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摘 要：本文概要論述了燃氣式真空爐技術的發展概況，重點闡述了燃氣式真空爐的主要爐型、結構及特點，以及蓄熱式輻射管燃氣真空爐技術的特點、HTAC燒嘴結構、爐內溫度分布、熱平衡計算和NOX特性等。同時簡介了電爐和燃氣真空爐的技術經濟效益比較，并對我國高溫空氣燃燒技術天然氣燃氣熱處理技術設備的研究開發和推廣應用進行了探討。
關鍵詞：燃氣式真空爐，蓄熱式輻射管，高溫空氣燃燒技術，天然氣
1 概述
70年代的石油危機使西方國家的經濟受到很大打擊。自此，歐洲、美國和日本都十分重視熱處理能源的有效利用和提高熱效率。由于電是二次能源，一般燃料的發電效率為～36%，電能的熱效率一般為80%左右，因而燃料電熱熱效率為<29%左右。美國在1997年熱處理工業研究項目中列出了爐子熱源的多樣性，燃燒器結構改進和富氧燃燒技術開發等項目。在1999年技術發展計劃中，提出了改善熱源材料，發展陶瓷輻射管技術，改善熱源形態，改進熱源對流等技術，以提高一次燃料的熱效率和技術水平。歐洲、日本也在這一領域推進合理利用能源，開發推廣低燃料消耗高熱效率的工業爐技術。燃氣真空爐設備和技術的研制、開發與推廣，正是歐洲和美國這一技術政策和工業需求的產物[1-5]。和通常電加熱的真空爐相比，燃氣真空爐具有下述優點[1]：1、較高的生產率，高的熱效率；2、較低的運行成本；3、減少維護保養；4、具有電加熱真空爐的全部優點。
美國科研人員S.J.Sikica 等人于1992年推出了他們研制開發的燃氣真空爐，其中包括675°C燃氣真空爐（臥式）和中溫955°C燃氣真空爐。同時研制生產了立式裝載高溫（1010°C）真空淬火爐。對于工作溫度1200°C和更高溫度的燃氣真空爐，該集團亦在研制開發中[2]。
美國氣體研究所和Abar Ipsen Co. 的科研人員和工程師R.K. Clark等人研制開發了燃氣離子滲氮爐[3]。工作溫度（315～540）°C， 溫度均勻性DTmax£4°C，有效加熱區尺寸（L´W´H）為915mm*610mm*455mm，工作負載545kg。圖1為燃氣離子滲氮爐簡圖[3]。
圖1 燃氣真空離子滲氮爐簡圖
德國Ipsen公司的S.B. Gupta 論述了燃氣真空爐研制開發技術，同時介紹了幾種燃氣真空爐設計結構和近年研制設計的新模式[4]。
燃氣真空爐采用天然氣作為能源，熱效率可達65%，較電能真空爐熱效率提高1倍以上。圖2為電能和天然氣單位能量成本的比較。
圖2 電能和天然氣的單位能量成本比較
如前所述，由于燃氣真空爐高生產率，高熱效率，低生產成本的突出優點，使得這項技術自1986年問世以來，發展很快，表1列出了主要燃氣真空爐制造廠家近年的生產數量一覽表：
表1 燃氣真空爐生產需求計劃
2 主要爐型、結構及特點
圖3為立式燃氣真空爐的結構示意圖，它是90年代初期的產品。
圖3 Hemsath立式1010°C整體淬火燃氣真空爐設計結構
表2列出了Hemsath公司研制生產的2V型燃氣真空爐的主要技術參數，Indugas&GRI集團和Ipsen公司對此類產品作了進一步開發并生產出名牌產品[4]。
表2 Hemsath’s 2V型燃氣真空爐技術參數
近年來，燃氣真空爐研制技術日新月異，新型設計結構和新產品的相繼問世。圖4、圖5為最近研制和生產的新型燃氣真空爐的設計結構示意圖[5]。
圖4 Hemsath新型燃氣真空爐設計示意圖
圖5 燃氣真空回火爐
3 蓄熱式輻射管（HTACRT）燃氣真空爐技術
