摘要:
目前全球90%的工业燃料来自于化石燃料（石油、天然气、煤炭），热工设备是消耗工业燃料的主要用户，本文论述了目前国内外热工设备热效率低下、污染物排放严重的原因。简述了高温空气燃烧技术的原理及技术特性，重点论述了国内制造业领域高温空气燃烧技术研究开发的市场前景。同时介绍了国内外该技术的开发与应用进展。研究和实践表明，大力推广和应用高温空气燃烧技术势在必行，并将为我国现代制造业带来巨大的经济效益和社会效益。
关键词:制造业,节能环保,高温空气燃烧技术,市场前景
1 前言
目前全球90%的工业燃料来自于化石燃料（石油、天然气、煤炭），这种形势在今后20年内将不会有大的改变。而石油和天然气的储量主要集中在中东地区。一些经济发达国家清楚地认识到，其经济的发展在很大程度上依赖于能源，为了减少在能源上对别国的过分依赖，节能作为一项切实可行的技术措施，受到各国政府的普遍重视。同时降低燃料消耗及有害气体的排放，是保护环境，实现可持续发展的必然要求。
热工设备是消耗工业燃料的主要用户，中国主要的热工设备是各行各业的各种工业炉窑及热水、蒸气、发电锅炉。上海是我国工业技术总体水平比较先进的城市，表1示出了5年前上海市典型工业炉窑热效率的调查结果，其平均热效率为22.9%，其产品平均能源消耗比日本等发达国家高出30%左右，这些热工设备燃烧后烟气所带走的热损失是热效率不高的主要原因。因此使用余热回收装置降低烟气排放温度是降低热工设备燃料消耗、减少烟气中污染物排放的有效办法。传统的方法是采用各种换热器回收余热，但效果不甚显著。
表1.上海市典型工业炉窑热效率（%）
| 轧钢加热炉 | 30-55 |
| 锻造加热炉 | 5-12 |
| 热处理炉 | 3-15.5 |
| 金属熔化炉 | 15-41 |
| 玻璃搪瓷炉 | 6.3-23 |
| 烧成炉 | 23-47 |
| 平均 | 22.9 |
高温空气燃烧（htac）技术是90年代以来国内外学者开始研究和示范的一种全新型燃烧技术，它具有高效热烟气回收和高温预热空气及低nox排放等多重优越性，我国近几年在这一技术领域已开始起步，并且在工业生产中已开始取得显著的技术经济效益。“十五”期间进一步开发和推广这一高效、节能、低污染的先进燃烧技术势在必行，发展前景广阔。
2 高温空气燃烧（htac）技术的原理及特点
htac技术是日本学者田中良一等人于80年代末提出的一种全新概念燃烧技术，它把回收烟气余热与高效燃烧及降低nox排放等技术有机地结合起来，从而实现极限节能和极限降低nox排放量的双重目的。从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器b后，在经过蓄热式燃烧器b（陶瓷球或蜂窝体）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉内温度（一般比炉温低50℃~100℃），被加热的高温空气进入炉膛后，卷吸周围烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2%~20%）状态下实现燃烧。与此同时，炉膛内燃烧后的烟气经另一个蓄热式燃烧器a排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器a时，将显热储存在蓄热式燃烧器a内，然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态，从而达到节能和降低nox排放量等目的，常用的换向周期为30s～200s。htac技术可广泛应用于钢铁、有色、石油化工、机械、建材、锅炉、垃圾焚烧等行业的热工设备上。
高温空气燃烧技术的主要特征有：
(1)采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够最大限度地回收高温烟气的物理热，从而达到大幅度节约能源（一般节能10%～70%），提高热工设备的热效率，同时减少了对大气的温室气体排放（co2减少10%~70%）；
(2)通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，使得炉内温度分布均匀；
(3)通过组织贫氧燃烧，大大降低了烟气中nox的排放（nox排放减少40%以上）；
