燃气应用的新发展

1燃气红外辐射加热技术
1．1引言
红外辐射，俗称红外线，是一种电磁波。它和可见光、紫外线、x射线以及微波、无线电一样既具有波动性又具有粒子性，传播速度约为3x108米／秒，可以在真空中传播，也可以在介质中传播，具有直射、折射、反射、干涉、衍射等物理现象。它们之间的区别仅在于波长(或频率)不同。可见光的波长范围约为0．38—0．75微米，红外辐射的波长范围约为0．75—1000微米，波长大于1000微米的为微波和无线电电波。通过三棱镜可以把可见光分成为紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七种颜色，而红外辐射的波长比红光的波长还长，即在光谱的红色端以外，所以称之为红外线，人们的视觉感觉不到它。
燃气与其燃烧所需的空气全部预混以后，在一定条件下进行无焰燃烧，可以直接产生红外辐射用于各种加热过程。
燃气红外加热技术在工业和民用燃烧设备中得到了广泛的应用。实践证明它比传统的对流加热具有投资省、启动快、效率高、污染少等优点。经过特殊设计的红外辐射器还能够发射出波长较长的远红外辐射，对某些物体更有效地加热，进一步节约能源。
常用的燃气辐射器有金属网辐射器和多孔陶瓷板辐射器两种。目前国际上大力发展各种优质多孔陶瓷板燃气辐射器，它具有燃烧均匀、辐射波波长较长和不易回火等优点。同济大学燃气红外研究所采用一种全新的干法成型工艺，研究成功了x型复合层多孔陶瓷板燃气辐射器。

1．2X型多孔陶瓷板燃气辐射器的研究
X型复合层多孔陶瓷板燃气辐射器有以下主要结构特点：
(1)具有高发射率表面层
多孔陶瓷板燃气辐射器在正常工作时其表面温度为800—850oC，在这种温度下其主要的辐射能量波长为2—6微米。然而，普通陶瓷在这一波段内的发射率却是很低的(见图2，c)。为了提高辐射器的辐射能力，我们研究了一种高发射率材料，作为复合层多孔陶瓷板的表面层。它具有广谱高发射率的特点(见图2，b)，从而弥了陶瓷的缺点，使辐射能力提高。X型复合层多孔陶瓷板采用干压法成型工艺，基板和表面层在模具中一次压成，人窑后一起烧结，结合牢固不会脱落。与热压铸成型法相比，干压法不需要石蜡和制蜡饼工序，不需埋烧脱蜡过程，缩短了烧成周期，并大大提高了窑位的利用率。据估算，用新的干压法工艺制造多孔陶瓷板，其原材料、辅助材料和能源的消耗约为热压铸法工艺的1／2左右。
(2)机械强度和抗热震性能较好
通过对基板材料配方、粉体制备与烧结工艺等反复研究和改进，提高了多孔陶瓷板的械械强度。又由于降低了热膨胀系数，其抗热震性能较好，能长期承受冷、热急变而不破坏。
表1所示多孔陶瓷板的物理性能。从表中可以看出，用干压法成型的多孔陶瓷板密度较低，而抗折强度和热膨胀系数都优于国外同类产品的指标.
(3)燃烧稳定性和燃烧完全度好
对X型复合层多孔陶瓷板燃气辐射器(新型辐射器)和市售的多孔陶瓷板燃气辐射器的极限热强度进行测试，其结果列于表2。从表中可见x型复合层多孔陶瓷板燃气辐射器的极限热强度较高，也即燃烧的稳定范围较大。
燃烧完全度可用烟气中一氧化碳的浓度来衡量。对复合层多孔陶瓷板进行燃烧试验，其结果列于表3.将烟气中一氧化碳Co的浓度(表示换算到a＝1的一氧化碳浓度)和多孔陶瓷板的表面温度to(oC)绘成曲线表示于图3，可以看出，额定负荷下(11kcal／cm2·h)烟气中Co低于40pPm；当热负荷在额定值的+20％范围内波动时，C0在100pPm以下。总的来说，一氧化碳排放量是很低的。
从以上研究和试验结果表明，X型复合层多孔陶瓷板机械强度较高，而热膨胀系数较小，因此使用性能好。用它做成的x型多孔陶瓷板燃气辐射器燃烧稳定，排烟中的C0含量较普通燃烧器大为降低，是一种清洁的绿色燃烧装置。
1．3多孔陶瓷板燃气辐射器的应用
燃气红外辐射器在各种干燥工艺上得到了广泛的应用。实践已经证明，燃气红外辐射器发出的辐射波长较长，使一些被加热的物容易吸收，因此已在许多工艺中得到采用，如：
1、纺织、印染工业中的脱水和树脂等浸渍物的干燥；
2、油漆、油墨或涂层的烘干；
3、蓄电池的铅板的预烘；
4、陶瓷生产的烘干过程；
5、石棉石棉水泥瓦的烘干；
6、纸张和胶合板的干燥；
7、其它。
除了工业干燥以外，红外辐射器用于食品烘焙也是非常合适的。许多食品采用燃气红外辐射烘烤不仅可以加快烘烤速度，而且色、香、味都比较好。因此现代的家用灶和商业灶里，安装了各式各样的燃气红外辐射器。
燃气红外辐射器也广泛用于大空间采暖。辐射采暖不必加热室内空气，热量直接被墙壁、天花板、地板等固体表面吸收，人在采暖房间里得到了取暖器和四周维护物的辐射，感觉比较舒适。此时室内空气可以比对流采暖时低5—10oC，大大节约了热能，而燃气辐射采暖的初投资和运行费用比对流采暖系统低得多。

