李 勇

（中航工程集成設備有限公司，北京102206）

燃氣輻射管加熱是鋁合金時效退火爐常用的一種加熱方式。燃氣在輻射管內(nèi)燃燒，利用受熱的輻射管將熱量以輻射的方式傳遞給工件，將工件加熱到所需要的熱處理溫度。由于燃燒產(chǎn)物不直接和工件接觸，不會影響鋁板材的表面質量，便于控制爐內(nèi)溫度和氣氛。但燃氣在燃燒的同時伴隨著NOx的生成，低NOx燃燒技術是各種降低NOx排放技術中采用最廣、相對簡單、經(jīng)濟有效的方法，但減少NOx的排放有一定的限度。由于降低燃燒溫度、減少煙氣中氧的濃度等都不利于燃燒過程本身。因此，各種低氮燃燒技術都必須以不會影響燃燒的穩(wěn)定性，進而降低設備效率為前提。另外輻射管在使用過程中一個重要的技術指標就是沿輻射管長度方向的溫度均勻性。表面溫差過大，將會降低輻射管的熱效率。本文對鋁合金時效爐燃氣加熱系統(tǒng)進行研究，在保證U型輻射管表面溫度均勻的同時，降低NOx的排放。

1 試驗裝置和測試方案

為了模擬實際鋁合金時效退火爐內(nèi)的保溫和加熱條件，制作了4 m×1.5 m×1 m的試驗裝置（如圖1所示）。在試驗裝置內(nèi)安裝U型輻射管，輻射管的一端安裝燒嘴，另外一端安裝換熱器，沿輻射管的長度方向在表面設置5個測溫點，用來測量輻射管表面溫度。同時測量助燃風的預熱溫度、排煙溫度和爐膛內(nèi)的氣氛溫度。

圖1 試驗裝置結構示意圖

采用天然氣為試驗燃料，CH4含量為94.32%，低發(fā)熱量為35.6 MJ/m3。試驗中采用德國德圖Testo330煙氣分析儀完成煙氣的在線分析、記錄?？諝忸A熱溫度及排煙溫度由K型熱電偶進行測量，采用拓普瑞TP9000多路溫度記錄儀進行記錄。燒嘴采用常規(guī)燒嘴SGCWR-E燒嘴和煙氣回流燒嘴SFGR-120B兩種規(guī)格，燒嘴功率120 kW。

2 測試結果和分析

2.1 SGCWR-E燒嘴的測試

SGCWR-E的燒嘴采用一次風進行助燃燃燒的方式，助燃風通過換熱器預熱后進到燒嘴內(nèi)燃燒室和天然氣進行混合燃燒。燃燒生成高溫熱煙氣通過U型輻射管從排煙口排出，高溫輻射管和爐膛內(nèi)的空氣進行熱換熱。在爐氣的升溫過程對輻射管的表面溫度進行測試，同時測試排煙溫度、空氣預熱溫度及煙氣排放中NOx的生成量。測試結果見表1和表2。

表1 不同預熱空氣溫度下輻射管表面的溫度

表2 輻射管不同表面溫度時煙氣中NOx含量

2.2 SFGR-120B燒嘴的測試

SFGR-120B的燒嘴采用一次風和煙氣回流進行助燃燃燒的方式。助燃風通過換熱器預熱后進到燒嘴燃燒室和天然氣進行混合燃燒。燃燒生成高溫熱煙氣通過U型輻射管從排煙口排出，在換熱器內(nèi)有一部分煙氣和一次助燃風進行混合再進入燒嘴燃燒室進行助燃。對輻射管的表面溫度、煙氣溫度、預熱空氣溫度及煙氣排放中的NOx進行測試記錄。測試結果見表3和表4。

