高溫空氣燃燒技術與天然氣燃氣熱處理技術設備

本文概要論述了國內(nèi)外熱處理能源技術發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了高溫空氣燃燒技術與天然氣能源技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨；同時探討了我國熱處理工業(yè)高溫室氣燃燒技術與天然氣能源技術開發(fā)應用預測以及研究、關鍵技術和關鍵設備。 

關鍵詞：高溫室氣燃燒技術、天然氣、燃氣熱處理技術設備 

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

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

2.1國內(nèi)外熱處理能源技術概況 

國內(nèi)外熱處理能源技術概況如表1所示。

表1 國內(nèi)外熱處理能源技術概況 

2.2 國內(nèi)外天然氣能源技術發(fā)展概況 

國內(nèi)外天然氣能源技術發(fā)展概況如表2所示。

表2 國內(nèi)外天然氣能源技術發(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、配件的設計、制造與計算機控制技術及智能化儀表等成套技術和國外技術相比尚有較大差距。 

高溫空氣燃燒技術是國際90年代迅速發(fā)展的、節(jié)能、環(huán)保型燃燒技術。與傳統(tǒng)燃燒技術相比，高溫空氣燃燒技術通過蓄熱式煙氣余熱回收，可使空氣預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)燃燒技術的1/15-1/20。此外高溫空氣燃燒技術燃燒噪音低、減輕了噪音污染。高溫空氣燃燒技術已開發(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)，該技術開發(fā)應用已臻成熟，其技術經(jīng)濟效益顯著。我國近幾年在該技術領域已開發(fā)出數(shù)種蓄熱式燒嘴及裝置系統(tǒng)，并且成功應用于工業(yè)生產(chǎn)，技術經(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）設備代替設備陳舊、耗能大、效率低、污染嚴重的熱處理設備。按照十五計劃的要求，我國至少需要2500臺（套）熱處理設備（密封箱式爐、真空爐、連續(xù)熱處理爐和感應加熱熱處理生產(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改造，則至少需要5000臺套～8000臺套設備，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燃氣式熱處理設備。 

應該特別指出的是，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)高溫空氣燃燒技術天然氣能源應用的關鍵技術和設備 

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

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

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

（3）燃氣輻射管技術。 

（4）廢熱利用技術。 

3.1 燃氣/空氣佳燃燒比及控制技術 

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)學模型，編制工件芯部溫度的計算機應用軟件，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，低噪音、低NOx、低SOx燃燒器技術研制開發(fā) 

高溫空氣燃燒技術（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。它具有余熱回收和高溫預熱空氣以及低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余臺燃料爐應用該項技術[6]。 

該技術的原理簡介如下。

圖2 預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）的高溫煙氣中。這時燃料的燃燒屬于受控擴散燃燒反應，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，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 

國產(chǎn)燃氣輻射管在生產(chǎn)中應用多年，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)點是技術指標精度高，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 

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

圖4和圖5[17]給出了高溫空氣燃燒技術的應用原理圖。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 高溫空氣燃燒技術的工作原理圖

圖5 高溫空氣燃燒技術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。當燒嘴A工作時，所產(chǎn)生的大量高溫煙氣經(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熱后的溫度達到800C-1000℃以上，圖6示出了預熱空氣溫度與燃料節(jié)約率的關系[6]。

圖６預熱空氣溫度與燃料節(jié)約率的關系

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，并應用于熱軋機廠連續(xù)式大型加熱爐上。并稱為這一技術為“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)了蓄熱式燒嘴技術和蓄熱式余熱回收技術[9-10]。我國近幾年在這一技術領域也開始起步[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，大連北島能源技術發(fā)展有限公司開發(fā)了蓄熱式余熱全回工業(yè)爐技術。該技術將蓄熱式回收系統(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的高溫煙氣降至150°C排放，同時將空氣和燃氣預熱到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，其技術指標和性能達到國際水平，該技術被列為“九五”推廣節(jié)能項目[11]。 

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

我國機械工業(yè)設計研究院和兵器部設計研究院等單位研制設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（預熱）空氣燃燒技術天然氣燃氣熱處理設備研制和產(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和清潔的天然氣能源實現(xiàn)熱處理生產(chǎn)（設備）更新?lián)Q代的一項全新的技術。本技術符合我國二十五世紀國民經(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。該技術將高溫（預熱）空氣燃燒技術和天然氣能源開發(fā)利用與熱處理技術（設備）更新?lián)Q代相結(jié)合，是一項高新熱處理制造技術。 

我國1998年頒布了《中華人民共和國節(jié)能法》，制定了有關節(jié)能和環(huán)保的有關政策，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（預熱）空氣燃燒技術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)的攻關項目，對我國熱處理工業(yè)改變能源結(jié)構，實現(xiàn)、、節(jié)能和綠色熱處理技術及產(chǎn)業(yè)化，具有重要意義和時間上的緊迫性。研究開發(fā)高溫空氣燃燒技術天然氣熱處理技術設備勢在必行，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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