[科普中国]-蓄热式辐射管

燃气辐射管加热装置概述

燃气辐射管是一种常见的工业加热装置。燃气在密封的管内燃烧，通过受热的管表面以热辐射为主的形式把热量传递到被加热物体，燃烧烟气不与被加热物体接触，不会造成燃烧气氛和产物对产品质量的污染，非常适合于对产品质量要求高的场合。例如，用于真空热处理炉、带钢连续光亮退火炉、钢管光亮热处理炉等2。

燃气辐射管的工作原理与结构燃气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，容易被局部灼烧和氧化而使材料失效；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、小的膨胀系数、较高的结构强度以及良好的气密性能等。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。废热回收装置是提高燃气辐射管热效率的重要部件，早先使用的辐射管由于没有设置烟气余热回收装置，排烟损失较大，其热效率不足 50%。后来人们在辐射管排烟端设置了废热回收装置，来预热助燃空气，但是由于采用的是间壁式结构。余热回收效果不很理想。

燃气辐射管分类发展至今，燃气辐射管管体已存在了多种形式2，如直管型、套管型、U 型、W型、O 型、三叉型和 P 型。其中，直管型的结构最简单，由于其热效率过低已较少使用；普遍使用的是 U 型、W 型和套管型。

辐射管发展方向辐射管作为一种重要的加热装置，会随着加热产品质量的要求以及节能、降耗等方面的要求而不断地进行改进和优化。目前其发展的重点由以下 3 个方面2：

① 改善辐射管的材质：辐射管壁面温度比炉内被处理工件的温度通常要高50～100℃，它们都是在相当高的温度下使用的，当炉膛温度比较高时，耐热铸钢已不能满足工艺的要求，需要选用其它材质来制造辐射管。目前国外通过改进辐射管材质以增加使用寿命和提高总体性能，已研究开发了品质更高的辐射管，包括渗铝低碳无缝钢、陶瓷管（SiC）、Si-SiC 复合材料等新型辐射管。

② 优化辐射管内空燃气的混合：辐射管在使用过程中最重要的一个技术指标是辐射管表面温度沿长度方向的均匀性，为满足这个要求，辐射管内燃料气体与空气混合强度要适当。若混合强度太大，则混合时间太短，火焰短，辐射管表面温度的分布就会不均匀；若混合强度低，则混合时间长，火焰过长，结果烟气出口处燃料未燃尽。目前国外较先进的辐射管如 TPHY、TYD 型辐射管都采用交叉流辐射管燃烧方式，即将空气分成多股细流垂直与燃烧混合物相交。

③ 提高辐射管热效率：辐射管内燃烧产生的热烟气如果不对其带走的物理热进行回收的话，将极大地影响辐射管的热效率。目前，进一步的烟气余热回收方式有在烟道内安装总换热器，利用烟气预热带钢，利用烟气预热炉内气体间接预热带钢，预热低发热值燃料，使用余热锅炉，使用蓄热式烧嘴等。

蓄热式（HTAC）辐射管的研究现状关于蓄热式辐射管的应用研究国外进行的较早，尤其是日本，在蓄热式辐射管的研究中取得了一系列重要的成果3：日本工业炉协会于 1998 年组织研究开发的 HRS-RT（High Cycle Regenerative Combustion System Radiant Tube）型高速 循环蓄热式辐射管燃烧系统，已在 NKK 公司福山制铁所厚板厂加热炉上应用，并取得了较好的节能效果。2000 年 5 月又在福山制铁所南部冷轧带钢厂第 3 号连续退火生产线上应用，也取得了较好的节能效果。福山制铁所第 3 号连续退火生产线是由直焰型加热炉(DFF 炉)和辐射管型加热炉(RT 炉)相组合的加热方式，在1120K 下进行退火。此次采用 HRS-RT 共有 88 组 176 个燃烧器，设置 RT 炉的前端加热带。采用的蓄热式辐射管燃烧器的构造是由 2 个蓄热体 A、B 通过辐射管连接成组使用，如果从 B 燃烧器进行燃烧燃料，在 A 燃烧器内蓄热体蓄热，30s 转换方向。蓄热体是由陶瓷蜂窝型制成的具有高回收效率的蓄热体燃烧器。福山第 3号连续退火炉生产线采用蓄热式辐射管燃烧器以来，取得较好效果。以前加热炉(RT)预热空气温度 600K 为极限，而新开发蓄热式辐射管燃烧器(HRS－RT)预热空气温度可以接近炉温水平，最高温度达 1100K。实现节能约 30%。其次，NOx浓度比改造前减少 10%。

