張凱

（北京華儀通泰環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100068）

1 研究背景

能源作為一種現(xiàn)代社會發(fā)展不可或缺的重要物質基礎。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大。鍋爐等行業(yè)是天然氣、石油、煤等能源的主要消費者，燃燒器作為鍋爐等熱能裝置的核心特種設備，是一種通過燃燒的方式，把燃料物質進行高效的燃燒，輸出為熱能的燃燒設備，它集成了控制、能動、流體、機械、電氣、檢測與監(jiān)測等各類技術的機電一體化產(chǎn)品。該設備主要由燃料輸入系統(tǒng)、風量供應系統(tǒng)、點火與燃燒系統(tǒng)、自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)和安全監(jiān)測保護系統(tǒng)等組成。

隨著能源結構性調(diào)整，當前，以天然氣這種能源為燃料的燃燒器在生產(chǎn)、生活中得到了廣泛應用，所占比例份額也越來越大，盡管它是作為一種清潔能源的燃料來使用，但燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣中仍然會存在相當數(shù)量的氮氧化物、一氧化碳等有害物質。在這些廢氣中，尤其是氮氧化物等污染物不僅可以直接侵害人和動物的肺部器官，誘發(fā)肺癌等疾病，減低延緩植物的光合作用速率，影響它的成長；而且極易損害臭氧層，在大氣中與之反應產(chǎn)生的硝酸、光化學煙霧等二次污染物傷害整個生態(tài)圈和生物。氮氧化物作為燃氣鍋爐排放的主要污染物之一，也是造成霧霾現(xiàn)象的一大成因，總之，這些排放的氮氧化物污染物影響著整個生態(tài)建設和國民經(jīng)濟的發(fā)展。另外，近年來，隨著各大城市對空氣污染治理力度的加強，尤其是嚴格規(guī)定了鍋爐等燃燒煙氣中氮氧化物的排放要求，如已頒布的《北京市鍋爐大氣污染物排放標準》將工業(yè)鍋爐氮氧化物的排放標準做了進一步的提升，自2017年4月1日起，新建鍋爐氮氧化物的排放標準必須低于30mg/m3，而在用鍋爐必須低于80mg/m3，但是，目前絕大多數(shù)在用燃氣鍋爐的初始排放氮氧化物含量基本在150～200mg/m3，嚴重超標。隨著鍋爐排放新標準的實施，低氮控制已經(jīng)受到各級政府與民眾的重視，因此，燃氣燃燒器的低氮控制成為當下關注的課題，研究燃燒器低氮控制的重要性不言而喻。

2 研究內(nèi)容

燃燒器作為關鍵性的熱能設備，利用燃氣閥和風機等各器件將燃燒所需的燃氣與空氣導入燃燒室，然后，在燃燒室中燃氣與助燃空氣混合后，通過點火、引火等階段，進入火力負荷調(diào)節(jié)階段，組織燃燒，燃燒器的燃燒特性的優(yōu)良程度決定了燃料能耗、輸出熱功率、環(huán)保等重要指標。

傳統(tǒng)燃燒控制技術是指針對鍋爐燃燒器調(diào)節(jié)負荷出力大小和燃燒運行等方面要求的燃燒器，對火力負荷調(diào)節(jié)有所要求，并沒有對煙氣中氮氧化物排放量作嚴格要求。比調(diào)火力燃燒器作為其中的一種，曾經(jīng)占有較大的市場份額，它是采用機械比調(diào)裝置，可以通過比例調(diào)節(jié)噴嘴，調(diào)節(jié)負荷的大小，控制輸出熱功率。

低氮燃燒控制技術是在傳統(tǒng)燃燒器的基礎上，針對煙氣中氮氧化物含量進行有效控制的新技術。低氮燃燒控制技術主要在鍋爐的源頭和尾部進行，可以分為燃燒控制和煙氣處理兩種類型，燃燒控制是普遍使用的措施，從源頭入手，從根本出發(fā)。根據(jù)氮氧化物的生成，富氧高溫狀態(tài)下（＞1300℃），煙氣中所含有的氮氣和氧氣發(fā)生化合反應，生成氮氧化物，氮氧化物的產(chǎn)生速率主要與燃燒火焰的溫度有關，在工作燃燒過程中時，隨著燃燒區(qū)溫度上升（高至1700℃以上），氮氧化物產(chǎn)生值越大。根據(jù)化學原理，如果能有效降低爐膛中內(nèi)燃燒區(qū)溫度，首先，讓燃料和氧氣發(fā)生燃燒反應，然后當有氧氣殘余時，發(fā)生氮、氧的反應生產(chǎn)二氧化氮，但是較低的反應區(qū)溫度將延緩該反應發(fā)生速率，從而可以有效抑制氮氧化物的生成。目前，有貧燃預混燃燒、煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒、煙氣外循環(huán)燃燒、濃淡燃燒技術、分割火焰型燃燒技術等。

