節(jié)能燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定的超低NOx 排放技術(shù)研究

摘要：通過設(shè)計一套節(jié)能燃燒系統(tǒng)，實現(xiàn)超低NOx 排放，來滿足工業(yè)爐在全球“雙碳”目標(biāo)推動下的節(jié)能減排需求。研究采用蓄熱技術(shù)與煙氣回流系統(tǒng)相結(jié)合的方法，優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設(shè)計，并通過先進的氣體成分檢測裝置實時監(jiān)控和調(diào)整燃燒參數(shù)。結(jié)果顯示，設(shè)計的燃燒系統(tǒng)可有效降低NOx 排放，同時提升燃燒效率。研究表明，該系統(tǒng)不僅能穩(wěn)定運行、降低能耗，還能延長設(shè)備使用壽命，有助于工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：節(jié)能燃燒系統(tǒng)；超低NOx 排放；工業(yè)爐；氣體成分檢測

在全球“雙碳”目標(biāo)的推動下，工業(yè)爐作為主要能耗設(shè)備，面臨嚴(yán)峻的節(jié)能減排挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)預(yù)混式燃燒技術(shù)雖反應(yīng)迅速，但會產(chǎn)生大量NOx 污染。因此，本研究基于蓄熱技術(shù)與煙氣回流系統(tǒng)結(jié)合可有效降低NOx 排放的特點，優(yōu)化設(shè)計了一套節(jié)能燃燒系統(tǒng)，通過先進的氣體成分檢測裝置實時監(jiān)測和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)超低NOx 排放，不僅提高了燃燒效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，還延長了設(shè)備使用壽命，可為工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供支持[1]。

1 現(xiàn)有的燃燒技術(shù)

1.1 預(yù)混式燃燒技術(shù)

預(yù)混式燃燒技術(shù)通過在點火前充分混合燃料與助燃空氣，以確保充分燃燒，具有快速、火焰短強勁的優(yōu)點，能顯著提高加熱效率。但該技術(shù)燃燒過程中，火焰局部溫度高達2000 ℃，導(dǎo)致大量NOx 生成并可能損傷爐墻，縮短設(shè)備壽命[2]。

1.2 擴散式燃燒技術(shù)

擴散式燃燒技術(shù)通過燃料在燃燒器內(nèi)的擴散接觸實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，不預(yù)混燃料與空氣，可產(chǎn)生長且穩(wěn)定的火焰，降低回火現(xiàn)象。該技術(shù)燃燒速度慢、效率較低，但能有效減少NOx排放，同時具有設(shè)計簡單、易操作的優(yōu)點。實際生產(chǎn)中，由于其生產(chǎn)速度慢，因而較少在工業(yè)中使用[3]。

1.3 蓄熱技術(shù)

蓄熱技術(shù)利用蓄熱箱存儲高溫尾氣熱量，并通過與氣流換向系統(tǒng)配合，在蓄熱介質(zhì)（如蓄熱球）上轉(zhuǎn)移熱量，然后切換氣流方向使冷空氣通過蓄熱器預(yù)熱至600 ℃以上以助燃。這些過程可交替進行，以保持助燃空氣高溫，節(jié)省燃料消耗。

1.4 煙氣回流技術(shù)

煙氣回流技術(shù)通過引回排氣中部分煙氣并混入助燃空氣，來降低O3 濃度和火焰溫度，從而抑制NOx 生成。煙氣回流管道裝有回流閥門或風(fēng)機，可通過調(diào)整控制系統(tǒng)來精確控制煙氣流量，有效降低火焰溫度、減少NOx 排放，實現(xiàn)燃燒過程的節(jié)能環(huán)保[4]。

2 現(xiàn)有的工業(yè)燃燒系統(tǒng)概況與不足

2.1 氣體成分檢測裝置局限

氣體成分檢測裝置對排放控制和空燃比調(diào)節(jié)至關(guān)重要，但受工業(yè)環(huán)境下的精度受粉塵和腐蝕性氣體影響，裝置的氣體探頭和分析模塊易堵塞、磨損，導(dǎo)致檢測精度降低、使用壽命縮短、維護成本增加。尤其是電化學(xué)檢測裝置，其在高溫和氧化性物質(zhì)環(huán)境中易疲勞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和能效。