(4)炉内平均温度增加，加强了炉内的传热，导致相同尺寸的热工设备，其产量可以提高20%以上，大大降低了设备的造价；
(5)低热值的燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、低热值的固体燃料、低热值的液体燃料等）借助高温预热的空气可获得更高的燃烧温度，扩展了低热值燃料的应用范围。
3 htac技术的市场前景
htac技术可以广泛应用于钢铁、有色、机械、石油化工、玻璃、陶瓷、锅炉、垃圾焚烧等行业的各类工业炉，具有广阔的市场前景。
(1)钢铁和机械行业
我国有大型钢铁公司近100家，铁道部、船舶公司、重型机械、汽车工业、有色金属熔炼加工拥有各类工业炉窑近10万台，目前热效率均在40%以下，以每台设备采用htac技术改造费用40万元计算，有400亿元的市场潜力。如以节能40%计算，每年全行业消耗燃料约1500万吨，年节能100亿元/年；产品质量提高的效益达20亿元/年；减少co2、nox 排放的效益达20亿元/年。（其中氧化烧损0.5%′1亿吨/年钢′2000元/吨=10亿元/年）。总计达140亿元/年。采用htac技术改造或建造工业炉窑，投资回收期为3.1年。改造后每年可减少co2排放480万吨以上，nox的排放减少7.5万吨以上。
热处理行业采用htac技术市场前景广阔。如果我国热处理设备不采用htac技术，国外公司采用htac技术的热处理炉必将打入中国市场，以10年间国外进口2000台htac技术热处理炉计算，需外汇16亿美元，合132亿元人民币。我国开发htac技术热处理炉设备，可以节省16亿美元外汇，即132亿元人民币。热处理行业采用htac技术，节能效果十分显著。
我国有12万台热处理炉，以每台75kw（标准台）计，年耗电为220亿kw·h。经计算，如果采用htac技术应用天然气，产生同样热量，其费用是用电加热费用的31%，因而可节约69%的能耗费用。220亿kw·h′0.5元/kw·h′69%=75.9亿元，产品质量提高的效益达15亿元/年，减少co2、nox排放的效益达15亿元/年。总计经济效益可达237.9亿元。如果我国10年内实现上述目标，那么，热处理行业采用htac技术，每年经济效益为23.79亿元/年。
(2)石油化工行业
我国现有几十家大型骨干石油化工企业和化工部属企业。有各类工业炉窑4000台以上，以每台炉窑设备改造费用200万元/台计算，有80亿元的市场潜力。石油化工企业采用htac技术，以节能15%计，年耗燃料1500万吨，可节能30亿元/年，间接经济效益10亿元/年。采用htac技术改造或建造工业炉窑，投资回收期为2年。
改造后每年可减少co2排放120万吨以上，nox的排放减少20,000吨以上。
(3)陶瓷行业
我国现有1万多家大小陶瓷企业，拥有各类陶瓷炉窑15000台。以每台炉窑采用htac技术改造费用50万元/台计，则有75亿元的市场潜力。如以节能30%计，每年可节能24亿元/年。产品质量提高，每年可获经济效益10亿元/年。采用htac技术改造或建造工业炉窑，投资回收期为2.2年。改造后每年可减少co2排放140万吨以上，nox的排放减少20000吨以上。
(4)锅炉行业
全国有20t/h以下的民用、工业、生活用锅炉约100万台的市场容量。目前全部燃烧设备从国外进口，价格昂贵，耗用国家大量的外汇。
锅炉工业如采用htac技术，节能效率以8%计，每年可节能为1t/h′60万大卡/t′7000h/年′1元/5170大卡′8%=6.5万元（1t/h锅炉），以100万台锅炉采用htac技术计算，每年可节能650亿元/年。以100万台锅炉采用htac计算，每年可节能650亿元/年。采用htac技术改造锅炉（每座）的费用约30万元。由于降低大气污染可获得的间接效益约3万元/年。以100万台锅炉采用htac技术改造计，每年可获得间接效益约为300亿元/年。采用htac技术改造或建造锅炉，投资回收期为3年，改造后每年可减少co2排放2000万吨以上，nox的排放减少30万吨以上。
(5)垃圾焚烧行业
