1 前言 天然氣能源產(chǎn)業(yè)是一個古老又年輕的產(chǎn)業(yè)，我國古代早在2000多年前的春秋戰(zhàn)國時代，就有四川勞動人民利用天然氣熬制食鹽生產(chǎn)的記載。近代，隨著天然氣能源技術(shù)的進步和天然氣應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，天然氣能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是70年代西方工業(yè)國的石油危機和近年來面臨石油資源萎縮（西方國家估計，以現(xiàn)在的石油消耗量，世界的石油儲量只可用 30年），世界各國開發(fā)天然氣能源技術(shù)的熱潮持續(xù)增長。據(jù)世界銀行的一項統(tǒng)計，從1994年至1998年間，全世界投入天然氣開發(fā)領(lǐng)域的資金以15.8%的速度增長，此間包括銀行貸款在內(nèi)注人該領(lǐng)域的資金高達825億美元[1]。 天然氣作為工業(yè)燃料，主要用于電力、冶金、機械、水泥、玻璃、陶瓷、食品及其它許多行業(yè)中。天然氣、液化天然氣及壓縮天然氣還可替代汽油，是一種優(yōu)質(zhì)、清潔的發(fā)動機燃料，可以減少環(huán)境污染。在航空工業(yè)中，液化天然氣可以和航空煤油競爭，成為超音速飛機的主要燃料。 天然氣作為化工原料，可以分離出甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及更重要的烴類，接著可生產(chǎn)合成氨、尿素、甲醇、乙炔、炭黑、乙烯、丙烯、丁烯，隨后生產(chǎn)千千萬萬種化工產(chǎn)品。如聚乙烯、聚丙烯、甲醇蛋白、甲基叔了基醚、醋酸纖維、甲烷氯化產(chǎn)品，合成橡膠、合成纖維、合成塑料等。 目前，天然氣1/3作為化工原料，2/3作為燃料使用。 2 我國熱處理工業(yè)天然氣能源技術(shù)開發(fā)應(yīng)用預(yù)測以及面臨的機遇和挑戰(zhàn) 2.1我國熱處理工業(yè)天然氣能源技術(shù)開發(fā)應(yīng)用預(yù)測 從能源利用角度考慮，我國熱處理行業(yè)采用天然氣能源技術(shù)的前景是十分誘人的。 我國熱處理行業(yè)以每臺標準設(shè)備功率75kW，全國12萬臺熱處理爐計算，年消耗電量為220.32億 kW× h。 注：世界天然氣能源占各種能源的比重為 24%。 如果以今后熱處理行業(yè)15%采用天然氣能源，那么 220.32億kW×h ′15%=33.05億kW×h 將產(chǎn)生同樣熱能的電能換成天然氣，則有 lm3天然氣熱量Qj=43000kJ 1 KW×h=3601kJ[5] 這里的 Qj＝43000 kJ是取天然氣三種氣田構(gòu)成方式氣層氣（氣田氣），伴生氣（油田氣）和凝析氣低熱值的平均值。 當取電能加熱的效率hd=80%，則l kW×h電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?Qd=3601 kJ′80%=2880kJ 取天然氣的熱效率hd=80%，則1m3天然氣轉(zhuǎn)化為熱量[6] Qt=43000 kJ′80%=34400kJ 這樣，如果熱處理行業(yè)15%用天然氣能源，則需天然氣為 這個數(shù)字也很可觀，如果2015年實現(xiàn)這一點，則2015年熱處理行業(yè)天然氣需用量占全國天然氣產(chǎn)量的2.77億m3/500億m3=0.18%，從我國未來的天然氣產(chǎn)量和開發(fā)看是很容易解決的。我國天然氣有巨大的儲量，約占世界儲量的26.2%。國家的能源政策是鼓勵各個產(chǎn)業(yè)界，包括熱處理行業(yè)采用天然氣資源，從這點可以說，天然氣能源的應(yīng)用和開發(fā)前景廣闊的。 2.2 面臨的機遇和挑戰(zhàn) 我國如果不進行熱處理工業(yè)天然氣綜合利用開發(fā)項目，在西部大開發(fā)天然氣資源以及進入WTO國際經(jīng)濟市場的形勢下，必然導致國外天然氣熱處理技術(shù)的設(shè)備涌入我國，目前已有10余家燃氣設(shè)備公司和燃氣爐制造公司及控制技術(shù)公司進入我國市場，在我國西部大開發(fā)和兩項西氣東輸工程的召引下，還有數(shù)家公司正在努力打人中國市場，以2015年我國需求2000臺套設(shè)備計算，假若80%為國外技術(shù)和設(shè)備占有，以每臺套設(shè)備平均 100萬美元計算如下： 100萬美元′2 000′ 80%= 16億美元≈132億人民幣。