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摘 要：概要论述了国外热处理能源技术发展现状和国内热处理能源技术发展概况，重点阐述了国外天然气能源技术现状及发展趋势和我国天然气能源技术状况及应用前景；同时探讨了我国热处理工业天然气能源技术开发应用预测及研究、开发热处理工业天然气应用的关键技术和关键设备，并提出了我国热处理工业调整能源结构的初步设想。
关键词：天然气；能源技术；能源结构；关键技术设备
1 前言
天然气能源产业是一个古老又年轻的产业，我国古代早在2000多年前的春秋战国时代，就有四川劳动人民利用天然气熬制食盐生产的记载。近代，随着天然气能源技术的进步和天然气应用领域不断扩展，天然气能源产业发展迅猛，尤其是70年代西方工业国的石油危机和近年来面临石油资源萎缩（西方国家估计，以现在的石油消耗量，世界的石油储量只可用 30年），世界各国开发天然气能源技术的热潮持续增长。据世界银行的一项统计，从1994年至1998年间，全世界投入天然气开发领域的资金以15.8%的速度增长，此间包括银行贷款在内注人该领域的资金高达825亿美元[1]。
天然气作为工业燃料，主要用于电力、冶金、机械、水泥、玻璃、陶瓷、食品及其它许多行业中。天然气、液化天然气及压缩天然气还可替代汽油，是一种优质、清洁的发动机燃料，可以减少环境污染。在航空工业中，液化天然气可以和航空煤油竞争，成为超音速飞机的主要燃料。
天然气作为化工原料，可以分离出甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及更重要的烃类，接着可生产合成氨、尿素、甲醇、乙炔、炭黑、乙烯、丙烯、丁烯，随后生产千千万万种化工产品。如聚乙烯、聚丙烯、甲醇蛋白、甲基叔了基醚、醋酸纤维、甲烷氯化产品，合成橡胶、合成纤维、合成塑料等。
目前，天然气1/3作为化工原料，2/3作为燃料使用。
2 国内外热处理能源技术概况（表1） 表1国内外热处理能源技术概况
| 国家或地区 | 热处理能耗 kw×h/t | 热处理效率％ | 热处理能源结构 | 热处理能源技术发展措施 | | 欧 洲 | 300～450 | 40～50 | 煤、石油、天然气、电天然气占20%～30% | 挖掘设备潜力，实现专业化生产和企业最佳管理，开发高温空气燃烧技术，蓄热式燃烧器技术，感应加热技术等。 | | 美 国 | 350～450 | 43～48 | 煤、石油、天然气、电天然气占25.5% | 炉子热源的多样性，燃烧器改进，富氧燃烧技术（1997年），改善热源材料，U型和陶瓷辐射管技术，改善热源形状和对流，改进绝热材料，天然气/电加热系统开发，减少NOx和Sox排放及计算机控制技术（1999年） | | 日 本 | 323 | 49.8 | 煤、石油、天然气、重油 燃料炉燃烧器产值总值36.1% | 普及推广低燃料消耗的工业炉，合理利用能源法（70年代末），防止地球温暖化行动计划（1990年），高性能工业炉的开发，高温空气燃烧技术（1992～1999年），政府财政支持 | | 中 国 | 800 | 约≤29 | 煤、电为主，电能占90%以上 | 《中华人民共和国节能法》（1998年），开发多种能源（天然气，核能，水力，风力等） 开始研究开发高温空气燃烧技术，高性能燃烧技术及装置，废热利用和环保技术等受到重视 |
3 国内外天然气能源技术发展概况（表2）表2国内外天然气能源技术发展概况
| 国家或地区 | 储-量（世界储量145万亿m3） | 产量（或消耗量） （世界产量为2.6万亿m3） | 在各种能源中比重 | 分布 | 开发措施 | | 美国 | 4.7万亿m3 | 7075 m3[1] | 26.8% | 占世界的3.24% | 每年增长＞1.8% 90年代增长了35%[1] | | 日本 | - | 约800亿m3 | 11.9% | - | 投资100亿美元和俄联合开发俄伊尔库茨克州的比库达气田（储量8.500万亿m3），输气管道经中国、朝鲜、韩国至日本、计划2005年开始供气 | | 俄罗斯 | ～36.3万亿m3 | 5450亿m3 | 52.4% | 约25% | 俄罗斯天然气公司产量超过欧洲、美国、加拿大7家最大的天然气公司开采量的总和，向整个西欧供气，和日本开始合作开发西伯利亚气田 | | 中-国[2] | ～38万亿m3 | 238万亿m3（1999年） 277亿m3 （2000年） | 2.51% （在热处理行业中＜1% 3.28% | 天然气田83个，陆地气田储量28亿m3，海洋气田储量10亿m3。东部115%，中部30.3%，西部28.2%。近海21.4%，南方8.6%。西部大开发，53%[2～4] | “十五”期间开发两项西气东输工程，其中里木气田输送上海天然气200亿m3，“十五”末，天然气产量将超过500亿m3/年。中、俄、韩联合开发伊尔库茨克天然气田，“十五”末，可向我国供天然气亿m3/年。日、俄联合开发伊尔茨克天然气田管道经我国，亦可部分向我国提供天然气 |