2.2 空燃比控制尚存挑戰(zhàn)

空燃比控制對節(jié)能減排至關(guān)重要，其會影響火焰溫度、燃燒效率和污染物排放。目前，精確調(diào)節(jié)空燃比面臨的挑戰(zhàn)主要是尾氣成分檢測精度，受工業(yè)環(huán)境中粉塵和腐蝕性氣體干擾檢測結(jié)果發(fā)生錯誤，影響燃料的完全燃燒和煙氣排放量，使得污染物與能耗增加。

3 節(jié)能燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究采用蓄熱技術(shù)與煙氣回流系統(tǒng)相結(jié)合的方法，優(yōu)化設(shè)計了一套節(jié)能燃燒系統(tǒng)。

3.1 核心組件與結(jié)構(gòu)

節(jié)能燃燒系統(tǒng)的設(shè)計旨在通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)高效燃燒與超低NOx 排放，其核心組件包括爐膛、蓄熱箱、燒嘴、進氣管、排氣管、氣流換向系統(tǒng)、煙氣回流管道、氣體成分檢測裝置等，結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示。爐膛是整個燃燒系統(tǒng)的核心區(qū)域，其中包含2 個風(fēng)口，分別與2 個蓄熱箱相連；蓄熱箱通過與氣流換向系統(tǒng)配合，交替回收與釋放高溫尾氣的熱量，將助燃空氣預(yù)熱至600～1100 ℃；進氣管通過連接鼓風(fēng)機供應(yīng)助燃空氣，確保持續(xù)穩(wěn)定的空氣供應(yīng)；排氣管連接引風(fēng)機，確保暢通排出尾氣；氣流換向系統(tǒng)通過切換氣流方向，讓冷空氣、高溫?zé)煔饨惶媪鬟^蓄熱箱，實現(xiàn)蓄熱與放熱交替進行，使進入爐膛的助燃空氣始終保持高溫狀態(tài)、排出系統(tǒng)的煙氣始終處于低溫狀態(tài)，確保燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行；煙氣回流管道通過設(shè)置回流閥門和回流風(fēng)機，將排出的部分尾氣引回進氣管與助燃空氣混合，以降低助燃空氣中的O3 濃度并降低火焰溫度，從而有效抑制NOx 生成；氣體成分檢測裝置安裝在排氣管上，由檢測單元和執(zhí)行裝置組成，通過氣體取樣探頭采集尾氣樣本并傳輸至成分分析模塊進行實時監(jiān)測，同時確保O2、CO 和NOx 等關(guān)鍵成分的準(zhǔn)確檢測，以便調(diào)節(jié)空燃比并實現(xiàn)穩(wěn)定排放控制[5]。

3.2 氣體成分檢測裝置

氣體成分檢測裝置在節(jié)能燃燒系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其通過檢測尾氣成分，為空燃比的調(diào)節(jié)和排放控制提供數(shù)據(jù)支持[6]。該裝置由檢測單元、執(zhí)行裝置和閥門組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。檢測單元包含氣體取樣探頭、取樣氣泵和成分分析模塊，氣體取樣探頭通過取樣氣泵與成分分析模塊連通，確保尾氣樣本順利進入成分分析模塊，從而實時監(jiān)測O2、CO、NO 和NO2 等成分的濃度。執(zhí)行裝置由伸縮機和伸縮桿組成，確保氣體取樣探頭能夠靈活地伸入排氣管或收回保護盒，保持探頭處于合適的工作狀態(tài)；保護盒通過閥門、取樣口連通排氣管，確保氣體取樣探頭與外界氣流相隔絕；取樣口與排氣管內(nèi)煙氣流動方向夾角＞90°，根據(jù)流體力學(xué)原理，使保護盒內(nèi)產(chǎn)生微負(fù)壓，防止煙氣在氣體取樣探頭收回時隨之進入保護盒，從而隔絕粉塵和腐蝕性氣體的影響，延長探頭使用壽命。

氣體成分檢測裝置采取間歇式工作方式，每周檢測1 次、每次5 min。檢測一般在中溫階段進行，控制系統(tǒng)打開閥門、成分分析模塊和取樣氣泵，伸縮機啟動，伸縮桿伸出，令氣體取樣探頭穿過閥門、取樣口進入排氣管；通過取樣氣泵將樣本輸送至成分分析模塊進行分析；5 min 后，伸縮機驅(qū)動伸縮桿將氣體取樣探頭收回保護盒，關(guān)閉閥門，成分分析模塊和取樣氣泵停止工作。

