淺析燃氣輻射管的分類

張 永 張云娟

（1、洛伊熱工工程(天津)有限公司，天津 300192；2、北方重工集團壓延設備分公司，遼寧 沈陽 110869)

1 概述

工業爐是將燃料燃燒產生的熱量通過中間加熱介質水傳給被加熱介質而使其溫度升高的一種加熱設備，它廣泛應用于油氣集輸、廠礦企業、熱能和動力系統中，將傳熱介質加熱至工藝所要求的溫度，為后續工藝生產提供安全可靠保障。

燃氣輻射管是常用的工業加熱裝置。氣體燃料在輻射管內燃燒，通過輻射管表面以熱輻射的形式把熱量傳遞給被加熱物體，燃燒產物不與被加熱物體直接接觸，不會造成氣氛污化，使爐內氣氛便于控制和調節，非常適用于產品質量要求較高的場合。

2 燃氣輻射管的分類

根據氣體進出輻射管時進口和出口位置不同，輻射管可以分為兩類。一類是雙端型的，即進口和出口分布在兩端，如直管型、U型和W型等；另一類是單端型的，即進口和出口在同一端，如套管型和P型等。其中套管型輻射管具有熱效率高、輻射面溫度均勻、可以自由膨脹，便于檢修等優點，是一種應用較為廣泛的輻射管。自身預熱式燒嘴則是把燃燒器、熱交換器、排煙器有機地結合成一個整體，是一種結構緊湊的新型燃燒器。它使煙氣再循環燃燒，既能提高表面溫度分布均勻性，又能降低NOx的排放，而且能節約燃料，簡化爐子結構。結合了套管型輻射管和自身預熱式燒嘴的優點的自身預熱式套管型輻射管可以進一步提高燃氣輻射管的熱效率。

圖輻射管結構示意圖

自身預熱式套管型輻射管主要結構示意圖如下圖所示：

3 燃氣輻射管的研究狀況

國內的眾多學者對輻射管的燃燒、傳熱與NOx生成特性進行了許多數值模擬研究，如中鋼集團鞍山熱能研究院利用商業CFD軟件CFX4.3對蓄熱式輻射管表面溫度分布進行數值模擬，并與實驗結果進行對比，重點分析了輻射管沿長度方向溫度分布的規律及其影響因素。結果表明，高速煤氣射流有利于提高輻射管表面溫度，降低溫差，改善溫度分布均勻性。北京科技大學熱能工程系的宋興飛等人通過利用FLUENT軟件，對輻射管內的燃燒過程進行了二維數值模擬，重點研究了內套管相對位置對煙氣NOx濃度以及輻射管溫度的影響。重慶大學材料科學與工程學院與重慶賽迪工業爐有限公司的馬丁、程淑明等人通過數值模擬的方法，建立蓄熱式輻射管內低NOx燃燒過程的數學模型，在驗證模型正確的基礎上，分析了不同低NOx燃燒技術對NOx抑制效果的影響，研究結果為低NOx燃燒器的優化設計提供了理論依據。在CFD模擬過程中為了減少計算量通常都采用簡化的反應機理，然而，在預測NOX和CO排放時一般都要采用詳細的化學反應機理。但是運用CFD結合詳細的化學反應機理對反應流動過程進行模擬在計算時間以及準確性方面都存在著不足，同時計算對硬件要求也非常高。化學反應器網絡模型（Chemical Reactor Networks，CRN）結合詳細的化學反應機理能夠對燃燒室的整體性能進行快速，準確的預測，采用該方法計算得到的污染物生成量比FLUENT計算更為準確、快速。國內運用該方法進行燃燒污染物生成預測的研究者并不多，2007年沈陽發動機研究所金戈等人采用簡單模型對自行研制的某重型燃氣輪機燃燒室進行了污染物預測，得到了較好的結果。2008年工程熱物理研究所的楊小龍等人，采用復雜的網絡模型對某型燃燒合成氣的燃汽輪機燃燒室進行了預測，計算結果與實驗結果符合很好。

結論

本文對燃氣輻射管的分類，原理以及當今的研究情況進行了詳細的分析，為套管型輻射管的開發與優化以及燃燒污染物預測、控制提供必要的研究方向，從而實現冶金工業爐的熱能利用率，實現低耗和清潔生產。

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