1前言

高溫空氣焚燒技能是20世紀(jì)90年代初燃料焚燒領(lǐng)域中誕生的一項(xiàng)新技能，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)已將該技能推廣運(yùn)用于冶金、鋼鐵、機(jī)械、化工、陶瓷等很多領(lǐng)域，取得了明顯的節(jié)能與環(huán)保效益。選用HTAC技能改造傳統(tǒng)燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備也已成為工業(yè)加熱技能中的搶手課題。本文依據(jù)HTAC技能的特色，對(duì)燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備的蓄熱式改造計(jì)劃進(jìn)行開(kāi)始討論。理論核算及分析結(jié)果表明改造后的輻射管加熱設(shè)備熱功率進(jìn)步，外表溫度散布均勻，NOx排放濃度明顯下降，加熱質(zhì)量進(jìn)步，設(shè)備運(yùn)用壽命延伸，焚燒噪音削弱，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益。

2傳統(tǒng)的燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備

燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備是在密封套管內(nèi)焚燒，經(jīng)過(guò)受熱的套管外表以熱輻射為主的形式把熱量傳遞到被加熱物體，焚燒產(chǎn)品不與被加熱物體接觸，不會(huì)構(gòu)成焚燒氣氛污化或許影響產(chǎn)品質(zhì)量，爐內(nèi)氣氛及加熱溫度便于操控和調(diào)節(jié)，十分適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。

輻射管加熱技能起初源于1936年的德國(guó)，隨著耐熱材料的不斷開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量的不斷進(jìn)步，熱處理技能的不斷進(jìn)步，美國(guó)、日本及歐洲等各國(guó)也廣泛地選用這一間接加熱技能。近幾十年來(lái)，該技能在我國(guó)冶金、機(jī)械、輕工等職業(yè)中也逐漸得到了運(yùn)用。

輻射管加熱設(shè)備主要由管體、燒嘴和廢熱收回設(shè)備等組成。管體是將燃料焚燒開(kāi)釋的熱能輻射給被加熱物體的要害部件。因?yàn)槠鋬?nèi)外表與焚燒火焰及高溫?zé)煔庵苯咏佑|，工作環(huán)境惡劣，容易被部分灼燒、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，一起焚燒時(shí)氣流的沖擊，也會(huì)產(chǎn)生必定的震動(dòng)。因而管體應(yīng)具有杰出的耐熱功能，較高的導(dǎo)熱系數(shù)，強(qiáng)的抗高溫氧化才能，小的熱膨脹系數(shù)，較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及杰出的密封功能等。燒嘴是輻射管加熱設(shè)備的中心，它操控著輻射管的功率、溫度散布、熱功率及運(yùn)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，二者均選用常溫或預(yù)熱至200℃~300℃的空氣與氣體燃料擴(kuò)散混合焚燒。這種焚燒會(huì)產(chǎn)生部分高溫區(qū)，焚燒的峰值溫度較高，輻射管沿長(zhǎng)度方向存在較大的溫差，對(duì)輻射管內(nèi)外表構(gòu)成部分高溫灼燒及氧化腐蝕；若助燃空氣被預(yù)熱后，焚燒構(gòu)成的NOx排放濃度也將明顯增加。廢熱收回設(shè)備是進(jìn)步輻射管加熱設(shè)備熱功率的重要部件。新近運(yùn)用的輻射管加熱設(shè)備，因?yàn)闆](méi)有設(shè)置煙氣余熱收回設(shè)備，排煙熱損失較大，其熱功率不足50%。后來(lái)人們?yōu)檫M(jìn)步輻射管加熱設(shè)備的熱功率，在輻射管的排煙端設(shè)置了廢熱收回設(shè)備，收回排煙余熱來(lái)預(yù)熱助燃空氣，如圖1所示。但是因?yàn)閺U熱收回設(shè)備選用的是一般的間壁式結(jié)構(gòu)，熱收回作用不很抱負(fù)，空氣預(yù)熱溫度僅200~300℃，煙氣余熱收回率僅30%左右。傳統(tǒng)燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備的熱功率難以突破75%。

3選用HTAC技能的W型燃?xì)廨椛涔?

