燃气辐射管燃烧器技术现状概述

摘 要：随着我国社会主义经济建设事业的发展，冶金行业需经热处理的金属工件日益增多，而且对热处理质量的要求也日益严格。燃气辐射管燃烧器作为热处理炉的核心加热设备，具有加热均匀性好，温度容易控制等特点，能够满足各类金属工件所需的加热热处理要求。

关键词：热处理；辐射；燃烧器；专利

1、辐射管燃烧器技术概述

伴随燃料工业的发展和新工艺过程的出现，采用辐射管作为加热装置的工业炉也逐渐发展起来。工业炉采用辐射管作为加热装置不但可以降低基建费用和运转费用，提高炉子生产率，延长炉子寿命，而且可以高质量的加热产品。可以说，辐射管加热有效地避免了被加热件表面的氧化和脱碳，并为在保护气氛下进行热处理的工艺开辟了广阔的前景。辐射管有很多优点，随着对辐射管的研究越来越多，辐射管的型式、数量、燃烧动力学以及热工特性等方面的研究得到了很大的发展，以致到现在，其仍在金属热处理等领域中占据着重要的地位。

1.1 辐射管燃烧器的结构及工作原理

燃气辐射管燃烧器是金属热处理中使用最广泛的一种加热装置，其主要由辐射管和燃烧器两部分组成，高效率的燃气辐射管燃烧器往往还有用于烟气回收的换热器。图1为W型燃气辐射管燃烧器的结构图。

图1 W型燃气辐射管燃烧器

1辐射管 2烧嘴 3换热器 4助燃空气入口 5燃气入口 6烟气排出口

图1所示的W型燃气辐射管燃烧器的工作原理是：助燃空气从助燃空气入口4进入换热器3，经过换热器3的预热后通入烧嘴2，燃气由燃气入口5进入烧嘴2，然后燃气与助燃空气在烧嘴2内混合燃烧，燃烧产生的高温烟气进入辐射管1内，对其进行加热。辐射管以辐射传热为主，以对流传热为辅，向外传递热量，加热待处理的工件。高温烟气最后流经换热器3，完成对助燃空气的预热，由烟气排出口6排出。

1.2 辐射管燃烧器分类及特点

辐射管燃烧器主要分为直管型、套管型、U型、W型、O型、P型、三叉型等七种，不同的结构形式具有不同的特点和用途。表1列出了各种燃气辐射管燃烧器的特点及用途。

2、燃气辐射管燃烧器国内专利申请概况

在中国专利数据库CNABS中对燃气辐射管燃烧器进行检索及统计，分别得到燃气辐射管燃烧器的历年国内申请数量和截至2014年底燃气辐射管燃烧器国内申请主要申请人。从图2可以看出，各申请人对燃气辐射管燃烧器的专利布局工作发端于1985年，而在2005年后申请数量开始急剧增长，体现了国内各大企业及院校对燃气辐射管燃烧器研发力度的不断增大。

威仕工业炉、北京神雾、伊奎斯塔等相关企业积极开展了燃气辐射管燃烧器在工程实践上的应用研究以及专利部署工作。从图3的数据可以看出，我国燃气辐射管燃烧器专利申请的申请人还是以企业为主，其次是科研院校。由于燃气辐射管燃烧器主要都直接应用于工程项目中，因此企业比学校及个人拥有更丰富的燃气辐射管燃烧器设计安装经验，并且燃气辐射管燃烧器的改进能够给企业带来直接的经济效益，这样使得他们有更大的动力去对新技术进行研发和创新。

3、我国燃气辐射管燃烧器的发展历程

由于辐射管燃烧器具有热效率高、温度均匀性好的特点，随着社会经济的发展，冶金行业开始追求高质量的产品，因此辐射管燃烧器加热技术得到各国的青睐，并取得了很好的效果。20世纪30年代，德国人发明了最早的辐射管燃烧器。而我国从20世纪80年代才开始引进该项技术，至今经历了三十多年的发展历史。从我国燃气辐射管燃烧器三十多年的发展历程来看，燃气辐射管燃烧器的发展历史可以分为两个阶段。