貧燃預混燃燒技術，它通過表面金屬網(wǎng)的高效過濾，其次是維持較高的過?？諝鈦斫档突鹧鎱^(qū)的溫度，從而能夠有效地控制氮氧化物。貧燃預混燃燒技術作用原理是，在一定壓力條件下的燃氣，通過燃料噴嘴以一定流速流出，再進入吸氣收縮管，同時，燃氣靠自身的能量吸入外部一次空氣，在引射管內(nèi)燃氣和助燃空氣混合后進入燃燒室參與燃燒，降低火焰區(qū)溫度以減少氮氧化物的生成。

貧燃預混燃燒器的優(yōu)點是不僅能夠有效地控制煙氣中氮氧化物的排放量，而且適用于各種類型的鍋爐，燃燒強度高，調(diào)節(jié)范圍廣。一般而言，當燃燒器的燃燒火力提升到一定強度，此時，火焰的傳熱速度會低于氣體的噴出速度，那么就很容易會發(fā)生脫火現(xiàn)象。但貧燃預混燃燒技術由于配置表面金屬網(wǎng)，金屬纖維強化了空氣與燃氣之間的質量傳遞，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧哂谄胀ǖ娜紵绞剑运兄叩娜紵龔姸群驼{(diào)節(jié)范圍，另外，燃燒強度的增加有利于設備的小型化和降低成本，應用廣泛。其缺點也較為明顯，首先，它的使用會造成排煙量增加，排煙熱損失和風機能耗過大，鍋爐熱效率降低明顯，可能造成燃料的能耗過大。其次，對空氣質量要求高，國內(nèi)空氣和燃氣質量，可能會造成過濾器堵塞，燃燒器表面金屬網(wǎng)堵塞，堵塞后可使燃氣量下降，不僅會影響正常生產(chǎn)，而且影響了燃燒器的使用壽命。還須定期更換空氣過濾器、燃氣過濾器、表面網(wǎng)，增加勞動強度，增大維護保養(yǎng)費用。最突出的是如果表面金屬網(wǎng)堵塞嚴重，存在回火安全隱患，造成金屬絲網(wǎng)、燃燒器損壞甚至鍋爐爆燃等事故。

煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒器，主要方法有在爐膛內(nèi)部形成旋流煙氣、回流煙氣等，一般用于普通的低氮應用，它是依靠鍋爐燃燒器噴嘴流速在爐膛中燃氣的高速射流來卷吸高溫煙氣，把少量煙氣參與再次燃燒，降低火焰溫度，其形成的強力的內(nèi)回流在火焰區(qū)增加中溫吸熱工質質量流量以達到降低氮氧化物產(chǎn)生量的目標。進行內(nèi)循環(huán)時，循環(huán)煙氣中由于存在少量過剩氧氣，因此，入口空氣量會略有降低，但目前針對煙氣內(nèi)循環(huán)的研究均以燃燒產(chǎn)生煙氣的百分比或燃燒空氣量的百分比直接計算，其計算結果和實際燃燒產(chǎn)生值存在偏差。煙氣內(nèi)循環(huán)煙氣的優(yōu)點是單燃燒可無須外循環(huán)裝置即可實現(xiàn)80mg/m3的排放。缺點局限性也較為突出，要求煙氣壓力達到200～400kPa，不具有普遍適用性，其次，是燃燒器大多用于大型（20t/h及以上）水管燃氣鍋爐。

