天然气蓄热式燃烧技术在小型加热炉上的应用前景

周宇，秦朝葵

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

天然气蓄热式燃烧技术在小型加热炉上的应用前景

周宇，秦朝葵

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

针对目前我国加热炉高能耗、低效率的现状，提高能源利用水平节约能源迫在眉睫，此外，鉴于我国能源结构中天然气所占比例在不断上升，本文首先对比分析了天然气的优越性，然后介绍了蓄热式高温空气燃烧的原理及特点，以及其在小型加热炉上的应用前景。

天然气；蓄热式燃烧技术；加热炉

加热炉是工业加热的关键设备，广泛应用于国民经济的各行各业，量大面广，品种多，影响极大。目前，加热炉的研究主要集中于提高热效率、降低污染物排放、优化控制等方面，其中最主要的研究是提高加热炉热效率，降低燃料消耗[1-2]。

总体来看，我国工业炉热利用率平均值低于36%，其中轧钢加热炉热效率39%，锻造炉33%，均热炉35%，而全球工业炉的热效率平均值普遍在50%以上[3]。工业炉窑中，大中型加热窑炉的节能问题已有长足的进步，在改善燃烧方式、提高余热利用等方面已取得一定进展，但是，近来大量小型加热炉的热效率及热工制度问题亟待解决。针对相对复杂的能源结构，本文首先对比分析了天然气作为小型加热炉燃料的优越性，然后介绍了蓄热式燃烧技术的特点及其在小型加热炉上的应用前景。

1 能源对比

在工业炉窑的能源结构中，主要以烧煤为主，其次是电力，另有一部分炉窑以油、天然气为燃料[4]。对燃油、燃气的炉窑而言，其燃烧效率较高；而对燃煤炉窑而言，其燃烧效率较低，且燃烧稳定性较差，不易使气氛与温度稳定。

现以小型加热炉中常见的铁件加热为例对比分析各种能源下的经济性，表1是各种能源的热值和单价，各类能源单价为上海市最新能源价格，电价取全年平均不分时电价，天然气为工业天然气[5]。

表1 常用能源热值及单价

以铁件尺寸Φ80 mm×180 mm为研究对象，密度取7 800 kg/m3，每根铁件的质量为7.05 kg，假设室温15℃，铁件加热到1 150℃，由于铁的比热是随温度变化的函数，在15~1 150℃之间基本呈线性关系，取中间值0.6 kJ/（kg·℃）。每根铁棒吸收的热量为0.6 kJ/（kg·℃）×7.05 kg×（1 150-15）℃=4 801 kJ。以各能源作为燃料的加热炉的热效率分别取燃煤10%、燃油30%、燃气35%、用电86%，所有热效率均取当前炉窑热效率的平均值，则加热同样的工件所需要的能源费用如表2所示。

表2 能源消耗费用表（元）

可见，把工件加热到同样的温度，使用煤成本最低，其次是天然气，电次之，使用石油成本最高。但是用煤作为燃料加热，会导致CO2、NOx排放增加，并且由于煤容易不完全燃烧，产生大量的粉尘，严重污染环境；电加热操作环境好，热效率容易达到很高，加热成本和天然气差不多，然而电属于二次能源，来源主要是火力发电，因此，如果算上燃料燃烧发电这部分热效率，使用电加热的成本将高于天然气，且污染物排放也高于天然气。

根据当前节能减排的大环境，并且天然气作为清洁能源污染小、低能耗的优势，提高天然气的应用范围和应用深度，增加天然气在一次能源中的比例，对于优化我国能源结构，减轻环境污染具有重要意义，加热炉将慢慢转变为以天然气为主。

2 蓄热式燃烧技术

蓄热式燃烧技术，又称高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion），是20世纪90年代以来发达国家普遍推广应用的一种全新型燃烧技术[6]。图1给出了蓄热式燃烧技术的原理示意，该系统由成对的燃烧器、蓄热体和换向阀以及相应的控制系统等组成，当由B燃烧器给进助燃空气时，室温下的助燃空气被B燃烧器内已预热的高温蓄热体加热，然后喷入炉内，与燃气混合燃烧，经炉内换热以后，由A燃烧器排出炉外，同时将A燃烧器内的蓄热体加热。经过适当时间后，通过换向阀的切换作用，转为由A燃烧器供入助燃空气，B燃烧器排烟，如此周而复始，完成蓄热放热过程。

图1 蓄热式燃烧技术原理示意图

蓄热式燃烧技术通过成对布置的蓄热烧嘴交替进行蓄热和排烟，燃烧后的高温烟气在炉内强烈扰动并且不断的变换方向，使得炉膛内温度分布非常均匀。由于蓄热体的蓄热作用，实现烟气的极限余热回收和空气的预热。和传统的燃烧过程相比，蓄热式燃烧技术的优点主要表现在：

