鋁合金時(shí)效退火爐燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)研究

李 勇

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

燃?xì)廨椛涔芗訜崾卿X合金時(shí)效退火爐常用的一種加熱方式。燃?xì)庠谳椛涔軆?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(huì)影響鋁板材的表面質(zhì)量，便于控制爐內(nèi)溫度和氣氛。但燃?xì)庠谌紵耐瑫r(shí)伴隨著NOx的生成，低NOx燃燒技術(shù)是各種降低NOx排放技術(shù)中采用最廣、相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(guò)程本身。因此，各種低氮燃燒技術(shù)都必須以不會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低設(shè)備效率為前提。另外輻射管在使用過(guò)程中一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)就是沿輻射管長(zhǎng)度方向的溫度均勻性。表面溫差過(guò)大，將會(huì)降低輻射管的熱效率。本文對(duì)鋁合金時(shí)效爐燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)進(jìn)行研究，在保證U型輻射管表面溫度均勻的同時(shí)，降低NOx的排放。

1 試驗(yàn)裝置和測(cè)試方案

為了模擬實(shí)際鋁合金時(shí)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(yàn)裝置（如圖1所示）。在試驗(yàn)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(zhǎng)度方向在表面設(shè)置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，用來(lái)測(cè)量輻射管表面溫度。同時(shí)測(cè)量助燃風(fēng)的預(yù)熱溫度、排煙溫度和爐膛內(nèi)的氣氛溫度。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

采用天然氣為試驗(yàn)燃料，CH4含量為94.32%，低發(fā)熱量為35.6 MJ/m3。試驗(yàn)中采用德國(guó)德圖Testo330煙氣分析儀完成煙氣的在線分析、記錄?？諝忸A(yù)熱溫度及排煙溫度由K型熱電偶進(jìn)行測(cè)量，采用拓普瑞TP9000多路溫度記錄儀進(jìn)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(cè)試結(jié)果和分析

2.1 SGCWR-E燒嘴的測(cè)試

SGCWR-E的燒嘴采用一次風(fēng)進(jìn)行助燃燃燒的方式，助燃風(fēng)通過(guò)換熱器預(yù)熱后進(jìn)到燒嘴內(nèi)燃燒室和天然氣進(jìn)行混合燃燒。燃燒生成高溫?zé)釤煔馔ㄟ^(guò)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(jìn)行熱換熱。在爐氣的升溫過(guò)程對(duì)輻射管的表面溫度進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)測(cè)試排煙溫度、空氣預(yù)熱溫度及煙氣排放中NOx的生成量。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 不同預(yù)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(shí)煙氣中NOx含量

2.2 SFGR-120B燒嘴的測(cè)試

SFGR-120B的燒嘴采用一次風(fēng)和煙氣回流進(jìn)行助燃燃燒的方式。助燃風(fēng)通過(guò)換熱器預(yù)熱后進(jìn)到燒嘴燃燒室和天然氣進(jìn)行混合燃燒。燃燒生成高溫?zé)釤煔馔ㄟ^(guò)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(fēng)進(jìn)行混合再進(jìn)入燒嘴燃燒室進(jìn)行助燃。對(duì)輻射管的表面溫度、煙氣溫度、預(yù)熱空氣溫度及煙氣排放中的NOx進(jìn)行測(cè)試記錄。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 不同預(yù)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(shí)煙氣中NOx含量

2.3 兩種燃燒方式對(duì)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(zhǎng)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(jiàn)，采用一次風(fēng)助燃燃燒時(shí)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(guò)程輻射管表面的溫度趨勢(shì)如圖1所示；由表3可見(jiàn)，采用煙氣回流的助燃燃燒時(shí)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(guò)程輻射管表面的溫度趨勢(shì)如圖2所示；采用一次風(fēng)助燃燃燒時(shí)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(dāng)空氣預(yù)熱溫度≥350℃時(shí)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(shì)圖

圖2 煙氣回流方式的輻射管表面溫度變化趨勢(shì)圖

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在一次風(fēng)助燃條件下測(cè)點(diǎn)1的溫度為860℃時(shí)，預(yù)熱空氣的溫度為303℃；而在回流煙氣助燃條件下測(cè)點(diǎn)1的溫度為868℃時(shí)，預(yù)熱空氣的溫度為462℃。隨著助燃風(fēng)預(yù)熱溫度升高，輻射管沿長(zhǎng)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(fēng)的預(yù)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(fēng)換熱器換熱面積有限，另外每提高預(yù)熱溫度100℃，預(yù)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(guò)高溫?zé)煔舛位亓髦?，增加了助燃風(fēng)的溫度。兩種情況下?lián)Q熱器的換熱面積沒(méi)有變化，只是在換熱器排煙口的位置處結(jié)構(gòu)做了調(diào)整。這種改變對(duì)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(duì)燃燒生成NOx的影響

由表3可見(jiàn)，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(jiàn)圖3和圖4。通過(guò)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一次助燃方式排煙溫度434.4℃時(shí)，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(shí)，NOx的排放量為59.9 mg/m3，此時(shí)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(dāng)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(shí)，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(shí)，NOx的排放量為118.8 mg/m3，此時(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（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(fēng)助燃方式生成的NOx要少。

圖3 一次助燃方式的升溫過(guò)程N(yùn)Ox排放趨勢(shì)圖

圖4 煙氣回流助燃方式升溫過(guò)程N(yùn)Ox排放趨勢(shì)圖

3 結(jié)論

煙氣回流二次助燃、助燃風(fēng)的預(yù)熱溫度及排煙溫度對(duì)輻射管表面的溫度不均勻性及煙氣排放中NOx的生成量會(huì)產(chǎn)生很大的影響。對(duì)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(fēng)的溫度也隨著升高。隨著助燃風(fēng)預(yù)熱溫度的升高，輻射管表面的溫度不均勻性逐漸降低。