輻射管加熱設(shè)備有多種形式，如直管型、套管型、U型、W型、P型、O型等，其中以帶廢熱收回設(shè)備的U型輻射管加熱設(shè)備運(yùn)用較為廣泛。因?yàn)閃型管的形狀具有雙U型的特色，適當(dāng)加長(zhǎng)其中間段長(zhǎng)度可構(gòu)成雙U型輻射管。因而本文以W型輻射管加熱設(shè)備為例，選用HTAC技能，對(duì)其進(jìn)行技能改造。蓄熱式改造主要從高溫?zé)煔獾母咝栈匾约案邷氐脱醴贌齼蓚€(gè)方面著手，改造計(jì)劃:

（1）選用具有高效余熱收回的蜂窩陶瓷蓄熱體替代傳統(tǒng)的廢熱收回設(shè)備

收回排煙余熱預(yù)熱助燃空氣已被實(shí)踐證明是一項(xiàng)行之有效的節(jié)能措施。傳統(tǒng)的廢熱收回功率較低，排煙顯熱損失仍很大，若選用優(yōu)良的余熱收回設(shè)備，“極限”收回輻射管設(shè)備的排煙余熱，則可大大進(jìn)步設(shè)備的熱功率。近些年來(lái)開(kāi)發(fā)的蜂窩陶瓷蓄熱式換熱設(shè)備是HTAC技能的要害部件之一。該設(shè)備具有蓄熱量大，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)經(jīng)用等特色。其材料主要成分為氧化鋁。因?yàn)槠涠嗫仔越Y(jié)構(gòu)，換熱體積比外表積十分高，高達(dá)1389mm2/m3。蜂窩通道呈直線，壓力損失小，不易產(chǎn)生粉塵阻塞，因?yàn)樵撔顭狍w的高速蓄熱與釋熱，使得切換時(shí)間可設(shè)定為20~30s。選用該設(shè)備，可將1000℃以上的高溫?zé)煔庀陆档?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℃）。該設(shè)備的熱功率可到達(dá)80%以上。因?yàn)樵擃?lèi)型蓄熱體具有十分高的換熱比外表積，蓄熱體需要量大幅削減，以至于增加蓄熱體后對(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)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備為例進(jìn)行了理論核算。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，其單元距離為1.4mm×1.4mm，壁厚0.5mm，橫截面積為50mm×50mm。經(jīng)過(guò)核算表明，只需200mm長(zhǎng)的這種蓄熱體可將煙氣溫度下降到200℃，空氣溫度從室溫預(yù)熱到850℃。與選用傳統(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）選用高溫低氧焚燒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一般空氣焚燒

高溫空氣焚燒技能主要包括兩項(xiàng)基本技能手段：一是將助燃空氣預(yù)熱到較高的溫度，到達(dá)燃料自燃點(diǎn)以上；一是使用焚燒煙氣回流等措施操控焚燒區(qū)的含氧體積濃度，使之低于15%，乃至更低。因?yàn)橹伎諝忸A(yù)熱溫度很高，燃料除了與氧產(chǎn)生支鏈反響以外，還伴隨著高溫分化和熱裂化，因而其反響機(jī)理十分復(fù)雜。中南大學(xué)蔣紹堅(jiān)等人對(duì)其焚燒特性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明高溫低氧焚燒火焰具有體積成倍增大，亮度下降，顏色變淺，峰值溫度下降，溫度場(chǎng)散布均勻，穩(wěn)定焚燒規(guī)模擴(kuò)展，焚燒噪音低，不存在傳統(tǒng)火焰的部分高溫高氧區(qū)等特色；因?yàn)榉逯禍囟认陆?，焚燒?gòu)成的熱力型NOx大大削減。

4改造后燃?xì)廨椛涔茉O(shè)備的技能功能點(diǎn)評(píng)

如前所述，以蜂窩陶瓷作蓄熱體，選用蓄熱式焚燒技能，在輻射管出口兩端均設(shè)置蓄熱室，經(jīng)過(guò)四通閥的高頻切換，“極限”收回高溫?zé)煔庥酂?，?shí)施助燃空氣的高溫預(yù)熱。因?yàn)楦邷刂伎諝饬魉俸芨?，卷吸輻射管?nèi)的焚燒產(chǎn)品回流，稀釋助燃空氣，從而下降反響區(qū)的含氧體積濃度，實(shí)現(xiàn)高溫低氧焚燒。一起，可采取空氣噴口偏疼設(shè)置等措施，以延伸焚燒火焰的長(zhǎng)度。因?yàn)橹伎諝庠谶M(jìn)口處構(gòu)成一股高速貼壁噴射流，很多的助燃空氣沿輻射管壁活動(dòng)，削減了進(jìn)口段與燃料反響的空氣量，使部分燃料產(chǎn)生不完全焚燒。這樣，一方面可下降進(jìn)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)其輻射才能。其基本技能功能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1熱功率