高溫空氣燃燒技術（HTACT）是國際90年代迅速發展的高效、節能、環保型先進燃燒技術。與傳統燃燒技術相比，高溫空氣燃燒技術通過蓄熱式煙氣余熱回收，可使空氣預熱溫度達煙氣溫度的95%，爐溫均勻性5°C，其燃燒熱效率可高達80%以上[6]。高溫空氣燃燒技術通過HTAC燒嘴及回收裝置節能60%以上；因而可降低CO2排放60%以上，同時高溫空氣燃燒技術實現貧氧區域燃燒，使NOx排放大大降低，可達40´10-6數量級（40-50）mg/m3，為傳統燃燒技術的1／15－1／20。此外高溫室氣燃燒技術燃燒噪音低，減輕了噪音污染。高溫空氣燃燒技術已開發出幾種高溫空氣燃燒器（蓄熱式燒嘴加熱系統），日本、美國、歐洲均已用于生產，該技術開發應用已臻成熟，其技術經濟效益顯著。我國近幾年在該技術領域已開發出數種蓄熱式燒嘴及燃燒裝置系統，并且成功應用于工業生產，技術經濟效益巨大，環保性能優越[6,8]。
3.1 燃氣式真空爐的特點
（1）和電熱式真空爐一樣可以進行退火、淬火、回火等熱處理。
（2）由于采用輻射管燒嘴，與電熱式相比，燃料費用可節減2/3。
（3）CO2的排放量與電熱式相比可減少40％。
（4）蓄熱式輻射管燒嘴經過改進以及輻射管法蘭的水冷化從而實現了大型輻射管法蘭的真空密封。
燃氣式真空模型爐構造原理如圖6所示[7]。
圖6 真空模型爐原理圖
燃氣式真空模型爐的規格如下：
爐內溫度 常用1050℃
達到的真空度 0.7Pa （絕對壓）
爐內有效尺寸力 600mm´600mm´900mm
最大處理量工科 400kg／爐
爐體構造 水冷雙重壁構造
附屬裝置 皮拉尼真空計，油旋轉泵，機械增壓真空泵
產品冷卻裝置 N2洗凈，壓力140kPa
燒 嘴 101.6mm蓄熱式輻射管燒嘴41kW／2套
輻射管 101.6mm W型x 2套
3.2 HTAC燒嘴
101.6mm W型蓄熱式輻射管燒嘴在工作區左右兩側安裝2套（4根），通過1臺切換閥按30s的周期交互進行燃燒。輻射管法蘭與爐體的真空密封采用合成橡膠制0型環。把蓄熱體置入輻射管內（見圖7），從而控制了流向輻射管排氣所產生的熱傳導。另外，燒嘴本體露出部分也實現了小型化。
圖7 蓄熱式輻射管燒嘴構造斷面圖
3.3 爐內溫度分布
輻射管加熱和電加熱其發熱體的外徑是不同的，本爐的燒嘴配置是否適當要進行確認。該爐輻射管、隔熱壁與有效加熱部分的位置關系如圖8所示。圖9表示溫度分布測定結果。測溫點共9處，即有效加熱尺寸的8個頂點+中心。實驗條件如下，燒嘴的燃燒量：41kW´2套，爐溫：950°C和1050°C。
圖8 加熱部構造原理
圖9 爐內溫度分布
實驗結果表明，蓄熱式輻射管燒嘴由于采取交互燃燒方式，輻射管表面溫度分布均勻，爐內有效加熱部分的溫度分布范圍可以控制在6°C之內，這說明，采用真空爐加熱能夠獲得均勻的加熱效果。
為了探討輻射管與被加熱物的距離（圖8為90mm。）是否適當，把二者距離作為參數測定了有效距離的溫度差。圖8所示的是設計值，當有效加熱尺寸為600WX600HX900D時，輻射管與被加熱物的距離設定為90mm，當有效力加熱尺寸為650W´650H（深度不變）時，二者距離為65mm，當有效加熱尺寸為550W´550H（深度不變）時，二者距離為115mm。這時測得的爐內溫度差如圖10所示。
圖10 輻射管與加熱物相隔距離和溫差
從測取結果可以看出，如果縮小二者的距離，爐內溫度分布范圍呈擴大趨勢，如果距離＜90mm，即使縮小到65mm，在爐溫為1050℃的條件下，溫度分布范圍也在6℃之內。根據該試驗結果就可以確定輻射管與被加熱物的適當距離。
3.4 熱平衡
下圖給出燒嘴安裝能量為41kW´2套，爐溫為1050℃時爐體熱平衡的測定結果。由該測定結果可以看出，當爐溫保持1050℃時，雖只有部分負荷燃燒，但與900°C時所用滲碳爐的燒嘴一樣，可獲得85%的高燃燒率。
燒嘴排氣損失：5.8kW（15%）
燃燒量 冷卻水損失： 27.8kW（71.4%
38.9 kW（100％） 其 它： 5.3kW（13.6%）
配管放熱、爐體放熱等
3.5 NOX特性
蓄熱式輻射管燒嘴所用燃燒空氣屬高溫預熱空氣，特別是高溫區，控制 NOx的排放量是重要課題。在本爐中，除對燒嘴本體構造進行一些相應改進外，將部分排氣導入燃燒空氣中，形成外部排氣再循環（EGR），從而降低了NOX的發生量。當爐溫為1050°C，燒嘴燃燒量分別為35kW/個和41kW/個的條件下，把排氣再循環率（EGR率）作為參數的NOx測定結果如圖11 示。爐溫 900℃時，即使不進行排氣再循環，NOx（02＝11%）排放量為 155´10-6。但爐溫達到1050℃，如果不進行排氣再循環且燃燒量為41kW/燒嘴，其NOX排放量可達到280´10-6。根據該結果可以算出，要想使NOx低于180´10-6，必須使再循環率達到15％。
