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蓄熱式燃燒是通過蓄熱體的蓄熱與放熱進行煙氣余熱極限回收，將燃燒介質預熱到800-1100℃，同時減少CO和NO排放量，實現了既節能又環保的燃燒。蓄熱式燒嘴是蓄熱式加熱爐的重要組成部分，由于換向頻繁，導致燒嘴內襯耐火材料的工作環境惡劣，是加熱爐爐襯最先破損且破損最嚴重的部位，也是爐墻冒火、串火的根源，嚴重影響了其使用壽命、節能效果。文獻中提到，將傳統的蓄熱式燒嘴邊緣的噴口由尖銳改為圓滑且漸縮漸擴的噴口形式，可以使流道的排煙能力比傳統蓄熱式燒嘴有較大提高。但其對蓄熱式燒嘴的具體尺寸、結構形式及熱應力分布沒有深入研究。在本研究中，結合工藝特點并基于以上結構設想，對蓄熱式燒嘴結構進行了有限元分析與結構改進。
蓄熱式燒嘴是由莫來石澆注料澆注而成的，分為煤氣進出口、空氣進出口兩部分。為了滿足火焰的組織情況，燒嘴的煤氣出口和空氣出口與水平線的夾角均為50°。
根據實際測定的數據和文獻手冊，所取蓄熱式燒嘴內襯莫來石耐火澆注料的主要物性參數如下：彈性模量14.5 GPa；泊松比0.2；熱膨脹系數4.5 x10-6；抗拉強度94 MPa；熱導率，600℃時1.79W·(m·K)，900℃時1.43 W·(m·K)。
采用ANSYS熱結構直接藕合分析法對優化前的蓄熱式燒嘴進行熱應力分析。根據材料的特性和力學性能及ANSYS模型單元的屬性特點，采用ScalarBrick 5和Scalar Tet 98兩種單元。在劃分網格時根據實際情況，兼顧計算的精確性及計算時間，采用不同的網格形式及不同的網格尺寸控制好網格的疏密，最終得到99397個單元。結合相關內容，將蓄熱式燒嘴內壁表面(即耐火襯工作面)的熱傳導等效為1320℃的溫度自由度約束施加在燒嘴面向爐膛外表面有限元模型的各個節點上，其外壁施加與空氣的對流換熱載荷，其值為10W·m·K，空氣溫度設定為30℃。燃燒階段燒嘴噴口內表面與空氣和煤氣的熱交換系數分別為45.5，37W·m，入口溫度為800℃；排煙階段燒嘴噴口內表面與空氣和煤氣的熱交換系數均為36W·m，煙氣入口溫度為1320℃。
在ANSYS中完成模型前處理和加載后進入求解器求解，得到結構優化前的蓄熱式燒嘴在燃燒和排煙兩種工況下的計算結果。
由熱應力分析結果可以看出，傳統蓄熱式燒嘴在燃燒階段和排煙階段的最大應力值分別為28.4，46.4MPa，均未超過燒嘴耐火澆注料的最大抗拉強度(94MPa)。可見，傳統蓄熱式燒嘴的破損原因不是由于耐火材料的強度不夠。由于蓄熱式燒嘴在燃燒和排煙階段存在交變應力，而且交變應力遠小于材料的強度極限破壞就有可能發生。因此，蓄熱式燒嘴的破損可能是由于熱疲勞引起的。
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