天然氣蓄熱式燃燒技術(shù)在小型加熱爐上的應(yīng)用前景

周宇，秦朝葵

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海201804）

天然氣蓄熱式燃燒技術(shù)在小型加熱爐上的應(yīng)用前景

周宇，秦朝葵

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海201804）

針對目前我國加熱爐高能耗、低效率的現(xiàn)狀，提高能源利用水平節(jié)約能源迫在眉睫，此外，鑒于我國能源結(jié)構(gòu)中天然氣所占比例在不斷上升，本文首先對比分析了天然氣的優(yōu)越性，然后介紹了蓄熱式高溫空氣燃燒的原理及特點，以及其在小型加熱爐上的應(yīng)用前景。

天然氣；蓄熱式燃燒技術(shù)；加熱爐

加熱爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，量大面廣，品種多，影響極大。目前，加熱爐的研究主要集中于提高熱效率、降低污染物排放、優(yōu)化控制等方面，其中最主要的研究是提高加熱爐熱效率，降低燃料消耗[1-2]。

總體來看，我國工業(yè)爐熱利用率平均值低于36%，其中軋鋼加熱爐熱效率39%，鍛造爐33%，均熱爐35%，而全球工業(yè)爐的熱效率平均值普遍在50%以上[3]。工業(yè)爐窯中，大中型加熱窯爐的節(jié)能問題已有長足的進步，在改善燃燒方式、提高余熱利用等方面已取得一定進展，但是，近來大量小型加熱爐的熱效率及熱工制度問題亟待解決。針對相對復(fù)雜的能源結(jié)構(gòu)，本文首先對比分析了天然氣作為小型加熱爐燃料的優(yōu)越性，然后介紹了蓄熱式燃燒技術(shù)的特點及其在小型加熱爐上的應(yīng)用前景。

1 能源對比

在工業(yè)爐窯的能源結(jié)構(gòu)中，主要以燒煤為主，其次是電力，另有一部分爐窯以油、天然氣為燃料[4]。對燃油、燃氣的爐窯而言，其燃燒效率較高；而對燃煤爐窯而言，其燃燒效率較低，且燃燒穩(wěn)定性較差，不易使氣氛與溫度穩(wěn)定。

現(xiàn)以小型加熱爐中常見的鐵件加熱為例對比分析各種能源下的經(jīng)濟性，表1是各種能源的熱值和單價，各類能源單價為上海市最新能源價格，電價取全年平均不分時電價，天然氣為工業(yè)天然氣[5]。

表1 常用能源熱值及單價

以鐵件尺寸Φ80 mm×180 mm為研究對象，密度取7 800 kg/m3，每根鐵件的質(zhì)量為7.05 kg，假設(shè)室溫15℃，鐵件加熱到1 150℃，由于鐵的比熱是隨溫度變化的函數(shù)，在15~1 150℃之間基本呈線性關(guān)系，取中間值0.6 kJ/（kg·℃）。每根鐵棒吸收的熱量為0.6 kJ/（kg·℃）×7.05 kg×（1 150-15）℃=4 801 kJ。以各能源作為燃料的加熱爐的熱效率分別取燃煤10%、燃油30%、燃氣35%、用電86%，所有熱效率均取當(dāng)前爐窯熱效率的平均值，則加熱同樣的工件所需要的能源費用如表2所示。

表2 能源消耗費用表（元）

可見，把工件加熱到同樣的溫度，使用煤成本最低，其次是天然氣，電次之，使用石油成本最高。但是用煤作為燃料加熱，會導(dǎo)致CO2、NOx排放增加，并且由于煤容易不完全燃燒，產(chǎn)生大量的粉塵，嚴(yán)重污染環(huán)境；電加熱操作環(huán)境好，熱效率容易達到很高，加熱成本和天然氣差不多，然而電屬于二次能源，來源主要是火力發(fā)電，因此，如果算上燃料燃燒發(fā)電這部分熱效率，使用電加熱的成本將高于天然氣，且污染物排放也高于天然氣。

根據(jù)當(dāng)前節(jié)能減排的大環(huán)境，并且天然氣作為清潔能源污染小、低能耗的優(yōu)勢，提高天然氣的應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度，增加天然氣在一次能源中的比例，對于優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染具有重要意義，加熱爐將慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴烊粴鉃橹鳌?/p>