圖11 NOX排放特性（爐溫 1050°C）
4 技術經濟效益比較
根據燒嘴的熱效率、升溫熱量和爐溫保持熱量的測定值計算出該爐加熱所需要的能量，再與電熱式運轉成本進行比較。蓄熱式燒嘴單耗燃氣17.5m3／爐，電熱式單耗電力 167kW／h爐，這樣按不同地區的能源價格很容易計算出各自的運轉成本。經計算，蓄熱式燒嘴的能耗僅為電熱式爐的38％。計算條件如下：
① 爐溫：1050°C；
② 燒嘴熱效率：85%；
③ 加熱效率：100％；
④ 爐加熱能力：70kW（燒嘴燃燒量41kW´2）；
⑤ 保持熱量：33kW（燒嘴燃燒量39KW）；
⑥ 升溫時間：105min，保持時間：90min；
⑦ 出爐數：150爐／月；
⑧ 時間計算：I年（18m爐）。
5 我國蓄熱式輻射管（HTACTRT）燃氣真空爐研制開發
5.1燃天然氣和電加熱比較
天然氣存在形式有三種，氣層氣（氣田氣）、伴生氣（油田氣）和凝析氣。其低熱值分別為：
氣層氣（34500－36000） KJ/m3
伴生氣（41500－43900） KJ/m3
M析氣（ 46100－ 48500） KJ/m3
計算中采用三者的平均值，IM3天然氣平均低熱值Q均＝41750KJ
Ikwh電能熱值 Q電=860kcal=360lKJ
采用高溫室氣燃燒技術，天然氣燃燒熱效率 N天=8 0％，N電取80％。
Lm3天然氣實際發熱量和電能熱量之比為：
a=41750KJ x 80％／ 3601KJ X 80％＝11.594
Lm3天然氣以1.80元計，Ikwh電以 0.5元計。
則價格比為 1.80元（天然氣）／11.594 X 0.5元（電）
1元（天然氣）／3.22元（電）
也就是說，產生同樣的熱量，天然氣的價格是電能價格的31．05％。
5.2 蓄熱式輻射管（HTAC）真空爐結構和主要技術參數
蓄熱式輻射管（HTAC）燃氣真空爐主要技術參數如下：
天然氣低熱值 41750kJ／m3
燃氣輻射管尺寸 1100mm x 900mm
輻射管直徑 F120mm
輻射管燒嘴燃燒量 41kW´2套
射管加熱溫度 800°C～1050°C
有效加熱區尺寸 600mm´450mm´900mm
爐溫均勻性 ≤±6°C
圖12 蓄熱式輻射管（HTAC）燃氣真空爐結構圖
5.3 蓄熱式輻射管（HTAC）燃氣真空爐與電爐綜合技術經濟性能比較
蓄熱式輻射管（HTAC）燃氣真空爐與電爐綜合技術經濟性能比較見表3所示。
表3 蓄熱式輻射管（HTAC）燃氣真空爐與電爐綜合技術經濟性能
6 小結
燃氣式真空爐是歐美國家在8 0年代后期在石油危機沖擊下和高溫空氣燃燒技術（HTACT）推動下研制開發的一種高效（熱效率可達80%）、優質、節能（60%以上）節材和環保（ NOx、CO2和噪音大大降低）型的新型熱處理設備，由于技術上的先進性和節能節材的巨大潛力其技術經濟效益顯著，同時該技術具有優異的環保特點，符合綠色熱處理和可持續發展戰略，因而具有廣闊的發展前景。
我國“十五”期間大力開發天然氣能源，我國天然氣能源將從 1999年的 238億m3增加到645億m3左右。隨著西部大開發和西氣東輸工程的實施，上海地區 2003年后大量采用天然氣能源將可實現。采用清潔、高熱值的天然氣能源和高溫空氣燃燒技術研制開發熱處理設備和技術，是全國熱處理科技工作者的一項緊迫的研究開發和推廣應用課題。燃氣式真空爐技術研究開發及應用概況介紹，只是這一研究開發工程的一部分。人們逐漸認識到，研究開發高溫室氣燃燒技術天然氣燃氣熱處理技術設備勢在必行，其節能、環保和經濟效益潛力巨大，具有十分廣闊的發展空間。
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