辐射管加热装置的热效率，在辐射管的排烟端设置了废热回收装置，回收排烟余热来预热助燃空气，如图1所示。但是由于废热回收装置采用的是普通的间壁式结构，热回收效果不很理想，空气预热温度仅200~300℃，烟气余热回收率仅30%左右。传统燃气辐射管加热装置的热效率难以突破75%[2]。
3 采用HTAC技术的W型燃气辐射管
辐射管加热装置有多种形式，如直管型、套管型、U型、W型、P型、O型等，其中以带废热回收装置的U型辐射管加热装置应用较为广泛。由于W型管的形状具有双U型的特点，适当加长其中间段长度可形成双U型辐射管。因此本文以W型辐射管加热装置为例，采用HTAC技术，对其进行技术改造。蓄热式改造主要从高温烟气的高效回收以及高温低氧燃烧两个方面着手，改造方案如图1所示。 （图片）
图1 采用HTAC技术的W型辐射管结构示意图 （1）采用具有高效余热回收的蜂窝陶瓷蓄热体替代传统的废热回收装置
回收排烟余热预热助燃空气已被实践证明是一项卓有成效的节能措施。传统的废热回收效率较低，排烟显热损失仍很大，若采用先进的余热回收装置，“极限” 回收辐射管装置的排烟余热，则可大大提高装置的热效率。近些年来开发的蜂窝陶瓷蓄热式换热装置是HTAC技术的关键部件之一[1]。该装置具有蓄热量大，换热速度快，结构强度好，耐高温高压，抗氧化与腐蚀，阻力损失小，经济耐用等特点。其材料主要成分为氧化铝。由于其多孔性结构，换热体积比表面积非常高，高达1389mm2/m3。蜂窝通道呈直线，压力损失小，不易发生粉尘堵塞，由于该蓄热体的高速蓄热与释热，使得切换时间可设定为20~30s。采用该装置，可将1000℃以上的高温烟气降低到200℃以下，常温空气预热到接近高温烟气温度（典型的相差仅50~150℃）。该装置的热效率可达到80%以上[3]。由于该类型蓄热体具有非常高的换热比表面积，蓄热体需要量大幅减少，以至于添加蓄热体后对辐射管的体积影响并不大。文献[4]以炉温为900℃，长度为3m的燃气辐射管加热装置为例进行了理论计算。以焦炉煤气为燃料，过剩空气系数为1.02。选用蜂窝陶瓷蓄热体，其单元间距为1.4 mm×1.4mm，壁厚0.5mm，横截面积为50 mm×50mm。通过计算表明，只需200mm长的这种蓄热体就可将烟气温度降低到200℃，空气温度从室温预热到850℃。与采用传统的空气预热器将空气温度预热到300℃相比，可实现节能21.55%。
（2）采用高温低氧燃烧代替传统的普通空气燃烧
高温空气燃烧技术主要包含两项基本技术手段：一是将助燃空气预热到较高的温度，达到燃料自燃点以上；一是利用燃烧烟气回流等措施控制燃烧区的含氧体积浓度，使之低于15%，甚至更低。由于助燃空气预热温度很高，燃料除了与氧发生支链反应以外，还伴随着高温分解和热裂化，因而其反应机理十分复杂。中南大学蒋绍坚等人对其燃烧特性进行的实验研究[5]表明高温低氧燃烧火焰具有体积成倍增大，亮度降低，颜色变浅，峰值温度降低，温度场分布均匀，稳定燃烧范围扩大，燃烧噪音低，不存在传统火焰的局部高温高氧区等特点；由于峰值温度降低，燃烧形成的热力型NOx大大减少。
4 改造后燃气辐射管装置的技术性能评价