第一阶段，从1980年到1999年这将近二十年的时间里，在中国申请的燃气辐射管燃烧器的专利申请数量只有几十项。而这几十项专利里面大部分都还是由中外炉工业株会社、丰田自动车株式会社、川崎制铁株式会社等日本企业作为申请人，中国企业在相关方面的专利申请仅仅占了很小的一部分。这个阶段的中国在燃气辐射管燃烧器领域还完全处于引进学习日本技术的阶段。

第二阶段，从2000年至今这十几年的时间里，以中冶南方（武汉）威仕工业炉有限公司、北京神雾环境能源科技集团股份有限公司为首的国内企业、以北京科技大学为首的国内高校以及以赵升智、吴道洪为首的个人，对燃气辐射管燃烧器进行了大量的研究和改进。中冶南方（武汉）威仕工业炉有限公司主要针对燃气辐射管燃烧器的低NOx燃烧技术、点火电极点火稳定性及燃气辐射管燃烧器的换热器等方面进行了研究；北京科技大学主要对燃气辐射管燃烧器的富氧燃烧以及如何提高燃气辐射管燃烧器的温度分布均匀性和燃烧效率进行了研究；吴道洪则主要针对蓄热式辐射管燃烧器进行了大量研究。

4、燃气辐射管燃烧器技术发展方向

随着客户对产品热处理质量要求不断的提高以及国家对节能降耗的不断重视，钢铁冶金行业对燃气辐射管燃烧器也不断地进行着改进与优化。目前发展的重点主要为以下几方面：

（1） 改善辐射管的材质

辐射管所处的工作环境一般温度非常高，辐射管壁面温度通常比被加热的炉内工件表面温度要高很多。因此，炉内经常会发生辐射管烧坏、破漏、炉压降低等问题，事故的发生将直接影响产品的加热质量。改进辐射管材质是增加辐射管使用寿命和提高总体性能的重要途径。研究开发品质更高的辐射管，包括渗铝低碳无缝钢、陶瓷管SiC、Si-SiC复合材料等新型辐射管是辐射管材质的发展方向。

（2）优化辐射管内空气燃气的混合

辐射管表面温度沿长度方向的均匀性是使用过程中一个重要的技术指标。只有在辐射管内燃料气体与空气混合强度适当的时候，辐射管燃烧状况才会比较良好。若混合强度低，则混合时间长，火焰过长，导致烟气出口处燃料未燃烧完全；若混合强度太大，则混合时间太短，火焰短，辐射管表面温度的分布均匀性差。目前国外先进的辐射管采用了将空气分成多股细流垂直与燃烧混合物相交的燃烧方式。

（3）提高辐射管热效率

辐射管燃烧产生的热烟气带走的物理热直接影响辐射管效率，因此为了提高效率需考虑回收烟气余热。目前回收烟气余热的方式有在烟道内安装总换热器，利用烟气预热被加热工件；利用烟气预热炉内气体间接预热被加热工件，预热燃料；另外还可以使用余热锅炉及蓄热式燃烧器等。

5、小结

我国在开展燃气辐射管燃烧器的研究与应用方面起步较晚，但是2005年以后，随着钢铁冶金行业不断发展壮大的需要，我国对于该项目的研究进入了突飞猛进的阶段。但是，如何有效提高燃气辐射管燃烧器的使用寿命和热效率，以及在国内环保意识不断增强的前提下如何减少辐射管燃烧器尾气的排放污染，都是目前亟待解决的问题。相信在未来的数年内，随着理论研究与实验研究的飞速发展，燃气辐射管燃烧器领域的专利数量在发明的高度与应用的深度上均会得到进一步的提升与飞跃。

参考文献

[1]涂卫国，等. 辐射管加热技术综述[J]. 工业炉，2007，10

[2]张少强.鼓抽式U型辐射管性能研究[D].重庆大学工程硕士学位论文，2011

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