下面以上海灯芯绒厂印染车间予烘工段采用天然气辐射器的实例分析其合理性。
(1)经济性分析
初投资一采用电加热板和燃气辐射器，造价基本相同，6万元运行费一预烘工段加热功率为288千瓦
(a)用电成本：288干瓦× 0．73元／千瓦·时＝210元／时
(b)用天然气成本：
选用RFT—3．0的矩形天然气辐射器，96只；
每只辐射器耗气量为0．3米3／时；
总用气量为96×0．3＝28．8米3／时；
天然气单价为 2．1元／米3
用气成本为 28．8米3／时×2．1元／米3＝60．5元／时；
两种方案比较结果：用电加热预烘的运行成本为天然气红外线的3．47倍。
(2)环境污染程度
分析结果表明采用天然气辐射器是比电加热板合理得多。
2燃气空调的发展
2．1发展燃气空调的有利条件
近几年各大城市和中、小城市建了许多高楼，绝大多数采用电力驱动的空调，以燃气为能源的吸收式空调虽已开始发展，但所占比例甚小。
从国外情况来看，美、日等国十分重视燃气空调的研究与开发，在大型高层建筑中燃气空调所占比例正在不断地增加。采用燃气空调不仅可以缓和夏季的用电高峰、填补夏季的用气低谷，还可以减少一次能源的消费，减少对环境的污染。
我国发展燃气空调也已经具备有利的条件：
(1)燃气资源丰富 天然气正从西北、西南向东输送。
液化天然气从国外引进的第一个项目已经确定，第二个项目也开始论证。
代天然气的数量不断增加。液化气和空气按各占50％比例混合后，用管道输送，今后可直接转换成天然气供应。 (2)电力负荷高峰和燃气负荷低谷有待平衡
S市电力负荷、燃气负荷的三年统计资料列于图4
(3)环境保护已成为政府和百姓的共同要求
能源消费是环境污染的主要来源。
按得到单位热量消耗一次能源的污染物排放量进行比较，各种能源使用时的排放系数见表5。可以看到，燃煤所排放的污染物最多，使用天然气排放的污染物最少。而使用电能时，由于火力发电的一次能源利用率仅为0．33，其污染物排放系数高达燃煤、燃油时的三倍。因此，从保护环境的角度出发，必须改变目前以燃煤和电力为主的能源结构，发展燃气空调是今后的一个方向。
以上三种系统中，吸收式系统已为人们所熟悉，具有设备投资较少、运行工质对环境无害以及维护方便、无噪声等优点。国内产品质量也不错，因而使用较多。其缺点是制冷性能系统COP较低，一般为0．8—1．2。
热——电联产系统是一种全能系统，发电效率为15—35％，综合效率为80％，发电规模可从20kw的小容量到2000kw中容量。用燃气轮机时可大到10万kw，但初投资较大。
压缩式系统能量利用率较高，装机容量适合于一般高层建筑，韧投资不大，对于天然气即将来临的地区是一种比较节能的冷、热源方案值得推荐。
各种制冷机组的一次能耗比较。
以单台机组的冷量为1163kw(100万kcal／h)，根据常用产品样本的额定工况下的数据，可以进行冷水机组的能耗比较。
从图6中可以看出，离心式制冷机的一次能耗为97．3kg／h(标煤耗)，螺杆式机组的能耗与离心式的基本相当，热泵能耗为1．49倍，蒸汽吸收式为1．8—2．2倍，直燃式则分别为其1．56倍(燃气)和1．46倍(油)。
离心式和螺杆式制冷机因为压缩机的转速高，压缩比大，理论COP值大，相同制冷量下，所需的轴功率小；而吸收式制冷机组的COP值较小，所需的一次能源量较大；蒸汽双效吸收式机组由于存在锅炉房供热损失的问题，因此其能耗比直燃式机组还要大，不过吸收式机组的用电负荷很小；对于热泵机组，虽然同样采用螺杆式压缩机，空气热源泵的COP仅3．7，单位冷量耗功为0．2kw／kw.
与其它方式相比，天然气发动机驱动的压缩式制冷机的一次能耗最少。其初投资比一般电空调有所增加，但因其运行费用低，在2—3年内便可回收多付的设备费。
燃气发动机驱动的制冷机具有以下优点：
(1)能源利用率高，发动机废热可加以利用，特别是直接驱动热泵时，输入100％，其出力可达150—170％。目前使用较多的是燃气直接驱动的螺杆式风冷热泵(GKHP)，一般容量为20—200RT。
(2)设计紧凑、设备成熟、使用寿命长，在多数情况下可以利用原有的冷却塔、泵及管线系统等。
(3)可进行余热回收，对需要热水的场所经济性更佳。
(4)组合式装置具有隔音外壳，运行噪声低。 (5)减少石化燃料消耗量，使用天然气又可减少煤灰、S02和C0，排放量，有利于环境保护。燃气驱动的压缩式制冷机在美国和日本以及欧洲都得到了迅速的发展，除了发展大容量机组和系统外，亦开发小型商用机组和家用机组。