高溫空氣燃燒技術(shù)與天然氣燃氣熱處理技術(shù)設(shè)備

本文概要論述了國內(nèi)外熱處理能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了高溫空氣燃燒技術(shù)與天然氣能源技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨；同時探討了我國熱處理工業(yè)高溫室氣燃燒技術(shù)與天然氣能源技術(shù)開發(fā)應(yīng)用預(yù)測以及研究、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。 

關(guān)鍵詞：高溫室氣燃燒技術(shù)、天然氣、燃氣熱處理技術(shù)設(shè)備 

1 概述 

我國熱處理行業(yè)是機械工業(yè)的耗能大戶，我國機械制造廠熱處理用電比重占全廠的25%～30%。全國熱處理行業(yè)有熱處理爐約12萬臺，其中90%以上用電。每年耗電約為100億kWh。我國熱處理生產(chǎn)平均電耗為700kWh/t，大約是日本和歐洲的2倍多。日本熱處理生產(chǎn)平均電力耗約為323kWh/t，歐洲各工業(yè)國家熱處理生產(chǎn)平均電耗為（300～450）kWh/t；日本熱處理生產(chǎn)的熱效率為49.8%，我國熱處理生產(chǎn)的熱效率約為29%，差距很大。 

我們知道，電是二次能源，一般燃料的發(fā)電效率約為36%，電能的熱效率上限為80%左右，因而燃料的電熱效率上限約為29%，天然氣能源是一次能源，天然氣在提供給用戶前經(jīng)凈化處理，因而是一種較清潔的能源[7]。在目前通常技術(shù)下，其熱效率上限約為50.5%，較用電能熱效率提高近兩1倍。我國近年多處發(fā)現(xiàn)大型天然氣田構(gòu)造，其總儲量達38萬億m3以上，隨著西部大開發(fā)和國際合作開發(fā)天然氣田，十五期間我國的天然氣產(chǎn)量可從1999年的238億m3達到約645億m3以上[8]，為我國開發(fā)天然氣能源，改變熱處理單一能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用率實現(xiàn)能源綜合利用創(chuàng)造了條件。 

高溫空氣燃燒技術(shù)（HTAC）是90年代以來發(fā)達國家開始普通推廣應(yīng)用的一種全新型燃燒技術(shù)，它具有煙氣回收和高溫預(yù)熱空氣及低NOx排放的多重性，我國近幾年在這一技術(shù)領(lǐng)域亦開始起步，并且在工業(yè)生產(chǎn)中取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，我國十五期進一步開發(fā)和推廣這一、節(jié)能、低污染的燃燒技術(shù)勢在必行，發(fā)展前景廣闊。 

2 國內(nèi)外能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及市場需求分析 

2.1國內(nèi)外熱處理能源技術(shù)概況 

國內(nèi)外熱處理能源技術(shù)概況如表1所示。

表1 國內(nèi)外熱處理能源技術(shù)概況 

2.2 國內(nèi)外天然氣能源技術(shù)發(fā)展概況 

國內(nèi)外天然氣能源技術(shù)發(fā)展概況如表2所示。

表2 國內(nèi)外天然氣能源技術(shù)發(fā)展概況 

注：世界天然氣能源占各種能源的比重為 24%。

2.3 國內(nèi)外能源和燃燒技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及市場需求分析 

與歐洲、日本和美國合理利用能源和十分重視熱處理生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)的生產(chǎn)水平相比，我國差距明顯。我國熱處理工業(yè)能源結(jié)構(gòu)不合理，用電能占90%以上，致使一次能源大大浪費，未得到合理利用、燃料的熱效率低，我國的燃料爐及其燃燒器、配件的設(shè)計、制造與計算機控制技術(shù)及智能化儀表等成套技術(shù)和國外技術(shù)相比尚有較大差距。 

高溫空氣燃燒技術(shù)是國際90年代迅速發(fā)展的、節(jié)能、環(huán)保型燃燒技術(shù)。與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，高溫空氣燃燒技術(shù)通過蓄熱式煙氣余熱回收，可使空氣預(yù)熱溫度達煙氣溫度的95%，爐溫均勻性5C，其燃燒熱效率可高達80%。高溫空氣燃燒技術(shù)通過HTAC燒嘴及回收裝置可節(jié)能60%以上：因而可降低CO2排放60%以上，同時高溫空氣燃燒技術(shù)實現(xiàn)貧氧區(qū)域燃燒，使NOx排放大大降低，可達40×10-6數(shù)量級（40mg～50mg）/m3，為傳統(tǒng)燃燒技術(shù)的1/15-1/20。此外高溫空氣燃燒技術(shù)燃燒噪音低、減輕了噪音污染。高溫空氣燃燒技術(shù)已開發(fā)出幾種高溫空氣燃燒器（蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)），日本、美國、歐洲均已用于生產(chǎn)，該技術(shù)開發(fā)應(yīng)用已臻成熟，其技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。我國近幾年在該技術(shù)領(lǐng)域已開發(fā)出數(shù)種蓄熱式燒嘴及裝置系統(tǒng)，并且成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，技術(shù)經(jīng)濟效益、環(huán)保性能[6]。 

