我国燃气锅炉的差距和突破(续)

・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　ＤＯＩ：１０．１６５５８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００４－８７７４．２０１７．０６．００１　文章编号：１００４—８７７４（２０１７）０６—０００１—１０　我国燃气锅炉的差距和突破（续）　赵钦新，商俊奇，倪永涛，Ｙ＿Ｃｒ￣，ｌ　（西安交通大学能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部　重点实验室，陕西西安７１００４９）　摘　要：天然气时代的到来决定了燃气事业未来良好的发展前景，回顾了国内外燃气锅炉　的发展历程；总结了传统燃气锅炉设计生产过程中存在的一些问题；提出了未来燃气锅炉的发　展方向。即主要集中在超低氮燃气燃烧器、超高效换热器、燃气阀组与白控技术三个方面；最后　为行业内燃气锅炉生产企业的创新提出了阶段性的建议。　关键词：燃气锅炉；超低氮燃气燃烧器；超高效换热器；燃气阀组；自动控制　中图分类号：ＴＫ２２９　文献标识码：Ａ　第一作者：赵钦新　（１９６３一），男，西安交　通大学热能工程系　Ｔｈｅ　Ｇａｐ　ａｎｄ　Ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ　ｏｎ　Ｄｏｍｅｓｔｉｃ　Ｇａｓ－ｆｉｒｅｄ　Ｂｏｉｌｅｒｓ　前主要从事热能工　博士、教授、博导，目　ＺＨＡＯ　Ｑｉｎ—ｘｉｎ，ＳＨＡＮＧ　Ｊｕｎ—ｑｉ，ＮＩ　Ｙｏｎｇ—ｔａｏ，ＷＡＮＧ　Ｙｕｎ—ｇａｎｇ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍｏ—ｌｆｕｉｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　程及相关专业教学　和科研工作．主要研　究方向：材料强度工　Ｍｉｎｉｓｔｙ　ｏｆｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４９，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｒｉｖａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｅｒａ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐ—　ｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇａｓ—ｉｒｅｄ　ｃａｒｅｅｒ．Ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｆｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｇａｓ—ｉｆｒｅｄ　ｂｏｉｌｅｒｓ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａ—　ｒｉｚｅｓ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｄｅｓｉｇｎ＆ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ—ｆｉｒｅｄ　ｂｏｉｌｅｒｓ　ａｓ￣ｌｌｏｗｓ：ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｇａｓ　ｂｕｒｎｅｒ，ｕｌｔｒａ　ｈｉｇｈ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｇａｓ　ｖａｌｖｅ　ｇｒｏｕｐ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｇｉｖｅｓ　ｓｏｍｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇａｓ—　ｉｒｅｄ　ｂｏｉｆｌｅｒ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．　