淺析多元耦合低氮氧化物燃燒技術(shù)

韓復(fù)興 楊立輝 沈向陽

摘 要：介紹了低氮氧化物燃燒技術(shù)原理，并對多元耦合低氮燃燒技術(shù)特征進(jìn)行了分析，文章還分析了低氮氧化物燃燒技術(shù)在燃燒器和燒嘴中的應(yīng)用，對在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用也進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：低氮燃燒技術(shù);多元耦合;燃燒器;燒嘴;陶瓷工業(yè)

1 前 言

1987年9月5日，我國第一部大氣污染防治法——《中華人民共和國大氣污染防治法》頒布，標(biāo)志著我國正式開啟清潔生產(chǎn)工作;2003年1月1 日《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》開始實施，標(biāo)志著我國清潔生產(chǎn)工作進(jìn)入成熟期;2018年6月27日國務(wù)院印發(fā)關(guān)于《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的通知，標(biāo)志著清潔生產(chǎn)工作進(jìn)入深水區(qū)。

《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》提出：“以京津冀及周邊地區(qū)、長三角地區(qū)、汾渭平原等區(qū)域（以下稱重點區(qū)域）為重點，持續(xù)開展大氣污染防治行動”、“經(jīng)過3年努力，到2020年，二氧化硫、氮氧化物排放總量分別比2015年下降15%以上;PM2.5未達(dá)標(biāo)地級及以上城市的PM2.5濃度比2015年下降18%以上，地級及以上城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比率達(dá)到80%，重度及以上污染天數(shù)比率比2015年下降25%以上的目標(biāo)”[1]。2018年9月18日，生態(tài)環(huán)境部等18部門聯(lián)合下文《京津冀及周邊地區(qū)2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》，方案主要任務(wù)之（一）調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之4加快推進(jìn)排污許可管理提出“2018年12月底前，各城市完成陶瓷等工業(yè)排污許可證核發(fā)，將錯峰生產(chǎn)方案載入排污許可證，確保排污單位落實持證排污、按證排污的環(huán)境管理主體責(zé)任”、方案主要任務(wù)之（八）有效應(yīng)對重污染天氣之25夯實應(yīng)急減排措施提出“2018年9月底前，各城市完成重污染天氣應(yīng)急預(yù)案減排措施清單編制，報生態(tài)環(huán)境部備案”、”細(xì)化應(yīng)急減排措施、落實到企業(yè)各工藝環(huán)節(jié)，實施清單化管理”[2]。實施環(huán)保政策加速淘汰落后產(chǎn)能：據(jù)中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會統(tǒng)計，2018年全國規(guī)模以上建筑陶瓷企業(yè)1265家，137家企業(yè)由于環(huán)保等原因退出歷史舞臺;2018年陶瓷磚產(chǎn)量90.11億平方米，同比下降11.2%，產(chǎn)量大幅下降至2012年的水平，創(chuàng)下了行業(yè)有史以來最大跌幅。實施環(huán)保政策有效遏制產(chǎn)品低價傾銷，2018年我國全年陶瓷磚出口39.86億元，同比下降9.94%[3]。

除了實施秋冬季管控，錯峰生產(chǎn)，生態(tài)環(huán)境部又下發(fā)了《陶瓷工業(yè)污染防治技術(shù)指南》（HJ2304-2018）、《排污許可證申請與合法技術(shù)規(guī)范——陶瓷磚瓦工業(yè)》（HJ954-2018）、《陶瓷工業(yè)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 1092-2020）等標(biāo)準(zhǔn)，部分省下發(fā)《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》地方標(biāo)準(zhǔn)、實施了《工業(yè)窯爐大氣污染綜合治理方案》專項治理。

在陶瓷窯爐燃燒所產(chǎn)生的各種大氣污染物中，氮氧化物的危害最大，同時也最難治理[4]。當(dāng)前普遍存在重視末端治理，而忽視燃燒控制技術(shù)的現(xiàn)象。這也是導(dǎo)致治理成本大幅攀升，出口成本優(yōu)勢急劇下降的主要原因之一。因此重視燃燒控制技術(shù)，尤其是低氮燃燒技術(shù)顯得比較重要和迫切。下面分析低氮燃燒技術(shù)在陶瓷工業(yè)的應(yīng)用。

