4.4.1 天然气的能源利用

天然气的能源利用是将天然气通过直接燃烧的方式将其化学能转化为热能。天然气的主要成分是甲烷，天然气的燃烧主要是甲烷分子和氧气发生反应，反应产物主要是二氧化碳和水。与其他燃料气体相比，天然气的燃烧产物不易积炭，其产物中的碳氧化物、氮氧化物及可吸入颗粒物的含量都相对较低，可使空气污染率大幅降低，因此天然气是一种清洁能源。另外，天然气是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，也比空气轻，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，安全性较其他燃料气体而言相对较高。表4-1为天然气与煤气、石油气等燃料气体的优劣势对比。

采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染问题；天然气作为一种清洁能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少二氧化碳排放量60%和氮氧化物排放量50%，并有助于减少酸雨形成，纾缓地球温室效应，从根本上改善环境质量，因此得到了广泛的利用。目前，天然气能源利用的主要领域是：

① 民用及商业燃料。天然气发热量高、污染少，是一种优质的民用及商业燃料，广泛用于民用及商业燃气灶具、热水器、采暖及制冷。我国城镇人口到2020年达到7.3亿，其中大中型城市人口3.5亿，气化率将为85%～95%，其他城镇人口3.8亿，气化率将达45%。民用及城市商业用气需求将为（670～713）×108m3。

② 交通。天然气作为燃料，具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低等优点，已成为世界车用清洁燃料的发展方向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多的新能源汽车。

天然气汽车的一氧化碳、氮氧化物与烃类化合物排放水平都大大低于汽油、柴油发动机汽车，不积炭，不磨损，运营费用很低，是一种环保型汽车。

③ 发电。以天然气为燃料的燃气轮机电厂的废物排放量大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建设成本低，建设速度快；另外，燃气轮机启停速度快，调峰能力强，耗水量少，占地省；天然气联合循环发电，不仅经济，而且污染少，在国外已大量采用。我国到2020年将占到总发电量的5.6%～7.1%，天然气需求量为（533～627）×108m3。

④ 工业燃料。天然气的热值高，燃烧过程的污染少，燃烧后很洁净，是上好的工业燃料，广泛用于热风机、各种窑炉等。

（1）热风机行业

热风机应用非常广泛，如金属烤漆或喷塑行业、食品加工、粮食储备、陶瓷原料制备、商场冬季采暖等，以天然气为燃料的热风机，无疑是性能最优良的。

金属烤漆工艺的温度为100～140℃，喷塑工艺的温度为170～210℃。采用天然气作为燃料，可完全满足生产工艺的要求。

所有的粮库都有粮食干燥设备。除农村小粮库采用燃煤热风干燥外，更多的粮库是采用燃油、燃气热风机干燥粮食。

建筑瓷砖生产中，需要将瓷泥浆干燥成瓷泥粉末后再进行模压，因此在瓷砖烧成窑前都配有巨大的干燥塔。热风机将热风直接从塔底鼓进干燥塔，雾化的瓷泥浆从塔顶落下，热风和瓷泥雾在塔内逆向对流，瓷泥雾在落到塔底时就变成了瓷泥粉。

对一些用模具成形的陶瓷厂，模具每使用一次就会吸满水，使用后都必须进行干燥。除了余热烘干外，用得最多的就是使用热风机提供烘烤热源。商场冬季取暖大量使用热风机作大门热风幕或室内热风取暖。工厂车间采暖也不乏用热风机供暖。

（2）陶瓷窑

陶瓷窑采用天然气作燃料，既可提高产品质量，又可降低建设成本。因为天然气含杂质极少，燃烧时火焰的洁净度很高，不会发生杂质污损产品的现象，从而提高产品合格率，尤其对于高档产品更为明显。对于非洁净能源窑炉，为了不让能源杂质污损产品就必须采取隔焰措施。方法之一是将窑设计成隔焰窑，火焰燃烧室与工件加热区严格用碳化硅板隔开，使火焰根本不会与产品接触，火焰将碳化硅板烧红，由碳化硅板向工件辐射热能，达到烧成的目的。方法之二是用耐火材料制成匣钵，将工件密扣在匣钵中再进炉烧制，这样也可以防止火焰杂质影响产品质量。隔焰窑的建造成本远高于裸烧窑，匣装不但要增加匣钵，还会减少装炉量和增加匣钵的蓄热损失。而对于天然气窑炉而言，火焰洁净度高，可以直接与产品接触不会影响产品质量，所有这些增加成本的损失都不会发生。

（3）锻造加热炉

锻造炉采用天然气做燃料，利用天然气的洁净优势可以将排放物对环境的影响降到最低，加热炉尾气可以直接排入厂房内而不至于影响车间生产环境。同时，天然气锻造炉不需要依赖烟囱的抽力就能运行，只需要有高出炉顶2m左右的铁烟囱即可。这样既可以节省烟道和烟囱投资，又可以使炉子安装时不受烟道位置的限制，工艺流程布置更合理。另外，天然气加热炉顶的短小烟囱很容易制成热交换器，将燃烧所需要的助燃风进行预热，做成蓄热式燃烧系统，从而提高热效率。

对于中小型锻造加热炉，天然气燃烧机一般装在顶部。对于中大型加热炉，烧嘴装在两侧。为了使炉膛温度均匀，应选用高速烧嘴。锻造加热所用的烧嘴一般不采用全自动机电一体化烧嘴，而采用自动分体式烧嘴，这样有利于得到高速火焰，也便于灵活的工艺控制。

天然气能源利用的主要设备是天然气燃烧器。从广义上讲，家用的热水器、煤气灶，乃至打火机等都可以认为是燃烧器的一种。按其工作原理，可将燃烧器定义为是一种将物质通过燃烧使其化学能转化为热能的设备，即将空气与燃料通过预混装置按适当比例混兑以使其充分燃烧。

天然气燃烧器的分类方法很多，按燃烧控制方式可分为单段火燃烧器、双段火燃烧器、比例调节燃烧器；按燃料的雾化方式可分为机械式雾化燃烧器和介质雾化燃烧器；按燃烧器的结构形式可分为整体式燃烧器以及分体式燃烧器。其中分体式燃烧器主要应用于工业生产，其主要特征为燃烧系统、给风系统、控制系统等均分解安装，该种机器主要适合于大型设备或高温等特殊工作环境。