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蓄热式辐射管的开发研制

摘 要 本研究小组将高温空气燃烧技术应用于辐射管，设计出一种蓄热式辐射管，并对该辐射管进行了实验研究，重点解决了换向时长明灯的稳定性问题。蓄热式辐射管的实测结果与常规辐射管的参数对比表明，蓄热式辐射管在性能、节能、环保等方面有一定优越性。

关键词 高温空气燃烧 蓄热式辐射管 节能 环保

1 引言

高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion）是20世纪90年代发展起来的一种全新的燃烧技术。由于该项技术具有高效节能、低NOX排放和可以使用常规条件下无法燃烧的热值较低的燃料等优点，在发达国家已经得到广泛应用。我国钢铁、冶金行业也开始使用该项技术[1]。

在钢铁、冶金工业领域，辐射管是用于热处理炉的一种常用加热装置；辐射管在机械、纺织、食品等行业也有应用。蓄热式辐射管的开发研制，把高温空气燃烧技术应用于辐射管，将具有良好的经济效益和环保效益。

本研究小组对近期设计完成的一种蓄热式辐射管进行了实验研究，解决了长明灯在换向时的稳定性问题，改进和完善了蓄二手挂车热式辐射管的设计。实验中对蓄热式辐射管的各种工作情况进行了测试，并将测量结果与常规辐射管的参数进行对比，显示蓄热式辐射管在性能、节能、环保等方面有很大优越性。

2 蓄热式辐射管的工作原理

蓄热式辐射管的结构如图1所示。冷空气先经A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B烧嘴的蓄热体后，由烟道排出。经过一段设定的时间后，改变辐射管中的流动方向，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，空气可加热至接近炉膛温度，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，通过自行设计的专用阀门和控制系统来实现。

图1 蓄热式辐射管的结构示意图

蓄热式辐射管使用长明灯作为点火源。蓄热式辐射管在运行过程中空气、烟气需要定期换向，辐射管中的流动方向周期性改变；因此，用于蓄热式辐射管的长明灯工作条件非常恶劣。为了保证蓄热式辐射管安全、可靠的工作，先期设计和研制了蓄热式辐射管专用的长明灯。

3 实验装置和实验方案

实验装置系统图如图2所示。蓄热式辐射管设计使用的燃料为混合煤气（33%焦炉煤气+67%高炉煤气），低热值2000kcal/Nm3。为了在实验室模拟混合煤气的热值，使用液化石油气配以适当比例的氩气为燃料。液化石油气低热值21800kcal/Nm3，液化石油气和氩气的掺混比例为1：9.9。燃烧用空气由鼓风机供给。为了在辐射管中保持负压，确保可控气氛炉的安全生产，使用引风机抽吸烟气。燃料和空气流量用调节阀控制，用浮子流量计测量。

图2 拉丝机实验装置系统示意图

实验中使用热电偶测量温度。1～8号热电偶固定在辐射管表面；测点在辐射管有效长度上均布。9号热电偶测量热烟气或热空气的温度；10、11号热电偶测量冷烟气或冷空气的温度。

4 实验结果及分析

4.1蓄热式辐射管基本性能参数

加热能力（有效功率）： 5×104 kcal/h ( 5.8×104 W )

表面负荷：4.4 W/cm2 （一般采用 3.5～4.6 W/cm2 ）

容积负荷：1.6 W/cm3 （一般采用 0.7～1.7 W/c婚宴酒店m3 ）

截面负荷：480 W/cm2 （一般采用 465～870 W/cm2 ）[2]

由以上参数的选择来看，蓄热式辐射管各项负荷参数的选择适中，在常用的参数范围内。以确保安全性；电源线插头尽可能要插牢

加热不均匀性：ε=1-tmin/tmax=0.031 （常规辐射管为0.05）[2]

蓄热式辐射管定期换向的燃烧方式决定了辐射管中的加热部位也在定期变化，这为辐射管表面温度更趋均匀提供了良好的条件。蓄热式辐射管的表面温差只有30℃左右，是常规辐射管的一半，表面温度分布均匀性好。良好的表面温度分布均匀性一方面可以使被加热工件受热均匀，提高生产率和产品质量；另一方面可以减少辐射管的热应力和直到试样破坏为止局部烧蚀，延长辐射管使用寿命，降低生产成本。

4.2 热效率（热量利用率）

蓄热式辐射管的热效率（热量利用率）按下式计算[2]

ηy=(Qd+Qw-Qy-Qh)/Qd

式中 Qd——燃料低发热量(kJ/Nm3)，8360；

Qw——单位体积的空、煤气物理热(kJ/Nm3),110；

Qy——烟气带走的物理热(kJ/Nm3),836；

Qh——烟气带走的化学热(kJ/Nm3),84。

ηy=(8360+)/8360=90.3%

烟气带走的物理热的多少对辐射管热效率有很大影响，而排烟温度与烟气带走的物理热成正铝焊条比。传统辐射管如果不进行烟气余热回收，热效率只有50%左右。如果使用预热器回收烟气余热，烟气温度每降低100℃，热效率可提高约5%；但是预热器降低烟温的作用是有限的，排烟温度一般只能降低至500℃～600℃。蓄热式辐射管的排烟温度在200℃左右，烟气带走的物理热大大减少，热效率有大幅度提高。

热效率的提高意味着单位产量能这就是其他经销商没法比拟的量消耗的减少。在相同的单位产量条件下，蓄热式辐射管比常规辐射管的能量消耗减少30%～50%。由于能量消耗的减少，温室气体CO2的排放量也相应减少30%～50%。

另外，蓄热式辐射管中气体温度场分布均匀，没有局部高温区；在换向时，燃烧区吸入部分烟气，降低氧气浓度。这两方面有助于抑制NOx的生成，减少污染物排放。

5 结论

（1）长明灯在换向时的稳定燃烧是蓄热式辐射管研制的核心问题。只要配合适当的长明灯，蓄热式辐射管就可以安全、可靠的工作。

（2）蓄热式辐射管与常规辐射管相比，在加热均匀性、延长使用寿命、降低能耗等方面有一定优越性。

（3）蓄热式辐射管与常规辐射管相比，可以减少温室气体CO2和燃烧污染物的排放。(end)

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