我國十五期間，要實現(xiàn)熱處理設(shè)備的大量更新和改造，用的節(jié)能、、、清潔且用計算機控制的新型熱處理爐（生產(chǎn)線）設(shè)備代替設(shè)備陳舊、耗能大、效率低、污染嚴重的熱處理設(shè)備。按照十五計劃的要求，我國至少需要2500臺（套）熱處理設(shè)備（密封箱式爐、真空爐、連續(xù)熱處理爐和感應(yīng)加熱熱處理生產(chǎn)線等）。有資料估計，如果2015年基本完成以少無氧化清潔熱處理為中心的技術(shù)改造，則至少需要5000臺套～8000臺套設(shè)備，如果其中1/3采用天然氣能源，則至少需制造2000-2700臺高溫空氣燃燒技術(shù)燃氣式熱處理設(shè)備。 

應(yīng)該特別指出的是，采用天然氣能源對熱處理工業(yè)來說，還帶來提高產(chǎn)品質(zhì)量的好處，因為天然氣本身就是一種還原性保護氣氛，用天然氣制備吸熱式氣氛是國外滲碳的主流技術(shù)方法，我國60-70年低由于天然氣開發(fā)利用較少，熱處理工業(yè)可控氣氛熱處理和滲碳技術(shù)不得不較多地采用丙烷、丙酮和氮基氣氛熱處理等[５]。如果天然氣作為能源在熱處理工為業(yè)大量應(yīng)用，無疑為提高我國熱處理生產(chǎn)少無氧化加熱作出貢獻，因為天然氣的主要萬份是碳氫化合物，本身就是一種保護性氣體。采用天然氣能源對熱處理行業(yè)來說是一箭雙雕的大好事，既可大大提高熱處理生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，又可大大提高我國熱處理行業(yè)少無氧化加熱程度，從而為提高熱處理產(chǎn)品質(zhì)量作出貢獻。 

3 研究開發(fā)熱處理工業(yè)高溫空氣燃燒技術(shù)天然氣能源應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備 

研究開發(fā)熱處理工業(yè)天然氣能源應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備主要有以下幾點，我們分別作一介紹。 

（1）燃氣/空氣佳燃燒比及控制技術(shù)，通過建立天然氣燃氣爐燃燒系統(tǒng)壓力、溫度數(shù)學(xué)模型，研制燃氣爐爐溫智能控制系統(tǒng)。 

（2）高溫空氣燃燒技術(shù)，低噪聲，低NOx、低SOx燃燒技術(shù)研制開發(fā)。 

（3）燃氣輻射管技術(shù)。 

（4）廢熱利用技術(shù)。 

3.1 燃氣/空氣佳燃燒比及控制技術(shù) 

我們知道，對于燃氣熱處理爐，在裝爐量一定的條件下，爐溫T取決于天然氣流量LN和空氣流量Lg之和以及天然氣流量，LN和空氣流量Lg之比μ，為了佳燃燒，空氣過剩系數(shù)α=1.02～1.10之間，為此系統(tǒng)對煙道中的殘氧O2和 CO含量進行控制[8]，殘氧量自動調(diào)節(jié)和控制是實現(xiàn)燃氣/空氣佳燃燒比和控制的核心，佳燃燒比也是節(jié)約能源，減少燒損的重要措施，舉一例說明。 

該系統(tǒng)由IBM-286微機，高速噴嘴、空氣預(yù)熱器、DDZ-11系列溫控儀表及煙氣分析組成，采用雙交叉控制方式，煤氣/空氣混合比佳，監(jiān)測儀表采用氧探頭，紅外儀測量殘氧量控制煤氣/空氣混合比，本系統(tǒng)采用特定邊界條件建立工藝過程中工件瞬時溫度場的數(shù)學(xué)模型，編制工件芯部溫度的計算機應(yīng)用軟件，解決了燃氣爐工藝溫度控制的難題。進而實現(xiàn)了優(yōu)化加熱速率和實時控制，圖1示出了直徑d=360mm，L=1850mm大軸在洛礦3m×6m大型臺車式燃氣加熱爐加熱的實測值和模擬值的比較。實驗結(jié)果表明，測定的相對誤差均值為±1.0%，即≤±7°C，滿足了工藝控制的要求。

