中國(guó)液體/氣體燃燒器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

黎亞洲 廖曉煒 徐洪濤 劉 峰 王 俊

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.上海焱晶燃燒設(shè)備檢測(cè)有限公司 上海 201821）

（3.上海理工大學(xué) 上海 200093）

工業(yè)燃燒器是一種將可燃物與助燃物混合后進(jìn)行燃燒的設(shè)備[1]，在工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用廣泛，涉及各種工業(yè)與民用領(lǐng)域，如電力企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、冶金企業(yè)和建材行業(yè)等。

二十世紀(jì)80年代之前，我國(guó)主流的鍋爐設(shè)計(jì)是燃煤鍋爐，以煤作為其燃料[2]。在當(dāng)時(shí)，以燃油和燃?xì)庾鳛槿紵橘|(zhì)的工業(yè)鍋爐燃燒器并沒(méi)有得到人們的重視，企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的也沒(méi)有新的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，改革開放日益深入，整個(gè)社會(huì)面臨的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越突出，這迫使人們?cè)谥匾晜鹘y(tǒng)的“金山銀山”的同時(shí)也開始關(guān)注于影響人們生活質(zhì)量的“綠水青山”，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)也越來(lái)越重視，各種措施與舉措力度不斷加大。基于此，我國(guó)對(duì)整個(gè)社會(huì)能源消耗結(jié)構(gòu)做出了相應(yīng)調(diào)整，以工業(yè)燃燒器為例，其所使用的燃料結(jié)構(gòu)開始呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，傳統(tǒng)的燃煤燃燒器市場(chǎng)日益萎縮，起而代之的是以燃油和燃?xì)馊紵鏖_始異軍突起[3]。

工業(yè)燃燒器，尤其是近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的全自動(dòng)工業(yè)燃燒器，是集燃燒學(xué)、流體力學(xué)、熱工學(xué)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和程序控制技術(shù)等于一體的多學(xué)科綜合性高技術(shù)含量的產(chǎn)品，其性能優(yōu)劣和質(zhì)量好壞對(duì)工業(yè)鍋爐和油田用加熱爐領(lǐng)域的能源消耗、安全性能以及污染物的排放有直接的影響。

本文將對(duì)中國(guó)液體/氣體燃燒器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。數(shù)據(jù)主要來(lái)源于上海焱晶燃燒檢測(cè)有限公司10多年燃燒器型式檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)信息是國(guó)內(nèi)目前最全面（涵蓋所有油氣燃燒器）和最權(quán)威（經(jīng)核準(zhǔn)的第三方實(shí)驗(yàn)室）的。

1 燃燒器廠商及產(chǎn)品現(xiàn)狀

1.1 廠商現(xiàn)狀

工業(yè)燃燒器是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國(guó)家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化而快速成長(zhǎng)起來(lái)的一個(gè)新興機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)。它作為工業(yè)鍋爐和油田用加熱爐內(nèi)的核心部件，近幾年發(fā)展十分迅猛。

上海焱晶燃燒設(shè)備檢測(cè)有限公司對(duì)2008年至2018年進(jìn)行的燃燒器型式試驗(yàn)進(jìn)行了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：國(guó)內(nèi)外燃燒器制造廠家的數(shù)量發(fā)生了很大變化，尤其最近三年變化最大。截至2018年，國(guó)內(nèi)燃燒器檢測(cè)廠家共192家，比2017年凈增65家。國(guó)外燃燒器廠家2018年達(dá)到49家，比2017年增加8家。隨著各地環(huán)保力度的加大，估計(jì)燃燒器生產(chǎn)廠家數(shù)量還要增加，廠家數(shù)量變化具體見圖1。

