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燃气式真空热处理炉技术研究 |
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作者：北京神雾热能技术公司 阎承沛 |
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摘 要：本文概要论述了燃气式真空炉技术的发展概况，重点阐述了燃气式真空炉的主要炉型、结构及特点，以及蓄热式辐射管燃气真空炉技术的特点、HTAC烧嘴结构、炉内温度分布、热平衡计算和NOX特性等。同时简介了电炉和燃气真空炉的技术经济效益比较，并对我国高温空气燃烧技术天然气燃气热处理技术设备的研究开发和推广应用进行了探讨。
关键词：燃气式真空炉，蓄热式辐射管，高温空气燃烧技术，天然气
1 概述
70年代的石油危机使西方国家的经济受到很大打击。自此，欧洲、美国和日本都十分重视热处理能源的有效利用和提高热效率。由于电是二次能源，一般燃料的发电效率为～36%，电能的热效率一般为80%左右，因而燃料电热热效率为<29%左右。美国在1997年热处理工业研究项目中列出了炉子热源的多样性，燃烧器结构改进和富氧燃烧技术开发等项目。在1999年技术发展计划中，提出了改善热源材料，发展陶瓷辐射管技术，改善热源形态，改进热源对流等技术，以提高一次燃料的热效率和技术水平。欧洲、日本也在这一领域推进合理利用能源，开发推广低燃料消耗高热效率的工业炉技术。燃气真空炉设备和技术的研制、开发与推广，正是欧洲和美国这一技术政策和工业需求的产物[1-5]。和通常电加热的真空炉相比，燃气真空炉具有下述优点[1]：1、较高的生产率，高的热效率；2、较低的运行成本；3、减少维护保养；4、具有电加热真空炉的全部优点。
美国科研人员S.J.Sikica 等人于1992年推出了他们研制开发的燃气真空炉，其中包括675°C燃气真空炉（卧式）和中温955°C燃气真空炉。同时研制生产了立式装载高温（1010°C）真空淬火炉。对于工作温度1200°C和更高温度的燃气真空炉，该集团亦在研制开发中[2]。
美国气体研究所和Abar Ipsen Co. 的科研人员和工程师R.K. Clark等人研制开发了燃气离子渗氮炉[3]。工作温度（315～540）°C， 温度均匀性DTmax£4°C，有效加热区尺寸（L´W´H）为915mm*610mm*455mm，工作负载545kg。图1为燃气离子渗氮炉简图[3]。 
图1 燃气真空离子渗氮炉简图
德国Ipsen公司的S.B. Gupta 论述了燃气真空炉研制开发技术，同时介绍了几种燃气真空炉设计结构和近年研制设计的新模式[4]。
燃气真空炉采用天然气作为能源，热效率可达65%，较电能真空炉热效率提高1倍以上。图2为电能和天然气单位能量成本的比较。
图2 电能和天然气的单位能量成本比较
如前所述，由于燃气真空炉高生产率，高热效率，低生产成本的突出优点，使得这项技术自1986年问世以来，发展很快，表1列出了主要燃气真空炉制造厂家近年的生产数量一览表：表1 燃气真空炉生产需求计划
 2 主要炉型、结构及特点
图3为立式燃气真空炉的结构示意图，它是90年代初期的产品。
图3 Hemsath立式1010°C整体淬火燃气真空炉设计结构
表2列出了Hemsath公司研制生产的2V型燃气真空炉的主要技术参数，Indugas&GRI集团和Ipsen公司对此类产品作了进一步开发并生产出名牌产品[4]。表2 Hemsath’s 2V型燃气真空炉技术参数
 近年来，燃气真空炉研制技术日新月异，新型设计结构和新产品的相继问世。图4、图5为最近研制和生产的新型燃气真空炉的设计结构示意图[5]。
图4 Hemsath新型燃气真空炉设计示意图
图5 燃气真空回火炉
3 蓄热式辐射管（HTACRT）燃气真空炉技术