艺及设备安全，工业　过程节能减排。现　担任全国锅炉压力　容器标准化技术委　员会委员。中国动力　工程学会理事。　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ－ｆｉｒｅｄ　ｂｏｉｌｅｒｓ；ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ　ＮＯ　ｇａｓ　ｂｕｒｎｅｒｓ；ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ　ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ；ｇａｓ　ｖａｌｖｅ　ｇｒｏｕｐ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　３新的挑战和需求　燃烧器是燃气锅炉的核心，而换热容器或换热　器则是能量转换的关键。与传统燃烧器不同，新时　期的燃烧器要求更加环保、高效，自动化程度也随之　提升：与传统的换热容器或换热器相比，新型的换热　容器或换热器要求更加高效、紧凑。在这种需求下，　新时期燃气锅炉的发展方向主要分为以下３个方　向：超低氮燃气燃烧器、超高效换热（容）器以及燃　气阀组、自动控制技术，并在此基础上实现这三者的　施，标志着中国城市燃气的天然气时代已经来临。　尤其是近几年，雾霾压城，污染日趋严重，“煤改气”　成为城市供热首选。经过对油、煤和天然气在燃烧　过程中排放物的比较，发现天然气比其它燃料的气　体污染物的排放量都少很多．唯有ＮＯ　的排放量在　个数量级上。随着天然气工业的迅速发展，天然　一气燃烧后产生的氮氧化物的污染不容忽视，低氮燃　烧成为燃气燃烧器技术的主流发展方向，设计和开　发新型低ＮＯ　燃气燃烧器是当前燃气燃烧污染物　减排改造的关键。　精细化耦合。从而达到燃气锅炉整体国产化、产业　化、系列化和高效低氮化的目的。　３．１超低氮燃气燃烧器　我们知道，随着经济的高速发展，能源的消耗迅　速增长．燃料燃烧造成的污染日趋严重。城市能源　因为我国一直缺油少气，燃油、燃气燃烧器相对　滞后发展。２０世纪８０年代以前，我国相关部门只　为石油开采和出口任务研制开发了有限品种的燃　油、燃气燃烧器，至９Ｏ年代，当中国快速发展燃油、　燃气工业时，国外系列燃油、燃气燃烧器产品蜂拥而　开始走向天然气时代。特别是“西气东输”工程的实　至，如意大利百得、德国威索、英国力威等，国内根本　来不及研发，而国内高等院校、研究院所的研究人员　收稿日期：２０１７．０９．１８　２　工业锅炉　２０１７年第６期（总第１６６期）　主要集中在层状燃烧、流化燃烧和煤粉燃烧技术研　究领域。但是。近几年雾霾压城，北京从２０１７年４　月１日开始，城区燃气锅炉ＮＯ　排放要求控制在　３０　ｍｇ／ｍ。以下，该指标直逼美国加州的超低氮排放　要求，欧洲国家也只要求排放达到１００　ｍｇ／ｍ。。因　此，没有相关超低氮产品供应中国市场，全世界只有　美国对超低氮燃烧器已经研究多年，具有系列外超　低氮燃气燃烧器产品供应，造成超低氮燃气燃烧器　市场供应困难。价格严重超过市场预期，国内生产厂　商急需研究开发新型超低氮燃气燃烧器。　３．１．１　ＮＯ　生成原理及低ＮＯ　技术　ＮＯ　的生成主要可分为热力型ＮＯ　（Ｔｈｅｒｍａｌ　ＮＯ　）、快速型ＮＯ　（Ｐｒｏｍｐｔ　ＮＯ　）、燃料型ＮＯ　（Ｆｕｅｌ　ＮＯ　）三种。天然气燃烧ＮＯ　来源主要为热力型　ＮＯ　，伴有少量的快速型ＮＯ　。　热力型ＮＯ　是指燃烧过程中，空气中Ｎ，在高　温下氧化生成ＮＯ　。在高温燃烧中热力型ＮＯ　起　支配作用，而在热力型机理中，温度是支配ＮＯ　生　成的关键因素，过量空气系数、停留时间对其也有一　定的影响。