4 我国热处理工业天然气能源技术开发应用预测以及面临的机遇和挑战
4.1我国热处理工业天然气能源技术开发应用预测
从能源利用角度考虑，我国热处理行业采用天然气能源技术的前景是十分诱人的。
我国热处理行业以每台标准设备功率75kW，全国12万台热处理炉计算，年消耗电量为220.32亿 kW× h。
注：世界天然气能源占各种能源的比重为 24%。
如果以今后热处理行业15%采用天然气能源，那么
220.32亿kW×h ′15%=33.05亿kW×h
将产生同样热能的电能换成天然气，则有
lm3天然气热量Qj=43000kJ
1 KW×h=3601kJ[5]
这里的 Qj＝43000 kJ是取天然气三种气田构成方式气层气（气田气），伴生气（油田气）和凝析气低热值的平均值。
当取电能加热的效率hd=80%，则l kW×h电能转变为热量
Qd=3601 kJ′80%=2880kJ
取天然气的热效率hd=80%，则1m3天然气转化为热量[6]
Qt=43000 kJ′80%=34400kJ （图片） 这样，如果热处理行业15%用天然气能源，则需天然气为
这个数字也很可观，如果2015年实现这一点，则2015年热处理行业天然气需用量占全国天然气产量的2.77亿m3/500亿m3=0.18%，从我国未来的天然气产量和开发看是很容易解决的。我国天然气有巨大的储量，约占世界储量的26.2%。国家的能源政策是鼓励各个产业界，包括热处理行业采用天然气资源，从这点可以说，天然气能源的应用和开发前景广阔的。
4.2 面临的机遇和挑战
我国如果不进行热处理工业天然气综合利用开发项目，在西部大开发天然气资源以及进入WTO国际经济市场的形势下，必然导致国外天然气热处理技术的设备涌入我国，目前已有10余家燃气设备公司和燃气炉制造公司及控制技术公司进入我国市场，在我国西部大开发和两项西气东输工程的召引下，还有数家公司正在努力打人中国市场，以2015年我国需求2000台套设备计算，假若80%为国外技术和设备占有，以每台套设备平均 100万美元计算如下：
100万美元′2 000′ 80%= 16亿美元≈132亿人民币。这是一笔很大的经济账，因而无论建立国有经济自主技术体系考虑，还是从巨大的经济效益以及我国热处理工业长远发展考虑，热处理工业天然气综合利用研究开发项目都具有重大意义和时间上的紧迫性。
另一方面，采用天然气能源经济效益显著，如上所述，如果到2015有2000台燃气热处理设备投人运行，每台设备以100kW计，则产生同样热值时天然气和电能的费用比较如下：
天然气价格1元/m3，电费价格0.50元/kW×h，又知产生同样热量时1m3天然气热值=11.944kW×h电热值，因而产生同样热值两者的价格为：1元/m3′1m3/11 .94kW×h，即1元（天然气）/5.972元（电）。
也就是说，产生同样热量，用天然气的价格是电能价格的16.74%，则节电费用为83.26%。这样，2000台燃气式热处理炉节省费用为 4.00亿元。
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，用天然气制备吸热代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、丙酮和氨基气氛热处理等。如果天然气作为能源在热处理工业大量应用，无疑为提高我国热处理生产少无氧化加热作出贡献，因为天然气的主要成分是碳氢化合物，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。
5 研究开发热处理应用天然气的关键技术和设备
5.1燃气/空气最佳燃烧比及精确控制技术
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m，为了保证最佳燃烧，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，残氧量自动调节和控制是实现天然气/空气最佳燃烧比和精确控制的核心,最佳燃烧比也是节约能源，减少烧损的重要措施，举一例说明。
1989年，洛阳矿山机器厂和上海交通大学合作进行了应用微机对燃气热处理炉加热处理炉加热工艺控制的研究，取得了满意的成果并用于生产实践，生产运行良好。
该项成果用于洛矿大型煤气台车式热处理炉上，该炉炉膛3m′ 6 m，是大型工件正人或退火的台车式燃气热处理炉。
该系统由IBM-286微机，高速喷嘴、空气预热器、DDZ-Ⅱ系列温控仪表及高精度烟气分析仪组成，采用双交叉控制方式，保证煤气/空气混合比最佳，监测仪表采用氧探头，红外仪测量残量控制煤气/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3 m′6 m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土1.0%，即<±7°C，满足了工艺精确控制的要求。 （图片）