2 低氮燃燒技術(shù)原理

在陶瓷燒制過程中所產(chǎn)生的氮的氧化物主要為NO和NO2，通常把這兩種氮的氧化物通稱為氮氧化物NOx。大量實驗結(jié)果表明，燃燒裝置排放的氮氧化物主要為NO，占95%以上;低溫時有部分NO與空氣中的氧或大氣中的臭氧轉(zhuǎn)化為高價態(tài)的氮氧化物，其中主要為NO2。NOx 在紫外線照射下與其它化學(xué)物質(zhì)（ 主要是碳化氫H C ） 發(fā)生光化反應(yīng)， 形成強(qiáng)氧化劑，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧。這種光化學(xué)煙霧的毒性更強(qiáng)，對人及動物植物有更強(qiáng)的傷害作用。以天然氣為燃料燒制陶瓷制品時，NOx的來源有四種，即熱力型、燃料型、原料型、快速型。

2.1熱力型NOx/Thermal NOx

熱力型NOx是由前蘇聯(lián)科學(xué)家捷里多維奇（Zeldovich）提出，指在高溫環(huán)境下，空氣中的氮被氧化生成NOx，又稱為溫度型NOx。溫度是反應(yīng)的關(guān)鍵性影響因素，燃燒溫度在1800K（1530℃）以下，熱力型NOx，生成量很小，若溫度超過1800K，每增加100K，反應(yīng)速率增大6～7倍。在建筑陶瓷輥道窯內(nèi)必須提供高溫、過量空氣等氣氛，以確保陶瓷制品的煅燒品質(zhì)，而在此高溫、富氧環(huán)境為熱力型NOx的生成提供了合適的條件。煙氣在輥道窯內(nèi)停留時間越長，輥道窯內(nèi)煙氣溫度越高，熱力型NOx生成越多。

由此可見，在陶瓷窯爐或噴霧干燥塔燃燒系統(tǒng)中，熱力型NOx并非NOx形成的主要因素。

2.2燃料型NOx/Fuel NOx

其一般是燃料中的含氮有機(jī)化合物熱分解產(chǎn)生N、CN、HCN、NH等中間基團(tuán)，后發(fā)生氧化反應(yīng)所產(chǎn)生。天然氣是綠色燃料，其中氮源幾乎為零，可以忽略不計，因此，天然氣燃燒過程中不易生成燃料型NOx。

2.3原料型NOx/Feed NOx

燒制陶瓷制品的原料主要成分為長石、石英、石灰石、透輝石、粘土等，瘠性原料不含氮源，部分粘土原料中可能含有1×10-8～100×10-6mg/Kg的氮源。原料型NOx主要在溫度窗口為300～900℃內(nèi)高溫分解生成，譬如噴霧干燥塔或燒成窯的烘烤區(qū)。陶瓷廠原料氮源可以通過化學(xué)分析，原料優(yōu)選，避免使用含氮原料，所以完全可以控制。

2.4快速型NOx/Prompt NOx

快速型NOx由費尼莫（Fenimore）于1971年最先提出，指在高溫狀態(tài)下，天然氣等燃料中碳?xì)浠衔镌谌紵倪^程中，會高溫分解產(chǎn)生CH自由基，爐膛內(nèi)的氮氣和CH自由基會生成HCN和N，再將進(jìn)一步形成瞬時型NO，由于CH等活性根只有在深度富氧條件下才會大量生成，因此陶瓷輥道窯燒制陶瓷制品所生成的瞬時型NOx較少。相對而言，大顆粒的固體燃料在燃燒時，較難與空氣進(jìn)行均勻混合，較易形成富燃料現(xiàn)象，從而生成快速型NOx。天然氣為氣體燃料，易與空氣均勻混合，因此，天然氣燃燒過程中不易生成快速型NOx。

在還原性氣氛下燃料相對過量，過量的燃料中的CH自由根與助燃空氣中的N2快速反應(yīng)生成快速型NOx?？焖傩蚇Ox生成速度快，受煙氣溫度影響較小，主要在還原性、富燃料區(qū)生成。只有在所生成的NOx總量較低時，才考慮快速型NOx的生成。

NOx是由燃燒產(chǎn)生的，而燃燒方法和燃燒條件對NOx的生成有較大影響，下面來闡述低氮燃燒控制方法。

3 多元耦合低氮氧化物燃燒技術(shù)