研究表明，当温度低于１　５００　时，热力　ＮＯ　的生成量很少；高于１　５００℃时，温度每升高　１００　ｏＣ，反应速度将增大６～７倍。这在实际燃烧过程　中，就要求燃烧室内的温度分布均匀．如果产生局部　高温区，这些区域则会生成较多ＮＯ　，可能会对整个　燃烧室内的ＮＯ　生成起关键性作用。因此在炉膛　中，为抑制热力型ＮＯ　的生成。除降低炉内平均温度　外，还必须使炉内温度分布均匀化，避免局部高温。　其次，热力型ＮＯ　生成量与氧浓度的平方根成　正比。但在实际过程中情况会更复杂些，因为过量　空气系数的增加。一方面会增加氧浓度，另一方面会　使火焰温度降低．从总的趋势来看，随着过量空气系　数的增加，ＮＯ　的生成量先增加，到一个极值后会下　降。因此，对于扩散燃烧时需要减少过量空气系数，　预混燃烧时则需要增大过量空气系数。　再次，高温下气体停留时间越长，ＮＯ　生成量越　多。气体在高温区域的停留时间对热力型ＮＯ　生　成的影响主要是由于ＮＯ　生成反应还没有达到化　学平衡而造成的．随着气体在高温区停留时间的延　长，ＮＯ　生成量将迅速增加，达到其化学平衡浓度。　因此，须缩短气体在高温区的停留时问。　３．１．２低ＮＯ　技术介绍　根据低ＮＯ　燃烧技术的发展历程我们将其划　分为３代：第一代为降低过量空气系数：降低助燃空　气预热温度：增大辐射换热面积。第二代为空气分　级和燃料分级技术。第三代为烟气内、外循环技术、　，此外，还有如：旋流燃烧、脉动供燃料燃烧、富氧燃烧　和高温低氧燃烧等几种新型低ＮＯ　燃烧技术　ｌｊ　前，常用的低氮燃烧技术包括分级燃烧、预　燃烧、　烟气再循环、多孔介质燃烧、无焰燃烧等，　叫ｔ全坝　混燃烧、多孔介质燃烧、无焰燃烧适用于小功率的燃　烧器，分级燃烧、部分预混燃烧、烟气冉循环等技术　则成为大功率燃烧器努力的方向　（１）分级燃烧　由于燃烧温度在化学当量比为１的情况卜达钏　最高，分级燃烧技术则是实现贫燃或者富燃燃烧，　燃烧温度比当量比为１的燃烧温度要低，Ｉ丈ｌ此能合　理控制炉内温度场分布，避免出现局部高温，达剑降　低ＮＯ　生成的效果，可将ＮＯ　排放控制浓度　）　ｍｇ／ｍ　，但却也降低了燃烧强度并因此在某　条什　下降低了燃烧效率．且该项技术町能造成（：（）排放　浓度明显上升，如何实现良好的空气／燃气分级　足　一个技术难点。　（２）烟气再循环　烟气再循环是通过将娴气的燃烧产物及ｒ｝１问怵　加入到燃烧区域内，从而降低　燃烧温度，Ｉ州时ＪＪＩｌ入　的烟气降低了氧气的分压，可以减弱热力　ＮＯ　ｒｆｌ０　生成。烟气再循环分为外部炯气再循环和ｆＪ、Ｊ部州　再循环，研究表明，外部烟气冉循环能够减少７０％．　的ＮＯ　生成，可有效降低氮氧化物排放，将Ｎ（）　的　排放浓度控制在６０～８０　ｍ　ｍ　，根据　气循环比例　不同排放水平差异较大：但外部州气阿循环埘ｒ怏　速型ＮＯ　的控制效果一般、占地空问人、增人ｒ风　机电耗，且外部烟气再循环对锅炉运行有一定影响，　由于烟气再循环引入一部分烟气，炉膛内温度降低，　烟气流速会增加，会改变炉膛与各受热向之　的热　量分配，对锅炉效率产生一定影响。实际运行过　中，烟气再循环的引入会使得空气流速增加，会引　燃烧不稳定现象。内部烟气再循环则是主要通过燃　烧器与炉膛的结构设计，使烟气通过气体动力学　生回流。内部烟气再循环可以通过多种办Ｊ＝＿【＝产，｛ｉ，　包括高速射流的卷吸作用、旋流或者钝体绕流等　内部烟气再循环也广泛应用于实际Ｔ　业设备巾，ｆ｝ｌ　降低氮氧化物排放的效果相对较差。　（３）预混燃烧　预混燃烧技术也是有效降低氮氧化物排放的Ｆ　段。相比于扩散燃烧，预混燃烧具有燃烧温度高、燃　烧强度大的优点，可以通过对当量比的完全控制米　实现对燃烧温度的控制，从而控制热力型ＮＯ　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　３　成。过量空气系数的不均匀性会导致对ＮＯ　生成　的控制降低，完全预混也将减弱这一弊端。