2 蓄熱式燃燒技術(shù)

蓄熱式燃燒技術(shù)，又稱高溫空氣燃燒技術(shù)（High Temperature Air Combustion），是20世紀(jì)90年代以來發(fā)達國家普遍推廣應(yīng)用的一種全新型燃燒技術(shù)[6]。圖1給出了蓄熱式燃燒技術(shù)的原理示意，該系統(tǒng)由成對的燃燒器、蓄熱體和換向閥以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等組成，當(dāng)由B燃燒器給進助燃空氣時，室溫下的助燃空氣被B燃燒器內(nèi)已預(yù)熱的高溫蓄熱體加熱，然后噴入爐內(nèi)，與燃氣混合燃燒，經(jīng)爐內(nèi)換熱以后，由A燃燒器排出爐外，同時將A燃燒器內(nèi)的蓄熱體加熱。經(jīng)過適當(dāng)時間后，通過換向閥的切換作用，轉(zhuǎn)為由A燃燒器供入助燃空氣，B燃燒器排煙，如此周而復(fù)始，完成蓄熱放熱過程。

圖1 蓄熱式燃燒技術(shù)原理示意圖

蓄熱式燃燒技術(shù)通過成對布置的蓄熱燒嘴交替進行蓄熱和排煙，燃燒后的高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)強烈擾動并且不斷的變換方向，使得爐膛內(nèi)溫度分布非常均勻。由于蓄熱體的蓄熱作用，實現(xiàn)煙氣的極限余熱回收和空氣的預(yù)熱。和傳統(tǒng)的燃燒過程相比，蓄熱式燃燒技術(shù)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

（1）能最大限度回收高溫?zé)煔獾挠酂帷Ｓ捎诟邷乜諝馊紵夹g(shù)采用了蓄熱式煙氣余熱回收裝置，能夠最大限度回收高溫?zé)煔獾挠酂幔瑯O大程度地降低了加熱爐的排煙損失，達到了有效利用能源的目的，與傳統(tǒng)的燃燒方式相比，可節(jié)約近50%的燃料[7]。

（2）可使預(yù)熱空氣溫度達到1 000~1 400℃。利用回收的煙氣余熱來預(yù)熱燃燒所需的空氣，高溫預(yù)熱空氣所具有的物理熱增加了爐內(nèi)的理論燃燒溫度，不僅使原來不能用于高溫工業(yè)爐窯的低發(fā)熱值發(fā)生爐煤氣和高爐煤氣，轉(zhuǎn)化為可用于軋鋼和煉鋼等工業(yè)爐用的燃氣，提高了低熱值燃氣的使用價值。此外由于爐溫的升高，爐內(nèi)傳熱增強，可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，這意味著對于生產(chǎn)相同數(shù)量的產(chǎn)品，高溫空氣燃燒技術(shù)節(jié)約了燃料消耗量。

（3）可減少NOx的生成量，減少環(huán)境污染。在采用高溫空氣燃燒技術(shù)的工業(yè)爐中，通過燃燒工況的組織，使燃料在含氧濃度低于21%的助燃空氣中進行燃燒，從而降低了NOx的生成量，減輕了對環(huán)境的污染。

（4）每隔一定時間換向一次，爐內(nèi)溫度分布均勻，避免局部高溫。

3 蓄熱式燃燒技術(shù)在小型加熱爐上的應(yīng)用前景分析

首先，從我國加熱爐的能源結(jié)構(gòu)來看，盡管以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)在很長時間內(nèi)難以改變，但是總的發(fā)展趨勢表明，煤所占的比例在逐年下降，而氣體燃料所占比例在不斷上升，中國近年來各項燃料消耗占比如表3所示。另外從前述能源消耗費用方面來看，相對煤炭等其他燃料，天然氣也具備節(jié)約成本的優(yōu)點，這為開發(fā)與應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)提供了基礎(chǔ)條件。

表3 不同年份各種燃料消耗占比（%）

其次，從我國加熱爐窯的能耗現(xiàn)狀來看，我國加熱爐的能源利用水平不高，雖說近幾十年來我國在加熱爐節(jié)能方面取得了長足的進步，但與國際先進水平相比，還有很大差距，僅相當(dāng)于發(fā)達國家50～60年代的水平，我國加熱爐的這種高能耗、低效率的現(xiàn)狀，將與我國經(jīng)濟的快速發(fā)展不相適應(yīng)，對于小型的加熱爐來說，應(yīng)用蓄熱式燃燒技術(shù)可以省去許多連續(xù)式爐窯中的預(yù)熱段，因此，推廣與應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)是十分必要的，也是切實可行的。