國外上世紀(jì)從50 年代起就開始了燃燒過程中氮氧化物生成機(jī)理和控制方法的研究。到70 年代末和80 年代，低NOx 燃燒技術(shù)的研究和開發(fā)達(dá)到高潮，開發(fā)出了低NOx 燃燒器等實用技術(shù)。進(jìn)入90 年代，有關(guān)電站鍋爐供貨商又對其開發(fā)的低NO x 燃燒器做了大量的改進(jìn)和優(yōu)化工作， 使其日臻完善[5]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，低氮氧化物燃燒技術(shù)呈現(xiàn)多元耦合技術(shù)特征。

多元耦合低氮氧化物燃燒技術(shù)耦合包括但不限于：分級燃燒技術(shù)、高溫燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)和低氮氧化物燃燒器等技術(shù)。

3.1分級燃燒技術(shù)

熱力型NOx需高溫條件，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料與空氣的當(dāng)量比為1：1 時，燃燒溫度最高。因此，基于該原理，人們提出目前使用最廣的分級燃燒技術(shù)，包括空氣分級燃燒技術(shù)與燃料分級燃燒技術(shù)。空氣分級燃燒是美國在20 世紀(jì)50 年代提出的，將空氣分兩次通入鍋爐，形成兩級燃燒。一次空氣與燃料在鍋爐入口附近的著火區(qū)進(jìn)行局部富燃料燃燒，僅生成少量NOx。通過推遲二次空氣的混入，進(jìn)而降低鍋爐內(nèi)溫度，較大程度地抑制了熱力型NOx的生成。燃料分級燃燒與空氣分級燃燒正好相反，第一級為富空氣燃燒，雖會生成一定量的NOx，但在第二級燃燒中，通入二次燃料，可以使第一級生成的NOx在還原氣氛下生成N2，進(jìn)而控制NOx生成。空氣分級燃燒比燃料分級燃燒更易于操作和控制，也更成熟，是目前使用最廣泛的低NOx燃燒技術(shù)之一。但由于其燃燒溫度較低，在供熱燃?xì)忮仩t中使用較少[6]。而燃料分級燃燒技術(shù)適用于各種燃?xì)飧G爐，且能顯著降低NOx排放量，超低使煙氣中NOx質(zhì)量濃度降至60 mg /m3 左右[7]。

3.2高溫空氣燃燒技術(shù)

高溫空氣燃燒技術(shù)（hight emperature air combus -tion HTAC）是日本于80 年代末提出的一種全新概念燃燒技術(shù)， 它把回收煙氣余熱、高效燃燒及降低NOx 排放等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來， 從而實現(xiàn)了極限節(jié)能和極限降低NOx排放量的雙重目的。高溫空氣燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)的采用各種換熱器來回收余熱的方式相比， 具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢： （1）采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置， 交替切換煙氣和空氣/ 煤氣， 使之流經(jīng)蓄熱體， 能最大限度地回收高溫?zé)煔獾奈锢頍幔?大幅度節(jié)約能源、提高熱工設(shè)備的熱效率， 同時減少CO2 排放量; （2） 通過組織貧氧燃燒， 擴(kuò)大了火焰燃燒區(qū)域， 火焰邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛邊界， 使得爐內(nèi)溫度分布均勻， 煙氣中NOx 的排放可減少40%以上; （3） 爐內(nèi)平均溫度增加， 加強(qiáng)了爐內(nèi)的傳熱， 使同一規(guī)格的熱工設(shè)備產(chǎn)量提高20%以上， 降低了設(shè)備的造價; （4）低熱值燃料借助高溫預(yù)熱的空氣或高溫預(yù)熱的燃?xì)饪色@得較高的爐溫， 擴(kuò)大了低熱值燃料的應(yīng)用范圍。2004年，韓復(fù)興率先將HTAC技術(shù)應(yīng)用于壓延微晶玻璃晶化退火輥道窯設(shè)計，總體節(jié)能達(dá)65%以上，減排氮氧化物達(dá)40%以上，120m單窯年節(jié)約650萬元燃料成本，社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯[8]。

