低NOx燃燒器在汽車涂裝烘干工藝的應用分析

張建福 陶 禹 崔德源 高紅杰

（中國汽車工業工程有限公司，天津，300113）

隨著經濟的高速發展，能源的消耗迅速增長，燃料燃燒造成的污染日趨嚴重，尤其是近幾年，霧霾持續困擾我國諸多北方城市。同時，經濟發展和人民生活質量提高，使得人們對于環保質量的要求越來越高，促使社會改變能源供給結構，發展清潔能源。2008年金融危機之后，世界各國對制造業的重視紛紛回歸到國家戰略層面，美國2012年推出《先進制造業國家戰略計劃》、德國提出工業4.0，此時代背景下，我國政府提出實施制造強國戰略的第一個十年的行動綱領，即《中國制造2025》，五大基本方針之一便是要堅持綠色發展，堅持可持續發展，加強節能環保技術、工藝、裝備推廣應用。由此引申出五大工程之一的綠色制造工程，即組織實施傳統制造業清潔生產、節水治污等的技術改造。

天然氣主要成分為CH4，約占85%，屬于低碳高效能源[1]。天然氣中N2約占0.2%，在天然氣燃燒后，NOx排放正常條件下≤300mg/m3。對比煤、油，NOx是天然氣燃燒排放物中的主要污染物。隨著天然氣工業的迅速發展，天然氣燃燒后產生的氮氧化物污染不容忽視[2]。

汽車制造業作為最典型的制造業之一，從整車到零部件，涉及各種先進制造技術的應用。而涂裝車間則是汽車制造生產線上一個工藝最復雜、設備集成度高、能耗高的關鍵車間。涂裝車間采用燃氣燃燒器作為主要的能源轉換工具，通過燃燒天然氣釋放熱量滿足各工藝能源需求。

當前，國家和各地陸續推出嚴格的環保標準，根據標準規定，汽車涂裝生產線烘干爐、空調所用燃燒器應歸屬工業爐窯范疇。工業爐窯是指在工業生產中用燃料燃燒或電能轉換產生的熱量，將物料或工件進行冶煉、焙燒、燒結、熔化、加熱等工序的熱工設備[3]。動力鍋爐歸屬鍋爐范疇。鍋爐是利用燃料燃燒釋放的熱能或其他熱能加熱熱水或其他工質，以生產規定參數（溫度、壓力）和品質的蒸汽、熱水或其他工質的設備[4]。北京、廣東、重慶等地針對汽車涂裝推出地區標準，如表2所示[5-6]。

表1 燃氣燃燒器NO排放范圍

1 NOx形成機理

在燃燒過程中，氮氧化物的生成量和排放量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件關系密切。其生成NOx的途徑有三個[7]。

1.1 熱力型氮氧化物（Thermal NOx）

它是空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成的NOx，從捷里多維奇機理關于NO生成速度或生成濃度的表達式d[NO]/dt=3×1014[N2][O2]0.5exp（-54200/RT）中可以看出，熱力型NOx的生成速度和溫度的關系遵循阿累尼烏斯定律，隨著溫度的升高，NOx的生成速度按指數規律迅速增加。當溫度高于1800K時，反應逐漸明顯，而且隨著溫度的升高，NOx的生成量急劇升高，溫度在1800K左右時，溫度每升高100K，反應速度將增大6～7倍[2]。除了反應溫度對熱力型NOx的生成濃度具有決定性的影響外，過量空氣系數和延期的停留時間也有很大影響[8]。

表2 大氣污染物NOx排放濃度限值

1.2 快速型氮氧化物（Prompt NOx）

它是燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成的NOx。當過量空氣系數≥1時，基本上不生成快速NOx；當過量空氣系數略小于1時，此時的快速型NOx生成速率最快；當過量空氣系數＜0.7時，碳氫化合物的濃度提高，增加了中間氮化合物的生成量，生成更多的NOx前軀體，此時氧濃度減少，促進了HCN向N2轉變，因此NOx生成量并不高。

1.3 燃料型氮氧化物（Fuel NOx）

它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化生成的NOx。

天然氣的主要成分是CH4（甲烷）：96%左右；N2：0.2%；CO2：2.20%；微量的H2S，約在0.02‰以下。空氣中燃燒的主要產物N2、CO2、H2O；溫室氣體：CO2、N2O；污染產物為：CO、SO2、SO3、NO、NO2、N2O；微細顆粒物、碳離子。

