摘 要：本文概要论述了国内外热处理能源技术发展现状，重点阐述了高温空气燃烧技术与天然气能源技术现状及发展趋；同时探讨了我国热处理工业高温室气燃烧技术与天然气能源技术开发应用预测以及研究、关键技术和关键设备。
关键词：高温室气燃烧技术、天然气、燃气热处理技术设备
1 概述
我国热处理行业是机械工业的耗能大户，我国机械制造厂热处理用电比重占全厂的25%～30%。全国热处理行业有热处理炉约12万台，其中90%以上用电。每年耗电约为100亿kWh。我国热处理生产平均电耗为700kWh/t，大约是日本和欧洲的2倍多。日本热处理生产平均电力耗约为323kWh/t，欧洲各工业国家热处理生产平均电耗为（300～450）kWh/t；日本热处理生产的热效率为49.8%，我国热处理生产的热效率约为29%，差距很大。
我们知道，电是二次能源，一般燃料的发电效率约为36%，电能的热效率上限为80%左右，因而燃料的电热效率上限约为29%，天然气能源是能源，天然气在提供给用户前经净化处理，因而是一种较清洁的能源[7]。在目前通常技术下，其热效率上限约为50.5%，较用电能热效率提高近两1倍。我国近年多处发现大型天然气田构造，其总储量达38万亿m3以上，随着西部大开发和国际合作开发天然气田，十五期间我国的天然气产量可从1999年的238亿m3达到约645亿m3以上[8]，为我国开发天然气能源，改变热处理单一能源结构，提高能源利用率实现能源综合利用创造了条件。
高温空气燃烧技术（HTAC）是90年代以来发达国家开始普通推广应用的一种全新型燃烧技术，它具有高效烟气回收和高温预热空气及低NOx排放的多重优越性，我国近几年在这一技术领域亦开始起步，并且在工业生产中取得显着的技术经济效益，我国十五期进一步开发和推广这一高效、节能、低污染的先进燃烧技术势在必行，发展前景广阔。
2 国内外能源技术发展现状、趋势及市场需求分析
2.1国内外热处理能源技术概况
国内外热处理能源技术概况如表1所示。
表1 国内外热处理能源技术概况
2.2 国内外天然气能源技术发展概况
国内外天然气能源技术发展概况如表2所示。
表2 国内外天然气能源技术发展概况
注：世界天然气能源占各种能源的比重为 24%。
2.3 国内外能源和燃烧技术发展现状、趋势及市场需求分析
与欧洲、日本和美国合理利用能源和十分重视热处理生产节能技术的生产水平相比，我国差距明显。我国热处理工业能源结构不合理，用电能占90%以上，致使能源大大浪费，未得到合理利用、燃料的热效率低，我国的燃料炉及其燃烧器、配件的设计、制造与计算机控制技术及智能化仪表等成套技术和国外先进技术相比尚有较大差距。
高温空气燃烧技术是国际90年代迅速发展的高效、节能、环保型先进燃烧技术。与传统燃烧技术相比，高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气余热回收，可使空气预热温度达烟气温度的95%，炉温均匀性5C，其燃烧热效率可高达80%。高温空气燃烧技术通过HTAC烧嘴及回收装置可节能60%以上：因而可降低CO2排放60%以上，同时高温空气燃烧技术实现贫氧区域燃烧，使NOx排放大大降低，可达40×10-6数量级（40mg～50mg）/m3，为传统燃烧技术的1/15-1/20。此外高温空气燃烧技术燃烧噪音低、减轻了噪音污染。高温空气燃烧技术已开发出几种高温空气燃烧器（蓄热式烧嘴加热系统），日本、美国、欧洲均已用于生产，该技术开发应用已臻成熟，其技术经济效益显着。我国近几年在该技术领域已开发出数种蓄热式烧嘴及装置系统，并且成功应用于工业生产，技术经济效益巨大、环保性能优越[6]。
我国十五期间，要实现热处理设备的大量更新和改造，用先进的节能、高效、优质、清洁无污染且用计算机控制的新型热处理炉（生产线）设备代替设备陈旧、耗能大、效率低、污染严重的热处理设备。按照十五计划的要求，我国至少需要2500台（套）先进热处理设备（密封箱式炉、真空炉、连续热处理炉和感应加热热处理生产线等）。有资料估计，如果2015年基本完成以少无氧化清洁热处理为中心的技术改造，则至少需要5000台套～8000台套先进设备，如果其中1/3采用天然气能源，则至少需制造2000-2700台高温空气燃烧技术燃气式热处理设备。
