低氮燃气燃烧器技术探讨

张凯

（北京华仪通泰环保科技有限公司，北京 100068）

1 研究背景

能源作为一种现代社会发展不可或缺的重要物质基础。随着社会经济的发展，人们对能源的需求越来越大。锅炉等行业是天然气、石油、煤等能源的主要消费者，燃烧器作为锅炉等热能装置的核心特种设备，是一种通过燃烧的方式，把燃料物质进行高效的燃烧，输出为热能的燃烧设备，它集成了控制、能动、流体、机械、电气、检测与监测等各类技术的机电一体化产品。该设备主要由燃料输入系统、风量供应系统、点火与燃烧系统、自动控制调节系统和安全监测保护系统等组成。

随着能源结构性调整，当前，以天然气这种能源为燃料的燃烧器在生产、生活中得到了广泛应用，所占比例份额也越来越大，尽管它是作为一种清洁能源的燃料来使用，但燃烧过程中产生的废气中仍然会存在相当数量的氮氧化物、一氧化碳等有害物质。在这些废气中，尤其是氮氧化物等污染物不仅可以直接侵害人和动物的肺部器官，诱发肺癌等疾病，减低延缓植物的光合作用速率，影响它的成长；而且极易损害臭氧层，在大气中与之反应产生的硝酸、光化学烟雾等二次污染物伤害整个生态圈和生物。氮氧化物作为燃气锅炉排放的主要污染物之一，也是造成雾霾现象的一大成因，总之，这些排放的氮氧化物污染物影响着整个生态建设和国民经济的发展。另外，近年来，随着各大城市对空气污染治理力度的加强，尤其是严格规定了锅炉等燃烧烟气中氮氧化物的排放要求，如已颁布的《北京市锅炉大气污染物排放标准》将工业锅炉氮氧化物的排放标准做了进一步的提升，自2017年4月1日起，新建锅炉氮氧化物的排放标准必须低于30mg/m3，而在用锅炉必须低于80mg/m3，但是，目前绝大多数在用燃气锅炉的初始排放氮氧化物含量基本在150～200mg/m3，严重超标。随着锅炉排放新标准的实施，低氮控制已经受到各级政府与民众的重视，因此，燃气燃烧器的低氮控制成为当下关注的课题，研究燃烧器低氮控制的重要性不言而喻。

2 研究内容

燃烧器作为关键性的热能设备，利用燃气阀和风机等各器件将燃烧所需的燃气与空气导入燃烧室，然后，在燃烧室中燃气与助燃空气混合后，通过点火、引火等阶段，进入火力负荷调节阶段，组织燃烧，燃烧器的燃烧特性的优良程度决定了燃料能耗、输出热功率、环保等重要指标。

传统燃烧控制技术是指针对锅炉燃烧器调节负荷出力大小和燃烧运行等方面要求的燃烧器，对火力负荷调节有所要求，并没有对烟气中氮氧化物排放量作严格要求。比调火力燃烧器作为其中的一种，曾经占有较大的市场份额，它是采用机械比调装置，可以通过比例调节喷嘴，调节负荷的大小，控制输出热功率。

低氮燃烧控制技术是在传统燃烧器的基础上，针对烟气中氮氧化物含量进行有效控制的新技术。低氮燃烧控制技术主要在锅炉的源头和尾部进行，可以分为燃烧控制和烟气处理两种类型，燃烧控制是普遍使用的措施，从源头入手，从根本出发。根据氮氧化物的生成，富氧高温状态下（＞1300℃），烟气中所含有的氮气和氧气发生化合反应，生成氮氧化物，氮氧化物的产生速率主要与燃烧火焰的温度有关，在工作燃烧过程中时，随着燃烧区温度上升（高至1700℃以上），氮氧化物产生值越大。根据化学原理，如果能有效降低炉膛中内燃烧区温度，首先，让燃料和氧气发生燃烧反应，然后当有氧气残余时，发生氮、氧的反应生产二氧化氮，但是较低的反应区温度将延缓该反应发生速率，从而可以有效抑制氮氧化物的生成。目前，有贫燃预混燃烧、烟气内循环燃烧、烟气外循环燃烧、浓淡燃烧技术、分割火焰型燃烧技术等。

贫燃预混燃烧技术，它通过表面金属网的高效过滤，其次是维持较高的过剩空气来降低火焰区的温度，从而能够有效地控制氮氧化物。贫燃预混燃烧技术作用原理是，在一定压力条件下的燃气，通过燃料喷嘴以一定流速流出，再进入吸气收缩管，同时，燃气靠自身的能量吸入外部一次空气，在引射管内燃气和助燃空气混合后进入燃烧室参与燃烧，降低火焰区温度以减少氮氧化物的生成。

贫燃预混燃烧器的优点是不仅能够有效地控制烟气中氮氧化物的排放量，而且适用于各种类型的锅炉，燃烧强度高，调节范围广。一般而言，当燃烧器的燃烧火力提升到一定强度，此时，火焰的传热速度会低于气体的喷出速度，那么就很容易会发生脱火现象。但贫燃预混燃烧技术由于配置表面金属网，金属纤维强化了空气与燃气之间的质量传递，火焰传播速度会高于普通的燃烧方式，所以它有着更高的燃烧强度和调节范围，另外，燃烧强度的增加有利于设备的小型化和降低成本，应用广泛。其缺点也较为明显，首先，它的使用会造成排烟量增加，排烟热损失和风机能耗过大，锅炉热效率降低明显，可能造成燃料的能耗过大。其次，对空气质量要求高，国内空气和燃气质量，可能会造成过滤器堵塞，燃烧器表面金属网堵塞，堵塞后可使燃气量下降，不仅会影响正常生产，而且影响了燃烧器的使用寿命。还须定期更换空气过滤器、燃气过滤器、表面网，增加劳动强度，增大维护保养费用。最突出的是如果表面金属网堵塞严重，存在回火安全隐患，造成金属丝网、燃烧器损坏甚至锅炉爆燃等事故。

