低氮燃?xì)馊紵骷夹g(shù)探討

張凱

（北京華儀通泰環(huán)保科技有限公司，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(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會經(jīng)濟(jì)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(fèi)者，燃燒器作為鍋爐等熱能裝置的核心特種設(shè)備，是一種通過燃燒的方式，把燃料物質(zhì)進(jìn)行高效的燃燒，輸出為熱能的燃燒設(shè)備，它集成了控制、能動、流體、機(jī)械、電氣、檢測與監(jiān)測等各類技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。該設(shè)備主要由燃料輸入系統(tǒng)、風(fēng)量供應(yīng)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(hù)系統(tǒng)等組成。

隨著能源結(jié)構(gòu)性調(diào)整，當(dāng)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(yīng)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(dāng)數(shù)量的氮氧化物、一氧化碳等有害物質(zhì)。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(yīng)產(chǎn)生的硝酸、光化學(xué)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?xì)忮仩t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(shè)和國民經(jīng)濟(jì)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(qiáng)，尤其是嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)》將工業(yè)鍋爐氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)做了進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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?xì)忮仩t的初始排放氮氧化物含量基本在150～200mg/m3，嚴(yán)重超標(biāo)。隨著鍋爐排放新標(biāo)準(zhǔn)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?xì)馊紵鞯牡偷刂瞥蔀楫?dāng)下關(guān)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(guān)鍵性的熱能設(shè)備，利用燃?xì)忾y和風(fēng)機(jī)等各器件將燃燒所需的燃?xì)馀c空氣導(dǎo)入燃燒室，然后，在燃燒室中燃?xì)馀c助燃空氣混合后，通過點火、引火等階段，進(jìn)入火力負(fù)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(biāo)。

傳統(tǒng)燃燒控制技術(shù)是指針對鍋爐燃燒器調(diào)節(jié)負(fù)荷出力大小和燃燒運(yùn)行等方面要求的燃燒器，對火力負(fù)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(yán)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(jī)械比調(diào)裝置，可以通過比例調(diào)節(jié)噴嘴，調(diào)節(jié)負(fù)荷的大小，控制輸出熱功率。

低氮燃燒控制技術(shù)是在傳統(tǒng)燃燒器的基礎(chǔ)上，針對煙氣中氮氧化物含量進(jìn)行有效控制的新技術(shù)。低氮燃燒控制技術(shù)主要在鍋爐的源頭和尾部進(jìn)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(yīng)，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(guān)，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(xué)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(yīng)，然后當(dāng)有氧氣殘余時，發(fā)生氮、氧的反應(yīng)生產(chǎn)二氧化氮，但是較低的反應(yīng)區(qū)溫度將延緩該反應(yīng)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(yù)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(shù)、分割火焰型燃燒技術(shù)等。

貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)，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(yù)混燃燒技術(shù)作用原理是，在一定壓力條件下的燃?xì)?，通過燃料噴嘴以一定流速流出，再進(jìn)入吸氣收縮管，同時，燃?xì)饪孔陨淼哪芰课胪獠恳淮慰諝猓谝涔軆?nèi)燃?xì)夂椭伎諝饣旌虾筮M(jìn)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(yù)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(qiáng)度高，調(diào)節(jié)范圍廣。一般而言，當(dāng)燃燒器的燃燒火力提升到一定強(qiáng)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(yù)混燃燒技術(shù)由于配置表面金屬網(wǎng)，金屬纖維強(qiáng)化了空氣與燃?xì)庵g的質(zhì)量傳遞，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧哂谄胀ǖ娜紵绞剑运兄叩娜紵龔?qiáng)度和調(diào)節(jié)范圍，另外，燃燒強(qiáng)度的增加有利于設(shè)備的小型化和降低成本，應(yīng)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(fēng)機(jī)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(zhì)量要求高，國內(nèi)空氣和燃?xì)赓|(zhì)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?xì)饬肯陆?，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?xì)膺^濾器、表面網(wǎng)，增加勞動強(qiáng)度，增大維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。最突出的是如果表面金屬網(wǎng)堵塞嚴(yán)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(yīng)用，它是依靠鍋爐燃燒器噴嘴流速在爐膛中燃?xì)獾母咚偕淞鱽砭砦邷責(zé)煔?，把少量煙氣參與再次燃燒，降低火焰溫度，其形成的強(qiáng)力的內(nèi)回流在火焰區(qū)增加中溫吸熱工質(zhì)質(zhì)量流量以達(dá)到降低氮氧化物產(chǎn)生量的目標(biāo)。進(jìn)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(jié)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(dá)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?xì)忮仩t。

煙氣外循環(huán)燃燒技術(shù)，加裝煙氣循環(huán)管道，利用風(fēng)機(jī)的機(jī)械作用從煙道尾部抽取一部分煙氣，向燃燒室導(dǎo)入較大流量的煙氣，循環(huán)的煙氣和燃?xì)猓硷L(fēng)混合，重新參與燃燒。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，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(jìn)調(diào)風(fēng)、配風(fēng)條件，把燃料、風(fēng)量、煙氣適當(dāng)配比，充分混合，實現(xiàn)分級優(yōu)化燃燒。由于降低了助燃風(fēng)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(fèi)用低廉，廣泛應(yīng)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(fù)荷調(diào)節(jié)比，在保證燃燒器運(yùn)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?xì)?、空氣、煙氣伺服馬達(dá)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(jìn)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(fēng)機(jī)引風(fēng)口處空氣和循環(huán)煙氣結(jié)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(shù)手段解決。

濃淡燃燒技術(shù)，燃料分為兩部分進(jìn)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(jìn)行過濃燃燒，另一部分實現(xiàn)過淡燃燒，其實，這兩部分燃?xì)舛荚谄x化學(xué)當(dāng)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(xué)當(dāng)量燃燒。

分割火焰型燃燒技術(shù)，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(dá)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(dá)到減少氮氧化物排放的目的。

各類低氮燃燒器應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yù)混表面燃燒方式的低氮控制，燃燒運(yùn)行隱患，內(nèi)循環(huán)型燃燒器等各類燃燒器的應(yīng)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(jìn)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(fēng)機(jī)的機(jī)械作用向燃燒室導(dǎo)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(shù)，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(jì)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(biāo)，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(shù)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(shù)已經(jīng)不能和現(xiàn)代工業(yè)社會的迅速發(fā)展相適應(yīng)，新的理論、新的技術(shù)、新型低氮燃燒器的不斷改進(jìn)以及新的計算機(jī)技術(shù)和遠(yuǎn)程云端控制技術(shù)的不斷融入，才能滿足更高的節(jié)能環(huán)保要求。