燃?xì)廨椛涔艿臒峁β适禽椛涔艿囊豁?xiàng)重要技能功能指標(biāo)，其核算公式為：

η=[(Qg+Qa)-Qf]/Qg（1）

式中：η——燃?xì)廨椛涔軣峁β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)中的舉例為目標(biāo)，假定改造前空氣預(yù)熱溫度為300℃，改造后空氣預(yù)熱溫度升高到850℃，改造前后均選用1.02的過(guò)?？諝庀禂?shù)，經(jīng)過(guò)核算，改造前的燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備的熱功率只要62.21%，而改造后的熱功率為85.30%，熱功率進(jìn)步了23.09%。

高溫空氣焚燒比常溫一般空氣焚燒所需的過(guò)剩空氣系數(shù)一般要小一些，比如選用高溫空氣焚燒只需1.02的過(guò)?？諝庀禂?shù)，而選用常溫一般空氣焚燒可能需要1.1乃至更高的過(guò)?？諝庀禂?shù)。若爐溫更高，以及考慮過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)熱功率的影響，改造前后熱功率的增大幅度還會(huì)更大。

4.2輻射管外表溫度散布

燃?xì)廨椛涔芡獗頊囟壬⒉嫉木鶆蛐砸彩且粋€(gè)十分重要的技能功能指標(biāo)，它影響輻射管的加熱才能、加熱質(zhì)量以及輻射管的運(yùn)用壽命。輻射管外表溫度散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，溫度散布越均勻。工程上一般用輻射管溫度散布的誤差來(lái)判別其外表溫度散布的均勻程度。

傳統(tǒng)的U型輻射管溫度散布的差值一般為±20~±50℃。而選用HTAC技能改造后，因?yàn)楦邷乜諝夥贌鹧姹旧頊囟壬⒉嫉木鶆蛐砸约邦A(yù)熱空氣與高溫?zé)煔獾母哳l切換，使輻射管內(nèi)氣流活動(dòng)頻繁換向，輻射管的管壁溫度散布更趨均勻，輻射管溫度散布的差值其外表溫度散布的差值可下降到±10℃左右。

4.3輻射管的運(yùn)用壽命

輻射管的運(yùn)用壽命受許多要素的影響，燃?xì)廨椛涔艿耐獗頊囟壬⒉紝?duì)輻射管運(yùn)用壽命影響是不可疏忽的。如果輻射管外表溫度存在較大的溫度差，則因?yàn)闇囟炔钜鸬膽?yīng)力變形或部分過(guò)熱將構(gòu)成輻射管損壞，一起也影響輻射管外表輸出功率的不均。例如，若輻射管輸出功率比額外輸出功率增大了一倍，則輻射管的運(yùn)用壽命將縮短到原來(lái)的1/10左右。選用HTAC技能后，這一問(wèn)題得到了很好的處理。此外，因?yàn)檫x用低過(guò)剩空氣系數(shù)焚燒及焚燒產(chǎn)品回流，下降了輻射管內(nèi)氣氛的氧化性，這對(duì)延伸輻射管的運(yùn)用壽命也是十分有利的。

4.4污染物的排放

蓄熱式高溫空氣焚燒可大幅度節(jié)約燃料，焚燒產(chǎn)品中CO2明顯下降，因而削減了溫室氣體的排放。此外，燃?xì)廨椛涔芘艧熤械腘Ox主要為熱力型NOx，因而其N(xiāo)Ox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)。選用HTAC技能改造后，因?yàn)楦邷乜諝夥贌鹧娴姆逯禍囟认陆?，溫度?chǎng)散布均勻以及選用低過(guò)剩空氣系數(shù)焚燒及焚燒產(chǎn)品回流下降了焚燒氣氛的含氧濃度，熱力型NOx的構(gòu)成受到按捺。一起，輻射管內(nèi)氣流高速活動(dòng)，縮短了高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的停留時(shí)間，也有利于下降NOx的生成。

5結(jié)論

蓄熱式高溫空氣焚燒技能運(yùn)用于燃?xì)廨椛涔芗訜嵩O(shè)備，可使輻射管外表溫度散布更趨均勻、加熱才能和加熱質(zhì)量均得到進(jìn)步,熱功率大幅度進(jìn)步，輻射管運(yùn)用壽命延伸，污染物排放量明顯下降。