3.3煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)的本質(zhì)是通過將燃燒產(chǎn)出的煙氣重新引入燃燒區(qū)域，實現(xiàn)對燃燒溫度氧化物濃度的控制，從而實現(xiàn)降低氮氧化物的排放和節(jié)約能源的效果。其減排機(jī)理可以用熱力型NOx的生成機(jī)理來解釋。

根據(jù)機(jī)理的差異，煙氣再循環(huán)技術(shù)可分為外部煙氣再循環(huán)與內(nèi)部煙氣再循環(huán)。外部煙氣再循環(huán)技術(shù)是指窯爐出口的煙氣經(jīng)過一個外部管道循環(huán)返回窯爐的燃燒區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，外部煙氣再循環(huán)可以減少70% NOx生成量。內(nèi)部煙氣再循環(huán)技術(shù)是指通過改變?nèi)紵髋c爐膛的結(jié)構(gòu)，使煙氣在爐膛內(nèi)循環(huán)回流到燃燒區(qū)域。內(nèi)部煙氣再循環(huán)可以借助旋流燃燒器讓氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)達(dá)到循環(huán)效果，也可以通過高速噴射火焰的卷吸作用使煙氣循環(huán)。通過煙氣再循環(huán)，產(chǎn)生渦流，在火焰中心形成環(huán)形的再循環(huán)區(qū)域，該區(qū)域的高溫氣體將回到燃燒器喉部，不僅確保了天然氣點火，而且降低了火焰溫度和氧氣分壓，進(jìn)而減少NOx生成。研究發(fā)現(xiàn)，隨著煙氣再循環(huán)比例增加，NOx生成量減少幅度增加。但煙氣的引入導(dǎo)致爐膛溫度降低，煙氣流速增加，爐膛與各受熱面間的熱量分配改變，窯爐熱效率降低。同時，還可能出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

煙氣再循環(huán)在鍋爐方面的應(yīng)用研究較早，1965年南京工學(xué)院熱力設(shè)備教研組就對煙氣在循環(huán)在鍋爐方面應(yīng)用進(jìn)行了研究[9]。

3.4無焰燃燒技術(shù)

傳統(tǒng)的火焰燃燒為局部燃燒過程，由于反應(yīng)僅發(fā)生在火焰處，因此，極易形成局部高溫，導(dǎo)致NOx的生成。1989 年德國和日本的工程師提出了無焰燃燒技術(shù)。進(jìn)行無焰燃燒時需將空氣預(yù)熱至650℃，爐內(nèi)溫度僅1 000℃，NOx接近于零排放。無焰燃燒是指將高溫空氣和燃料通過不同噴口噴入燃燒室，劇烈混合，使反應(yīng)在一個寬廣區(qū)域內(nèi)發(fā)生，有時甚至?xí)錆M整個爐膛，火焰被劇烈放大，鋒面消失，無明顯輪廓，肉眼看不見明顯火焰，因此被稱為無焰燃燒。由于燃燒在整個爐膛內(nèi)發(fā)生，溫度分布均勻，不會出現(xiàn)局部高溫區(qū)，從而將NOx濃度控制在較低水平。進(jìn)行無焰燃燒，需要滿足以下要求： 應(yīng)分別射入高速空氣流和燃料流，以降低氧氣濃度; 應(yīng)保持整個燃燒環(huán)境溫度穩(wěn)定; 爐膛內(nèi)多余熱量應(yīng)快速移除，以保證爐膛內(nèi)溫度不會過高。

3.5預(yù)混燃燒技術(shù)

預(yù)混燃燒是指在混合物點燃之前，將燃?xì)馀c助燃空氣在分子層面上完全混合，對于控制NOx的生成，這項技術(shù)的優(yōu)點是可以通過當(dāng)量比的完全控制實現(xiàn)對燃燒溫度的控制，從而降低熱力型NOx生成速率，在有些情況下，預(yù)混燃燒和部分預(yù)混可比非預(yù)混燃燒減少85%～90%的NOx生成。另外，完全預(yù)混還可以減少過量空氣系數(shù)不均勻性所導(dǎo)致的對NOx生成控制的降低。但是，預(yù)混燃燒技術(shù)在安全性控制上仍存在未解決的技術(shù)難點：一是預(yù)混氣體由于其高度可燃性可能會導(dǎo)致回火;二是過高的過量空氣系數(shù)會導(dǎo)致排煙損失的增加，降低了窯爐熱效率。

