1 前言
高溫空氣燃燒（High Temperature Air Combustion,簡稱HTAC）技術是20世紀90年代初燃料燃燒領域中誕生的一項新技術，它具有高效節能與低NOx、CO2排放等多重優越性。日本、美國及歐洲一些發達國 家已將該技術推廣應用于冶金、鋼鐵、機械、化工、陶瓷等眾多領域，取得了顯著的節能與環保效益。采用HTAC技術改造傳統燃氣輻射管加熱裝置也已成為工業加熱技術中的熱門課題。本文根據HTAC技術的特點，對燃氣輻射管加熱裝置的蓄熱式改造方案進行初步探討。理論計算及分析結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，加熱質量提高，裝置使用壽命延長，燃燒噪音減弱，具有顯著的經濟效益及環保效益。
2 傳統的燃氣輻射管加熱裝置
燃氣輻射管加熱裝置是在密封套管內燃燒，通過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，燃燒產物不與被加熱物體接觸，不會造成燃燒氣氛污化或者影響產品質量，爐內氣氛及加熱溫度便于控制和調節，非常適用于產品質量要求高的場合。
輻射管加熱技術起初源于1936年的德國，隨著耐熱材料的不斷開發，產品質量的不斷提高，熱處理技術的不斷進步，美國、日本及歐洲等各國也廣泛地采用這一間接加熱技術。近幾十年來，該技術在我國冶金、機械、輕工等行業中也逐步得到了應用。
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鍵部件。由于其內表面與燃燒火焰及高溫煙氣直接接觸，工作環境惡劣，容易被局部灼燒、氧化；若沿管體長度方向存在較大的溫差，則會產生較大的熱應力，同時燃燒時氣流的沖擊，也會產生一定的震動。因此管體應具有良好的耐熱性能，較高的導熱系數，強的抗高溫氧化能力，小的熱膨脹系數，較高的結構強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。傳統的輻射管燒嘴常見的形式有平行流燒嘴和旋流燒嘴，二者均采用常溫或預熱至200℃~300℃的空氣與氣體燃料擴散混合燃燒。這種燃燒會產生局部高溫區，燃燒的峰值溫度較高，輻射管沿長度方向存在較大的溫差，對輻射管內表面造成局部高溫灼燒及氧化腐蝕；若助燃空氣被預熱后，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，由于沒有設置煙氣余熱回收裝置，排煙熱損失較大，其熱效率不足50%。后來人們為提高輻射管加熱裝置的熱效率，在輻射管的排煙端設置了廢熱回收裝置，回收排煙余熱來預熱助燃空氣，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構，熱回收效果不很理想，空氣預熱溫度僅200~300℃，煙氣余熱回收率僅30%左右。傳統燃氣輻射管加熱裝置的熱效率難以突破75%。
3 采用HTAC技術的W型燃氣輻射管
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用較為廣泛。由于W型管的形狀具有雙U型的特點，適當加長其中間段長度可形成雙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，對其進行技術改造。蓄熱式改造主要從高溫煙氣的高效回收以及高溫低氧燃燒兩個方面著手，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的廢熱回收裝置
回收排煙余熱預熱助燃空氣已被實踐證明是一項卓有成效的節能措施。傳統的廢熱回收效率較低，排煙顯熱損失仍很大，若采用先進的余熱回收裝置，“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。近些年來開發的蜂窩陶瓷蓄熱式換熱裝置是HTAC技術的關鍵部件之一。該裝置具有蓄熱量大，換熱速度快，結構強度好，耐高溫高壓，抗氧化與腐蝕，阻力損失小，經濟耐用等特點。其材料主要成分為氧化鋁。由于其多孔性結構，換熱體積比表面積非常高，高達1389mm2/m3。蜂窩通道呈直線，壓力損失小，不易發生粉塵堵塞，由于該蓄熱體的高速蓄熱與釋熱，使得切換時間可設定為20~30s。采用該裝置，可將1000℃以上的高溫煙氣降低到200℃以下，常溫空氣預熱到接近高溫煙氣溫度（典型的相差僅50~150℃）。該裝置的熱效率可達到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輻射管的體積影響并不大。文獻以爐溫為900℃，長度為3m的燃氣輻射管加熱裝置為例進行了理論計算。以焦爐煤氣為燃料，過剩空氣系數為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。通過計算表明，只需200mm長的這種蓄熱體就可將煙氣溫度降低到200℃，空氣溫度從室溫預熱到850℃。與采用傳統的空氣預熱器將空氣溫度預熱到300℃相比，可實現節能21.55%。
