1前言

高温空气焚烧技能是20世纪90年代初燃料焚烧领域中诞生的一项新技能，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已将该技能推广运用于冶金、钢铁、机械、化工、陶瓷等很多领域，取得了明显的节能与环保效益。选用HTAC技能改造传统燃气辐射管加热设备也已成为工业加热技能中的抢手课题。本文依据HTAC技能的特色，对燃气辐射管加热设备的蓄热式改造计划进行开始讨论。理论核算及分析结果表明改造后的辐射管加热设备热功率进步，外表温度散布均匀，NOx排放浓度明显下降，加热质量进步，设备运用寿命延伸，焚烧噪音削弱，具有明显的经济效益及环保效益。

2传统的燃气辐射管加热设备

燃气辐射管加热设备是在密封套管内焚烧，经过受热的套管外表以热辐射为主的形式把热量传递到被加热物体，焚烧产品不与被加热物体接触，不会构成焚烧气氛污化或许影响产品质量，炉内气氛及加热温度便于操控和调节，十分适用于产品质量要求高的场合。

辐射管加热技能起初源于1936年的德国，随着耐热材料的不断开发，产品质量的不断进步，热处理技能的不断进步，美国、日本及欧洲等各国也广泛地选用这一间接加热技能。近几十年来，该技能在我国冶金、机械、轻工等职业中也逐渐得到了运用。

辐射管加热设备主要由管体、烧嘴和废热收回设备等组成。管体是将燃料焚烧开释的热能辐射给被加热物体的要害部件。因为其内外表与焚烧火焰及高温烟气直接接触，工作环境恶劣，容易被部分灼烧、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，一起焚烧时气流的冲击，也会产生必定的震动。因而管体应具有杰出的耐热功能，较高的导热系数，强的抗高温氧化才能，小的热膨胀系数，较高的结构强度以及杰出的密封功能等。烧嘴是辐射管加热设备的中心，它操控着辐射管的功率、温度散布、热功率及运用寿命。传统的辐射管烧嘴常见的形式有平行流烧嘴和旋流烧嘴，二者均选用常温或预热至200℃~300℃的空气与气体燃料扩散混合焚烧。这种焚烧会产生部分高温区，焚烧的峰值温度较高，辐射管沿长度方向存在较大的温差，对辐射管内外表构成部分高温灼烧及氧化腐蚀；若助燃空气被预热后，焚烧构成的NOx排放浓度也将明显增加。废热收回设备是进步辐射管加热设备热功率的重要部件。新近运用的辐射管加热设备，因为没有设置烟气余热收回设备，排烟热损失较大，其热功率不足50%。后来人们为进步辐射管加热设备的热功率，在辐射管的排烟端设置了废热收回设备，收回排烟余热来预热助燃空气，如图1所示。但是因为废热收回设备选用的是一般的间壁式结构，热收回作用不很抱负，空气预热温度仅200~300℃，烟气余热收回率仅30%左右。传统燃气辐射管加热设备的热功率难以突破75%。

3选用HTAC技能的W型燃气辐射管

辐射管加热设备有多种形式，如直管型、套管型、U型、W型、P型、O型等，其中以带废热收回设备的U型辐射管加热设备运用较为广泛。因为W型管的形状具有双U型的特色，适当加长其中间段长度可构成双U型辐射管。因而本文以W型辐射管加热设备为例，选用HTAC技能，对其进行技能改造。蓄热式改造主要从高温烟气的高效收回以及高温低氧焚烧两个方面着手，改造计划:

（1）选用具有高效余热收回的蜂窝陶瓷蓄热体替代传统的废热收回设备

收回排烟余热预热助燃空气已被实践证明是一项行之有效的节能措施。传统的废热收回功率较低，排烟显热损失仍很大，若选用优良的余热收回设备，“极限”收回辐射管设备的排烟余热，则可大大进步设备的热功率。近些年来开发的蜂窝陶瓷蓄热式换热设备是HTAC技能的要害部件之一。该设备具有蓄热量大，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，经济经用等特色。其材料主要成分为氧化铝。因为其多孔性结构，换热体积比外表积十分高，高达1389mm2/m3。蜂窝通道呈直线，压力损失小，不易产生粉尘阻塞，因为该蓄热体的高速蓄热与释热，使得切换时间可设定为20~30s。选用该设备，可将1000℃以上的高温烟气下降到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℃）。该设备的热功率可到达80%以上。因为该类型蓄热体具有十分高的换热比外表积，蓄热体需要量大幅削减，以至于增加蓄热体后对辐射管的体积影响并不大。文献以炉温为900℃，长度为3m的燃气辐射管加热设备为例进行了理论核算。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，其单元距离为1.4mm×1.4mm，壁厚0.5mm，横截面积为50mm×50mm。经过核算表明，只需200mm长的这种蓄热体可将烟气温度下降到200℃，空气温度从室温预热到850℃。与选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）选用高温低氧焚烧代替传统的一般空气焚烧

