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1 前言
高溫空氣燃燒（High Temperature Air Combustion,簡稱HTAC）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初燃料燃燒領(lǐng)域中誕生的一項新技術(shù)，它具有高效節(jié)能與低NOx、CO2排放等多重優(yōu)越性。日本、美國及歐洲一些發(fā)達(dá)國 家已將該技術(shù)推廣應(yīng)用于冶金、鋼鐵、機(jī)械、化工、陶瓷等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的節(jié)能與環(huán)保效益。采用HTAC技術(shù)改造傳統(tǒng)燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置也已成為工業(yè)加熱技術(shù)中的熱門課題。本文根據(jù)HTAC技術(shù)的特點，對燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置的蓄熱式改造方案進(jìn)行初步探討。理論計算及分析結(jié)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(zhì)量提高，裝置使用壽命延長，燃燒噪音減弱，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益。

2 傳統(tǒng)的燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置
燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置是在密封套管內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量，爐內(nèi)氣氛及加熱溫度便于控制和調(diào)節(jié)，非常適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求高的場合。
輻射管加熱技術(shù)起初源于1936年的德國，隨著耐熱材料的不斷開發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，熱處理技術(shù)的不斷進(jìn)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(shù)。近幾十年來，該技術(shù)在我國冶金、機(jī)械、輕工等行業(yè)中也逐步得到了應(yīng)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(guān)鍵部件。由于其內(nèi)表面與燃燒火焰及高溫?zé)煔庵苯咏佑|，工作環(huán)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(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時燃燒時氣流的沖擊，也會產(chǎn)生一定的震動。因此管體應(yīng)具有良好的耐熱性能，較高的導(dǎo)熱系數(shù)，強(qiáng)的抗高溫氧化能力，小的熱膨脹系數(shù)，較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(tǒng)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(yù)熱至200℃~300℃的空氣與氣體燃料擴(kuò)散混合燃燒。這種燃燒會產(chǎn)生局部高溫區(qū)，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(nèi)表面造成局部高溫灼燒及氧化腐蝕；若助燃空氣被預(yù)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(shè)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?yōu)樘岣咻椛涔芗訜嵫b置的熱效率，在輻射管的排煙端設(shè)置了廢熱回收裝置，回收排煙余熱來預(yù)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(jié)構(gòu)，熱回收效果不很理想，空氣預(yù)熱溫度僅200~300℃，煙氣余熱回收率僅30%左右。傳統(tǒng)燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置的熱效率難以突破75%。

3 采用HTAC技術(shù)的W型燃?xì)廨椛涔?br/>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(yīng)用較為廣泛。由于W型管的形狀具有雙U型的特點，適當(dāng)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(shù)，對其進(jìn)行技術(shù)改造。蓄熱式改造主要從高溫?zé)煔獾母咝Щ厥找约案邷氐脱跞紵齼蓚€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(tǒng)的廢熱回收裝置
回收排煙余熱預(yù)熱助燃空氣已被實踐證明是一項卓有成效的節(jié)能措施。傳統(tǒng)的廢熱回收效率較低，排煙顯熱損失仍很大，若采用先進(jìn)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(fā)的蜂窩陶瓷蓄熱式換熱裝置是HTAC技術(shù)的關(guān)鍵部件之一。該裝置具有蓄熱量大，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)耐用等特點。其材料主要成分為氧化鋁。由于其多孔性結(jié)構(gòu)，換熱體積比表面積非常高，高達(dá)1389mm2/m3。蜂窩通道呈直線，壓力損失小，不易發(fā)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(shè)定為20~30s。采用該裝置，可將1000℃以上的高溫?zé)煔饨档偷?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℃）。該裝置的熱效率可達(dá)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(xiàn)以爐溫為900℃，長度為3m的燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置為例進(jìn)行了理論計算。以焦?fàn)t煤氣為燃料，過剩空氣系數(shù)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(yù)熱到850℃。與采用傳統(tǒng)的空氣預(yù)熱器將空氣溫度預(yù)熱到300℃相比，可實現(xiàn)節(jié)能21.55%。
（2）采用高溫低氧燃燒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通空氣燃燒
高溫空氣燃燒技術(shù)主要包含兩項基本技術(shù)手段：一是將助燃空氣預(yù)熱到較高的溫度，達(dá)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(qū)的含氧體積濃度，使之低于15%，甚至更低。由于助燃空氣預(yù)熱溫度很高，燃料除了與氧發(fā)生支鏈反應(yīng)以外，還伴隨著高溫分解和熱裂化，因而其反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜。中南大學(xué)蔣紹堅等人對其燃燒特性進(jìn)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(wěn)定燃燒范圍擴(kuò)大，燃燒噪音低，不存在傳統(tǒng)火焰的局部高溫高氧區(qū)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?xì)廨椛涔苎b置的技術(shù)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(shù)，在輻射管出口兩端均設(shè)置蓄熱室，通過四通閥的高頻切換，“極限”回收高溫?zé)煔庥酂幔瑢嵭兄伎諝獾母邷仡A(yù)熱。由于高溫助燃空氣流速很高，卷吸輻射管內(nèi)的燃燒產(chǎn)物回流，稀釋助燃空氣，從而降低反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，實現(xiàn)高溫低氧燃燒。同時，可采取空氣噴口偏心設(shè)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(yīng)的空氣量，使部分燃料發(fā)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(qiáng)其輻射能力。其基本技術(shù)性能體現(xiàn)在以下幾個方面。
4.1 熱效率
燃?xì)廨椛涔艿臒嵝适禽椛涔艿囊豁椫匾夹g(shù)性能指標(biāo)，其計算公式為：
η=[(Qg+Qa)-Qf]/Qg  （1）
式中：η——燃?xì)廨椛涔軣嵝剩?；
Qg——燃?xì)廨斎霟崃浚琸J；
Qa——預(yù)熱空氣帶入熱量，kJ；
Qf——煙氣帶出熱量，kJ。
以文獻(xiàn)中的舉例為對象，假設(shè)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℃，改造前后均采用1.02的過剩空氣系數(shù)，通過計算，改造前的燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b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(shù)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(shù)，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(shù)。若爐溫更高，以及考慮過剩空氣系數(shù)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?xì)廨椛涔鼙砻鏈囟确植嫉木鶆蛐砸彩且粋€十分重要的技術(shù)性能指標(biāo)，它影響輻射管的加熱能力、加熱質(zhì)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(shù)來表征，溫度不均勻系數(shù)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(tǒng)的U型輻射管溫度分布的差值通常為±20~±50℃。而采用HTAC技術(shù)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(yù)熱空氣與高溫?zé)煔獾母哳l切換，使輻射管內(nèi)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?xì)廨椛涔艿谋砻鏈囟确植紝椛涔苁褂脡勖绊懯遣豢珊雎缘摹Ｈ绻椛涔鼙砻鏈囟却嬖谳^大的溫度差，則由于溫度差引起的應(yīng)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(shù)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(shù)燃燒及燃燒產(chǎn)物回流，降低了輻射管內(nèi)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(jié)約燃料，燃燒產(chǎn)物中CO2顯著降低，因而減少了溫室氣體的排放。此外，燃?xì)廨椛涔芘艧熤械腘Ox主要為熱力型NOx，因而其NOx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)的停留時間有關(guān)。采用HTAC技術(shù)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(shù)燃燒及燃燒產(chǎn)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(nèi)氣流高速流動，縮短了高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的停留時間，也有利于降低NOx的生成。

5 結(jié)論
蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置，可使輻射管表面溫度分布更趨均勻、加熱能力和加熱質(zhì)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。