從近10年的燃燒器型式試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可知：

1） 我國(guó)自有品牌燃燒器發(fā)展迅速，市場(chǎng)占有率急劇提升；

2） 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局初步形成；

3） 少數(shù)國(guó)內(nèi)燃燒器制造企業(yè)已具備自主創(chuàng)新能力；

4） 雖然廠家數(shù)量增加很快，但里面存在很多企業(yè)的產(chǎn)品是貼牌產(chǎn)品，小作坊多，后續(xù)的售后服務(wù)跟不上，責(zé)任追究都存在問(wèn)題。

近4年（2015～2018年）型式試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的燃燒器燃料種類如圖2所示。從圖中可知：燃燒器燃料種類多，主要以天然氣為主，且近年來(lái)增加迅速；輕油和油氣兩用有輕微增加，其他燃料相對(duì)變化不大。

圖1 燃燒器廠家數(shù)量變化趨勢(shì)（2008～2018）

圖2 燃料種類分布情況（2015～2018）

1.2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前型式試驗(yàn)中檢測(cè)的燃燒器絕大部分是擴(kuò)散式燃燒方式[4]的燃燒器。采用預(yù)混燃燒方式[5]的占比較小，主要運(yùn)用在冷凝鍋爐上。同樣的，目前檢測(cè)的燃燒器中采用大氣式燃燒方式[6]的占極少部分，主要集中在油田用加熱設(shè)備上。

由于2017年北京率先要求新建工業(yè)鍋爐NOx排放濃度在30mg/m3以下[7]，之后全國(guó)其他地方如天津、重慶、鄭州、西安都開始參照?qǐng)?zhí)行，因此，近3年工業(yè)鍋爐中的燃?xì)馊紵鳈z測(cè)大部分都是低氮燃燒器。

低氮燃燒技術(shù)以FGR燃燒技術(shù)[8]為主，表面燃燒技術(shù)[9]由于安全及使用和維護(hù)不便等原因造成市場(chǎng)大幅度萎縮，僅在冷凝式鍋爐上采用較多。由于上海市規(guī)定的新建工業(yè)鍋爐NOx排放為50mg/m3[10]，所以部分廠家為了搶奪市場(chǎng)，及時(shí)推出分級(jí)燃燒加煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)[11，12]的燃燒器，克服了使用FGR和表面燃燒技術(shù)造成不節(jié)能的缺點(diǎn)，達(dá)到既環(huán)保又節(jié)能。以下介紹了低氮燃燒發(fā)展的不同階段所采用的主要技術(shù)手段。

第一階段：控制空燃比[13]。

過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx的生成影響較大，初始階段通過(guò)控制空燃比或增加旋流使空氣和燃料混合均勻來(lái)降低NOx的生成，不過(guò)此方法對(duì)降低NOx的效果并不十分明顯。

第二階段：分級(jí)燃燒[14]。

分級(jí)燃燒包括燃料分級(jí)和空氣分級(jí)。燃燒區(qū)劃分為二級(jí)，將燃料和空氣按比例分配到一級(jí)和二級(jí)燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒。

第三階段：分級(jí)燃燒+FGR[15]；全預(yù)混表面燃燒[16]；水冷預(yù)混燃燒[17]。

外部煙氣再循環(huán)（FGR）：從鍋爐尾部煙道上抽取部分煙氣與一次風(fēng)混合后送入爐膛內(nèi)燃燒，降低爐膛溫度的同時(shí)，降低混合空氣中的含氧量，從而降低了NOx的生成量。在分級(jí)燃燒的基礎(chǔ)上，引入FGR技術(shù)，可將NOx降低到30mg/m3以下，這是目前工業(yè)鍋爐低氮改造大部分廠家所采用的主流技術(shù)。

全預(yù)混表面燃燒技術(shù)是將燃料與空氣在預(yù)混腔內(nèi)進(jìn)行完全混合后進(jìn)入由金屬纖維編織或金屬燒結(jié)的火焰筒，混合物透過(guò)密織的金屬網(wǎng)在網(wǎng)表面燃燒。該燃燒技術(shù)的特點(diǎn)是：燃燒速度快，火焰很短，幾乎沒(méi)有火焰，由于過(guò)剩空氣量大，降低了火焰的溫度，抑制熱力型NOx的形成。