3.6催化燃燒技術(shù)

催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng)，它借助催化劑降低了反應(yīng)的活化能，使其在較低的起燃溫度200℃～300℃下進(jìn)行無焰燃燒. 與傳統(tǒng)的火焰燃燒相比，催化燃燒有著很大的優(yōu)勢;1） 起燃溫度低，能耗少，燃燒易達(dá)穩(wěn)定，甚至到起燃溫度后無需外界傳熱就能完成氧化反應(yīng); 2） 凈化效率高，污染物如NOx及不完全燃燒產(chǎn)物等的排放水平較低;3） 燃燒為無焰燃燒，散熱方式主要為輻射散熱，散發(fā)出來的能量得到充分利用且能源利用率較高。張世紅等研究出了天然氣催化燃燒爐窯，并將催化燃燒爐窯應(yīng)用到琉璃的燒制中，得到了其能燒制琉璃[10]。

3.7微波輔助氣體燒成技術(shù)

微波輔助氣體燒成技術(shù)（MAGF）是一種較實用、合理的燒成方法。微波被用來加熱制品，使制品從內(nèi)到外快速升溫， 燃?xì)猱a(chǎn)生輻射熱源，使坯體表面升溫，防止表面熱損失而使溫度偏低，減少制品中不均勻性溫度分布的產(chǎn)生。用微波輔助燒成技術(shù)，產(chǎn)品的熱應(yīng)力和非均質(zhì)性比普通工藝要低得多， 溫度分布均勻，而且由于坯內(nèi)外溫差小，可快速燒成，故能耗低，輻射小。據(jù)國外資料， 采用MAGF 技術(shù)燒成可增產(chǎn)4 倍，節(jié)能70 %以上，能源成本下降40 %，有害物質(zhì)的揮發(fā)量大量減少，而且由于燒成中的熱應(yīng)力低，產(chǎn)品的機(jī)械性能亦有所改善。在國外， 這類MAGF 技術(shù)已成功地在各種耐火材料、日用陶瓷及衛(wèi)生陶瓷燒成中得到應(yīng)用， 并已從實驗室階段走向了小規(guī)模生產(chǎn)，主要窯爐型式有隧道窯（長度15 m ，燒成溫度1600℃）、梭式窯（41 m3，燒成溫度1200℃;1 m3 ，燒成溫度1 600℃）。燒成產(chǎn)品從特種陶瓷如氧化鋁陶瓷（Al2O3 舟型坩堝、發(fā)動機(jī)增壓器渦輪轉(zhuǎn)子、輥道窯上使用的長3 m 的棍棒、透明氧化鋁等）、絕緣瓷瓶、汽車用瓷、電瓷、日用瓷及其它建筑衛(wèi)生陶瓷、耐火材料等[11]。

4 低氮氧化物燃燒應(yīng)用技術(shù)

上世紀(jì)70年代以來，日本、美國、韓國、法國、意大利、英國、德國、澳大利亞、加拿大、俄羅斯、中國臺灣等爭相研發(fā)低氮氧化物燃燒器和低氮氧化物燒嘴。

4.1 低氮氧化物燃燒技術(shù)在燃燒器方面的應(yīng)用

低氮氧化物燃燒器在鍋爐、噴霧干燥中均有應(yīng)用，常見的低氮氧化物燃燒器有：分階段燃燒器、濃淡燃燒器、分割火焰燃燒器、混合促進(jìn)型燃燒器、低NOx預(yù)燃室燃燒器、中心穩(wěn)燃燃燒器、預(yù)混燃燒器等，部分先進(jìn)國家低氮燃燒器已經(jīng)實現(xiàn)煙氣氮氧化物濃度≤30ppm;開始向更超低氮燃燒器，煙氣氮氧化物濃度≤10ppm目標(biāo)努力，但是我國的低氮燃燒器仍處于煙氣氮氧化物濃度≤60ppm水平，亟待擴(kuò)大創(chuàng)新投入。

