蓄热式(HTAC)燃气辐射管燃烧器研制开发.doc

蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器研制开发吴道洪、阎承沛、王东方北京神雾热能技术有限公司，北京，100083 摘 要 本文论述了将高温空气燃烧技术应用于燃气辐射管燃烧器加热装置，设计研制出W型和U型蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器并经不断实验改进推出定型产品。分析和介绍了新型（HTAC）燃气辐射管燃烧器的工作原理和设计结构与技术性能及其特点，蓄热式燃气辐射管燃烧器具有热效率高、节能、表面温度分布均匀、使用寿命延长，CO2和NOx排放量低和工作运行柔性好等突出优点。具有广阔的应用前景。 关键词 高温空气燃烧，蓄热式，燃气辐射管燃烧器 Research and Development for Regenerative(HTAC)Fired-gasRadiant Tube Combustor.YAN Chengpei , WU Danhong, XIAO Qi, WANG DongfangBeijing SHENWU Thermal Energy Technology Co. Ltd. Beijing, 100083 Abstract: This paper is dealt with regenerative fired-gas radiant tube combustor heating device by use of high temperature air combustion technique. Designed and developed W-type and U-type regenerative(HTAC) fired-gas radiant tube combustor and is improved continuously depend on alarge number experiments and set out finalize the design products. One is analysed and introduced work principle and design structure and specification characteristic as well as technical distinguishing feature for new model regenerative (HTAC) fired-gas radiant tube combustor. Regenerative(HTAC) fired-gas radiant tube combustor is possessed excellent advantages, such as: high heating efficiency, saving energy, radiant tube surface temperature well-distributed and extension service life and exhaust CO2 & NOx low as well as performance flexibility well et al. It is possessed vast application prospect. Keywords: High temperature air combustion, regenerative, fired-gas radiant tube combustor. 1 前言高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion）是国际上90年代迅速发展的高新燃烧技术，通过极限回收工业炉窑或锅炉烟气的显热预热助燃空气或燃气，实现高预热温度空度或燃气（800C）和低氧浓度（2%15%O2）条件下的贫氧状态燃烧，具有大幅度节能（节能30%60%）和大幅度降低烟气中NOx排放量（NOx13010-6）以及减少CO2排放量30%60%以上的双重优越性1。日本、美国、欧洲工业发达国家和中国已将该技术开发推广应用于冶金、机械、石油化工、建材、锅炉和垃圾焚烧等行业工业炉窑和加热设备上23。取得了巨大的节能和环保效益。 采用高温空气燃烧技术（HTAC）研制蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器加热装置已经成为工业加热技术中的热门话题46。北京神雾热能技术有限公司在研制开发系列HTAC燃气（油）燃烧器烧嘴及燃烧系统的基础上，对蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器电子点火枪，蓄热体设计和燃烧器结构设计以及自动控制系统及监测系统诸项关键技术进行了独立的设计与实验研究及产品开发工作78。