水冷預(yù)混燃燒方法，燃?xì)馀c空氣先預(yù)混形成混合氣體，混合氣體再經(jīng)燃燒器末端的水冷壁噴出，在水冷壁處形成主火焰。水冷壁由翅片管排列組成，混合氣體貼近水冷壁燃燒，通過(guò)水冷壁降低火焰的燃燒溫度，進(jìn)而降低NOx排放。

由于全預(yù)混表面燃燒技術(shù)和“分級(jí)燃燒+FGR技術(shù)”在實(shí)際應(yīng)用中存在許多缺點(diǎn)，全預(yù)混表面燃燒技術(shù)如果維護(hù)使用不當(dāng)，存在安全隱患；“分級(jí)燃燒+FGR技術(shù)”技術(shù)存在冷凝水多，低負(fù)荷燃燒不穩(wěn)定，燃燒器的安全保護(hù)裝置（火焰監(jiān)測(cè)器，空氣壓力監(jiān)測(cè)裝置）易失靈或損壞，安裝占地面積大和投資大等缺點(diǎn)，目前這兩種燃燒技術(shù)只是過(guò)渡技術(shù)。

第四階段：分級(jí)燃燒+FIR[18]。

內(nèi)部煙氣再循環(huán)（FIR）：利用各種技術(shù)手段，讓燃燒區(qū)的根部形成低壓回流區(qū)，卷吸部分煙氣進(jìn)入火焰，降低燃燒速度和火焰溫度，從而降低了NOx的生成量。在分級(jí)燃燒的基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合射流誘導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部煙氣再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)超低氮燃燒。煙氣內(nèi)部循環(huán)低氮燃燒技術(shù)（FIR）具有燃燒穩(wěn)定，性能可靠，投資省，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。所以采用“分級(jí)燃燒+FIR”相組合的技術(shù)方式，是低氮燃燒技術(shù)發(fā)展的方向。

各種低氮燃燒技術(shù)比較見表1。

表1 不同低氮燃燒技術(shù)比較

2 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)法規(guī)發(fā)展過(guò)程

從《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（1996）[19]開始，條款中開始出現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火程序控制、熄火保護(hù)裝置以及點(diǎn)火前吹掃總通風(fēng)量的要求。2008年頒布了TSG ZB001《燃油（氣）燃燒器安全技術(shù)規(guī)則》[20]和TSG ZB002《燃油（氣）燃燒器型式試驗(yàn)規(guī)則》[21]。2010年以公告的形式對(duì)TSG ZB001和TSG ZB002進(jìn)行了修訂[22]。2012版的鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[23]繼續(xù)增加相關(guān)條款，對(duì)燃燒器安全時(shí)間、啟動(dòng)熱功率的要求開始出現(xiàn)，同時(shí)明確了對(duì)燃油/氣燃燒器型式試驗(yàn)的基本要求。目前，修訂中的鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程繼續(xù)增加關(guān)于燃燒器的有關(guān)條款，包括：將原來(lái)的燃油（氣）燃燒器擴(kuò)展為液體和氣體燃料燃燒器；增加了鍋爐用燃燒器前吹掃時(shí)間、吹掃風(fēng)量和熄火保護(hù)的要求；細(xì)化了液體和氣體燃料燃燒器的安全時(shí)間要求；規(guī)定了燃燒器安全與控制裝置的組成和安全切斷閥的布置要求；增加了燃燒器與鍋爐實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)的要求；增加了在用燃燒器改造后性能測(cè)試的要求；細(xì)化了對(duì)燃燒器型式試驗(yàn)的要求。

2.2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程

2018年之前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有專門的燃燒器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2018年，GB/T 36699—2018《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術(shù)條件》正式發(fā)布[24]。GB/T 36699—2018主要遵循以下原則：