4 節(jié)能燃燒系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用與效果分析

4.1 工業(yè)應(yīng)用案例

以鋼包烘烤器為例，其結(jié)構(gòu)如圖4 和圖5所示。鋼包烘烤器的爐膛由鋼包蓋和鋼包組成，用于將鋼包內(nèi)襯加熱至900～1000 ℃，以適應(yīng)鋼鐵冶煉生產(chǎn)需要；煙氣回流管道配備了回流風(fēng)機，通過將部分排放煙氣引入進氣管并與助燃空氣混合，來降低O2 濃度，實現(xiàn)火焰溫度的有效降低；氣流換向系統(tǒng)與2 個蓄熱箱相連，確保助燃空氣能夠交替流通，實現(xiàn)持續(xù)高溫助燃。

鋼包烘烤過程中，鋼包內(nèi)襯的鎂碳耐火磚在升溫至400 ℃左右時，會產(chǎn)生大量碳顆粒和黑煙，導(dǎo)致燃燒系統(tǒng)中的CO 含量急劇上升，此時準(zhǔn)確的空燃比控制至關(guān)重要。因此，成分分析模塊通過氣體成分檢測裝置中的檢測單元和執(zhí)行裝置，實時監(jiān)測和控制尾氣中的O2、CO 含量。具體來說，伸縮桿將氣體取樣探頭伸入排氣管采集尾氣樣本；取樣氣泵將樣本傳輸至分析模塊；確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，分析模塊會將分析出的數(shù)據(jù)及時傳遞到控制系統(tǒng)；依據(jù)準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)及時提高空氣供給，保證空燃比合理，抑制CO 含量。

通過精準(zhǔn)的檢測與調(diào)節(jié)，能夠保障鋼包烘烤器在升溫和保溫階段穩(wěn)定運行。同時，在升溫至1000 ℃的過程中，節(jié)能燃燒系統(tǒng)能夠根據(jù)O2 和CO 濃度數(shù)據(jù)調(diào)整鼓風(fēng)機風(fēng)量，避免因O2 含量過高而引起NOx 排放升高。

4.2 節(jié)能減排效益

蓄熱技術(shù)與煙氣回流系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用在工業(yè)爐窯中，不僅有效提升了燃燒效率，還大幅降低了污染物排放，尤其是在NOx 的控制上取得了顯著成果[7]。其通過精密的系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了助燃空氣的高效預(yù)熱和尾氣余熱的回收利用，從而最大限度地利用了能源并降低了能耗；在煙氣回流技術(shù)的輔助下，通過降低助燃空氣中的O2 濃度，有效控制了燃燒溫度，從而進一步抑制了NOx 的生成；通過實時監(jiān)控尾氣中的關(guān)鍵成分（如O2、CO），自動調(diào)節(jié)空燃比，優(yōu)化燃燒過程，從而確保排放物符合相關(guān)環(huán)保法規(guī)的要求。

5 結(jié)論

綜上所述，通過蓄熱技術(shù)與煙氣回流系統(tǒng)的結(jié)合，設(shè)計出一套節(jié)能燃燒系統(tǒng)，有效提高工業(yè)爐燃燒效率，并顯著降低NOx 排放。而且節(jié)能燃燒系統(tǒng)中的先進氣體成分檢測裝置可實時監(jiān)測和調(diào)整空燃比，優(yōu)化燃燒過程，確保排放物達到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。實際應(yīng)用顯示，節(jié)能燃燒系統(tǒng)可大幅度地減少能耗和環(huán)境影響。未來，應(yīng)繼續(xù)探索節(jié)能燃燒系統(tǒng)在不同工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用，并通過使用新型材料和技術(shù)來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟效益，推動全球工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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[7] 鄧長友，李仞，曾錦波，等.一種節(jié)能環(huán)保燃燒系統(tǒng)及其工業(yè)爐：中國，220017426U[P].2023-11-14.

作者簡介

鄧長友（1965—），男，漢族，四川樂山人，高級工程師，碩士，研究方向為燃燒和熱能動力工程。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-07-29