随后，对蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器（第一代）样机进行模拟试验与改进并研制开发出XRFSG-Y8型U型（W型）蓄热式燃气辐射管燃烧器装置系统（第二代）产品。本研制开发技术和产品在广东佛山广恒钢铁有限公司带钢连续退火炉中得到应用。目前生产运行状态良好。 2 工作原理蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器工作原理（见图1）是B端燃烧器一次空气（1）和燃气（5）在端座（9）部预混，并经电子打火器（2）点火通入辐射管体（18）内。从鼓风机来的常温二次空气（7）经由自控系统控制的四通换向阀（7）以一定换向周期切换进入蓄热式燃气辐射管燃烧器B（18）后，在经过蓄热式燃气辐射管燃烧器B（18）的蜂窝陶瓷蓄热体（17）时被加热，在极短的时间内常温二次空气（7）被加热到接近辐射管体（18）的温度（一般低50C100C），被加热的高温空气（7）和燃气（6）经特殊设计的旋流式烧嘴喷口（15）以高速旋转气流卷吸周围烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃气(6)，燃气（6）在贫氧状态下（2%15%O2）实现燃烧；与此同时，燃烧后的高温热烟气通过另一侧蓄热式燃气辐射管燃烧器A（18）时，将烟气显热储存在蓄热式燃气辐射管A（18）的蜂窝陶瓷蓄热体（17）内，然后以低于150C的低温烟气经四通换向阀（7）排入大气。四通换向阀（7）由自动控制系统控制以一定频率进行切换，这样，两个蓄热式燃气辐射管燃烧器）B、A（18）（18）处于蓄热与放热交替工作状态。从而达到节能和降低NOx、CO2排放等目的。蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器燃烧系统和控制系统示意图如图2所示。 图1蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器工作原理 图2 燃烧系统管路和控制系统图 3 技术性能与特点3.1主要技术指标 本研制蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器以冷轧不锈钢带无氧化连续退火炉为典型炉型介绍。 (1)用途：冷轧不锈钢带无氧化退火； (2)产量：30t/h； (3)W型蓄热式（HTAC）燃气辐射管尺寸：F18682200mm； (4)加热温度（加热炉温度）：800C1150C； (5)有效加热区尺寸：180060120mm； (6)燃料热值：天然气低热值，41750kJ/Nm3； 液化石油气低热值：91254.8kJ/Nm3； (7)辐射管燃烧器调节比：1：10； (8)炉前煤气接点压力：3500Pa； (9)蓄热式辐射管燃烧器内温度：Tmax=1300C； (10) 炉温均匀性：10C；充入N2气风扇循环可达到5C； (11) 辐射管工作段表面温差800C； (15) 过剩空气系数：1.1； (16) 蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器热效率80%； (17) 排烟温度：150C； (18) NOx排放量：13010-6（采用德国MIS NOx-SO2分析仪）； (19) CO2排放量：测试实际值（采用德国MIS NOx-SO2分析仪），计算减少CO2排放量； (20) 电子点火器寿命： 5000次； (21) 蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器换向时间：60s。 3.2技术特点 如上所述，采用蜂窝陶瓷蓄热体进行蓄热式高温空气燃烧，在辐射管燃烧器主煤气管和辐射管体间设置环形蜂窝陶瓷蓄热体作蓄热室，通过四通换向阀高频切换，“极限”回收高温烟气余热。使助燃空气高温预热。由于高温助燃空气流速很高，卷吸辐射管燃烧器内的烟气回流，稀释助燃空气，从而降低燃烧火焰的含氧体积浓度，实现高温贫氧状态燃烧。本技术采用优化设计喷孔直径和喷孔角度的烧嘴喷口结构使喷射气流形成高速旋转式气流燃烧火焰，有利于卷吸周围烟气和火焰扩散燃烧；同时，可采取空气喷口偏心设置等措施，延长火焰长度。由于助燃空气在入口处形成一股高速附壁式喷射流，大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8。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面温度，另一方面可增加火焰的辉度，增强其辐射能力。本研究燃烧器由于高温空气燃烧火焰自身温度分布的均匀性及预热空气与高温烟气的高频切换，使辐射管燃烧器内气流流动频繁换向，辐射管表面温度分布更趋均匀。有资料给出9，HTAC燃气辐射管燃烧器管壁表面温度分布的差值可降低到10C左右，大大低于传统燃气辐射管燃烧器表面温度分布20C50C的差值。 蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器与传统辐射管燃烧器相比，燃烧热效率高，常规辐射管燃烧器热效率不足50%，而蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器热效率可达85%90%79。