再次，從我國加熱爐的污染狀況來看，由于我國能源結(jié)構(gòu)的原因，加熱爐污染主要為燃煤性污染和燃油性污染，目前，治理污染主要關(guān)注的還只停留在粉塵排放上，對于NOx等這類污染物的控制治理還未提上日程，面對我國經(jīng)濟迅速發(fā)展和大氣環(huán)境污染狀況嚴(yán)重惡化的局面，應(yīng)當(dāng)而且有必要在技術(shù)可行的條件下，堅持節(jié)能與污染控制兩手抓，這也恰好符合蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的高效、節(jié)能和低NOx排放的特征。

此外，采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)由于其爐內(nèi)換熱效率的提高，可使相同產(chǎn)量工業(yè)爐窯的尺寸縮小或者同樣大小爐窯的產(chǎn)量提高，裝置尺寸縮小，從而降低設(shè)備的初投資，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小的特點也使得安裝方便。

最后，由于助燃空氣溫度預(yù)熱到燃料燃點以上，燃料已進入爐內(nèi)就能著火燃燒，大大提高了燃燒的穩(wěn)定性。

綜上所述，在我國能源結(jié)構(gòu)中天然氣比例不斷上升的前提下，無論是從能源消耗還是環(huán)境保護方面，蓄熱式燃燒技術(shù)相對傳統(tǒng)加熱爐的燃燒方式都有著不可比擬的優(yōu)勢，蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)既可大量節(jié)約能源、提高熱效率，又可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，而且還能顯著減少污染物的產(chǎn)生，降低對環(huán)境的污染，因此，為響應(yīng)我國節(jié)能減排的政策要求，發(fā)展和應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)是勢在必行的，而且隨著該技術(shù)的不斷完善，將對我國工業(yè)爐窯的節(jié)能降耗和污染防治起著十分重要的推動作用。

4 總結(jié)

蓄熱式燃燒技術(shù)在我國的應(yīng)用還處于起步階段，特別是在小型加熱爐上，但隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改善，該項技術(shù)以其高效節(jié)能和環(huán)境保護等特點，必將對我國加熱爐的發(fā)展產(chǎn)生長遠的影響，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]宋湛蘋，史競.工業(yè)爐的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工業(yè)爐，2004，26（6）：13-18.

[2]劉啟龍.工業(yè)爐的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢管窺[J].黑龍江科技信息，2014（15）：83-83.

[3]謝國威.蓄熱式連續(xù)加熱爐內(nèi)氣體流動及熱工制度的研究[D].沈陽：東北大學(xué).2008.

[4]李智敏，彭曉峰，曲藝.工業(yè)爐窯節(jié)能的思考[J].工業(yè)加熱，2000（6）：4-8.

[5]今日上海柴油價格[OL].金投網(wǎng)，2016-2-12

[6]沈君權(quán)，沈弘濤.蓄熱燃燒技術(shù)及其在工業(yè)窯爐上的應(yīng)用[J].硅酸鹽通報，2001，20（5）：28-32.

[7]MASASHI KATSUKI，Toshika Hasegawa.The science and technology of combustion in highly preheated air[A].the Combustion Institute，27th Symposium（Inter national）on Combustion/The Combustion Institute，1998

Application Prospect of Natural Gas Regenerative Combustion Technology in Small-Size Heating Furnace

ZHOU Yu,QIN Chaokui
（College of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China）

In sight of the present situation of high energy consumption and low efficiency of heating furnace in China,it’s imminent to improve the levelofenergy use and save energy,what’s more,in view of the constantly increasing ofthe proportion of natural gas in the energy structure,the comparative analysis of the superiority of natural gas is made firstly,then the principle and characteristics of regenerative high temperature air combustion technology and its application prospect in small-size heating furnace are introduced.

naturalgas;regenerative combustion technology;heating furnace

TF066.1+3

B

1001-6988（2016）06-0013-03

2016-05-12；

2016-09-02

周宇（1989—），男，博士研究生，主要從事燃氣燃燒及應(yīng)用方面工作.