O+N2=NO+N熱力型氮氧化物 （1）

N+O2=NO+O （2）

CH+N2=HCN+N快速型氮氧化物 （3）

HCN+O2=NO+HCO （4）

影響NOx生成有以下一些主要因素：有機的結合在燃料中氮的含量（燃料種類）；反應區氧、氮、NO和烴根的含量；燃燒溫度的峰值；可燃物在火焰峰和反應區中的停留時間。

2 控制NOx排放的方法

為了控制燃燒設備排放的NOx對生態環境的危害，美國、日本、德國等國家相關領域專家早在二十世紀五六十年代就開始了對NOx生成機理、控制方法的研究工作[9]。

從NOx的形成和排放角度考慮，一般控制NOx排放的方法分為兩類：一是燃燒過程中的控制技術，降低NOx生成；二是燃燒后的控制技術。

2.1 燃燒過程中NOx控制

2.1.1 降低過量空氣系數

控制過量空氣系數使燃燒過程盡量接近理論空氣系數的條件下運行，使煙氣中的過剩氧量減少，從而降低燃燒過程中NOx的生成量。但同時也導致化學未完全燃燒損失q3和機械未完全燃燒損失q4增大，使燃燒器經濟性降低。脈動供燃料燃燒示意圖如圖1所示。

2.1.2 降低助燃空氣預熱溫度

降低助燃空氣預熱溫度，可降低火焰區的溫度峰值，從而減少熱力型NOx的生成。

2.1.3 濃淡燃燒

濃淡燃燒，也稱非化學當量燃燒或偏離燃燒，是指在某一燃燒層面上，使燃料集中在中心區域，而助燃風分布在四周，推遲了燃料和助燃風的混合，降低爐內火焰平均溫度，改善爐內氧氣濃度平衡，如圖2所示。

圖1 脈動供燃料燃燒

圖2 表面式濃淡燃燒

2.1.4 空氣分級燃燒

空氣分級燃燒（燃盡風OFA或二級燃燒），空氣分級使低NOx燃燒器的設計特征之一，是指使原來單一的二次風變成了燃燒器的二次風和燃盡風兩部分，如圖3所示。初始燃燒區內主氣流占總燃燒空氣量的70%～90%，α＜1，使得燃料在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，因氧量不足，燃燒區域燃燒速度和溫度水平降低，使得熱力型和快速型NOx生成減小。再燃區內燃盡風約占燃燒空氣總量10%～30%，在α＞1的條件下完全燃燒，這一階段燃燒溫度也較低，使得熱力型NOx生成受限[10]。

圖3 分級燃燒示意圖

空氣分級技術脫氮效率與OFA風率（OFA風量占總入爐風量的百分率）、OFA噴口的位置有明顯關系，如圖4所示。

2.1.5 煙氣再循環（FGR）

煙氣再循環是指抽取煙氣再循環進入燃燒器或直接進入爐內，使得氧氣濃度下降，燃燒溫度水平降低，熱力型NOx的生成相應減少。但是，煙氣再循環使輸入熱量增多，可能影響爐內熱量分布，還可能導致火焰不穩定，因此煙氣再循環的使用有一定限制，一般配合其他措施聯合使用。

圖4 OFA風率、OFA噴口位置對脫氮效果的影響

2.1.6 二次燃燒再燃（三級燃燒）

二次燃燒再燃是在空氣分級的基礎上發展起來的，指在燃燒器下游不如一股二次燃料，創造一種還原性氣氛將已經生成的NOx還原為氮氣。

2.2 燃燒后NOx控制

人們可以根據NO具有氧化、還原和吸附的特性進行脫附。

2.2.1 干法煙氣脫硝（還原法）

干法煙氣脫硝是指將NO和NO2用還原劑（NH3，CH4，CO及H2等）還原為N2。其主要包括選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法、接觸分解法、吸收法、吸附法、電子束照射法等[11]。

2.2.2 濕法煙氣脫硝（氧化法）

將NO氧化成NO2，然后再用水將NO2吸收。

3 低氮燃燒器發展及在汽車涂裝烘干工藝的應用

根據低NOx燃燒技術的發展歷程，人們可以將其劃分為4代。

第一代：降低過?？諝庀禂?；降低助燃空氣預熱溫度；增大輻射換熱面積。

第二代：空氣分級和燃料分級技術。

以烴類作為再燃燃料時，該技術又稱為三級燃燒技術或再燃燒技術，空氣和燃料都分級送入爐膛，形成初始燃燒區、再燃區和燃盡區。當NOx初始燃燒區形成，在再燃區與噴入的二次燃料混合并被還原，在下游噴入燃盡風，促進CO和UHC的燃燒。

美國John Zink公司采用遠距離燃料分級技術，加熱爐可減少28%的NOx排放。

第三代：煙氣內、外循環技術（Flue Gas Recirculation，簡稱FGR）。

第四代：其他技術，有旋流燃燒、脈動供燃料燃燒、富氧燃燒和高溫低氧燃燒等新型低NOx燃燒技術。

目前，國內學者在超低氮燃燒器技術領域的研究主要集中在燃煤燃燒器方面，而由于我國燃氣工業滯后發展，對燃氣燃燒技術及燃燒器的研究開發嚴重不足，其技術和裝置主要依賴國外生產企業進口。最新的環保排放標準非常嚴格，鍋爐行業要求氮氧化物排放低于30mg/m3，目前世界上只有幾家著名的燃氣燃燒器廠商如德國威索、意大利百得、美國IC、芬蘭奧林等可以達到該標準，其設備結構復雜、價格異常昂貴。