HRS-RT 型辐射管除具有一般蓄热式燃烧系统的基本特征，如：高频换向，采用高效蓄热体回收烟气余热等，还具有以下两个特点4：

① 采用二段燃烧的方法，空气喷嘴在辐射管内偏心配置，并进行高速喷出，在高温预热条件下，依然能够抑制 NOx的生成；

② 采用蜂窝状结构的蓄热装置替代了球状蓄热体装置，其容积减少了 80%，而重量减少了 90%。HRS-RT 型辐射管虽然能较好地发挥高温空气燃烧的特性，同时由于其采取空气喷嘴偏心设置从而能够抑制 NOx的生成。但就其整体的性能而言，笔者认为一些地方仍旧值得探讨：由相关文献5得知 HRS-RT 型辐射管的主空气喷口较小，其空气流速相对较高，在 100m/s 左右，由于其主空气喷口偏心设置，所以燃烧初始阶段将燃料点燃就变得困难起来，必须借助辅助空气来点燃主燃料，增加了辐射管结构的复杂性以及工作时的危险性；同时，空气入口偏心设置后，助燃空气在入口形成一股高速附壁式喷射流，减少了入口段与燃料反应的空气量，这样可能引起入口段辐射管表面温度偏低。

国外对蓄热式辐射管内污染物的生成也做了相应的研究：TOSHIAKIHASEGAWA 和 MASASHI KATSUKI 等人6通过实验考察了空气混合对 NOx生成量的影响。其所得出的结论是高风温必然造成高 NOx，当高温空气与已燃烧气体混合后的燃料射流混合，并反应时，才能实现低 NOx燃烧。正是混合过程的不同造成了 NOx的不同，并认为低 NOx技术需要优化炉子总体设计。

国内在蓄热式（HTAC）辐射管开发方面的研究工作起步较晚，开发力度不大，与国外先进水平相比，尚有较大的差距。北京神雾热能技术有限公司设计7、开发的 XRFSGⅡ-Y8 型 U 型（W 型）燃气辐射管应用在广恒钢铁公司连续热镀锌生产线还原退火炉，是国内第一座应用蓄热式辐射管烧嘴的热处理炉。该生产线于 2003 年底投产，镀锌板产品硬度、延伸率和表面光洁度良好。随产品规格和运行速度的变化，炉温调节操作方便，响应速度快;各加热区炉温控制精度在士 1℃范围内，相应的板温控制精度在士 5℃范围内。生产线投产至今，燃烧系统工作安全可靠，故障率低，日常维护工作量小。其辐射管主要技术指标为：

① 加热温度：800℃～1150℃；

② 辐射管燃烧器调节比：1 ∶1 0；

③ 辐射管工作段表面温差≤25℃；

④ 空气平均预热温度≥800℃；

⑤ 燃气辐射管热效率≥80%

⑥ 辐射管换向时间：60S

但值得注意的是在蓄热式辐射管中怎样降低烟气中 NOx排量这一关键问题，并未见神雾公司报道具体的降低措施。北京科技大学自主开发的 P 型蓄热式辐射管8具有结构简单、设备组件少，此外由于其结构特点，本身即可实现烟气的再循环，从而能够较好地降低 NOx排量。但 P 型辐射管不可避免的遇到点火困难、燃烧难以稳定等缺点。

国内外对于高温空气燃烧过程中污染物排放行为的研究，不同的研究者得出的结论基本一致9。即助燃空气的温度越高，NOx的生成量越大；当空气的预热温度一定，降低空气中的氧浓度可以减少 NOx的生成量。有效地组织炉内的空气射流和气体燃料气流的流动，使燃烧烟气的回流混合稀释燃烧空气的氧浓度，并延缓扩散燃烧过程是实现燃烧低氧条件的关键。NOx的高低取决于空气与燃料在掺混之前被烟气稀释的程度，文献10还研究了燃料与空气射流之间相对距离对NOx 排放的影响规律，认为燃料与空气射流之间相对距离对烟气的回流、卷混和稀释程度有很大的影响，相对距离越大，稀释程度越大，NOx排放越少。但随着相对距离的增大，NOx减少的幅度变小。但是纵观国内相关资料，在蓄热式辐射管这一具体的炉型结构下，关于怎样有效地降低 NOx排放量的文献非常之少。