因而可节能达35%40%以上。和电加热元件相比，在相同加热的能力条件下，蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器的能耗是电加热的31%38%（能耗费用比）45。也就是说，燃料消耗（费用）节省约2/3。由于本燃烧器较传统辐射管燃烧器节能40%以上。因而其CO2排放量也减少40%以上。同时，由于本燃烧器实现HTAC技术的贫氧状态燃烧，火焰峰值温度降低，温度场分布均匀以及采用低过剩空气系数燃烧，使热力型NOx的形成受到抑制，NOx排放量大大降低。此外，本燃烧器内气流高速流动，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。其生成的NOx排放量为传统燃烧器的1/81/10以下，NOx13010-6（V/V），完全满足国际标准要求。 蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器主要技术特点： (1) 燃烧器热效率高，可达85%90%； (2) 节能35%40%以上，减少CO2排放量35%40%以上； (3) NOx排放量大大降低，NOx13010-6（V/V）； (4) 本燃烧器与常规辐射管燃烧器相比可获得更高的加热温度，扩展了低热值燃料的使用范围； (5) 燃烧室温度均匀性好，在炉室密封性良好和充入保护气氛及风扇循环良好的条件下，可达到炉温均匀性5C； (6) 炉室清洁、干净，适宜精密产品、高技术产品和特殊材料加热处理，可在真空或保护气氛下加热实现精确、洁净热处理； (7) 由于本燃烧器表面温度均匀性好，辐射管体使用寿命延长；同时，本技术采用在辐射管燃烧器火焰燃烧高温区段设置石墨或SiC衬管保护辐射管体（外管），延长辐射管体的使用寿命。 4 技术应用与发展趋势采用高温空气燃烧技术研制的新一代蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器其能耗为电炉的31%38%，即可节能2/3左右。和一台100kW电炉相同加热能力的HTAC燃气辐射管燃烧器热处理炉两者运行费用进行比较，采用本技术加热炉运行费用每年可节省（节省燃料）14.02万元4，以我国热处理工业十五规划和2010年设想目标估算，将有2500台热处理炉采用本技术，计算可节约3.5亿元。而且本技术与产品在冶金、电器、电子、石油化工、建材、兵器、交通、航空航天等工业领域均可应用10。 蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器装置系统与技术属于高效、优质、节能、环保技术与产品，本技术的推广应用，符合国家加快发展高新技术和可持续发展战略；本技术与产品可广泛应用于各行业工业炉窑和加热设备上。粗略估算，如果今后10年广泛采用本技术与产品和天然气能源，新建和改建蓄热式（HATC）燃气辐射管燃烧器装置系统工业炉估计可达1万台以上，其经济效益可达30亿元以上，其应用与开发前景广阔。 5 小结蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器装置系统具有燃烧热效率高，节能、表面温度分布均匀性好、使用寿命长、CO2和NOx排放量低、适宜精密产品加热处理和运行柔性好等突出优点，是一种高效、优质、节能、环保型高新技术与产品。本研究技术可以开发出各种炉型的蓄热式（HTAC）燃气辐射管燃烧器装置系统工业加热炉系列；并且可以推广到冶金、机械、石油化工、电器电子、交通、航空航天、纺织、食品工业等工业炉和加热设备应用领域。 参考文献1 QI，H.Y, and XU，X.C., Prospects of Developing and Applying the Technology of High Temperature Air Combustion in China, Proceedings of Beijing Symposium on “HIGH TEMPERATURE AIR COMBUSTION”, Oct.18-19,1999. 2萧泽强， 高风温无焰燃烧（HTAC）技术在日、欧几国的开发应用近况，研究报告，中南工业大学应用物理与热能工程系，1999.7。 3Wu,Danhong, XIE Shanqing, YANG Zelei, Application of Regenerative High Temperature Air Combustion Technology in Chinese Metallurgical Industry, Proceedings of Beijing Symposium on“HIGH TEMPERATURE AIR COMBUSTION”Oct.18-19,1999. 4阎承沛，燃气式真空热处理炉技术研究开发及应用J，热处理，2002.4。 5宋庆彬，蓄