预混燃　烧和部分预混在降低ＮＯ　生成上有很大潜力，在有　ＭＩＬＤ燃烧可以提高系统热效率３０％以上，同时降　低超过７０％的ＮＯ　排放。该技术目前在工业应用　上已臻完善，并已在冶金和机械制造行业得到了广　泛应用，是新一代高效低污染燃烧技术的发展方向　之一，但是对ＭＩＬＤ燃烧机理及特性基础研究的缺　乏阻碍了该技术目前更广泛的应用。　３．１．３　国外低氮燃气燃烧器主流产品示例　（１）水国燃烧器　该燃烧器是由韩国水国公司开发制造，可以实　现ＮＯ，排放低于３０　ｍｇ／ｍ　的水平。由图３ｌ可以　些情况下相比于非预混燃烧可减少８５％～９０％。但　是预混燃烧的限制因素在于其安全性控制上存在技　术难点。预混气体由于其高度可燃性可能会导致回　火，同时燃烧存在不稳定性。另一缺点是很高的过　量空气系数将导致排娴损失增加而降低锅炉效率，　即ＮＯ　排放浓度越低，热效率越低。　（４）ＭＩＬＤ燃烧　ＭＩＩ　Ｄ燃烧又称无焰燃烧或高温空气燃烧，是　一看出，水国燃烧器采用空气分级与烟气再循环相结　合的方式降低氮氧化物的生成。燃气喷枪经燃气环　分配给数支燃气喷枪，实现燃气周向分级；燃气喷嘴　内侧开孑Ｌ，实现燃气的径向分级，与经过旋流叶片的　种容积燃烧或弥散燃烧，其特征是反应速率低、局　部释热少、热流分布均匀、燃烧峰值温度低且噪音极　小。该技术采用蓄热式炯气余热回收装置，将空气　预热到１　０００　Ｋ以上．最大限度地回收高温炯气中　的显热。预热空气喷入炉膛时将卷吸烟气形成贫氧　的高温气流，通过在空气喷口附近布置燃料喷嘴，实　现燃料在贫氧（２％～２０％）氛嗣中燃烧，抑制燃烧过　程中ＮＯ　的形成。该燃烧与传统小区域局部高温　燃烧相比，反应在大区域、甚至整个炉膛内进行，火　中心风混合燃烧：空气分级后的一次风既有助于补　充主燃火焰，又可使烟气冲刷炉墙形成边角回流：进　风口设有调节挡板，有利于控制空燃比，实现高效率　燃烧；风道的渐缩喷口形成引射器，卷吸边角回流炯　气经导流板与一次风混合，形成烟气的自身再循环。　该燃烧器结构简单、氮氧化物排放水平较低，且具有　一焰锋面消失；炉膛整体温度提高、辐射传热增强；　定的创造性。　（ａ）燃烧器实物图　（ｂ）燃烧器内部结构及低氮燃烧原理图　图３１　水同低氮燃烧器实物图及结构图　（２）利雅路ＲＸ系列燃烧器　烧在接近金属织网及燃烧头处发生，所以通过预混　该燃烧器是由意大利利雅路燃烧器公司设计生　产的全预混无焰燃烧低氮燃烧器，如图３２所示。空　技术产生的火焰结构紧凑。这一特性减少了火焰与　炉膛壁的接触，避免了不规则燃烧以及炉膛壁积碳　气与燃气在风机前混合后一起进入风机，在风机的　搅动下完全混合后送入燃烧头．燃烧头为表面带多　个气孔的会属圆柱体，采用无焊缝技术及由无缝针　或是锅炉内部产生的局部沸腾现象。该燃烧器具有　低污染排放、高燃烧强度、高调节比、噪声低等优点。　３．１．４燃气锅炉的突破　织金属线制成的“织网”包裹于圆柱体表面。混合　后的空气和燃气通过燃烧头表面气孔到达燃烧头外　部，同时通过电极产生的火花进行点火。气孑Ｌ形状　设计独特．可确保空气和燃气混合的速度高于火焰　回流的速度，以避免潜在的危险情况发生。因为燃　（１）燃烧器突破核心和关键　“炉”就是燃烧器，燃烧器突破的核心和关键是　什么？答日：是燃料和空气的混合、及时点火和可控　燃烧，这一点无论是燃煤、燃气、燃油、燃生物质、燃　垃圾，其燃烧设备的设计原理是绝对相同的，只不过　４　工业锅炉　２０１７年第６期（总第１６６期）　根据燃料和空气混合、及时点火和可控燃烧的形式　恋”，正因为风煤混合无与伦比．煤粉炉是固体燃料　燃烧效率最高的燃烧方式．几乎具有和气体燃烧一　有所侧重；层状燃烧时燃烧设备称之为“炉排”，有　链条炉排、往复炉排、振动炉排等燃烧设备。众所周　知．往复炉排和振动炉排和链条炉排相比。强化了燃　料和空气的混合，比链条炉排具有更高的燃料适应　样的效率，只要你会设计煤粉燃烧器，那么，你就会　设计燃气燃烧器：燃油、燃气锅炉使用油、气燃烧器，　其混合的条件更是“气体白恋”。