我国人口多，城镇垃圾量大，垃圾的处理方式主要依靠填埋。填埋的优点是投资少，处理方便。但填埋有很多不足之处，一是占用大量耕地，二是垃圾剩沥液对地下水源造成污染，三是垃圾发酵后产生的有毒有害气体对大气造成污染，对周围人群带来不安全隐患。发达国家已开始广泛采用焚烧方式处理垃圾，这一方面可以将垃圾中有害成份通过燃烧方式加以消除，同时垃圾中各种可燃成份放出的热量可供应热水、蒸汽，也可回收发电。但我国的垃圾组成与发达国家的不一样，主要表现为含水量大、热值低，燃烧稳定性差。如果采用传统的燃烧技术，必须补充大量的优质燃料（原柴油、重油、煤气、天然气、液化气等），导致垃圾处理费用高。根据放温空气燃烧（htac）技术的特点，用燃烧后烟气的余热来预热空气，可以提高低热值垃圾废物的燃烧温度，增加垃圾的燃烧稳定性和燃烧完全度，并且对二恶英等有害气体的控制效果会更高，回收的烟气热量还可以生产热水、蒸汽，还可以发电，应用htac技术在中国开发垃圾焚烧炉也势在必行。
4 htac技术开发与应用进展
高温空气燃烧（htac）技术自90年代初问世以来，发展很快。是90年代以来工业发达国家争相开发的一项全新型燃烧技术，它具有高效余热回收和高温预热空气及低nox排放等多重优越性。日本、美国、英国、德国等国已开发出几种高温空气燃烧器（蓄热式烧嘴加热系统）装置近900台套，至1997年，国际上已有800余台炉窑应用该项技术。
日本nfk公司在1992~1998年6年间，已在近150台工业炉窑上应用其开发的几种类型的高温空气燃烧器（烧嘴）近900台套。日本政府为执行京都会议所承诺的2010年降低6%co2排放量的指标，于1993~1999年间共投入150亿日元，用于开发研究。经1994~1996年前期研究，发现htac技术的重大效能，决定放弃用氧改善燃烧系统的其它方案，全力开发htac技术，并从1998年开始工业规模示范推广。htac技术是被日本政府和日本工业界商度评价的可大幅度节能和降低co2和nox排放的先进燃烧技术，1998年日本政府投入资金35亿日元，企业投入86亿日元推广应用这一燃烧新技术。1999年度日本政府又投入了相同数额的资金继续支持htac推广项目。显示了日本政府对开发推广此项技术的雄心[1]。
我国高温空气燃烧技术的研究开发起步于90年代中期，近几年在该技术领域已开发出数种蓄热式烧嘴、燃烧器、辐射管及装置系统，并且成功应用于几十家企业近130台套设备上，其中蓄热式连续加热炉50余座，蓄热式钢包烘炉装置30余套，蓄热式均热炉40余座。其技术经济效益巨大，环保性能优越。
北京神雾热能技术有限公司自1996年以来，瞄准了21世纪国际最新节能环保技术——蓄热式高温空气燃烧技术，组织国内外几十位专家进行了大量理论与实验研究，并多次派专家参与和组织国际间的学术交流，不断加大科研投入。在吸收发达国家先进技术的同时，针对我国锅炉、工业炉窑现状，于2000年成功地研制开发适应我国工业炉窑的新型蓄热式高温空气燃烧技术及燃油、燃气蓄热式燃烧器系列，形成了独树一帜先进的北京神雾蓄热式烧嘴体系。主要成果有：
(1)在热态实验台上对不同形状、不同尺寸、不同材质陶瓷蓄热体的温度特性、蓄热时间、阻力特性、寿命等进行了大量的实验测试，根据实验结果，对蜂窝状和小球状陶瓷蓄热体进行了优化设计。
(2)研制成功性能优良的超低热值煤气双预热烧嘴，高热值煤气单预热烧嘴。蓄热式渣油烧嘴等。
(3)发明了原理和结构先进的大型四腔四通换向阀、小型旋转四通换向阀和小型三通换向阀。用于燃烧系统的空气、煤气和烟气的换向。
(4)开发了专门的换向控制系统和燃烧安全保障控制策略。
(5)研究成功了安全、可靠、可调、可控的蓄热式燃烧系统的最佳设计方案。
截止2001年12月底，北京神雾热能技术有限公司研制开发的蓄热式燃烧系统已在邯钢、涟钢、石钢、临钢、唐钢、南钢、鞍钢、武钢、攀钢、酒钢、太钢、冶钢、贵钢、福建三钢、江西洪都钢厂、湖北东方钢厂、天津化工厂等几十家国有大中型企业示范推广，取得令人瞩目的成果。神雾公司的系列节能、环保产品已获得中国政府的多项荣誉和科研资助。被世界银行、国家经贸委联合评定为“中国最佳节能实践案例”，并在中国及世界各地推广。
5 结论
tac技术是一项跨世纪的先进高效节能环保技术，每年可为中国的企业带来300亿元以上的经济效益，每年可给国家节约3000万吨以上标煤。我国政府和工业界应对此项技术的研究与推广引起足够的重视。建议我国政府和科技部在十五计划和今后的科技发展规划中对这一重大科技创新技术加大政策支持和资金投入，以促进这一二十一世纪关键技术的研究开发和推广。它不仅能使我国的工业能耗整体水平得到大幅度的降低，而且还能使我国工业能耗指标在最短的时间内超过世界先进水平，实现跨跃式发展目标。