应该特别指出的是，采用天然气能源对热处理工业来说，还带来提高产品质量的好处，因为天然气本身就是一种还原性保护气氛，用天然气制备吸热式气氛是国外渗碳的主流技术方法，我国60-70年低由于天然气开发利用较少，热处理工业可控气氛热处理和渗碳技术不得不较多地采用丙烷、丙酮和氮基气氛热处理等[５]。如果天然气作为能源在热处理工为业大量应用，无疑为提高我国热处理生产少无氧化加热作出贡献，因为天然气的主要万份是碳氢化合物，本身就是一种保护性气体。采用天然气能源对热处理行业来说是一箭双雕的大好事，既可大大提高热处理生产的经济效益，又可大大提高我国热处理行业少无氧化加热程度，从而为提高热处理产品质量作出贡献。
3 研究开发热处理工业高温空气燃烧技术天然气能源应用的关键技术和设备
研究开发热处理工业天然气能源应用的关键技术和设备主要有以下几点，我们分别作一介绍。
（1）燃气/空气燃烧比及控制技术，通过建立天然气燃气炉燃烧系统压力、温度数学模型，研制燃气炉炉温智能控制系统。
（2）高温空气燃烧技术，高效低噪声，低NOx、低SOx燃烧技术研制开发。
（3）高效燃气辐射管技术。
（4）废热利用技术。
3.1 燃气/空气燃烧比及控制技术
我们知道，对于燃气热处理炉，在装炉量一定的条件下，炉温T取决于天然气流量LN和空气流量Lg之和以及天然气流量，LN和空气流量Lg之比μ，为了保证燃烧，必须保证空气过剩系数α=1.02～1.10之间，为此系统必须对烟道中的残氧O2和 CO含量进行控制[8]，残氧量自动调节和控制是实现燃气/空气燃烧比和控制的，燃烧比也是节约能源，减少烧损的重要措施，举一例说明。
该系统由IBM-286微机，高速喷嘴、空气预热器、DDZ-11系列温控仪表及高烟气分析组成，采用双交叉控制方式，保证煤气/空气混合比，监测仪表采用氧探头，红外仪测量残氧量控制煤气/空气混合比，本系统采用特定边界条件建立工艺过程中工件瞬时温度场的数学模型，编制工件芯部温度的计算机应用软件，解决了燃气炉工艺温度控制的难题。进而实现了优化加热速率和实时控制，图1示出了直径d=360mm，L=1850mm大轴在洛矿3m×6m大型台车式燃气加热炉加热的实测值和模拟值的比较。实验结果表明，测定的相对误差均值为±1.0%，即≤±7°C，满足了工艺控制的要求。
图1 3m~6m大型台车式燃气炉加热实测值和模拟值的比较
3.2 高温空气燃烧技术，高效低噪音、低NOx、低SOx燃烧器技术研制开发
高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion）是90年代以来工业发达国家开发推广的一种全新型燃烧技术。它具有高效余热回收和高温预热空气以及低NOx排放多重优越性。已经开发出几种类型的高温空气燃烧器（烧嘴）近900台套，至1995年，已有800余台燃料炉应用该项技术[6]。
该技术的原理简介如下。
图2 预热空气温度与氧气浓度和NOx的生成情况
为了降低高温燃烧带来的高NOx排放，由图2可见，降低燃烧空间中氧的浓度，创造贫氧燃烧条件，是经济又有效的方式。
图3给出超低NOx烧嘴的原理结构图。燃料分燃料F1和二次燃料F2两路供入炉内。燃料量F1比F2少得多。F1的燃烧属于富氧燃烧，在高温条件下，会很快完成。在流经优化设计的喷口后，会形成高速烟气射流和周围的卷吸回流流动。大量燃料则通过二次燃料通路F2射入含氧量低于15%（甚至可低至5%以下）的高温烟气中。这时燃料的燃烧属于受控扩散燃烧反应，不再存在传统扩散燃烧火焰前锋中过剩空气系数接近于1的局部炽热高温区。用这种类似于燃煤锅炉上的分级燃烧方式，就从根本上抑制了NOx的生成，而大大降低NOx的排放量。
图3 超低NOx烧嘴的工作原理
在高温贫氧条件下形成的火焰特性与传统燃烧火焰迥然不同。后者是静态火焰并有局部炽热点；前者则产生于在均匀高温的反应，具有如下特点。
不具有静态的火焰，体积显着直至成倍增加（甚至可扩大到整个燃烧空间），亮度辐射减少，常见的白炽火焰区消失（故称之为flameless combustion），火焰呈现多种颜色，有时肉眼观测不出，温度梯度和密度都很小、峰值火焰温度下降，散热分布均匀，整个炉内温度分布均匀。这一特性将有效地减少NOx排放。燃烧时噪音较低。
3.3 高效燃气辐射管技术