由此可见，燃煤、　燃油、燃气设计原理大致相同，明白这一点至关重　要，剩下的只不过足通过机械、几何、物理和化学的　性；循环流化燃烧时燃烧设备称之为“流化床”，从　教科书中，循环流化床锅炉的燃烧效率要高于鼓泡　床锅炉，这是因为具有返料的循环流化床锅炉强化　了燃料、灰颗粒和空气的混合所致；煤粉炉中称之为　煤粉燃烧器，因为煤粉很细，易于气流携带，空气和　煤粉的混合如影随形，可称之为“空气和煤粉之　巧夺天工般的奇思妙想将燃料、空气混合、及时点火　和可控燃烧进行随意捏合在一起，创造出形形色色　的人们称之为的奇妙火焰的“燃烧器”．、　＼，一一——＝：　…一　带多气孔的　燃烧头表面　火焰　图３２利雅路全预混无焰燃烧低氮燃烧器　图３３示出了层状燃烧时原煤在大块翻转炉排片　上进行空气和燃料混合时的层状燃烧炉排（燃烧器）　的结构设计和数值模拟图，因为原煤在炉排上静止不　动，一次风必须交叉穿过煤层和燃料进行混合．其混　合、及时着火和可控燃烧条件比较差，远不如往复和　振动炉排的煤层和一次空气混合的条件好。　（ａ）大块翻转炉排片设计结构图（ｂ）风煤界面混合流动　（ｃ）一次风热态冷却温度场（ｄ）无…次风ｒ烧数值模拟　图３３　原煤在炉排上进行混合时的层状燃烧炉排的结构设计和数值模拟优化　３４示出了煤粉燃烧时的燃料和空气三分级　满意的超低氮排放效果，其火焰可根据中心风、一次　的风煤混合的超低氮煤粉燃烧器的结构设计和数值　模拟图，可以看到其设计原理的共同之处。可以想　风、直流风、内二次风和外二次风以及紧凑燃尽风和　分离燃尽风的合理调整得到各种长度的火焰．甚至　象，用该煤粉燃烧器直接燃烧天然气可以得到十分　全预混无焰燃烧　（ａ）煤粉燃烧器设计结构图（ｂ）燃烧器＋ＯＦＡ的数值模拟图（ｂ）燃烧器温度场的数值模拟图　图３４燃料和空气三分级的风煤混合的超低氮煤粉燃烧器结构设计及数值优化　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　５　（２）超低氮燃烧器　低氮燃烧原理相对比较简单，但是要实现超低　氮燃烧需要燃烧头、配风、及时混合和可控燃烧的一　体化设计，同时要配套各种点火、熄火保护、吹扫及　系列控制器件才能最终成功，其研发需要相当长的　４）烟气再循环：二级燃气管道的内部喷口喷向　中心火焰起到助燃目的，外部喷口喷向炉墙。与炉墙　配合形成烟气边角回流区。边角回流烟气经导流板　进入二次风出口，并与之混合，从而以烟气内循环的　方式实现烟气外循环的效果。实现贫氧控制燃烧温　度，降低热力型ＮＯ　生成量。・　为达到降低氮氧化物排放的目的，图３６采取了　以下措施：　周期，要经过理论计算、数值模拟、模型实验、产品试　验的全过程。只要我们从头做起，通过燃料和空气　的分级燃烧（轴向、周向和径向）和烟气再循环就能　设计和制造出满足低氮燃烧要求的超低氮燃气燃烧　器。图３５示出了一种新型超低氮燃气燃烧器结构　专利图，图３６示出了一种燃气空气精确分级的内置　烟气再循环的低ＮＯ　旋流燃气燃烧器。为达到降　低氮氧化物排放的目的。图３５采取了以下措施：　图３５一种新型超低氮燃气燃烧器　１）分级燃烧：燃气分为一级燃气（中心燃气）与　二级燃气．空气分为中心风、一次风、二次风，分级供　应燃烧所需的空气与燃气。二级燃气位在中心燃气　前方，既延长二次燃料与中心火焰的接触时间，一定　程度上减弱快速型ＮＯ　的形成，又能实现燃料的轴　向分级。两级燃气均由母管送入集气环。再分配到　各个燃气喷枪，实现了燃料的周向分级，一二级燃气　管道采用异型喷嘴可以实现了燃料的径向分级。　２）均衡燃烧：中心燃气的出口位于中心风出口　内，空气／燃气可以在管道内发生部分预混，从而改　善空气／燃气混合情况，达到燃烧均衡的目的。同　时，燃烧器采用燃气双集箱、管群式供应方式也可以　改善空气／燃气的混合情况。　３）中心烟气回流：中心燃气的周围管道出口采　用异型喷嘴，内侧喷口配合中心管形成主火焰，外侧　喷口与一次风在外围助燃．内外喷口间形成了中心　烟气回流区。