在汽車生產線上，一般采用燃氣燃燒器作為熱源，主要的燃燒器品牌有ECLIPSE、MAXON、Weishaupt、Baltur、Riello。生產線上的燃燒器所處的工況要求與電站鍋爐和工業鍋爐不同，熱負荷小，輸出功率隨生產狀況實時變化且幅度較大，另外生產線根據生產安排存在頻繁開機停機，一般每天啟停一次。因此，對于汽車生產線來說，燃氣燃燒器必須滿足熱負荷變化大、頻繁啟停機的工況。同時，車間空間布局緊湊，空間受限，火焰長度必須在有限范圍內。受工藝限制，燃燒器需保證大小火位控制精度，保證運行的可靠性及穩定性。

目前，汽車生產線涂裝烘房工藝可采用的低氮燃燒器有兩種類型，特點如下。

第一種低氮燃燒器是采用旋流和控制過量空氣系數技術控制氮氧化物生成。過程溫度控制器接收大小火位信號，控制電機調節空氣蝶閥，從而調整助燃空氣流量。燃燒器內空氣壓力沿裝載線向比例調節閥發出脈沖，比例調節閥按比例調節燃氣和空氣流量，如圖5所示。高火位時過量空氣系數40%～70%，低火位時過量空氣系數的比例更高。旋流射流中心回流區內部的高溫低速的燃燒產物和中間體對未反應的空氣和燃料進行預熱、稀釋，能夠有效地強化低熱值合成氣燃燒，形成穩定的火焰。射流卷吸作用使燃料和空氣射入突擴燃燒室會在燃燒器根部形成促進爐膛內煙氣整體循環的邊角回流區。內部煙氣循環使得爐內溫度分布更加均勻，循環的冷煙氣稀釋燃燒反應物，降低最高燃燒溫度、縮小高溫區，抑制熱力型NOx的形成。因獨特的噴嘴設計，空氣和燃料的強烈混合，可極大地降低NOX排放，在較多應用場合下保證低于0.02‰。

第二種低氮燃燒器是采用空氣分級燃燒和控制過量空氣系數技術控制氮氧化物生成。控制過量空氣系數的原理與第一種相似。燃氣和助燃空氣在混合錐內預混后燃燒形成初始燃燒區，二次風通過混合錐外側與護火桶間隙送入爐膛形成再燃區。初始燃燒區內燃料在缺氧的富燃料條件下燃燒，因氧量不足，燃燒區域燃燒速度和溫度水平降低，使得熱力型和快速型NOx生成減小。再燃區內在α＞1的條件下完全燃燒，這一階段燃燒溫度也較低，使得熱力型NOx生成受限。

圖5 空氣燃氣流量

目前，在汽車涂裝烘干工藝上采用的燃燒器以及各主流燃燒器廠家紛紛推出的各類低氮燃燒器，理論上可顯著降低氮氧化物生成，氮氧化物排放的試驗數據在某些工況甚至可以低于0.02‰。但是在實際應用中，燃燒器運行工況是根據車間生產實時變動，難以保證在任何工況下燃燒器空燃比、火焰長度、爐膛內溫度場和流場處于理想狀態，在某一工況氮氧化物排放低于排放標準，但在多數工況由于火焰不穩定，爐膛內部流場合溫度場變化或者變化的過量空氣系數導致氮氧化物生成超標。另外，在汽車制造領域環保標準日趨嚴格的大背景下，相應的排放檢測、數據搜集和智能上傳尚未全面推廣，無法獲得全工況下各類燃燒器的運行參數和排放指標。

4 結論

為滿足新時代下環保、節能減排、燃料多樣化、智能制造的時代需求，各燃燒器廠家及高?？蒲袉挝淮罅ν七MNOX生成抑制機理研究。針對研制新型低氮燃燒器及其他減排措施，筆者提出以下建議。

（1）研制高效低氮燃燒器，針對連續可變工況，提供實驗室數據和實際應用數據作參考，同時提供可靠的調試作業指導，實現數據在線監測及智能參數優化。進一步提高節能效果，在滿足汽車涂裝工藝和空間限制的前提下，利用低空燃比燃燒，提高燃燒效率；采用分級燃燒、濃淡燃燒、FGR及其他方式抑制NOx生成。

（2）運用計算流體技術（CFD）進行全尺寸三維熱態流場模擬，分析火焰高溫區和火焰穩定性，指導低氮燃燒器研發時預混程度、分流空氣比例等影響機械結構的參數選擇.同時，模擬不同功率輸出工況下的運行狀況，通過模擬調試提前鎖定變工況過量空氣系數等參數。變工況和頻繁ON/OFF是涂裝車間燃氣燃燒器的常規運行狀態，低氮高效、兼顧智能分析及控制將是涂裝車間燃氣燃燒器研究的努力方向。

（3）統籌工廠或車間煙氣集中排放，利用氮氧化物的氧化性、還原性和吸附性，在尾部煙道利用轉輪、焚燒爐、催化裝置（干法煙氣脫銷）等對廢氣中的NOx和VOC進行集中處理，實現煙氣達標排放。

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