高温空气焚烧技能主要包括两项基本技能手段：一是将助燃空气预热到较高的温度，到达燃料自燃点以上；一是使用焚烧烟气回流等措施操控焚烧区的含氧体积浓度，使之低于15%，乃至更低。因为助燃空气预热温度很高，燃料除了与氧产生支链反响以外，还伴随着高温分化和热裂化，因而其反响机理十分复杂。中南大学蒋绍坚等人对其焚烧特性进行的实验研究表明高温低氧焚烧火焰具有体积成倍增大，亮度下降，颜色变浅，峰值温度下降，温度场散布均匀，稳定焚烧规模扩展，焚烧噪音低，不存在传统火焰的部分高温高氧区等特色；因为峰值温度下降，焚烧构成的热力型NOx大大削减。

4改造后燃气辐射管设备的技能功能点评

如前所述，以蜂窝陶瓷作蓄热体，选用蓄热式焚烧技能，在辐射管出口两端均设置蓄热室，经过四通阀的高频切换，“极限”收回高温烟气余热，实施助燃空气的高温预热。因为高温助燃空气流速很高，卷吸辐射管内的焚烧产品回流，稀释助燃空气，从而下降反响区的含氧体积浓度，实现高温低氧焚烧。一起，可采取空气喷口偏疼设置等措施，以延伸焚烧火焰的长度。因为助燃空气在进口处构成一股高速贴壁喷射流，很多的助燃空气沿辐射管壁活动，削减了进口段与燃料反响的空气量，使部分燃料产生不完全焚烧。这样，一方面可下降进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，增强其辐射才能。其基本技能功能体现在以下几个方面。

4.1热功率

燃气辐射管的热功率是辐射管的一项重要技能功能指标，其核算公式为：

η=[(Qg+Qa)-Qf]/Qg（1）

式中：η——燃气辐射管热功率，%；

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。

以文献中的举例为目标，假定改造前空气预热温度为300℃，改造后空气预热温度升高到850℃，改造前后均选用1.02的过剩空气系数，经过核算，改造前的燃气辐射管加热设备的热功率只要62.21%，而改造后的热功率为85.30%，热功率进步了23.09%。

高温空气焚烧比常温一般空气焚烧所需的过剩空气系数一般要小一些，比如选用高温空气焚烧只需1.02的过剩空气系数，而选用常温一般空气焚烧可能需要1.1乃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功率的影响，改造前后热功率的增大幅度还会更大。

4.2辐射管外表温度散布

燃气辐射管外表温度散布的均匀性也是一个十分重要的技能功能指标，它影响辐射管的加热才能、加热质量以及辐射管的运用寿命。辐射管外表温度散布的均匀性可由其温度不均匀系数来表征，温度不均匀系数越小，温度散布越均匀。工程上一般用辐射管温度散布的误差来判别其外表温度散布的均匀程度。

传统的U型辐射管温度散布的差值一般为±20~±50℃。而选用HTAC技能改造后，因为高温空气焚烧火焰本身温度散布的均匀性以及预热空气与高温烟气的高频切换，使辐射管内气流活动频繁换向，辐射管的管壁温度散布更趋均匀，辐射管温度散布的差值其外表温度散布的差值可下降到±10℃左右。

4.3辐射管的运用寿命

辐射管的运用寿命受许多要素的影响，燃气辐射管的外表温度散布对辐射管运用寿命影响是不可疏忽的。如果辐射管外表温度存在较大的温度差，则因为温度差引起的应力变形或部分过热将构成辐射管损坏，一起也影响辐射管外表输出功率的不均。例如，若辐射管输出功率比额外输出功率增大了一倍，则辐射管的运用寿命将缩短到原来的1/10左右。选用HTAC技能后，这一问题得到了很好的处理。此外，因为选用低过剩空气系数焚烧及焚烧产品回流，下降了辐射管内气氛的氧化性，这对延伸辐射管的运用寿命也是十分有利的。

4.4污染物的排放

蓄热式高温空气焚烧可大幅度节约燃料，焚烧产品中CO2明显下降，因而削减了温室气体的排放。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。选用HTAC技能改造后，因为高温空气焚烧火焰的峰值温度下降，温度场散布均匀以及选用低过剩空气系数焚烧及焚烧产品回流下降了焚烧气氛的含氧浓度，热力型NOx的构成受到按捺。一起，辐射管内气流高速活动，缩短了高温烟气在炉内的停留时间，也有利于下降NOx的生成。

5结论

蓄热式高温空气焚烧技能运用于燃气辐射管加热设备，可使辐射管外表温度散布更趋均匀、加热才能和加热质量均得到进步,热功率大幅度进步，辐射管运用寿命延伸，污染物排放量明显下降。