（1）分階段燃燒器。

分階段燃燒器是早期的低氮氧化物燃燒器，而且經(jīng)歷了空氣分幾段和燃?xì)夥蛛A段兩個世代。第一世代：第一世代低氮氧化物技術(shù)以空氣分級（Air staging）技術(shù)為代表，分階段地向燃燒爐內(nèi)供給空氣，防止由燃燒爐內(nèi)的燃料引起的快速氧化反應(yīng)，降低火焰的溫度，由此減少熱力型氮氧化物。 第二世代：第二世代低氮氧化物技術(shù)以燃?xì)夥旨墸℅as staging）技術(shù)為代表，其特征在于，分為中心部（約5%～25%）與外圍部（75%～95%）而噴射氣體，造成中心部空氣過剩而外圍部空氣不足的狀態(tài)，抑制占火焰大部分的外圍部的氧化反應(yīng)，不讓火焰溫度升高，從而減少熱力型氮氧化物的產(chǎn)生。雖然因外圍火焰處于空氣不足狀態(tài)而可能產(chǎn)生快速型氮氧化物，但是通過向周邊噴射氣體以確?；鹧鏈囟仍?000℃以下，從而能夠同時實現(xiàn)火焰保焰功能和抑制快速型氮氧化物產(chǎn)生功能[12]。

（2）濃淡燃燒器。

其原理是使一部分燃料作過濃燃燒，另一部分燃料作過淡燃燒，但整體上空氣量保持不變。由于兩部分都在偏離化學(xué)當(dāng)量比下燃燒，因而NOx都很低，這種燃燒又稱為偏離燃燒或非化學(xué)當(dāng)量燃燒。

（3）分割火焰燃燒器。

其原理是把一個火焰分成數(shù)個小火焰，由于小火焰散熱面積大，火焰溫度較低，使“熱反應(yīng)NO”有所下降。此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，對“熱反應(yīng)NO”和“燃料NO”都有明顯的抑制作用。

（4）混合促進(jìn)型燃燒器。

煙氣在高溫區(qū)停留時間是影響NOx生成量的主要因素之一，改善燃燒與空氣的混合，能夠使火焰面的厚度減薄，在燃燒負(fù)荷不變的情況下，煙氣在火焰面即高溫區(qū)內(nèi)停留時間縮短，因而使NOx的生成量降低?；旌洗龠M(jìn)型燃燒器就是按照這種原理設(shè)計的。

（5）低NOx預(yù)燃室燃燒器。

預(yù)燃室是近10年來我國開發(fā)研究的一種高效率、低NOx分級燃燒技術(shù)，預(yù)燃室一般由一次風(fēng)（或二次風(fēng)）和燃料噴射系統(tǒng)等組成，燃料和一次風(fēng)快速混合，在預(yù)燃室內(nèi)一次燃燒區(qū)形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料進(jìn)行燃燒，燃料在貧氧和火焰溫度較低的一次火焰區(qū)內(nèi)析出揮發(fā)分，因此減少了NOx的生成。

4.2低氮氧化物燃燒技術(shù)在陶瓷窯爐及燒嘴方面的應(yīng)用

陶瓷窯爐低氮氧化物燃燒系統(tǒng)及低氮氧化物燒嘴雖然研究和應(yīng)用較晚，但也有不少技術(shù)成果，譬如調(diào)溫高速、預(yù)混、分段、預(yù)混分段、蓄熱等型低氮氧化物燒嘴和脈沖控制高速燃燒系統(tǒng)等。

（1）高溫調(diào)速燒嘴。

美國人Bickley 在上世紀(jì)50年代末發(fā)明調(diào)溫高速燒嘴（ISO-jet ），它是使燃料在燃燒室內(nèi)進(jìn)行完全燃燒后加人調(diào)溫空氣（或二次空氣）來調(diào)節(jié)焰氣的溫度，然后從噴火口高速噴出，噴速可達(dá)150 m /s，這是最早出現(xiàn)的低氮氧化物燒嘴。調(diào)溫高速燒嘴高，上世紀(jì)80年代末，在我國陶瓷行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，在各種間歇式與連續(xù)式窯爐上，均有使用，它主要特點是燒嘴噴出的高速焰氣能卷吸爐內(nèi)的氣體形成強(qiáng)烈的循環(huán)流，改善爐內(nèi)傳熱和溫度均勻性。

