铝合金时效退火炉燃气加热系统研究

李 勇

（中航工程集成设备有限公司，北京102206）

燃气辐射管加热是铝合金时效退火炉常用的一种加热方式。燃气在辐射管内燃烧，利用受热的辐射管将热量以辐射的方式传递给工件，将工件加热到所需要的热处理温度。由于燃烧产物不直接和工件接触，不会影响铝板材的表面质量，便于控制炉内温度和气氛。但燃气在燃烧的同时伴随着NOx的生成，低NOx燃烧技术是各种降低NOx排放技术中采用最广、相对简单、经济有效的方法，但减少NOx的排放有一定的限度。由于降低燃烧温度、减少烟气中氧的浓度等都不利于燃烧过程本身。因此，各种低氮燃烧技术都必须以不会影响燃烧的稳定性，进而降低设备效率为前提。另外辐射管在使用过程中一个重要的技术指标就是沿辐射管长度方向的温度均匀性。表面温差过大，将会降低辐射管的热效率。本文对铝合金时效炉燃气加热系统进行研究，在保证U型辐射管表面温度均匀的同时，降低NOx的排放。

1 试验装置和测试方案

为了模拟实际铝合金时效退火炉内的保温和加热条件，制作了4 m×1.5 m×1 m的试验装置（如图1所示）。在试验装置内安装U型辐射管，辐射管的一端安装烧嘴，另外一端安装换热器，沿辐射管的长度方向在表面设置5个测温点，用来测量辐射管表面温度。同时测量助燃风的预热温度、排烟温度和炉膛内的气氛温度。

图1 试验装置结构示意图

采用天然气为试验燃料，CH4含量为94.32%，低发热量为35.6 MJ/m3。试验中采用德国德图Testo330烟气分析仪完成烟气的在线分析、记录。空气预热温度及排烟温度由K型热电偶进行测量，采用拓普瑞TP9000多路温度记录仪进行记录。烧嘴采用常规烧嘴SGCWR-E烧嘴和烟气回流烧嘴SFGR-120B两种规格，烧嘴功率120 kW。

2 测试结果和分析

2.1 SGCWR-E烧嘴的测试

SGCWR-E的烧嘴采用一次风进行助燃燃烧的方式，助燃风通过换热器预热后进到烧嘴内燃烧室和天然气进行混合燃烧。燃烧生成高温热烟气通过U型辐射管从排烟口排出，高温辐射管和炉膛内的空气进行热换热。在炉气的升温过程对辐射管的表面温度进行测试，同时测试排烟温度、空气预热温度及烟气排放中NOx的生成量。测试结果见表1和表2。

表1 不同预热空气温度下辐射管表面的温度

表2 辐射管不同表面温度时烟气中NOx含量

2.2 SFGR-120B烧嘴的测试

SFGR-120B的烧嘴采用一次风和烟气回流进行助燃燃烧的方式。助燃风通过换热器预热后进到烧嘴燃烧室和天然气进行混合燃烧。燃烧生成高温热烟气通过U型辐射管从排烟口排出，在换热器内有一部分烟气和一次助燃风进行混合再进入烧嘴燃烧室进行助燃。对辐射管的表面温度、烟气温度、预热空气温度及烟气排放中的NOx进行测试记录。测试结果见表3和表4。

表3 不同预热空气温度下辐射管表面的温度

表4 辐射管不同表面温度时烟气中NOx含量

2.3 两种燃烧方式对辐射管表面温度均匀性的影响

常规辐射管的表面温差一般为50～100℃，温度不均匀性一般为0.05～0.1[1]。表中的温度不均匀性ε[2]定义为：

式中：ΔT—辐射管的工作长度上的最大温差，℃

Tmin和Tmax—辐射管表面上的最低和最高温度，℃

由表1可见，采用一次风助燃燃烧时U型辐射管的表面温差为91～184℃，温度不均匀性为0.11～0.27，升温过程辐射管表面的温度趋势如图1所示；由表3可见，采用烟气回流的助燃燃烧时U型辐射管的表面温差为39～160℃，温度不均匀性为0.08～0.36，升温过程辐射管表面的温度趋势如图2所示；采用一次风助燃燃烧时辐射管表面温度不均匀性大于常规辐射管的表面要求，而采用烟气回流的烧嘴当空气预热温度≥350℃时辐射管表面温度不均匀性小于常规要求。

图1 一次助燃方式的辐射管表面温度变化趋势图

图2 烟气回流方式的辐射管表面温度变化趋势图

通过对比发现，在一次风助燃条件下测点1的温度为860℃时，预热空气的温度为303℃；而在回流烟气助燃条件下测点1的温度为868℃时，预热空气的温度为462℃。随着助燃风预热温度升高，辐射管沿长度方向的温度不均匀性就越小，采用同种规格的烧嘴，为了提高助燃风的预热温度，需增加换热器的换热面积。由于换热器在辐射管内安装，辐射管受制造工艺的限制，管子直径不能做很大，受安装空间的影响，增大助燃风换热器换热面积有限，另外每提高预热温度100℃，预热器大约增加0.8～1.2倍的传热面积，使投资大幅增加[3]。而采用烟气回流参加助燃，在不增加换热器面积的情况下，通过高温烟气二次回流助燃，增加了助燃风的温度。两种情况下换热器的换热面积没有变化，只是在换热器排烟口的位置处结构做了调整。这种改变对换热器的成本影响很小，适合工业化生产。

2.4 两种燃烧方式对燃烧生成NOx的影响

由表3可见，一次助燃燃烧方式生成的NOx为179.9～345.4 mg/m3；烟气回流的燃烧方式生成NOx为44.4～118.8 mg/m3。两种燃烧方式随着排烟温度的升高生成NOx的含量都在增加。

两种燃烧方式NOx的排放情况分别见图3和图4。通过对比测试数据发现，一次助燃方式排烟温度434.4℃时，NOx的排放量为179.9 mg/m3；而烟气回流助燃方式排烟温度448℃时，NOx的排放量为59.9 mg/m3，此时炉气温度为420℃，NOx排放烟气回流助燃约为一次助燃的三分之一。当辐射管的表面温度稳定之后，一次助燃方式排烟温度592.7℃时，NOx的排放量为345.4 mg/m3；而烟气回流助燃方式排烟温度626℃时，NOx的排放量为118.8 mg/m3，此时炉气温度为810℃，NOx排放烟气回流助燃约为一次助燃的二分之一。烟气回流助燃方式的烟气排放低于国家标准（NOx≤200 mg/m3，GB 31574-2015）。随着排烟温度的升高，NOx的生成都在增加，但烟气回流助燃方式比一次风助燃方式生成的NOx要少。

图3 一次助燃方式的升温过程NOx排放趋势图

图4 烟气回流助燃方式升温过程NOx排放趋势图

3 结论

烟气回流二次助燃、助燃风的预热温度及排烟温度对辐射管表面的温度不均匀性及烟气排放中NOx的生成量会产生很大的影响。对于U型辐射管，利用烟气回流的助燃方式，辐射管的表面温度不均匀性明显优于一次助燃的方式，并且降低了NOx的排放,助燃风的温度也随着升高。随着助燃风预热温度的升高，辐射管表面的温度不均匀性逐渐降低。