引言在金属热处理领域，辐射管加热技术已经得到广泛的普及应用。相较于U型、W型辐射管加热装置，I型辐射管加热装置具有单位面积热辐射率高、辐射管表面温差小等特点，在高炉温、高加热负荷场合具有更大的应用优势[1]。I型辐射管加热装置通常与自身预热式烧嘴配套使用，完成辐射管间接加热的同时通过自带换热器，对加热后烟气进行最大限度的余热回收。I型辐射烧嘴通过被预热助燃空气和燃气的高速半混合燃烧，在烧嘴喷出口处烟气流速能够达到120~150 m/s[2]。辐射管加热本身属于限制空间燃烧，且I型辐射管烧嘴由于采用高速燃烧的方式，烧嘴燃烧时极易产生局部高温区，造成燃烧烟气中NOx排放的增加[3]。近年来，钢铁行业超低排放等环保要求愈加严格，现有的I型辐射管烧嘴排放水平已不能满足超低排放标准的要求，推动着钢铁行业超低排放改造工作持续进行。本研究以热态试验为基础，通过对I型辐射管烧嘴应用不同技术手段降低NOx排放，取得理想的NOx排放指标，实现热处理炉燃烧系统的超低NOx排放运行。1烧嘴结构及MnOx模式介绍自身预热式烧嘴与I型辐射管以及陶瓷内管配套使用，构成一套完整的燃烧装置。烧嘴自身配置多级翅片式换热器，燃烧产生的高温烟气高速喷射至陶瓷套管内部后，从辐射尾部折流后进入陶瓷套管与辐射管间的间隙，对辐射管本体进行加热。烟气沿陶瓷套管流入换热器的尾部，与烧嘴用助燃空气进行换热，换热后的烟气通过烟气排放口排出。由于烧嘴采用半内混式高速燃烧结构，并在限制性空间内燃烧，极易生成NOx，造成NOx排放超标。为有效降低NOx排放，烧嘴在原空气壳体上增加烟气回流装置，对部分外排烟气进行引射回流，回流烟气在烧嘴壳体完成与助燃空气掺混并经翅片管换热器预热后，送入燃烧区与燃气混合燃烧。为进一步降低NOx排放指标，将烧嘴燃烧状态区分为正常空燃比常规燃烧模式和MnOx燃烧模式。正常空燃比常规燃烧模式下，辐射管内温度小于800 ℃，空气与燃气在燃烧室内完成混合，高温烟气通过燃烧室出口高速喷射进入陶瓷内管，混合速度快，燃烧强度高。在MnOx模式下，辐射管内温度大于800 ℃，燃气与空气在燃烧室内半混合且不引燃，混合气从燃烧室出口喷出后，在辐射管内高温区域进行自燃，通过混合气的高速喷射，卷吸烟气的同时形成低氧弥散式燃烧。自身预热式I型辐射管加热装置结构示意及燃烧模式如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.011.F001图1自身预热式I型辐射管加热装置结构示意及燃烧模式2试验装置与试验内容试验采用特制I型辐射管烧嘴实验炉，实验炉尺寸2.8 m×1.3 m×1.5 m，炉体内衬为耐火纤维板，试验炉单侧开11个测温孔，对辐射管表面温度和炉膛温度进行测量。试验烧嘴功率80 kW，试验用燃气为天然气，热值(34 288±0.03) kJ/m3。试验装置系统示意图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.011.F002图2试验装置系统示意图选用两种不同辐射管，辐射管直径分别为Ф 280×8和Ф 320×8，辐射管长度2 m。试验过程中，用TESTO350系列烟气分析，完成对烟气成分、混合后助燃空气氧含量以及对NOx指标的分析。预热空气温度、炉膛温度以及排放排烟温度用K型热电偶测量。通过对烟气回流掺混空气量的调整，得出不同烟气回流比例下，外排烟气中NOx含量及降低效果。炉温在800 ℃以上，通过对正常空燃比常规燃烧模式和MnOx燃烧模式下烟气排放NOx指标的分析，得出MnOx燃烧模式对NOx排放抑制效果。对两种不同辐射管直径相同燃烧状态下烧嘴NOx排放指标进行分析，得出辐射管面积对NOx排放指标的影响。随后将烟气回流和MnOx模式同步应用，进一步对比分析NOx降低效果。试验过程中记录：（1）空气流量和燃气流量；（2）炉膛温度；（3）烟气成分；（4）辐射管表面温度均匀性；（5）空气压力和燃气压力；（6）烟气回流量；（7）烟气掺混后助燃空气氧含量。3试验结果分析3.1烟气回流比例对降低NOx排放的影响烧嘴在相同功率条件下，不同烟气回流率、不同炉温条件下，烟气NOx排放指标进行分析，试验结果如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.011.F003图3不同烟气回流率下NOx指标结果表明，NOx数值均为折算到8%基准氧后的指标。采用烟气回流方法对助燃空气中的氧含量进行稀释后，相同温度下的NOx排放指标较未回流前明显下降，并且随着回流烟气量的增加，NOx排放指标进一步降低。