富氧燃烧条件对加热炉传热特性影响分析

前言：

富氧燃烧可明显减少烟气排放量、增强燃料燃烧效果、削减氮氧化物等污染物生成的特性，被大量运用到加热炉改造升级进程中。伴随工业生产对加热炉温度控制精准度、热能利用效率的要求不断提升，富氧燃烧工况下加热炉内部传热特性的变动，直接影响设备整体运行状况与能源利用效果，富氧燃烧技术于加热炉的应用已由初步普及过渡到精细优化时期，透彻剖析富氧燃烧条件对传热特性的作用原理，既是健全该技术理论架构的关键部分，也是助力加热炉达成节能减耗、契合严格环保要求的核心要素，对推动工业领域绿色低碳转型具备重要现实意义。

1 富氧燃烧条件对加热炉传热特性的影响

1.1 烟气量减少，对流传热减弱

富氧助燃环境中，因助燃空气中氮气含量大幅下降，燃料燃烧生成的烟气总体积显著缩减，对流传热强度关键依赖于烟气跟受热面之间的质量交换以及热量传递效能。当烟气量减少时，直接造成单位时间内通过受热面的烟气流量降低，最终体现为对流传热效果变差，进而影响加热炉的整体热传递效率。

1.2 火焰温度高，局部热负荷不均

富氧燃烧的情境中，氧气浓度提升推动燃料更高效、快速地燃烧，所释放热量更为聚焦，最终使火焰温度明显高于常规空气燃烧，加热炉内温度场分布会因火焰温度升高而改变，因直接受高温火焰辐射，燃烧器附近区域，热流的密度急剧增大，造就局部高温区域；处在燃烧器较远的区域，因火焰辐射强度随距离增大而减弱，同时烟气量减少造成对流传热补充欠缺，温度相对不高[1]。

1. 烟气组分繁杂，换热面有较高结垢风险

富氧燃烧过程中，尽管氮气占比下降，高温下燃料里的硫、钾、钠等元素会和氧气起反应，形成二氧化硫、硫酸盐之类物质，并且燃烧不充分或许会产生碳颗粒等，致使烟气成分比传统燃烧更复杂。当复杂的烟气成分流经受热面，如果受热面壁面温度处于特定数值区间，烟气中的硫酸盐、碳颗粒等物质很容易附着于壁面，影响加热炉长期稳定的热量传递。

2 依托加热炉热传递特性的富氧燃烧工况优化方案

2.1 优化烟气流道，提升对流传热

因富氧燃烧使烟气量降低，对流传热效果变差，所以有必要对烟气流道加以优化，可把传统直筒式流道改成渐缩渐扩式，收缩段的截面积按 15%～20% 的比例缩减，让扩张段的截面积增大比例维持在 10%～15% ，从而在保障烟气流动阻力处于合理范围时，最大限度提升流速与接触面积。

对流作用的受热面区域，安置倾斜角度为 15^∘ 至 30^∘ 的导流板，导流装置之间的距离设定为流道宽度的 1/3 ，促使烟气均匀有序地流经受热面，降低气流死区与短路情况的出现，让各部位受热面都能充分参与到对流传热当中。还可以在流道里设置高度达到受热面管径四分之一的螺旋形翅片或者粗糙凸起物，翅片的螺旋间距为管径的两至三倍，使烟气形成湍流，增强烟气与受热面的微观交融，增大对流传热系数，进而有效解决因烟气量降低引发的对流传热不足状况。

2.2 调整燃烧器布局，均匀热负荷

考虑到富氧燃烧期间火焰温度偏高，可能导致局部热负荷分布不均，对燃烧器布局进行调整十分必要。

布局可选用交错排列形式，把燃烧器按 2 至 3 层、3 至 4 列分布，每层间隔设为加热炉高度的三分之一，列间距设定成加热炉宽度的四分之一，防止火焰聚集在一处，可以参考加热炉的横截面，将燃烧器呈“品”字形排列，让相邻燃烧器火焰覆盖区域有 10%～15% 的重合，促使火焰彼此交叉、实现热量互补，实现炉内温度场分布的改良。对各燃烧器的燃料供给量和助燃空气量进行合理管控，为各个燃烧器配备精度为 ±2% 的流量调节装置，根据炉内不同区域温度要求（借助炉壁预先埋设的热电偶实时监测，测温点间隔不超过 2m ，精准调控每个燃烧器的燃料与空气输入比率，临近低温区域的燃烧器，合理提高5%～10% 的燃料和空气供应量；对温度较高区域降低 8%～12% 的供应量，进而平衡热负荷，防止局部受热面温度过高，使物料能够均匀受热 [2]。

2.3 控烟气参数，降低结垢概率

富氧燃烧工况中，烟气组分繁杂，换热面出现结垢问题的风险较大，要管控烟气参数。

首先需先调控烟气温度，在加热炉烟道的进口、中间位置、出口处各自安装 1 套精度为 ±1^∘C 的温度调控装置，每 5 分钟收集一次烟气温度数据，若温度高于 350^∘C ，减少燃烧器的燃料供应量（每次调整幅度不超 5% ），或者通入温度低于 100^∘C 的冷风，让烟气温度下降，使受热面的壁温稳定处于 200^∘C 至300^∘C ，躲开易结垢的温度区域。

其次，调控烟气里硫、钾、钠等元素化合物的含量水平。挑选燃料时，优先选用硫含量不超过 0.5% 、钾钠总含量不超过 0.1% 的燃料。从源头上减少结垢物质，还可给烟气处理系统添加去除硫、氮及其他杂质的装置，如运用液气比达 10L/m³ 的湿法脱硫工艺，除去烟气中的二氧化硫；在烟道内部安置填充厚度为 500mm 的活性炭吸附层，对钾、钠等金属化合物开展吸附处理，每 8 小时替换一次吸附层，减少烟气中的结垢物质，减小换热面结垢概率。

结束语：

本文提出优化烟气流道、调整燃烧器布局、控制烟气参数等措施，能有效改善富氧燃烧导致的对流传热减弱、局部热负荷不均、换热面结垢风险增加等问题，提升加热炉传热效率与运行稳定性。未来，相关人员应积极寻求富氧燃烧技术与传热优化技术的深度融合，结合智能化监测手段实时调控燃烧与传热参数，以推动加热炉设备向更高效率、更低排放、更优经济性的方向发展。

参考文献：

[1] 刘亚辉 , 刘延华 . 富氧燃烧下加热炉内钢坯传热的数值研究 [J]. 工业炉 ,2025,47(04):19-26+33.

[2] 樊金成 , 伊智 , 李国军 . 富氧燃烧条件下加热炉内辐射传热分析 [J].材料与冶金学报, .

[3] 陈德敏 , 李宁 . 富氧燃烧条件对加热炉传热特性影响 [J]. 钢铁 ,2024,59(02):173-184.