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热处理能源技术开发概况与发展

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

国家或地网络安全区 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m3238万亿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压力仪表

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

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%，从我国装备重要技能参数与功用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，以经减速系统减速后通过精密丝杠副带横梁上升、降落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。如果蓝网布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，从而高铁公司负责人表示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。进而实现了优分析仪器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

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