這是一筆很大的經(jīng)濟賬，因而無論建立國有經(jīng)濟自主技術(shù)體系考慮，還是從巨大的經(jīng)濟效益以及我國熱處理工業(yè)長遠發(fā)展考慮，熱處理工業(yè)天然氣綜合利用研究開發(fā)項目都具有重大意義和時間上的緊迫性。 天然氣價格1元/m3，電費價格0.50元/kW×h，又知產(chǎn)生同樣熱量時1m3天然氣熱值=11.944kW×h電熱值，因而產(chǎn)生同樣熱值兩者的價格為：1元/m3′1m3/11 .94kW×h，即1元（天然氣）/5.972元（電）。 另一方面，采用天然氣能源經(jīng)濟效益顯著，如上所述，如果到2015有2000臺燃氣熱處理設(shè)備投人運行，每臺設(shè)備以100kW計，則產(chǎn)生同樣熱值時天然氣和電能的費用比較如下： 也就是說，產(chǎn)生同樣熱量，用天然氣的價格是電能價格的16.74%，則節(jié)電費用為83.26%。這樣，2000臺燃氣式熱處理爐節(jié)省費用為 4.00億元。 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，用天然氣制備吸熱代由于天然氣開發(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、丙酮和氨基氣氛熱處理等。如果天然氣作為能源在熱處理工業(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，因為天然氣的主要成分是碳氫化合物，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)熱處理應(yīng)用天然氣的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備 3.1燃氣/空氣最佳燃燒比及精確控制技術(shù) 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m，為了保證最佳燃燒，必須保證空氣過剩系數(shù)α=1.02～1.10之間，為此系統(tǒng)必須對煙道中的殘氧O2和 CO含量進行控制，殘氧量自動調(diào)節(jié)和控制是實現(xiàn)天然氣/空氣最佳燃燒比和精確控制的核心,最佳燃燒比也是節(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-Ⅱ系列溫控儀表及高精度煙氣分析儀組成，采用雙交叉控制方式，保證煤氣/空氣混合比最佳，監(jiān)測儀表采用氧探頭，紅外儀測量殘量控制煤氣/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(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3 m′6 m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土1.0%，即<±7°C，滿足了工藝精確控制的要求。 計算后的工件芯部溫度與Tb（爐溫平均值）可由計算機優(yōu)化加熱工藝，選擇最佳允許加熱速率（以零件不開裂為限），精確確定工藝保溫時間。 1989年，洛陽礦山機器廠和上海交通大學合作進行了應(yīng)用微機對燃氣熱處理爐加熱處理爐加熱工藝控制的研究，取得了滿意的成果并用于生產(chǎn)實踐，生產(chǎn)運行良好。 該項成果用于洛礦大型煤氣臺車式熱處理爐上，該爐爐膛3m′ 6 m，是大型工件正人或退火的臺車式燃氣熱處理爐。 正是爐溫對工件傳熱偏微分方程的數(shù)值解建立的數(shù)學模型及電子計算機技術(shù)（硬件和軟件）成果的支持使熱處理工藝從定性及憑經(jīng)驗制定工藝的狀態(tài)走向燃氣熱處理爐爐溫及熱處理智能化精確控制的先進水平。誠然，這里需要指出的是，實現(xiàn)這一系統(tǒng)，還需要掌握燃氣/空氣最佳燃燒比及相應(yīng)的監(jiān)控儀器、閥門，溫控儀表及相關(guān)硬件裝置的默契配合。 3.2 高效低噪音、低NOx、低SOx燃燒器技術(shù) 高溫空氣燃燒技術(shù)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)。它具有高效余熱回收和高溫預(yù)熱空氣以及低NOx排放多重優(yōu)越性。已經(jīng)開發(fā)出幾種類型的高溫室氣燃燒器（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。 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，是最經(jīng)濟又最有效的方式。 