如前所述，以蜂窝陶瓷作蓄热体，采用蓄热式燃烧技术，在辐射管出口两端均设置蓄热室，通过四通阀的高频切换，“极限”回收高温烟气余热，实行助燃空气的高温预热。由于高温助燃空气流速很高，卷吸辐射管内的燃烧产物回流，稀释助燃空气，从而降低反应区的含氧体积浓度，实现高温低氧燃烧。同时，可采取空气喷口偏心设置等措施，以延长燃烧火焰的长度。由于助燃空气在入口处形成一股高速贴壁喷射流，大量的助燃空气沿辐射管壁流动，减少了入口段与燃料反应的空气量，使部分燃料发生不完全燃烧。这样，一方面可降低入口段辐射管的壁面温度，有利于均匀整个辐射管的管壁温度，另一方面可增加火焰的辉度，增强其辐射能力。其基本技术性能体现在以下几个方面。
4.1 热效率
燃气辐射管的热效率是辐射管的一项重要技术性能指标，其计算公式[2]为：（图片）（1） 式中：η——燃气辐射管热效率，%；
Qg——燃气输入热量，kJ；
Qa——预热空气带入热量，kJ；
Qf——烟气带出热量，kJ。
以文献[4]中的举例为对象，假设改造前空气预热温度为300℃，改造后空气预热温度升高到850℃，改造前后均采用1.02的过剩空气系数，通过计算，改造前的燃气辐射管加热装置的热效率只有62.21%，而改造后的热效率为85.30%，热效率提高了23.09 %。
高温空气燃烧比常温普通空气燃烧所需的过剩空气系数通常要小一些，比如采用高温空气燃烧只需1.02的过剩空气系数，而采用常温普通空气燃烧可能就需要1.1甚至更高的过剩空气系数。若炉温更高，以及考虑过剩空气系数对热效率的影响，改造前后热效率的增大幅度还会更大。
4.2 辐射管表面温度分布
燃气辐射管表面温度分布的均匀性也是一个十分重要的技术性能指标，它影响辐射管的加热能力、加热质量以及辐射管的使用寿命。辐射管表面温度分布的均匀性可由其温度不均匀系数[2]来表征，温度不均匀系数越小，温度分布越均匀。工程上通常用辐射管温度分布的偏差来判断其表面温度分布的均匀程度。
传统的U型辐射管温度分布的差值通常为±20~±50℃[2]。而采用HTAC技术改造后，由于高温空气燃烧火焰自身温度分布的均匀性以及预热空气与高温烟气的高频切换，使辐射管内气流流动频繁换向，辐射管的管壁温度分布更趋均匀，辐射管温度分布的差值其表面温度分布的差值可降低到±10℃左右[4]。
4.3 辐射管的使用寿命
辐射管的使用寿命受许多因素的影响，燃气辐射管的表面温度分布对辐射管使用寿命影响是不可忽略的。如果辐射管表面温度存在较大的温度差，则由于温度差引起的应力变形或局部过热将造成辐射管损坏，同时也影响辐射管表面输出功率的不均。例如，若辐射管输出功率比额定输出功率增大了一倍，则辐射管的使用寿命将缩短到原来的1/10左右。采用HTAC技术后，这一问题得到了很好的解决。此外，由于采用低过剩空气系数燃烧及燃烧产物回流，降低了辐射管内气氛的氧化性，这对延长辐射管的使用寿命也是十分有利的。
4.4 污染物的排放
蓄热式高温空气燃烧可大幅度节约燃料，燃烧产物中CO2显著降低，因而减少了温室气体的排放。此外，燃气辐射管排烟中的NOx主要为热力型NOx，因而其NOx的排放浓度主要与炉温、炉内气氛的含氧浓度及高温烟气在炉内的停留时间有关。采用HTAC技术改造后，由于高温空气燃烧火焰的峰值温度降低，温度场分布均匀以及采用低过剩空气系数燃烧及燃烧产物回流降低了燃烧气氛的含氧浓度，热力型NOx的形成受到抑制[1]。同时，辐射管内气流高速流动，缩短了高温烟气在炉内的停留时间，也有利于降低NOx的生成。
5 结论
蓄热式高温空气燃烧技术应用于燃气辐射管加热装置，可使辐射管表面温度分布更趋均匀、加热能力和加热质量均得到提高,热效率大幅度提高，辐射管使用寿命延长，污染物排放量显著降低。
3/9/2005
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