表3 不同預熱空氣溫度下輻射管表面的溫度

表4 輻射管不同表面溫度時煙氣中NOx含量

2.3 兩種燃燒方式對輻射管表面溫度均勻性的影響

常規(guī)輻射管的表面溫差一般為50～100℃，溫度不均勻性一般為0.05～0.1[1]。表中的溫度不均勻性ε[2]定義為：

式中：ΔT—輻射管的工作長度上的最大溫差，℃

Tmin和Tmax—輻射管表面上的最低和最高溫度，℃

由表1可見，采用一次風助燃燃燒時U型輻射管的表面溫差為91～184℃，溫度不均勻性為0.11～0.27，升溫過程輻射管表面的溫度趨勢如圖1所示；由表3可見，采用煙氣回流的助燃燃燒時U型輻射管的表面溫差為39～160℃，溫度不均勻性為0.08～0.36，升溫過程輻射管表面的溫度趨勢如圖2所示；采用一次風助燃燃燒時輻射管表面溫度不均勻性大于常規(guī)輻射管的表面要求，而采用煙氣回流的燒嘴當空氣預熱溫度≥350℃時輻射管表面溫度不均勻性小于常規(guī)要求。

圖1 一次助燃方式的輻射管表面溫度變化趨勢圖

圖2 煙氣回流方式的輻射管表面溫度變化趨勢圖

通過對比發(fā)現(xiàn)，在一次風助燃條件下測點1的溫度為860℃時，預熱空氣的溫度為303℃；而在回流煙氣助燃條件下測點1的溫度為868℃時，預熱空氣的溫度為462℃。隨著助燃風預熱溫度升高，輻射管沿長度方向的溫度不均勻性就越小，采用同種規(guī)格的燒嘴，為了提高助燃風的預熱溫度，需增加換熱器的換熱面積。由于換熱器在輻射管內(nèi)安裝，輻射管受制造工藝的限制，管子直徑不能做很大，受安裝空間的影響，增大助燃風換熱器換熱面積有限，另外每提高預熱溫度100℃，預熱器大約增加0.8～1.2倍的傳熱面積，使投資大幅增加[3]。而采用煙氣回流參加助燃，在不增加換熱器面積的情況下，通過高溫煙氣二次回流助燃，增加了助燃風的溫度。兩種情況下?lián)Q熱器的換熱面積沒有變化，只是在換熱器排煙口的位置處結構做了調整。這種改變對換熱器的成本影響很小，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

2.4 兩種燃燒方式對燃燒生成NOx的影響

由表3可見，一次助燃燃燒方式生成的NOx為179.9～345.4 mg/m3；煙氣回流的燃燒方式生成NOx為44.4～118.8 mg/m3。兩種燃燒方式隨著排煙溫度的升高生成NOx的含量都在增加。

兩種燃燒方式NOx的排放情況分別見圖3和圖4。通過對比測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一次助燃方式排煙溫度434.4℃時，NOx的排放量為179.9 mg/m3；而煙氣回流助燃方式排煙溫度448℃時，NOx的排放量為59.9 mg/m3，此時爐氣溫度為420℃，NOx排放煙氣回流助燃約為一次助燃的三分之一。當輻射管的表面溫度穩(wěn)定之后，一次助燃方式排煙溫度592.7℃時，NOx的排放量為345.4 mg/m3；而煙氣回流助燃方式排煙溫度626℃時，NOx的排放量為118.8 mg/m3，此時爐氣溫度為810℃，NOx排放煙氣回流助燃約為一次助燃的二分之一。煙氣回流助燃方式的煙氣排放低于國家標準（NOx≤200 mg/m3，GB 31574-2015）。隨著排煙溫度的升高，NOx的生成都在增加，但煙氣回流助燃方式比一次風助燃方式生成的NOx要少。

圖3 一次助燃方式的升溫過程NOx排放趨勢圖

圖4 煙氣回流助燃方式升溫過程NOx排放趨勢圖

3 結論

煙氣回流二次助燃、助燃風的預熱溫度及排煙溫度對輻射管表面的溫度不均勻性及煙氣排放中NOx的生成量會產(chǎn)生很大的影響。對于U型輻射管，利用煙氣回流的助燃方式，輻射管的表面溫度不均勻性明顯優(yōu)于一次助燃的方式，并且降低了NOx的排放,助燃風的溫度也隨著升高。隨著助燃風預熱溫度的升高，輻射管表面的溫度不均勻性逐漸降低。