煙氣外循環(huán)燃燒技術，加裝煙氣循環(huán)管道，利用風機的機械作用從煙道尾部抽取一部分煙氣，向燃燒室導入較大流量的煙氣，循環(huán)的煙氣和燃氣，助燃風混合，重新參與燃燒。為了實現(xiàn)這一目標，該系統(tǒng)通過加裝煙氣再循環(huán)回路裝置，采用電子比例控制燃燒管理系統(tǒng)，改進調(diào)風、配風條件，把燃料、風量、煙氣適當配比，充分混合，實現(xiàn)分級優(yōu)化燃燒。由于降低了助燃風含氧量，減低燃燒溫度，使燃燒火焰低氮，通過源頭控制等手段，從而降低氮氧化物排放量。低氮減排效果較好，改造成本費用低廉，廣泛應用于各類型鍋爐。煙氣外循環(huán)燃燒器，所采用的西門子分級優(yōu)化燃燒管理系統(tǒng)，具有較大的負荷調(diào)節(jié)比，在保證燃燒器運行安全、出力穩(wěn)定、滿足使用要求的的情況下，能通過電子比例調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)燃氣、空氣、煙氣伺服馬達聯(lián)動的閥門開度的大小實現(xiàn)分級燃燒，提高空燃比調(diào)節(jié)精度，優(yōu)化燃燒以調(diào)節(jié)煙氣中氮氧化物的含量，進而把煙氣排放氮氧化物的排放量降低在30mg/m3以下，然而，循環(huán)的煙氣流量控制不合適，勢必會對鍋爐穩(wěn)定燃燒性能有一定影響，同時，也會不利于爐膛內(nèi)部與各受熱面之間的熱量分配，降低鍋爐熱效率。

另外，在風機引風口處空氣和循環(huán)煙氣結合，較大的溫差會引發(fā)冷凝水的析出，利用過量的再循環(huán)煙氣參與燃燒，會造成管道和鍋爐的震蕩發(fā)生。不過，這些弊端都可以通過其他的技術手段解決。

濃淡燃燒技術，燃料分為兩部分進行燃燒（相對而言），在保持空氣量恒定的情況下，其中的一部分燃料進行過濃燃燒，另一部分實現(xiàn)過淡燃燒，其實，這兩部分燃氣都在偏離化學當量比下燃燒，因此，減少了一氧化氮的生成，這種燃燒又稱偏離燃燒或非化學當量燃燒。

分割火焰型燃燒技術，其作用原理是把燃燒火焰割離成若干個小火焰，一方面充分增大了各個火焰鋒面和空氣的接觸面積，另一方面由于小火焰散熱面積大，火焰溫度低，可以達到有效降低燃燒室火焰溫度的目的。另外，小火焰可以減少氮、氧的接觸時間，因而可以達到減少氮氧化物排放的目的。

各類低氮燃燒器應用前景廣泛，燃燒器市場呈現(xiàn)階躍式的增長，與此同時，我們也注意到，一些新型結構的燃燒器的使用，也存在一些問題。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究中存在的各類問題，針對貧燃預混表面燃燒方式的低氮控制，燃燒運行隱患，內(nèi)循環(huán)型燃燒器等各類燃燒器的應用局限性問題，對燃燒系統(tǒng)整體穩(wěn)定性存在的影響和鍋爐熱效率降低的現(xiàn)象進行研究，以期提升穩(wěn)定性，減弱熱效率的損耗。煙氣外循環(huán)燃燒器利用風機的機械作用向燃燒室導入較大流量的煙氣（占總排煙量的25%左右），極大地效降低了燃燒火焰的溫度，可以實現(xiàn)更低的氮氧化物排放。

3 研究意義

研究具有系統(tǒng)穩(wěn)定性高；節(jié)能降耗，熱效率高；減排顯著，氮氧化物的排放量少的低氮控制技術，不僅是時代的要求，也是國情的需要，將會給使用單位和社會帶來顯著的經(jīng)濟效率和良好的社會環(huán)境效益。

燃燒器的低氮控制，不但要追求低氮環(huán)保性目標，同時，也要保持燃燒系統(tǒng)的安全可靠性。研究表明，煙氣外循環(huán)燃燒器所配備的低能耗的優(yōu)化控制系統(tǒng)不僅能有效控制其輸出的額定熱功率，具有極高的系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性，而且可以高效抑制煙氣排放中的氮氧化物含量。該技術可以有效減少氮氧化物產(chǎn)生，提升空氣污染的治理能力，有利于可持續(xù)發(fā)展，具有廣泛的社會效益。

傳統(tǒng)燃燒控制技術已經(jīng)不能和現(xiàn)代工業(yè)社會的迅速發(fā)展相適應，新的理論、新的技術、新型低氮燃燒器的不斷改進以及新的計算機技術和遠程云端控制技術的不斷融入，才能滿足更高的節(jié)能環(huán)保要求。