熱處理能源技術開發(fā)概況與發(fā)展

   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的進步和天然氣應用領域不斷擴展，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)天然氣能源技術開發(fā)應用預測以及面臨的機遇和挑戰(zhàn) 2.1我國熱處理工業(yè)天然氣能源技術開發(fā)應用預測 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的前景是十分誘人的。 我國熱處理行業(yè)以每臺標準設備功率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的設備涌入我國，目前已有10余家燃氣設備公司和燃氣爐制造公司及控制技術公司進入我國市場，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臺套設備計算，假若80%為國外技術和設備占有，以每臺套設備平均 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臺燃氣熱處理設備投人運行，每臺設備以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)熱處理應用天然氣的關鍵技術和設備 3.1燃氣/空氣最佳燃燒比及精確控制技術 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（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的監(jiān)控儀器、閥門，溫控儀表及相關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 高溫空氣燃燒技術是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。它具有高效余熱回收和高溫預熱空氣以及低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余臺燃料爐應用該項技術[6]。 該技術的原理簡介如下。 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，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，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 美國 Maxon Co是一個具有84年歷史生產(chǎn)燃燒設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FLox R無焰氧化技術設計的 BICF和 BOCF燒嘴使其生成的NOx極低。 按照技術開發(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熱溫度可達到800~900°C以上，將帶來一系列結果： （1）燃燒溫度極大提高；（2）火焰穩(wěn)定效應；（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的一大特點。圖4示出了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)出首次實現(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，并稱這一技術為“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80%~90%，在長輥加熱爐上應用熱效率高達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)了蓄熱式燒嘴技術和蓄熱式余熱回收技術。我國近幾年在這一技術領域也開始起步，并研制出了蓄熱式輻射管燒嘴。