什么是工业用气？

什么是工业用气？

在工业用户中，天然气的应用范围极为广泛。与民用和商用客户相似，工业用户也用天然气为他们的工厂和车间加热并制冷。但大量的天然气是被用于工业锅炉、热水器、溶解器、干燥器和其他制造设备。对工程师与制造商来讲，天然气在工业上的应用“只有想不到的，没有做不到的”。

美国的天然气工业用户被分为几十种，但绝大多数天然气用于产生热量与蒸汽，它们可以用在金属的冶炼、加工、锻造，塑料与玻璃的加工成型，纸张的烘干，纺织工业，涂料工业，外层包装，玻璃的熔化以及其他工业项目。天然气还被用来做 “工业原料”或“原材料”，用于从石油中生产化工原料，比如汽油等。

炼钢与金属冶炼

在过去的20年中，钢铁工业已经开始将更多的废料金属进行再循环使用，美国大约40%的钢产品属于此类。这种废料金属在电弧炉内被熔化，这是一种非常昂贵的工艺。为了增加发热强度，钢铁工人使用了高温天然气氧化炉，这可以提高废料金属熔化的效率与产量。这种“氧气—天然气”炉 （图7.11）也有助于除去电炉内的冷节点。到了20世纪90年代，美国1/4以上的电弧炉用上了氧气—天然气燃烧炉。这种燃烧炉在其他工业 （比如玻璃的熔化）项目中也得到了大力推广。

图7.11　氧气—天然气炉 （得到天然气研究所的许可）

天然气还被用做鼓风炉使用的附加燃料，在这种炉内，将铁矿石熔化炼成能生产钢的生铁。焦炭 （煤的一种副产品）是鼓风炉的主要燃料，但当天然气与氧气的混合气被喷射入鼓风炉后，就不需要多少焦炭了。天然气的加入会减少炼铁的成本，并增加鼓风炉的产量。

天然气还被用来炼钢，可以提高炼钢的质量。比如，当一条灼热的钢条从炼钢厂的滚动转送带上卸下来时，钢的两端就会比中间冷却得更快。在炼钢的过程中，天然气用来降温。这一工艺称为连续的钢条加热或者 “退火”。同样，在钢的再加热炉内使用天然气炉，可以除掉钢产品上的冷点。

特殊的天然气炉也被用在炼铝业及其他有色金属的冶炼中。为了节能，美国的所有铝制造商都使用“再生式”天然气炉。在炉内，有两个炉子切换开关。“关闭”的炉子从“开启”的那个炉子的排放物获得热量，并用它来预热炉内的空气，这样可以减少燃料的消耗 （图7.12）。约每隔20s，这个动作重复一次。再生炉滚迹在其他一些行业中也得到广泛使用，比如铸造与热处理。

图7.12　再生炉 （得到北美制造公司的许可）

热处理

几乎所有制造业都会使用经过热处亏备闭理的产品。工业生产中，用于热处理的炉具要远远多于任何其他的制造工序。实际上，美国热处理炉具与其他工艺炉具的比例大致为3　1。热处理 （是指人工控制的金属或∶合金的加热和冷却）的目的在于给所加工的物质赋予某些特定的性质。比如，金属产品的热处理使其变得更为坚硬且更加耐磨损并可防止裂隙的出现。

天然气是热处理装置中传统的优良燃料。除了对产品进行加热之外，天然气还被用于形成炉子内的一种“可控制空气”，它既防止金属被氧化又可增强化学反应，从而提高产品的质量。绝大多数热处理炉是空气控制型的，许多工艺使用的是再生式天然气炉，以提高热处理的效率。一些较小的热处理工厂使用白炽天然气炉。这些炉具对产品的加热速度要大大高于电炉，而且可以回收，拥有比较高的热效率。白炽天然气炉可以用金属或陶瓷来制造，并且可以用在其他工业领域的热处理行业中。

还有一种热处理炉可以产生一个真空的内部环境，能够防止金属被氧化，如果对产品质量有更高的要求，可以在炉子内注入一些化学物质 （比如碳或氮）。真空热处理可以得到比控制空气法质量更高的产品，但价格也要更高一些。虽然真空炉远不如空气控制炉那样普及，但它们也得到越来越多的推广。以前，几乎所有的真空热处理炉都是用电加热的。到20世纪80年代后期，天然气真空炉也投入使用，从此，天然气真空技术得到了快速发展，以达到许多热处理产品所需要的高温（1900℉或1040℃以上）。

玻璃制作

天然气是玻璃工业中所使用的最主要的燃料。玻璃在一个巨大的天然气炉中加热到2800℉ （1540℃销裂），这种炉子每天可以生产出几百万吨玻璃产品。这些炉子具有专门吸收排出的热量装置，这些热量随后可以被用来预热燃烧的空气。许多玻璃的生产商已经安装了氧气一天然气炉子，以提高生产效率。然而，因为玻璃加工需要较高的温度，玻璃融化炉会产生大量氮的氧化物，虽然这些挥发物并不会大范围地扩散，但美国加利福尼亚南部的玻璃工业依然被要求必须减少这种氮氧化物的排放。

达到这一要求的方式称为“富氧分阶”（图7.13）。这一技术的过程为：先使炉子内的火焰缺氧 （减少其氧气的供应），这可以防止氮的氧化物生成。接着，在随后的操作中，将富氧的空气注入炉子内，以燃烧掉所有残余的燃料或一氧化碳。通过安装几个氧流量计和注入器，玻璃炉就很容易适应这种富氧空气分阶处理。天然气工业开发了一项新技术——脉动式燃烧，可以进一步减少氮氧化物的排放。