1 000 ℃炉温条件下，无回流排放值375.8 mg/m3，而当烟气回流量由10%增加至35%时，NOx排放值相较于基准值由276.8 mg/m3下降至135.9 mg/m3，降低幅度分别达到26%和63%。无论烟气是否回流，NOx排放指标均随温度的升高而升高。回流率35%时，炉温由650 ℃升高到1 020 ℃，烧嘴NOx排放值由87.7 mg/m3上升到141.6 mg/m3。将烟气回流至助燃空气中时，助燃空气中的O2含量被稀释，在相同烧嘴结构下，燃烧区域火焰最高温度降低，从而有效抑制高温热力型NOx的生成。增加烟气回流后，烟气中O2和N2浓度同样被稀释，也在一定程度上起到抑制NOx生成的作用。3.2MnOx模式对降低NOx排放的影响MnOx燃烧技术是通过对燃料混合及燃烧方式进行改变来降低NOx排放的一种方式。对烧嘴在正常空燃比常规燃烧模式和MnOx模式下NOx排放指标进行分析，试验结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.011.F004图4MnOx模式对降低NOx排放的影响结果表明，烧嘴切换至MnOx模式，相同温度下NOx排放指标均出现明显下降。1 000 ℃炉温条件下，NOx排放由正常空燃比常规燃烧状态下的375.8 mg/m3降低至239.4 mg/m3，下降幅度达到36.2%。两种燃烧模式下，NOx生成均随温度的升高而升高。烧嘴切换进入MnOx燃烧模式后，当炉温由800 ℃升高1 050 ℃时，NOx排放指标由185.5 mg/m3升高到262.4 mg/m3。烧嘴切换至MnOx燃烧模式后，火焰不在燃烧室内进行引燃，燃烧室仅完成助燃空气与燃气的半混合，混合气通过喷口高速射流至辐射管高温区域内。由于在自燃点以上，混合气直接被引燃的同时，高速卷吸辐射管内的烟气进行回流掺混，燃烧区域形成高温低氧的燃烧环境，NOx的产生被大幅抑制，最终排放指标也大幅降低。3.3辐射管散热面积对NOx排放的影响对比两种不同辐射管直径下，相同烧嘴及相同运行工况下NOx排放情况进行测试，试验结果如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.011.F005图5不同直径辐射管NOx排放指标结果表明，烧嘴在两种不同直径辐射管上应用时，辐射管排放值均随温度升高而增加。相同应用条件下，大直径辐射管排放值更低。1 000 ℃炉温条件下，应用大直径辐射管NOx排放值由375.8 mg/m3降至276.8 mg/m3，下降幅度达到26.3%。辐射管直径增大后，相应的炉内有效辐射面积增大，相同炉温条件下，辐射管辐射到炉内的有效热量增大，相同供热条件下，辐射管热效率更高，管内烟气加热及循环烟气温度更低，管内局部高温区更少，NOx排放指标更低。3.4烟气回流和MnOx模式同步应用对NOx排放影响为进一步降低NOx排放指标，同步使用烟气回流技术和MnOx燃烧技术。烧嘴保持30%烟气回流率，切换进入MnOx燃烧模式，烧嘴NOx排放指标试验结果如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.011.F006图6烟气回流和MnOx模式同步应用对NOx排放指标高温状态下，采用两种技术综合应用于自预热烧嘴，NOx排放值出现明显降低。降低效果较单项技术更为明显。综合技术应用后，不同温度下NOx排放指标较正常空燃配比常规燃烧无烟气回流时下降约70%。较仅采用烟气回流单项技术时下降约30%~35%。综合技术应用后，1 030 ℃炉温条件下，NOx排放指标达到119 mg/m3，远低于国家超低排放标准规定值。两种技术的叠加应用，进一步强化了辐射管内燃烧区的低氧环境，局部高温区被进一步稀释。同时烟气引射量的增加，火焰混合强度进一步降低NOx排放，在低氧高回流环境，燃烧火焰亮度进一步变暗，部分状态下由于回流量增加甚至出现了无焰状态，这些都为降低NOx排放创造有利条件。4结语通过对自身预热式I型辐射管烧嘴各种降低NOx排放方法进行热态试验，测试结果分析，得出如下结论：（1）采用烟气回流技术能够显著降低自预热烧嘴NOx排放，并且随着回流量的增加NOx排放进一步降低。（2）采用MnOx技术和增大辐射管直径的方法均能够有效降低NOx排放，MnOx技术应用受高温条件限制。（3）多种技术叠加应用于自身预热式烧嘴，能够取得技术叠加降低NOx排放的效果，在一定的高温环境中，应用NOx排放指标能够满足国家超低排放标准规定。