辐射管_燃气辐射管_蓄热式(HTAC)辐射管的研究现状

2022-05-13 16:41:15 jssfyjht 8

图片关键词

      蓄热式辐射管是采用高温空气燃烧技术改造传统燃气辐射管燃气辐射管的一种工业加热装置,广泛应用于热处理炉。蓄热式辐射管是采用高温空气燃烧技术改造传统燃气辐射管的新产品。燃气辐射管管体已存在了多种形式,如直管型、套管型、U 型、W型、O 型、三叉型和 P 型。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,其点火方式主要为扩散式燃烧点火和预混式燃烧点火方式。

1、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]  。

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,其热效率不足百分之五十。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,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:

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,将很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: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 为及限,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,温度高达 1100K。实现节能约百分之三十。其次,NOx浓度比改造前减少百分之十。

      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,其容积减少了百分之八十,而重量减少了 百分之九十。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: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、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;

辐射管工作段表面温差≤25℃;

④ 空气平均预热温度≥800℃;

燃气辐射管热效率≥百分之八十

⑥ 辐射管换向时间:60S