国产燃气辐射管在生产中应用多年，性能良好。不足之处耐高温辐射管寿命和稳定性不如国外产品。燃气辐射管前端是燃气的燃烧器和烧嘴装置。Maxon Co的燃气辐射管系统优点是技术指标高，可靠性稳定，该公司的燃气辐射管系统可用于低温加热新闻纸张的烘干，因而说明该系统的控制系统稳定，可靠性高[9]。国内产品在低温领域和特殊要求的燃气辐射管装置上尚有差距。
3.4 废热利用技术
如上所述，高温空气燃烧技术采用蓄热式烟气回收技术（装置），使空气预热到烟气温度的85%-95%，在长辊加热炉上应用热效率高达80%以上[6]。
图4和图5[17]给出了高温空气燃烧技术的应用原理图。它说明了工业炉余热回收的形式和蓄热式烧嘴的工作原理。
图4 高温空气燃烧技术的工作原理图
图5 高温空气燃烧技术蓄热式加热炉原理图
图中所示的烧嘴成对安装，可在同一侧，亦可相对放置。当烧嘴A工作时，所产生的大量高温烟气经由烧嘴B排出，与蓄热工体换热后，可将排烟温度降低到200C以下甚至更低，这主要取决于蓄热体的蓄热容量和蓄热速率。一定的时间间隔以后，切换阀使燃烧空气通过烧嘴B的蓄热体，空气将立刻被预热到烟气温度的80-90%以上。烧嘴B启动的同时，烧嘴A停止工作，而转换为排烟和蓄热装置。通过这种交替运行方式，实现所谓“极限余热回收”和燃烧空气的高温预热，同时，余热回收方式也从以往的集中式改进为分散式回收方式，温度控制更易于实现。分离组合燃烧器，形成各自独立通路，提高了每个区段燃烧完全性。
按照技术开发的程度，高速蓄热式热回收可接近100%，远远超过50-60%的传统回收率。蓄热器为耐火材料制，无温度限制，体积小，且加热效率提高30-40%。空气预热后的温度达到800C-1000℃以上，图6示出了预热空气温度与燃料节约率的关系[6]。
图６预热空气温度与燃料节约率的关系
日本于1992年成功开发出首次实现极限回收和低NOx燃烧的蓄热式烧嘴，并应用于热轧机厂连续式大型加热炉上。并称为这一技术为“环境协调型蓄热式烧嘴加热系统”。
英国、美国、德国等在90年代也先后开发了蓄热式烧嘴技术和蓄热式余热回收技术[9-10]。我国近几年在这一技术领域也开始起步[11-12]。
国内在热处理节能和废热利用方面作了大少探索，一些单位取得了很好的效果，大连北岛能源技术发展有限公司开发了高效蓄热式余热全回工业炉技术。该技术将高效蓄热式回收系统和换向式燃烧系统与炉子结合为一体，同时匹配电子控制系统。该系统可将炉子排放的800°C～1200°C的高温烟气降至150°C排放，同时将空气和燃气预热到700°C～1100°C，余热回收率达90%以上，产量提高20%～30%，并且大大减少了废气污染，其技术指标和性能达到国际先进水平，该技术被列为“九五”重点推广节能项目[11]。
北京神雾热能技术有限公司研究开发的蓄热节能汽泡雾化燃烧技术和半湍流烧嘴技术被列为新产品（1996年）项目，并在十余个企业设备上应用取得优异成果和显着的经济效益[12]。
我国机械工业设计研究院和兵器部设计研究院等单位研制设计了多台燃气式热处理炉和生产线，生产运行优良[13-15]。
4 小结
高温（预热）空气燃烧技术天然气燃气热处理设备研制和产业化计划是为了改变我国热处理行业能源结构不合理，能源热效率低下能源浪费大的弊端，采用高温空气燃烧技术和清洁的天然气能源实现热处理生产（设备）更新换代的一项全新的技术。本技术符合我国二十五世纪国民经济可持续发展战略，符合国家节能和环保政策，是一项高效、节能和环保的先进热处理制造技术。该技术将高温（预热）空气燃烧技术和天然气能源开发利用与热处理技术（设备）更新换代相结合，是一项高新热处理制造技术。
我国1998年颁布了《中华人民共和国节能法》，制定了有关节能和环保的有关政策，大力推进节能、环保类科研开发项目，并制定了重要的政策和优惠措施。高温（预热）空气燃烧技术天然气燃气热处理炉系列研制开发和产业化项目，应是我国“十五”期间急需研究开发的能源节能和环保开发的重点攻关项目，对我国热处理工业改变能源结构，实现高效、优质、节能和绿色热处理技术及产业化，具有重要意义和时间上的紧迫性。研究开发高温空气燃烧技术天然气热处理技术设备势在必行，其节能、环保和经济效益潜力巨大，具有广阔的发展前景。(end)