图1 3 m′6 rn大型台车式燃气炉加热
实测值和模拟值的比较 计算后的工件芯部温度与Tb（炉温平均值）可由计算机优化加热工艺，选择最佳允许加热速率（以零件不开裂为限），精确确定工艺保温时间。
正是炉温对工件传热偏微分方程的数值解建立的数学模型及电子计算机技术（硬件和软件）成果的支持使热处理工艺从定性及凭经验制定工艺的状态走向燃气热处理炉炉温及热处理智能化精确控制的先进水平。诚然，这里需要指出的是，实现这一系统，还需要掌握燃气/空气最佳燃烧比及相应的监控仪器、阀门，温控仪表及相关硬件装置的默契配合。
5.2 高效低噪音、低NOx、低SOx燃烧器技术
高温空气燃烧技术是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室气燃烧器（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。
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，是最经济又最有效的方式。（图片）
图 2 预热空气温度与氧气浓度和NOx的生成情况 图3给出超低NOX烧嘴的原理结构图。燃料分一次燃料F1和二次燃料F2两路供人炉内。一次燃料量F1比F2少得多。Fl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射人含氧量低于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。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[6]。后者是静态火焰并有局部炽热点；前者则产生均匀高温的反应，具有如下特点：
不具有静态的火焰，体积显著乃至成倍增加（甚至可扩大到整个燃烧室空间），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。（图片）
图3 超低NOX烧嘴的工作原理 5.3 高效燃气辐射管技术
美国 Maxon Co是一个具有84年历史生产燃烧设备和阀门的国际著名公司，该公司研制开发了多种优质高效低噪音、低NOx、低SOx燃烧器投放市场，该公司的产品通过了美国加里福尼亚州环保局的检验，加里福尼亚州是美国环保法规最严格的一个州，因而该公司的产品环保指标在世界范围是合格的。
另一个著名燃烧器制造厂家是德国Kroms，schroder Co., 该公司产品采用优化燃烧技术使污染排放极低，满足环保规范要求，该公司的另一项专利技术FLox R无焰氧化技术设计的 BICF和 BOCF烧嘴使其生成的NOx极低。
国产燃气辐射管在生产中应用多年，性能良好，不足之处是耐高温辐射管寿命和稳定性不如国外知名厂家产品。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精度高，可靠性稳定，该公司的燃气辐射管系统可用于低温加热如新闻纸张的烘干，因而说明该系统的控制系统精确稳定，可靠性高，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。
5.4 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80%~90%，在长辊加热炉上应用热效率高达80%以上。
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，与蓄热体换热后，可将排烟温度降低到200°C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，高速蓄热式热回收达80%~90%，远远超过50%~60%的传统热回收率，蓄热器用耐火材料制造，无温度限制，体积小，且加热效率提高30%~40%。对于高温热处理炉空气预热温度可达到800~900°C以上，将带来一系列结果： （1）燃烧温度极大提高；（2）火焰稳定效应；（3）燃料蒸发过程、裂解、自燃等燃烧的全过程都得以加速进行；（4）空气温度接近炉内温度，而大大改善全场温度分布，使之趋于均匀；（5）对可用燃料热值范围的适应性扩大，例如可燃烧热值从2′104 kJ/m3以上到4′104 kJ/m3的燃料；（6）提高了化学反应速率和燃料效率，强化了炉内辐射换热比例，使单位面积热强度增加，装置尺寸可以缩小。因此，节能量大、经济效益显著、投资回收期短是这种技术的一大特点。图4示出了预热空气温度与燃料节约率的关系。（图片）
图4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。我国近几年在这一技术领域也开始起步，并研制出了蓄热式辐射管烧嘴。
4/22/2005
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