（2）采用高溫低氧燃燒代替傳統的普通空氣燃燒
高溫空氣燃燒技術主要包含兩項基本技術手段：一是將助燃空氣預熱到較高的溫度，達到燃料自燃點以上；一是利用燃燒煙氣回流等措施控制燃燒區的含氧體積濃度，使之低于15%，甚至更低。由于助燃空氣預熱溫度很高，燃料除了與氧發生支鏈反應以外，還伴隨著高溫分解和熱裂化，因而其反應機理十分復雜。中南大學蔣紹堅等人對其燃燒特性進行的實驗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，溫度場分布均勻，穩定燃燒范圍擴大，燃燒噪音低，不存在傳統火焰的局部高溫高氧區等特點；由于峰值溫度降低，燃燒形成的熱力型NOx大大減少。
4 改造后燃氣輻射管裝置的技術性能評價
如前所述，以蜂窩陶瓷作蓄熱體，采用蓄熱式燃燒技術，在輻射管出口兩端均設置蓄熱室，通過四通閥的高頻切換，“極限”回收高溫煙氣余熱，實行助燃空氣的高溫預熱。由于高溫助燃空氣流速很高，卷吸輻射管內的燃燒產物回流，稀釋助燃空氣，從而降低反應區的含氧體積濃度，實現高溫低氧燃燒。同時，可采取空氣噴口偏心設置等措施，以延長燃燒火焰的長度。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，減少了入口段與燃料反應的空氣量，使部分燃料發生不完全燃燒。這樣，一方面可降低入口段輻射管的壁面溫度，有利于均勻整個輻射管的管壁溫度，另一方面可增加火焰的輝度，增強其輻射能力。其基本技術性能體現在以下幾個方面。
4.1 熱效率
燃氣輻射管的熱效率是輻射管的一項重要技術性能指標，其計算公式為：
η=[(Qg+Qa)-Qf]/Qg （1）
式中：η——燃氣輻射管熱效率，%；
Qg——燃氣輸入熱量，kJ；
Qa——預熱空氣帶入熱量，kJ；
Qf——煙氣帶出熱量，kJ。
以文獻中的舉例為對象，假設改造前空氣預熱溫度為300℃，改造后空氣預熱溫度升高到850℃，改造前后均采用1.02的過剩空氣系數，通過計算，改造前的燃氣輻射管加熱裝置的熱效率只有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剩空氣系數通常要小一些，比如采用高溫空氣燃燒只需1.02的過剩空氣系數，而采用常溫普通空氣燃燒可能就需要1.1甚至更高的過剩空氣系數。若爐溫更高，以及考慮過剩空氣系數對熱效率的影響，改造前后熱效率的增大幅度還會更大。
4.2 輻射管表面溫度分布
燃氣輻射管表面溫度分布的均勻性也是一個十分重要的技術性能指標，它影響輻射管的加熱能力、加熱質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來表征，溫度不均勻系數越小，溫度分布越均勻。工程上通常用輻射管溫度分布的偏差來判斷其表面溫度分布的均勻程度。
傳統的U型輻射管溫度分布的差值通常為±20~±50℃。而采用HTAC技術改造后，由于高溫空氣燃燒火焰自身溫度分布的均勻性以及預熱空氣與高溫煙氣的高頻切換，使輻射管內氣流流動頻繁換向，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，燃氣輻射管的表面溫度分布對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力變形或局部過熱將造成輻射管損壞，同時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的1/10左右。采用HTAC技術后，這一問題得到了很好的解決。此外，由于采用低過剩空氣系數燃燒及燃燒產物回流，降低了輻射管內氣氛的氧化性，這對延長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約燃料，燃燒產物中CO2顯著降低，因而減少了溫室氣體的排放。此外，燃氣輻射管排煙中的NOx主要為熱力型NOx，因而其NOx的排放濃度主要與爐溫、爐內氣氛的含氧濃度及高溫煙氣在爐內的停留時間有關。采用HTAC技術改造后，由于高溫空氣燃燒火焰的峰值溫度降低，溫度場分布均勻以及采用低過剩空氣系數燃燒及燃燒產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，輻射管內氣流高速流動，縮短了高溫煙氣在爐內的停留時間，也有利于降低NOx的生成。
5 結論
蓄熱式高溫空氣燃燒技術應用于燃氣輻射管加熱裝置，可使輻射管表面溫度分布更趨均勻、加熱能力和加熱質量均得到提高,熱效率大幅度提高，輻射管使用壽命延長，污染物排放量顯著降低。
關鍵詞：
輻射管
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