1） 安全、節(jié)能和環(huán)保要求。在保證安全的前提下，滿足節(jié)能和環(huán)保排放的要求；

2） 滿足燃料多樣性要求；

3） 適應(yīng)當(dāng)前鍋爐燃燒技術(shù)發(fā)展的需要，充分采納新技術(shù)，并為新技術(shù)和新方法預(yù)留發(fā)展空間；

4） 在適合我國(guó)國(guó)情的基礎(chǔ)上充分借鑒國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)際慣例接軌。

GB/T 36699—2018中的燃料種類比現(xiàn)有的燃燒器安全技術(shù)規(guī)則適用的燃料種類更廣泛。增加了對(duì)醇基燃料燃燒器、生物質(zhì)熱解氣燃燒器、表面燃燒器和自然通風(fēng)燃燒器的特殊要求。進(jìn)一步細(xì)化規(guī)定了鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器各方面的技術(shù)要求。也將檢驗(yàn)檢測(cè)進(jìn)一步拓展到出廠檢驗(yàn)、改造后檢驗(yàn)和在用檢測(cè)。

2.3 行業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY 0031—2012《石油工業(yè)用加熱爐安全規(guī)程》[25]中對(duì)自動(dòng)點(diǎn)火和熄火保護(hù)裝置做出了規(guī)定。企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1836—2015《鍋爐/加熱爐燃油（氣）燃燒器及安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置檢測(cè)規(guī)范》[26]，詳細(xì)規(guī)定了油田鍋爐/加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置檢測(cè)的有關(guān)方法、設(shè)備等要求。

3 燃燒器產(chǎn)品質(zhì)量與性能現(xiàn)狀

圖3 給出了近10年的燃燒器型式試驗(yàn)不合格率。開始階段不合格率較低，主要是因?yàn)樽畛鯔z測(cè)的燃燒器大部分是國(guó)外產(chǎn)品，是多年發(fā)展的成熟產(chǎn)品。中間階段不合格率升高，主要原因是國(guó)內(nèi)的廠家數(shù)量增加，對(duì)產(chǎn)品的安全意識(shí)和質(zhì)量意識(shí)重視不夠。近幾年不合格率逐漸降低，主要原因是廠家數(shù)量的增加，對(duì)產(chǎn)品的安全、節(jié)能及環(huán)保的意識(shí)提高，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量更加重視。

整體而言，隨著燃燒器生產(chǎn)廠家的技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)中有進(jìn)。開展檢測(cè)工作的前10年期間，燃燒器不合格項(xiàng)主要是基本配置不合格，如缺少燃料閥、缺少閥門檢漏裝置、缺少自動(dòng)點(diǎn)火裝置、安全時(shí)間超標(biāo)、吹掃時(shí)間不夠。10年后檢測(cè)的主要變化是標(biāo)準(zhǔn)燃燒器配置基本都合格，不合格項(xiàng)主要集中在一些非標(biāo)燃燒器采用PLC編程后的安全時(shí)間超標(biāo)或閥門檢漏缺失。從不合格率和不合格項(xiàng)兩個(gè)指標(biāo)很能說(shuō)明國(guó)內(nèi)燃燒器的質(zhì)量水平在穩(wěn)步提高。當(dāng)然這里面還有一個(gè)原因是兩個(gè)燃燒器TSG法規(guī)的執(zhí)行及鍋規(guī)對(duì)燃燒器型式試驗(yàn)的要求更加嚴(yán)格，引起了燃燒器生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的重視。