圖1 3m~6m大型臺車式燃氣爐加熱實測值和模擬值的比較

3.2 高溫空氣燃燒技術(shù)，低噪音、低NOx、低SOx燃燒器技術(shù)研制開發(fā) 

高溫空氣燃燒技術(shù)（High Temperature Air Combustion）是90年代以來工業(yè)發(fā)達國家開發(fā)推廣的一種全新型燃燒技術(shù)。它具有余熱回收和高溫預(yù)熱空氣以及低NOx排放多重性。已經(jīng)開發(fā)出幾種類型的高溫空氣燃燒器（燒嘴）近900臺套，至1995年，已有800余臺燃料爐應(yīng)用該項技術(shù)[6]。 

該技術(shù)的原理簡介如下。

圖2 預(yù)熱空氣溫度與氧氣濃度和NOx的生成情況

為了降低高溫燃燒帶來的高NOx排放，由圖2可見，降低燃燒空間中氧的濃度，創(chuàng)造貧氧燃燒條件，是經(jīng)濟又有效的方式。 

圖3給出低NOx燒嘴的原理結(jié)構(gòu)圖。燃料分一次燃料F1和二次燃料F2兩路供入爐內(nèi)。一次燃料量F1比F2少得多。F1的燃燒屬于富氧燃燒，在高溫條件下，會很快完成。在流經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的噴口后，會形成高速煙氣射流和周圍的卷吸回流流動。大量燃料則通過二次燃料通路F2射入含氧量低于15%（甚至可低至5%以下）的高溫?zé)煔庵小＿@時燃料的燃燒屬于受控擴散燃燒反應(yīng)，不再存在傳統(tǒng)擴散燃燒火焰前鋒中過剩空氣系數(shù)接近于1的局部熾熱高溫區(qū)。用這種類似于燃煤鍋爐上的分級燃燒方式，就從根本上抑制了NOx的生成，而大大降低NOx的排放量。

圖3 低NOx燒嘴的工作原理

在高溫貧氧條件下形成的火焰特性與傳統(tǒng)燃燒火焰迥然不同。后者是靜態(tài)火焰并有局部熾熱點；前者則產(chǎn)生于在均勻高溫的反應(yīng)，具有如下特點。 

不具有靜態(tài)的火焰，體積顯著直至成倍增加（甚至可擴大到整個燃燒空間），亮度輻射減少，常見的白熾火焰區(qū)消失（故稱之為flameless combustion），火焰呈現(xiàn)多種顏色，有時肉眼觀測不出，溫度梯度和密度都很小、峰值火焰溫度下降，散熱分布均勻，整個爐內(nèi)溫度分布均勻。這一特性將有效地減少NOx排放。燃燒時噪音較低。 

3.3 燃氣輻射管技術(shù) 

國產(chǎn)燃氣輻射管在生產(chǎn)中應(yīng)用多年，性能良好。不足之處耐高溫輻射管壽命和穩(wěn)定性不如國外廠家產(chǎn)品。燃氣輻射管前端是燃氣的燃燒器和燒嘴裝置。Maxon Co的燃氣輻射管系統(tǒng)優(yōu)點是技術(shù)指標(biāo)精度高，可靠性穩(wěn)定，該公司的燃氣輻射管系統(tǒng)可用于低溫加熱新聞紙張的烘干，因而說明該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高[9]。國內(nèi)產(chǎn)品在低溫領(lǐng)域和特殊要求的燃氣輻射管裝置上尚有差距。 

3.4 廢熱利用技術(shù) 

如上所述，高溫空氣燃燒技術(shù)采用蓄熱式煙氣回收技術(shù)（裝置），使空氣預(yù)熱到煙氣溫度的85%-95%，在長輥加熱爐上應(yīng)用熱達80%以上[6]。 

圖4和圖5[17]給出了高溫空氣燃燒技術(shù)的應(yīng)用原理圖。它說明了工業(yè)爐余熱回收的形式和蓄熱式燒嘴的工作原理。

圖4 高溫空氣燃燒技術(shù)的工作原理圖

圖5 高溫空氣燃燒技術(shù)蓄熱式加熱爐原理圖

圖中所示的燒嘴成對安裝，可在同一側(cè)，亦可相對放置。當(dāng)燒嘴A工作時，所產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔饨?jīng)由燒嘴B排出，與蓄熱工體換熱后，可將排煙溫度降低到200C以下甚至更低，這主要取決于蓄熱體的蓄熱容量和蓄熱速率。一定的時間間隔以后，切換閥使燃燒空氣通過燒嘴B的蓄熱體，空氣將立刻被預(yù)熱到煙氣溫度的80-90%以上。燒嘴B啟動的同時，燒嘴A停止工作，而轉(zhuǎn)換為排煙和蓄熱裝置。通過這種交替運行方式，實現(xiàn)所謂“極限余熱回收”和燃燒空氣的高溫預(yù)熱，同時，余熱回收方式也從以往的集中式改進為分散式回收方式，溫度控制更易于實現(xiàn)。分離組合燃燒器，形成各自立通路，提高了每個區(qū)段燃燒完全性。 