燃料分一次燃料F1和二次燃料F2兩路供人爐內(nèi)。一次燃料量F1比F2少得多。Fl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射人含氧量低于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(yīng)，不再存在傳統(tǒng)擴散燃燒火焰前鋒中過?？諝庀禂?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。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[6]。后者是靜態(tài)火焰并有局部熾熱點；前者則產(chǎn)生均勻高溫的反應(yīng)，具有如下特點： 不具有靜態(tài)的火焰，體積顯著乃至成倍增加（甚至可擴大到整個燃燒室空間），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 高效燃氣輻射管技術(shù) 美國 Maxon Co是一個具有84年歷史生產(chǎn)燃燒設(shè)備和閥門的國際著名公司，該公司研制開發(fā)了多種優(yōu)質(zhì)高效低噪音、低NOx、低SOx燃燒器投放市場，該公司的產(chǎn)品通過了美國加里福尼亞州環(huán)保局的檢驗，加里福尼亞州是美國環(huán)保法規(guī)最嚴格的一個州，因而該公司的產(chǎn)品環(huán)保指標在世界范圍是合格的。 另一個著名燃燒器制造廠家是德國Kroms，schroder Co., 該公司產(chǎn)品采用優(yōu)化燃燒技術(shù)使污染排放極低，滿足環(huán)保規(guī)范要求，該公司的另一項專利技術(shù)FLox R無焰氧化技術(shù)設(shè)計的 BICF和 BOCF燒嘴使其生成的NOx極低。 按照技術(shù)開發(fā)的程度，高速蓄熱式熱回收達80%~90%，遠遠超過50%~60%的傳統(tǒng)熱回收率，蓄熱器用耐火材料制造，無溫度限制，體積小，且加熱效率提高30%~40%。對于高溫熱處理爐空氣預(yù)熱溫度可達到800~900°C以上，將帶來一系列結(jié)果： （1）燃燒溫度極大提高；（2）火焰穩(wěn)定效應(yīng)；（3）燃料蒸發(fā)過程、裂解、自燃等燃燒的全過程都得以加速進行；（4）空氣溫度接近爐內(nèi)溫度，而大大改善全場溫度分布，使之趨于均勻；（5）對可用燃料熱值范圍的適應(yīng)性擴大，例如可燃燒熱值從2′104 kJ/m3以上到4′104 kJ/m3的燃料；（6）提高了化學反應(yīng)速率和燃料效率，強化了爐內(nèi)輻射換熱比例，使單位面積熱強度增加，裝置尺寸可以縮小。因此，節(jié)能量大、經(jīng)濟效益顯著、投資回收期短是這種技術(shù)的一大特點。圖4示出了預(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)出首次實現(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，并稱這一技術(shù)為“環(huán)境協(xié)調(diào)型蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)”。 國產(chǎn)燃氣輻射管在生產(chǎn)中應(yīng)用多年，性能良好，不足之處是耐高溫輻射管壽命和穩(wěn)定性不如國外知名廠家產(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)可用于低溫加熱如新聞紙張的烘干，因而說明該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)精確穩(wěn)定，可靠性高，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80%~90%，在長輥加熱爐上應(yīng)用熱效率高達80%以上。 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，與蓄熱體換熱后，可將排煙溫度降低到200°C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，形成各自獨立通路，提高了每個區(qū)段燃燒完全性。 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)。我國近幾年在這一技術(shù)領(lǐng)域也開始起步，并研制出了蓄熱式輻射管燒嘴。