图7.13　玻璃熔化炉内的富氧空气分阶处理 （得到燃烧技术公司的许可）

玻璃的原材料或玻璃片（碎玻璃）在被熔化之前也能被预热。预热处理可以减少整个熔化过程中所需的燃料和氧气量。这种装置可以吸收来自熔化炉废弃的热量并用它将玻璃预热到900～1100℉（480～500℃）。

当玻璃被熔化之后，天然气还可以用来对玻璃制品进行回火处理。回火是生产汽车与建筑用玻璃的关键处理步骤。常规上，人们使用电子辐射热进行玻璃的退火处理。最近，研究人员实验用燃气对流热进行回火处理，取得了极好的结果。

工业干燥与处理

许多产品的制造过程需要干燥处理，包括纸张、涂料、纺织、塑料，甚至一些水果的加工。电子红外加热技术已在这些产品的加工过程中得到广泛应用，但天然气红外炉最近已成为这一市场上强有力的竞争者。在造纸工业中，陶瓷与金属制成的天然气红外炉被用于烘干纸和纸板上的涂层。 目前，在纸张的生产线上正在安装这些炉具，用于提高纸产品的质量并攻克生产的瓶颈。在纸张进入常规的干燥器之前，通过用天然气红外炉来预热潮湿的纸张，可以提高产量，增加干燥器的工作速度与能力，并可提高处理的效率。此外，一种新型天然气红外干燥器与加热器组合正在加紧研制，将用于造纸机械。

天然气红外加热还被用于自动化制造业中，以修复汽车的涂料。汽车涂料的应用正在增加，它已不用溶剂液体，而改用粉末状材料。粉末状涂料可以除掉那些容易挥发的化学物质，但却需要精确地控制操作时间与温度，以保证完美的结果。在汽车进入养护炉之前，天然气红外炉能够将粉末涂料 “胶结”在需要修复之处。用天然气预热处理还可以使汽车更为迅速地通过养护炉，进而提高产量。

在塑料工业中，电干燥器用来在塑料制品定型之前对其烘干，或者将塑料挤压、拉伸成最终产品，比如尼龙和聚酯。最近，天然气工业已开发并引进了一些工业干燥器，它们是按照加工塑料树脂的工序设计的。这些塑料干燥器可以处理吸水的或不吸水的树脂，这种干燥器还可用来在聚酯塑料被压制成饮料罐或其他产品之前改变其分子结构。

锅炉与蒸汽的生产

生产人员将蒸汽热量用于多种工业的工序中。比如，生产化学物品、纸张和制药业中需要大量的蒸汽。人工制造的蒸汽是在大型工业锅炉中生产的，这些锅炉以天然气、石油、煤、木材 （树干）为燃料，或者使用混合燃料。与其他工业处理一样，不断增加的能源价格已经促进了锅炉效率的提高，而且空气质量的调整也开始要求锅炉降低其排放物。

锅炉制造商通过开发与引进燃烧天然气的锅炉， 已经能够满足上述要求，这类锅炉高效且产生的易挥散的氮氧化物极低（少于25/ 1000000 ）。这些工业锅炉的功率可以达到3000hp （2240kW）。通过使用天然气作为煤和其他主要燃料的补充，大大减少了空气污染物。

食品加工

食品加工业是美国最大的制造业之一，同时也是最大的能源消耗者之一。食品加工过程中天然气的消耗主要来自产生蒸汽的锅炉。这些蒸汽在消毒、灭菌、罐头制作、烹饪、烘干、包装、设备清洗及其他的加工工序有很大的需求。食品加工业是最早使用高效、低排放的天然气锅炉的能源消费大户之一。

食品加工工业还在清洗、漂白、发泡和灭菌等工序中使用大量的热水。天然气是食品工业用来加热水和其他液体的重要工业燃料之一。人们已经为食品和其他设置开发了一些特制的、极为高效的工业热水器（图7.14）。此外，食品工厂还用天然气来进行烘干、烹调及焙烤、冷藏、制冰和除湿。

图7.14　直接接触式热水器（得到QuikWater的许可）

热电联供

天然气还广泛地应用在发电行业，而且锅炉所产生的蒸汽也能用来发电。当制造业不需要蒸汽时，也不会将锅炉关闭，而是继续保持运转，锅炉所产生的蒸汽可以被送往汽轮机发电。一些大型工业锅炉可以产生几千千瓦的电量。

在20世纪80年代，美国联邦法令鼓励地方公共部门从天然气用户手中购买电力，许多生产商在自己的工厂与车间安装了“现场”发电设备。这些设备还常常称为“现场消费”或分散的发电厂。如果同时产生电力和热量 （蒸汽或热水），就可称为“热电联供”。热电联供要比纯发电更为高效，这是因为废热可以被回收并利用。热电联供还称为“热与电的结合”，在70年代，这曾被称为“总能源系统”。

大型工业天然气用户率先使用现场发电与热电联供，但最近几年，天然气工业已经为小型工业与商业用户开发出了体积较小的设备。典型的代表是这些系统所发出的电少于50MW。在较小的热电联供系统中，用一台往复式发动机代替涡轮机发电，从发动机与辐射热流排出的热量可以被回收。这些设施的发电量不超过5MW。

通常，只有用户使用回收热量时，这些较小型的商用设施才具有经济实用性，比如用于游泳池、洗衣店、室内热水器或者大型建筑物内的加热与空调等 （回收的热量适用于动力吸收式制冷机）。在这些情况下，热电联供系统的总体效率可达70%，高于常规的能耗设备。虽然小型的热电联供系统在市场上的成功率较低，但是，电力设备工业的这种反常规的系统可以为商业用户和小型天然气工业用户提供多种机遇——在天然气配气工厂或热电联供系统中产生自己的电能。