圖3 燃燒器型式試驗(yàn)不合格率示意圖（2008～2018）

此外，燃燒器產(chǎn)品的性能也提升的很快。在節(jié)能環(huán)保方面：各地節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越嚴(yán)格，燃燒器污染物排放也是逐漸降低；在設(shè)計(jì)水平和加工能力方面：大多數(shù)企業(yè)采用軟件設(shè)計(jì)、模擬仿真、熱態(tài)試驗(yàn)來(lái)提高自己產(chǎn)品性能；采用激光、數(shù)字加工、自動(dòng)焊接等方法來(lái)提高自己的產(chǎn)品質(zhì)量。在控制控制技術(shù)發(fā)面：采用電子比調(diào)、煙氣O2控制、煙氣CO跟蹤、低NOx等控制方式及新型技術(shù)，大膽丟棄傳承的機(jī)械控制方式來(lái)提高自己產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

雖然燃燒器的產(chǎn)品性能不斷提升，但在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)階段存在的問(wèn)題不容忽視。如：燃燒器調(diào)試人員缺乏專業(yè)培訓(xùn)，未經(jīng)燃燒器制造單位或鍋爐制造單位授權(quán)，違規(guī)調(diào)試，造成重大安全事故；部分燃燒器制造單位在燃燒器安裝過(guò)程中偷工減料，減少安全配置，例如燃?xì)馊紵鞯拈y門檢漏裝置，埋下重大安全隱患；部分燃燒器制造單位售后服務(wù)不及時(shí)，造成燃燒器帶病工作，存在安全隱患；在低氮改造中，特別是采用表面燃燒技術(shù)，燃燒器缺少維護(hù)保養(yǎng)，造成爆炸事故時(shí)有發(fā)生。

4 產(chǎn)品發(fā)展前景

科技的發(fā)展進(jìn)步促進(jìn)了燃燒器產(chǎn)品的性能提升。在設(shè)計(jì)方面，如燃燒器設(shè)計(jì)方面需與鍋爐協(xié)同設(shè)計(jì)，鍋爐是一個(gè)整體的設(shè)備，燃燒機(jī)和鍋爐要有必要的配合才能發(fā)揮出最優(yōu)效果；仿真技術(shù)大量應(yīng)用；針對(duì)特殊燃料和特殊需求的定制化設(shè)計(jì)。

在控制方面，鍋爐燃燒系統(tǒng)與先進(jìn)控制技術(shù)相結(jié)合，向智能低能耗方向發(fā)展，如：運(yùn)行及操作狀態(tài)的可視化，如人機(jī)交互的觸屏控制；系統(tǒng)功能的模塊化，如系統(tǒng)需求檢漏功能的，只需在原有系統(tǒng)上插接相應(yīng)功能的硬件或軟件模塊即可，無(wú)須另購(gòu)檢漏儀；系統(tǒng)智能化，未來(lái)燃燒器控制系統(tǒng)將接入更多的傳感器和受控組件，接收更多的運(yùn)行信息反饋，通過(guò)AI技術(shù)處理大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)在偏離運(yùn)行參數(shù)時(shí)自動(dòng)糾正，從而達(dá)到安全穩(wěn)定高效的運(yùn)行；大量的遠(yuǎn)程監(jiān)控及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)時(shí)獲取在用燃燒器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，并遠(yuǎn)傳至專業(yè)機(jī)構(gòu)，參與分析系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，并得出一些有用的結(jié)論，為產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)帶來(lái)不可估量的益處，甚至可以預(yù)判在用燃燒器的危險(xiǎn)源，并做出及時(shí)防范措施。

在智能化生產(chǎn)方面：構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，大量使用工業(yè)機(jī)器人完成生產(chǎn)加工過(guò)程中的各道工序。

5 結(jié)論

利用上海焱晶燃燒設(shè)備檢測(cè)有限公司的燃燒器型式試驗(yàn)大數(shù)據(jù)，本文主要從燃燒器廠商及產(chǎn)品現(xiàn)狀、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀、燃燒器產(chǎn)品質(zhì)量與性能現(xiàn)狀等三個(gè)方面綜述了我國(guó)液體/氣體燃燒器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。同時(shí)，結(jié)合新的設(shè)計(jì)方法、控制技術(shù)、加工手段和智能化生產(chǎn)等方面，對(duì)燃燒器產(chǎn)品的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。