蓄热式辐射管的工作原理所谓双端型蓄热式辐射管是在直管型、U型或W型等传统的双端型辐射管基础上，把辐射管的两端都改造成蓄热式烧嘴，组成一个典型的蓄热式高温空气燃烧系统。系统由两套烧嘴、两套点火装置、两个燃气切断阀和一个四通换向阀组成。冷空气经A烧嘴的蓄热体加热，与燃料混合燃烧;辐射管中的热烟气加热B烧嘴的蓄热体后，由烟道排出。经过一段时间后改变辐射管中气体的流动方向，冷空气由B烧嘴流入，烟气由A烧嘴排出。冷空气和热烟气如此交替地流经A. B两烧嘴的蓄热体，通过蓄热体交换热量，空气可预热至接近辐射管管壁温度，烟气温度可降至200℃以下，从而实现烟气热量的极限回收。空气、烟气流动方向的变换和烧嘴燃料气的通、断，是通过专用阀门和控制系统来实现的。双端型蓄热式辐射管一般使用点火燃烧器作为点火源。辐射管在运行过程中空气、烟气需要定期换向，其流动方向周期性改变;因此，用于蓄热式辐射管的点火燃烧器工作条件比较恶劣。为了保证蓄热式辐射管安全可靠地工作，蓄热式辐射管需要专用的点火燃烧器。

HRS_RT主要为W型、U型和直管型,最先在NKK公司的连续退火炉上进行了工业性试验。近年来,国内也进行了蓄热式辐射管的开发研究,其原理和结构都与HRS_RT类似11。瑞典皇家工学院的研究人员在半工业化的试验炉上对比实验研究了NFK公司的W型蓄热式辐射管和W型自身预热式辐射管12。作者开发了P型蓄热式辐射管燃烧器,并进行相关的实验与理论研究。与HRS_RT的双烧嘴蓄热式燃烧系统相比,P型蓄热式辐射管采用了单烧嘴的蓄热式燃烧系统。P型蓄热式辐射管既有蓄热式燃烧系统高效节能的优点,又具有烟气再循环燃烧的特点。烟气再循环燃烧有助于提高辐射管表面温度的均匀性,也有助于降低NOx的排放。本文的重点是采用半工业性实验和数值模拟方法研究P型蓄热式辐射管表面温度的分布规律。

蓄热式（HTAC）辐射管加热装置的特点传统的燃气辐射管普遍存在着热效率低的问题，因其废热回收装置采用的是间壁式结构，余热回收不充分，空气预热温度一般为200-500℃，烟气的余热回收率难以突破75%。而高温空气（HTAC）燃烧技术的出现，为提高辐射管的热效率提供了新的思路2。将HTAC技术应用于燃气辐射管加热装置，即形成了新型的蓄热式（HTAC）辐射管加热装置，其技术思路是以高效蓄热体替代传统的间壁式余热回收装置，这样既能充分发挥HTAC 技术的优越性，又可以克服传统的燃气辐射管技术局部温度高、温度不均匀以及热效率低的缺点，从而在提高加热质量和辐射管寿命的同时，获得节约能源及减少有害气体排放的显著效果。蓄热式（HTAC）辐射管加热装置主要由蓄热体、燃烧器（烧嘴）、辐射管、换向阀等组成。冷空气先经一侧烧嘴的蓄热体加热后，与燃料混合燃烧；辐射管中的热烟气加热另一侧烧嘴的蓄热体后，由烟道排出。经过一定时间后，换向阀换向，改变了辐射管中空气和烟气的流动方向，同时燃料气体通过快切阀进行通、断。冷空气和热烟气如此交替地流经两侧烧嘴的蓄热体，通过蓄热体交换热量，空气可预热至接近辐射管内的烟气温度，排烟温度可降至 200℃以下，从而实现烟气热量的极限回收。

蓄热式辐射管点火方式辐射管的点火方式对蓄热式辐射管能否安全燃烧非常重要，因为蓄热式辐射管是较高频率的换向燃烧，在辐射管开始工作的初始阶段，每次换向后都需要点火装置点燃主煤气及助燃空气，所以点火装置是整个蓄热式辐射管装置中较重要的一环。

本次研究中采用点火枪作为蓄热式辐射管装置的点火源。蓄热式辐射管工作时，空气和烟气的流动方向交替变化，为了防止点火源被迎风面的烟气吹熄，保证辐射管正常、稳定的工作，首先对辐射管点火枪的点火方式进行研究8。

扩散式燃烧点火方式扩散式燃烧点火枪的形式如，点火枪的管径为 Φ13mm，该结构的特点是：点火天然气的端头兼做点火电极，点火空气侧向进入，在点火电极处与天然气边混合边燃烧，点火天然气与点火空气的反应属于扩散式燃烧，其目的是提高点火枪稳定燃烧的调节比例。