按照技術(shù)開發(fā)的程度，高速蓄熱式熱回收可接近，遠遠超過50-60%的傳統(tǒng)回收率。蓄熱器為耐火材料制，無溫度限制，體積小，且加熱效率提高30-40%?？諝忸A(yù)熱后的溫度達到800C-1000℃以上，圖6示出了預(yù)熱空氣溫度與燃料節(jié)約率的關(guān)系[6]。

圖６預(yù)熱空氣溫度與燃料節(jié)約率的關(guān)系

日本于1992年成功開發(fā)出實現(xiàn)極限回收和低NOx燃燒的蓄熱式燒嘴，并應(yīng)用于熱軋機廠連續(xù)式大型加熱爐上。并稱為這一技術(shù)為“環(huán)境協(xié)調(diào)型蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)”。 

英國、美國、德國等在90年代也先后開發(fā)了蓄熱式燒嘴技術(shù)和蓄熱式余熱回收技術(shù)[9-10]。我國近幾年在這一技術(shù)領(lǐng)域也開始起步[11-12]。 

國內(nèi)在熱處理節(jié)能和廢熱利用方面作了大少探索，一些單位取得了很好的效果，大連北島能源技術(shù)發(fā)展有限公司開發(fā)了蓄熱式余熱全回工業(yè)爐技術(shù)。該技術(shù)將蓄熱式回收系統(tǒng)和換向式燃燒系統(tǒng)與爐子結(jié)合為一體，同時匹配電子控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將爐子排放的800°C～1200°C的高溫?zé)煔饨抵?50°C排放，同時將空氣和燃氣預(yù)熱到700°C～1100°C，余熱回收率達90%以上，產(chǎn)量提高20%～30%，并且大大減少了廢氣污染，其技術(shù)指標(biāo)和性能達到國際水平，該技術(shù)被列為“九五”推廣節(jié)能項目[11]。 

北京神霧熱能技術(shù)有限公司研究開發(fā)的蓄熱節(jié)能汽泡霧化燃燒技術(shù)和半湍流燒嘴技術(shù)被列為新產(chǎn)品（1996年）項目，并在十余個企業(yè)設(shè)備上應(yīng)用取得成果和顯著的經(jīng)濟效益[12]。 

我國機械工業(yè)設(shè)計研究院和兵器部設(shè)計研究院等單位研制設(shè)計了多臺燃氣式熱處理爐和生產(chǎn)線，生產(chǎn)運行優(yōu)良[13-15]。 

4 小結(jié) 

高溫（預(yù)熱）空氣燃燒技術(shù)天然氣燃氣熱處理設(shè)備研制和產(chǎn)業(yè)化計劃是為了改變我國熱處理行業(yè)能源結(jié)構(gòu)不合理，能源熱效率低下能源浪費大的弊端，采用新高溫空氣燃燒技術(shù)和清潔的天然氣能源實現(xiàn)熱處理生產(chǎn)（設(shè)備）更新?lián)Q代的一項全新的技術(shù)。本技術(shù)符合我國二十五世紀(jì)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，符合國家節(jié)能和環(huán)保政策，是一項、節(jié)能和環(huán)保的熱處理制造技術(shù)。該技術(shù)將高溫（預(yù)熱）空氣燃燒技術(shù)和天然氣能源開發(fā)利用與熱處理技術(shù)（設(shè)備）更新?lián)Q代相結(jié)合，是一項高新熱處理制造技術(shù)。 

我國1998年頒布了《中華人民共和國節(jié)能法》，制定了有關(guān)節(jié)能和環(huán)保的有關(guān)政策，大力推進節(jié)能、環(huán)保類科研開發(fā)項目，并制定了重要的政策和優(yōu)惠措施。高溫（預(yù)熱）空氣燃燒技術(shù)天然氣燃氣熱處理爐系列研制開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目，應(yīng)是我國“十五”期間急需研究開發(fā)的能源節(jié)能和環(huán)保開發(fā)的攻關(guān)項目，對我國熱處理工業(yè)改變能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)、、節(jié)能和綠色熱處理技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化，具有重要意義和時間上的緊迫性。研究開發(fā)高溫空氣燃燒技術(shù)天然氣熱處理技術(shù)設(shè)備勢在必行，其節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟效益潛力，具有廣闊的發(fā)展前景。

生物質(zhì)燃燒機；木屑顆粒機；模板破碎機；撕碎機；生物質(zhì)氣化站；鍘草機；烘干機

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