高温空气燃烧技术（HTACT）是国际90年代迅速发展的高效、节能、环保型先进燃烧技术。与传统燃烧技术相比，高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气余热回收，可使空气预热温度达烟气温度的95%，炉温均匀性5°C，其燃烧热效率可高达80%以上[6]。高温空气燃烧技术通过HTAC烧嘴及回收装置节能60%以上；因而可降低CO2排放60%以上，同时高温空气燃烧技术实现贫氧区域燃烧，使NOx排放大大降低，可达40´10-6数量级（40-50）mg/m3，为传统燃烧技术的1／15－1／20。此外高温室气燃烧技术燃烧噪音低，减轻了噪音污染。高温空气燃烧技术已开发出几种高温空气燃烧器（蓄热式烧嘴加热系统），日本、美国、欧洲均已用于生产，该技术开发应用已臻成熟，其技术经济效益显著。我国近几年在该技术领域已开发出数种蓄热式烧嘴及燃烧装置系统，并且成功应用于工业生产，技术经济效益巨大，环保性能优越[6,8]。
3.1 燃气式真空炉的特点
（1）和电热式真空炉一样可以进行退火、淬火、回火等热处理。
（2）由于采用辐射管烧嘴，与电热式相比，燃料费用可节减2/3。
（3）CO2的排放量与电热式相比可减少40％。
（4）蓄热式辐射管烧嘴经过改进以及辐射管法兰的水冷化从而实现了大型辐射管法兰的真空密封。
燃气式真空模型炉构造原理如图6所示[7]。
图6 真空模型炉原理图
燃气式真空模型炉的规格如下：
炉内温度 常用1050℃
达到的真空度 0.7Pa （绝对压）
炉内有效尺寸力 600mm´600mm´900mm
最大处理量工科 400kg／炉
炉体构造 水冷双重壁构造
附属装置 皮拉尼真空计，油旋转泵，机械增压真空泵
产品冷却装置 N2洗净，压力140kPa
烧 嘴 101.6mm蓄热式辐射管烧嘴41kW／2套
辐射管 101.6mm W型x 2套
3.2 HTAC烧嘴
101.6mm W型蓄热式辐射管烧嘴在工作区左右两侧安装2套（4根），通过1台切换阀按30s的周期交互进行燃烧。辐射管法兰与炉体的真空密封采用合成橡胶制0型环。把蓄热体置入辐射管内（见图7），从而控制了流向辐射管排气所产生的热传导。另外，烧嘴本体露出部分也实现了小型化。
图7 蓄热式辐射管烧嘴构造断面图
3.3 炉内温度分布
辐射管加热和电加热其发热体的外径是不同的，本炉的烧嘴配置是否适当要进行确认。该炉辐射管、隔热壁与有效加热部分的位置关系如图8所示。图9表示温度分布测定结果。测温点共9处，即有效加热尺寸的8个顶点+中心。实验条件如下，烧嘴的燃烧量：41kW´2套，炉温：950°C和1050°C。
图8 加热部构造原理
图9 炉内温度分布
实验结果表明，蓄热式辐射管烧嘴由于采取交互燃烧方式，辐射管表面温度分布均匀，炉内有效加热部分的温度分布范围可以控制在6°C之内，这说明，采用真空炉加热能够获得均匀的加热效果。
为了探讨辐射管与被加热物的距离（图8为90mm。）是否适当，把二者距离作为参数测定了有效距离的温度差。图8所示的是设计值，当有效加热尺寸为600WX600HX900D时，辐射管与被加热物的距离设定为90mm，当有效力加热尺寸为650W´650H（深度不变）时，二者距离为65mm，当有效加热尺寸为550W´550H（深度不变）时，二者距离为115mm。这时测得的炉内温度差如图10所示。
图10 辐射管与加热物相隔距离和温差
从测取结果可以看出，如果缩小二者的距离，炉内温度分布范围呈扩大趋势，如果距离＜90mm，即使缩小到65mm，在炉温为1050℃的条件下，温度分布范围也在6℃之内。根据该试验结果就可以确定辐射管与被加热物的适当距离。
3.4 热平衡
下图给出烧嘴安装能量为41kW´2套，炉温为1050℃时炉体热平衡的测定结果。由该测定结果可以看出，当炉温保持1050℃时，虽只有部分负荷燃烧，但与900°C时所用渗碳炉的烧嘴一样，可获得85%的高燃烧率。
烧嘴排气损失：5.8kW（15%）
燃烧量 冷却水损失： 27.8kW（71.4%
38.9 kW（100％） 其 它： 5.3kW（13.6%）
配管放热、炉体放热等
3.5 NOX特性
蓄热式辐射管烧嘴所用燃烧空气属高温预热空气，特别是高温区，控制 NOx的排放量是重要课题。在本炉中，除对烧嘴本体构造进行一些相应改进外，将部分排气导入燃烧空气中，形成外部排气再循环（EGR），从而降低了NOX的发生量。当炉温为1050°C，烧嘴燃烧量分别为35kW/个和41kW/个的条件下，把排气再循环率（EGR率）作为参数的NOx测定结果如图11 示。炉温 900℃时，即使不进行排气再循环，NOx（02＝11%）排放量为 155´10-6。但炉温达到1050℃，如果不进行排气再循环且燃烧量为41kW/烧嘴，其NOX排放量可达到280´10-6。根据该结果可以算出，要想使NOx低于180´10-6，必须使再循环率达到15％。
