蓄热式高温空气燃烧技术在燃气辐射管中应用的探讨

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1、蓄热式高温空气燃烧技术在燃气辐射管中应用的探讨蓄热式高温空气燃烧技术在燃气辐射管中应用的探讨 欧俭平1 吴道洪1 萧 琦1 阎承沛1 萧泽强2 1 北京神雾热能技术有限公司，北京 100083 2 中南大学能源与动力工程学院，长沙 410083 摘摘 要要 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。 关键词关键词 高温空气燃烧；燃气辐射管；节能；低污染 Study on the Application of Rege

2、nerative High Temperature Air Combustion Technology on W-type Fired-gas Radiant-TubeOu Jianping2 Wu Daohong2 Xiao qi2 Yan Chengpei2 Xiao Zeqiang11 School of Energy and Power Engineering, Central South University, Changsha 4100832 Beijing Shenwu Thermal Energy Fired-gas radiant-tube; energy saving; l

3、ow pollution1 前言前言 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

4、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 2 传统的燃气辐射管加热装置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

5、、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

6、 200300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 200300，烟

7、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 3 采用采用 HTACHTAC 技术的技术的 W W 型燃气辐射管型燃气辐射管 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 1 采用 HTAC 技术的 W 型辐

8、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

9、蓄热体的高速蓄热与释热，使得切换时间可设定为 2030s。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 50150） 。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 mm1.4mm，壁厚 0.5mm，横截面积为 50 mm50mm。通过计算表明，只需 200mm 长

10、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

11、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

12、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：（1）式中：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

13、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，

14、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20502。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 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

15、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

16、 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。 参考文献参考文献 1 萧泽强,吉川邦夫.高温空气燃烧新技术讲座.北京:中国科学技术协会工程学会,1999,10 2 姜正侯.燃气工程技术手册.上海:同济大学出版社,1993. 979987 3 藤 淳,多田 健.蜂窝型蓄热式燃烧系统的开发和应用.工业炉,1999,21(2):5053 4 彭好义等.中南大学应用物