（2）分段燒嘴。

上世紀(jì)70年分段燒嘴與分段燃燒器同時出現(xiàn)，分段燒嘴先后也先后經(jīng)歷了空氣分段燒嘴和燃?xì)夥侄螣臁?/p>

（3）預(yù)混燒嘴。

煤氣與空氣混合的愈均勻，則燃燒反應(yīng)愈快，火焰愈短，化學(xué)不完全燃燒損失愈小。燃?xì)鉄彀疵簹馀c空氣混合原理的不同分為全預(yù)混式燒嘴、半預(yù)混式燒嘴、非預(yù)混式燒嘴三類。全預(yù)混燒嘴空氣溫度和燃?xì)鉁囟染荒艹^400℃，否則容易爆炸。

（4）預(yù)混分段燒嘴。

上世紀(jì)80年代初，國外出現(xiàn)了預(yù)混分段燒嘴，分段式預(yù)混低氮燃燒技術(shù)是分階段燃燒技術(shù)的一種，即現(xiàn)將一次助燃風(fēng)與燃?xì)忸A(yù)混，縮短空氣與燃?xì)饣旌蠒r間，然后在缺氧狀態(tài)下燃燒;二次風(fēng)則參與未燃盡火焰進(jìn)行二次燃燒，最終實現(xiàn)全部燃燒。

（5）脈沖控制高速燒嘴。

上世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了脈沖控制高速燒嘴系統(tǒng)（注意有別于燃?xì)庵鲃用}沖燃燒）。在該系統(tǒng)中， 高速燒嘴僅在最大供熱能力（脈沖的峰值） 和最小能力（脈沖的谷值）兩種工況下運行，供熱量是通過改變脈沖峰值的延續(xù)時間與間斷時間來達(dá)到的。通常，脈沖峰值延續(xù)的時間是預(yù)定的（譬如延續(xù)時間為1～45 S可調(diào)，且可在運行中調(diào)整）。根據(jù)爐內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的差值來觸發(fā)脈沖， 脈沖間斷的時間是自動控制的。脈沖高速燒嘴的原理是燃料與助燃空氣的混合氣脈沖地噴入燃燒室內(nèi)，在一個適當(dāng)?shù)母邷貧夥罩斜ㄈ紵?，從而形成脈沖的高速高溫氣流。

（6）蓄熱燒嘴。

蓄熱式燒嘴（RCB）是一種組合式燒嘴系統(tǒng)， 每個系統(tǒng)有兩個蓄熱床，因此又叫雙蓄床燒嘴系統(tǒng)。蓄熱式燒嘴是一種通過蓄熱室從窯爐煙氣中回收熱量來預(yù)熱空氣以此達(dá)到交替燃燒均勻加熱目的的燒嘴。蓄熱式燒嘴主要應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)饧訜犷I(lǐng)域，以低NOx排放，很高的燃燒熱效率著稱[13]。2004年在建筑陶瓷窯爐中有應(yīng)用。

5 在陶瓷工業(yè)應(yīng)用展望

低氮氧化物燃燒技術(shù)作為源頭燃燒控制技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展方面必然有較好的表現(xiàn)，具體表現(xiàn)如下：

1）可綜合性地解決脫硝與節(jié)能之間的矛盾，可大幅降低能源成本;

2）可系統(tǒng)性地解決窯爐脫硝、干燥窯正壓無組織排放問題和末端治理的二次污染問題，是最環(huán)保的脫硝技術(shù);

3）可為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)提供整體解決方案，增加從源頭管控環(huán)節(jié)，能徹底解決陶瓷產(chǎn)業(yè)重點、難點污染源，對推動陶瓷產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

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Multi-coupling Low-nitrogen Oxide Combustion Technology

HAN Fu-xing， YANG Li-hui， SHEN Xiang-yang

（ Belite Ceramics Co. ， Ltd. ， Anyang， Neihuang 456300 ）

Abstract： The principle of low-nitrogen oxide combustion technology is introduced， the characteristics of multi-element coupling low nitrogen combustion technology are analyzed. The application of nitrogen oxide combustion technology in burner and burner is also analyzed. The application in ceramic industry is also prospected.

Keywords： Low Nitrogen Combustion Technology;multi-coupling;burner;burner;Ceramic Industry

作者簡介： 韓復(fù)興，材料工程師，從事建筑陶瓷/微晶玻璃/發(fā)泡陶瓷研究開發(fā)及生產(chǎn)，擅長新材料開發(fā)和固廢資源綜合利用