图11 NOX排放特性（炉温 1050°C）
4 技术经济效益比较
根据烧嘴的热效率、升温热量和炉温保持热量的测定值计算出该炉加热所需要的能量，再与电热式运转成本进行比较。蓄热式烧嘴单耗燃气17.5m3／炉，电热式单耗电力 167kW／h炉，这样按不同地区的能源价格很容易计算出各自的运转成本。经计算，蓄热式烧嘴的能耗仅为电热式炉的38％。计算条件如下：
① 炉温：1050°C；
② 烧嘴热效率：85%；
③ 加热效率：100％；
④ 炉加热能力：70kW（烧嘴燃烧量41kW´2）；
⑤ 保持热量：33kW（烧嘴燃烧量39KW）；
⑥ 升温时间：105min，保持时间：90min；
⑦ 出炉数：150炉／月；
⑧ 时间计算：I年（18m炉）。
5 我国蓄热式辐射管（HTACTRT）燃气真空炉研制开发
5.1燃天然气和电加热比较
天然气存在形式有三种，气层气（气田气）、伴生气（油田气）和凝析气。其低热值分别为：
气层气（34500－36000） KJ/m3
伴生气（41500－43900） KJ/m3
M析气（ 46100－ 48500） KJ/m3
计算中采用三者的平均值，IM3天然气平均低热值Q均＝41750KJ
Ikwh电能热值 Q电=860kcal=360lKJ
采用高温室气燃烧技术，天然气燃烧热效率 N天=8 0％，N电取80％。
Lm3天然气实际发热量和电能热量之比为：
a=41750KJ x 80％／ 3601KJ X 80％＝11.594
Lm3天然气以1.80元计，Ikwh电以 0.5元计。
则价格比为 1.80元（天然气）／11.594 X 0.5元（电）
1元（天然气）／3.22元（电）
也就是说，产生同样的热量，天然气的价格是电能价格的31．05％。
5.2 蓄热式辐射管（HTAC）真空炉结构和主要技术参数
蓄热式辐射管（HTAC）燃气真空炉主要技术参数如下：
天然气低热值 41750kJ／m3
燃气辐射管尺寸 1100mm x 900mm
辐射管直径 F120mm
辐射管烧嘴燃烧量 41kW´2套
射管加热温度 800°C～1050°C
有效加热区尺寸 600mm´450mm´900mm
炉温均匀性 ≤±6°C
图12 蓄热式辐射管（HTAC）燃气真空炉结构图
5.3 蓄热式辐射管（HTAC）燃气真空炉与电炉综合技术经济性能比较
蓄热式辐射管（HTAC）燃气真空炉与电炉综合技术经济性能比较见表3所示。表3 蓄热式辐射管（HTAC）燃气真空炉与电炉综合技术经济性能
 6 小结
燃气式真空炉是欧美国家在8 0年代后期在石油危机冲击下和高温空气燃烧技术（HTACT）推动下研制开发的一种高效（热效率可达80%）、优质、节能（60%以上）节材和环保（ NOx、CO2和噪音大大降低）型的新型热处理设备，由于技术上的先进性和节能节材的巨大潜力其技术经济效益显著，同时该技术具有优异的环保特点，符合绿色热处理和可持续发展战略，因而具有广阔的发展前景。
我国“十五”期间大力开发天然气能源，我国天然气能源将从 1999年的 238亿m3增加到645亿m3左右。随着西部大开发和西气东输工程的实施，上海地区 2003年后大量采用天然气能源将可实现。采用清洁、高热值的天然气能源和高温空气燃烧技术研制开发热处理设备和技术，是全国热处理科技工作者的一项紧迫的研究开发和推广应用课题。燃气式真空炉技术研究开发及应用概况介绍，只是这一研究开发工程的一部分。人们逐渐认识到，研究开发高温室气燃烧技术天然气燃气热处理技术设备势在必行，其节能、环保和经济效益潜力巨大，具有十分广阔的发展空间。(end)
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(11/23/2004) |
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