（1）能最大限度回收高温烟气的余热。由于高温空气燃烧技术采用了蓄热式烟气余热回收装置，能够最大限度回收高温烟气的余热，极大程度地降低了加热炉的排烟损失，达到了有效利用能源的目的，与传统的燃烧方式相比，可节约近50%的燃料[7]。

（2）可使预热空气温度达到1 000~1 400℃。利用回收的烟气余热来预热燃烧所需的空气，高温预热空气所具有的物理热增加了炉内的理论燃烧温度，不仅使原来不能用于高温工业炉窑的低发热值发生炉煤气和高炉煤气，转化为可用于轧钢和炼钢等工业炉用的燃气，提高了低热值燃气的使用价值。此外由于炉温的升高，炉内传热增强，可以提高产品的产量和质量，这意味着对于生产相同数量的产品，高温空气燃烧技术节约了燃料消耗量。

（3）可减少NOx的生成量，减少环境污染。在采用高温空气燃烧技术的工业炉中，通过燃烧工况的组织，使燃料在含氧浓度低于21%的助燃空气中进行燃烧，从而降低了NOx的生成量，减轻了对环境的污染。

（4）每隔一定时间换向一次，炉内温度分布均匀，避免局部高温。

3 蓄热式燃烧技术在小型加热炉上的应用前景分析

首先，从我国加热炉的能源结构来看，尽管以煤为主体的能源结构在很长时间内难以改变，但是总的发展趋势表明，煤所占的比例在逐年下降，而气体燃料所占比例在不断上升，中国近年来各项燃料消耗占比如表3所示。另外从前述能源消耗费用方面来看，相对煤炭等其他燃料，天然气也具备节约成本的优点，这为开发与应用蓄热式高温空气燃烧技术提供了基础条件。

表3 不同年份各种燃料消耗占比（%）

其次，从我国加热炉窑的能耗现状来看，我国加热炉的能源利用水平不高，虽说近几十年来我国在加热炉节能方面取得了长足的进步，但与国际先进水平相比，还有很大差距，仅相当于发达国家50～60年代的水平，我国加热炉的这种高能耗、低效率的现状，将与我国经济的快速发展不相适应，对于小型的加热炉来说，应用蓄热式燃烧技术可以省去许多连续式炉窑中的预热段，因此，推广与应用蓄热式高温空气燃烧技术是十分必要的，也是切实可行的。

再次，从我国加热炉的污染状况来看，由于我国能源结构的原因，加热炉污染主要为燃煤性污染和燃油性污染，目前，治理污染主要关注的还只停留在粉尘排放上，对于NOx等这类污染物的控制治理还未提上日程，面对我国经济迅速发展和大气环境污染状况严重恶化的局面，应当而且有必要在技术可行的条件下，坚持节能与污染控制两手抓，这也恰好符合蓄热式高温空气燃烧技术的高效、节能和低NOx排放的特征。

此外，采用蓄热式高温空气燃烧技术由于其炉内换热效率的提高，可使相同产量工业炉窑的尺寸缩小或者同样大小炉窑的产量提高，装置尺寸缩小，从而降低设备的初投资，结构紧凑，体积小的特点也使得安装方便。

最后，由于助燃空气温度预热到燃料燃点以上，燃料已进入炉内就能着火燃烧，大大提高了燃烧的稳定性。

综上所述，在我国能源结构中天然气比例不断上升的前提下，无论是从能源消耗还是环境保护方面，蓄热式燃烧技术相对传统加热炉的燃烧方式都有着不可比拟的优势，蓄热式高温空气燃烧技术既可大量节约能源、提高热效率，又可以大幅度提高产品质量和产量，而且还能显著减少污染物的产生，降低对环境的污染，因此，为响应我国节能减排的政策要求，发展和应用蓄热式高温空气燃烧技术是势在必行的，而且随着该技术的不断完善，将对我国工业炉窑的节能降耗和污染防治起着十分重要的推动作用。

4 总结

蓄热式燃烧技术在我国的应用还处于起步阶段，特别是在小型加热炉上，但随着我国经济的发展和能源结构的改善，该项技术以其高效节能和环境保护等特点，必将对我国加热炉的发展产生长远的影响，具有广阔的发展前景。

[1]宋湛苹，史竞.工业炉的现状与发展趋势[J].工业炉，2004，26（6）：13-18.

[2]刘启龙.工业炉的现状与发展趋势管窥[J].黑龙江科技信息，2014（15）：83-83.

[3]谢国威.蓄热式连续加热炉内气体流动及热工制度的研究[D].沈阳：东北大学.2008.

[4]李智敏，彭晓峰，曲艺.工业炉窑节能的思考[J].工业加热，2000（6）：4-8.

[5]今日上海柴油价格[OL].金投网，2016-2-12

[6]沈君权，沈弘涛.蓄热燃烧技术及其在工业窑炉上的应用[J].硅酸盐通报，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，主要从事燃气燃烧及应用方面工作.