烟气内循环燃烧器，主要方法有在炉膛内部形成旋流烟气、回流烟气等，一般用于普通的低氮应用，它是依靠锅炉燃烧器喷嘴流速在炉膛中燃气的高速射流来卷吸高温烟气，把少量烟气参与再次燃烧，降低火焰温度，其形成的强力的内回流在火焰区增加中温吸热工质质量流量以达到降低氮氧化物产生量的目标。进行内循环时，循环烟气中由于存在少量过剩氧气，因此，入口空气量会略有降低，但目前针对烟气内循环的研究均以燃烧产生烟气的百分比或燃烧空气量的百分比直接计算，其计算结果和实际燃烧产生值存在偏差。烟气内循环烟气的优点是单燃烧可无须外循环装置即可实现80mg/m3的排放。缺点局限性也较为突出，要求烟气压力达到200～400kPa，不具有普遍适用性，其次，是燃烧器大多用于大型（20t/h及以上）水管燃气锅炉。

烟气外循环燃烧技术，加装烟气循环管道，利用风机的机械作用从烟道尾部抽取一部分烟气，向燃烧室导入较大流量的烟气，循环的烟气和燃气，助燃风混合，重新参与燃烧。为了实现这一目标，该系统通过加装烟气再循环回路装置，采用电子比例控制燃烧管理系统，改进调风、配风条件，把燃料、风量、烟气适当配比，充分混合，实现分级优化燃烧。由于降低了助燃风含氧量，减低燃烧温度，使燃烧火焰低氮，通过源头控制等手段，从而降低氮氧化物排放量。低氮减排效果较好，改造成本费用低廉，广泛应用于各类型锅炉。烟气外循环燃烧器，所采用的西门子分级优化燃烧管理系统，具有较大的负荷调节比，在保证燃烧器运行安全、出力稳定、满足使用要求的的情况下，能通过电子比例调节方式，调节燃气、空气、烟气伺服马达联动的阀门开度的大小实现分级燃烧，提高空燃比调节精度，优化燃烧以调节烟气中氮氧化物的含量，进而把烟气排放氮氧化物的排放量降低在30mg/m3以下，然而，循环的烟气流量控制不合适，势必会对锅炉稳定燃烧性能有一定影响，同时，也会不利于炉膛内部与各受热面之间的热量分配，降低锅炉热效率。

另外，在风机引风口处空气和循环烟气结合，较大的温差会引发冷凝水的析出，利用过量的再循环烟气参与燃烧，会造成管道和锅炉的震荡发生。不过，这些弊端都可以通过其他的技术手段解决。

浓淡燃烧技术，燃料分为两部分进行燃烧（相对而言），在保持空气量恒定的情况下，其中的一部分燃料进行过浓燃烧，另一部分实现过淡燃烧，其实，这两部分燃气都在偏离化学当量比下燃烧，因此，减少了一氧化氮的生成，这种燃烧又称偏离燃烧或非化学当量燃烧。

分割火焰型燃烧技术，其作用原理是把燃烧火焰割离成若干个小火焰，一方面充分增大了各个火焰锋面和空气的接触面积，另一方面由于小火焰散热面积大，火焰温度低，可以达到有效降低燃烧室火焰温度的目的。另外，小火焰可以减少氮、氧的接触时间，因而可以达到减少氮氧化物排放的目的。

各类低氮燃烧器应用前景广泛，燃烧器市场呈现阶跃式的增长，与此同时，我们也注意到，一些新型结构的燃烧器的使用，也存在一些问题。

综合国内外研究现状和研究中存在的各类问题，针对贫燃预混表面燃烧方式的低氮控制，燃烧运行隐患，内循环型燃烧器等各类燃烧器的应用局限性问题，对燃烧系统整体稳定性存在的影响和锅炉热效率降低的现象进行研究，以期提升稳定性，减弱热效率的损耗。烟气外循环燃烧器利用风机的机械作用向燃烧室导入较大流量的烟气（占总排烟量的25%左右），极大地效降低了燃烧火焰的温度，可以实现更低的氮氧化物排放。

3 研究意义

研究具有系统稳定性高；节能降耗，热效率高；减排显著，氮氧化物的排放量少的低氮控制技术，不仅是时代的要求，也是国情的需要，将会给使用单位和社会带来显著的经济效率和良好的社会环境效益。

燃烧器的低氮控制，不但要追求低氮环保性目标，同时，也要保持燃烧系统的安全可靠性。研究表明，烟气外循环燃烧器所配备的低能耗的优化控制系统不仅能有效控制其输出的额定热功率，具有极高的系统燃烧稳定性，而且可以高效抑制烟气排放中的氮氧化物含量。该技术可以有效减少氮氧化物产生，提升空气污染的治理能力，有利于可持续发展，具有广泛的社会效益。

传统燃烧控制技术已经不能和现代工业社会的迅速发展相适应，新的理论、新的技术、新型低氮燃烧器的不断改进以及新的计算机技术和远程云端控制技术的不断融入，才能满足更高的节能环保要求。