点火枪的点火实验过程为：首先开启点火空气，调节空气流量至 1.5m3/h，再开启点火天然气，调节流量至 0.10～0.18m3/h，随后按下点火变压器开关，点燃点火枪，观察火焰的长度和稳定性。改变天然气和空气的流量，考察火焰的大小、形状，火焰稳定性的变化。

预混式燃烧点火方式为了保证点火枪在换向时不被吹熄，试着采取预混式燃烧方式，点火枪的管径同为 Φ13mm。在点火枪上增加了离子型火焰检测器，用来检测点火火焰是否被吹熄。同时在点火电极处增加旋流器，旋流器不仅能使预混气体旋转，进一步加强点火天然气与空气的混合程度，同时还起到了固定点火电极的作用。该点火枪的点火实验过程为：开启点火空气，调节空气流量至 1.2 m3/h 左右，再开启点火天然气，调节流量至 0.12m3/h 左右，将空气与天然气预混后，通入点火枪中，随后按下点火变压器开关，点燃点火枪，观察火焰的长度和稳定性。改变预混气的流量，考察火焰的大小、形状，火焰稳定性的变化。

燃烧器结构对辐射管性能的影响燃烧器是辐射管加热装置的核心结构，它直接控制着辐射管的功率、表面温度分布、热效率，影响着辐射管的使用寿命。常见的辐射管烧嘴形式有平流和旋流两种，二者均采用预热至 200～400°C 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。同时由于较高的峰值温度，必然导致了大量的 NOx生成。介于以上原因，本次蓄热式辐射管的开发工作中拟采用能产生分级燃烧的烧嘴结构，即燃料气体从不同的位置以不同的比例与预热空气逐级混合。这种方式的燃烧主要有两方面的优点：① 改善燃料气体与助燃空气之间的混合，均匀辐射管内的温度场，从而改善辐射管表面的温度分布；

② 将燃料分级有利于降低燃烧室内高温区的温度值，从而降低燃烧中形成的 NOx。

对于蓄热式辐射管的燃烧器，天然气是经过喷嘴进入辐射管中，空气是经过蓄热体进入辐射管中，天然气和空气在辐射管内边混合边燃烧，燃烧器各部分的相对位置。辐射管内的燃烧属于扩散燃烧，根据扩散燃烧的机理，组织火焰的主要途径是改变煤气和空气的混合条件，由于空气经过蜂窝式蓄热体流出时呈多股细流，改变空气的流速和流动方向都较困难，所以实验着重改变天然气烧嘴的结构，即在烧嘴的不同部位开设喷孔，使天然气在不同的位置、以不同的角度与空气混合，这样即加强了天然气与空气之间的混合，又由于燃气从不同的位置进入辐射管内形成了分级燃烧的状态。

降低辐射管中 NOx排放量的技术措施空气分级燃烧对 NOx的抑制作用分级燃烧是在燃烧开始阶段，只加入部分空气，在富燃料状态下燃烧（一次燃烧），未燃烧的燃料再与二次空气混合燃烧（二次燃烧），一次燃烧空气不足，降低了燃烧区内的燃烧温度和速度，二次燃烧由于一次燃烧的烟气降低了氧浓度，两者共同作用抑制了 NOx的生成。根据辐射管体的结构特点，采用内衬管的方式使辐射管内产生分级燃烧，其中内衬管内部空间为一次燃烧，外部空间为二次燃烧8。

烟气炉外再循环对 NOx的抑制在高温空气燃烧技术中，由于燃烧用空气被预热到很高的温度（>800℃），大大超过了燃气的着火温度，因而燃气只要遇到氧就可发生剧烈化学反应，着火、燃烧的稳定性极好，当空气温度高于900℃、助燃空气含氧量 5%时，仍可获得稳定的燃烧火焰。

强化烟气与辐射管之间的换热对 NOx的抑制虽然烟气再循环与内衬管结构 2 相结合可以很好地降低 NOx排放量，辐射管表面平均温度为 900℃时，NOx的排放量约为 160×10-6，但由于其较高的排烟温度，需要继续寻找更好的方法。辐射管内的换热过程主要包括两部分：⑴ 燃烧产物中CO2、H2O 气体的辐射； ⑵ 燃烧烟气与辐射管内壁之间的对流换热。如果在辐射管中添加插件来加强烟气与管壁之间的换热强度，看能否降低辐射管内燃烧气体的温度，来达到降低辐射管烟气成份中 NOx的目的。