可使高温低速的燃烧产物和中间体对　尚未参加反应的空气和燃料进行预热、稀释，从而有　效地强化燃烧、稳定火焰。同时，烟气回流使得炉内　温度分布更加均匀，可以降低最高燃烧温度、缩小高　温区，抑制热力型ＮＯ　的形成。　１）分级燃烧：自内向外依次同心布置中心燃气　喷头、二级燃气喷头、旋流一次风通道、三级燃气喷　头和二次风喷枪，沿轴向和径向分级供应燃烧所需　的空气与燃气。具体地说，中心燃气喷头、二级燃气　喷头和三级燃气喷头喷出的燃气在轴向和径向的位　置都不一样，使ＮＯ　在氧化性的初始燃烧区形成，　在再燃区与中心燃料混合并被还原，在二次风和三　级燃料喷入的燃尽区彻底还原。并将未燃燃料和ＣＯ　彻底燃尽。　２）烟气再循环：该发明在外耐火套筒中开了数　个烟气再循环通道，使部分边角烟气与三级燃气和　二次风混合再冲入炉膛．降低二次风氧浓度和炉膛　温度，实现贫氧控制燃烧温度，降低热力型ＮＯ　生　成量。并且在中心燃气喷头中加入了钝体稳燃装置　和稳燃齿，使中心产生回流区，从而也实现了小范围　的烟气再循环。　３）旋流燃烧技术：二级燃料与一次风通过旋流　装置产生旋流喷人炉膛，在炉膛内形成燃烧产物的　中心回流区，对未反应空气和燃料进行预热和稀释，　在高速射流下形成稳定的火焰。再循环的烟气经过　再循环通道也在混合通道形成旋流，其旋流方向与　一次风旋流方向一致，加强烟气循环．延迟三级燃气　的燃烧，从而降低氮氧化物的生成。　图３６　一种燃气空气精确分级的低ＮＯ　旋流燃气燃烧器　欧洲的污染物排放标准一直沿用１００　ｍｇ／ｍ。以　下，低于美国加州的排放标准，普通的燃烧器只要采　用一些简单的燃料或空气分级，或者是烟气内循环，　就可以实现１００　ｍｇ／ｍ　。只是因为美国（加州比较　６　工业锅炉　２０１７年第６期（总第１６６期）　早）和中国（北京晚一些）要求超低氮排放，才刺激　（１）在烟管内插入了针形强化换热管，一　咖　减小烟管内烟气的流通面积，增大烟气流速，　…一办　面增强烟气向锅筒内部及强化换热管的双侧换热效　果：相比于单纯对烟管进行强化换热而言，以Ｌ所提　了欧洲燃烧器厂商研制开发超低氮燃烧器，因此．欧　洲的超低氮燃烧器技术也是近几年为了应对中国市　场在短时间内研制开发出来的，几乎与中国同时起　步。因此，国内燃烧器生产企业应该认清形势，奋起　出的新型强化换热手段可以更加有效地降低烟温、　减少烟管布置的管程的数量，有利于锅壳式燃油燃　气锅炉向大容量、高参数方向发展。　（２）设置回水装置、二级烟气冷却器和　：ｉ级空　气冷凝器，采用回水和空气预热双重方式对排娴进　行冷却，可有效改善７０℃回水无法深度冷凝排烟的　直追。国产燃烧器具有广阔的发展前景。　３．２超高效换热器　“锅”是燃气锅炉的换热器．燃气锅炉的发展一　方面取决于“炉”技术——超低氮燃烧器的突破，另　一方面就是实现“锅”技术——超高效换热的突破。　最近我们也接到很多企业合作开发“锅”“炉”　３．２．１锅壳式超高效换热器　关键技术的要求，目前已正式进入研制开发新型超　低氮燃烧器和超高效换热器。根据前面所分析的我　困境，而无需对锅炉系统再额外引入冷源，配合　气　再循环．可对三级空气冷凝器内空气的温度进行训　节，根据实际需要调控排烟的冷却程度；同时，采川　模块化设计理念，对锅炉中各组件进行合理布局，各　单元互相配合、功能互补，因而结构紧凑。整个锅炉　一国在“锅”技术方面和国外存在的差距，我们也提出　了一种新型的强化换热梯级烟气冷却的紧凑型冷凝　式燃油燃气锅炉的专利思想（ＣＮ２０１７１０４８７４２８．７），　如图３７所示，在此展示出来以便和设计者分享，目　体化布局，可有效节省占地面积和空间，二级和：　（３）可根据实际需要设计为卧式或立式结构，对　级换热器也可根据设计需要全部省略。　的是要说明无论多么传统技术也有创新的空间。　与现有技术相比．图３７示出的结构具有以下有　益的技术效果：　于不同的使用环境，始终固定烟气出｜］朝』二并简单洲　整局部细节即可实现立卧改变，主体无需重新设　，　炉体直接旋转９０。即可，极大地节省设计成本。　（ａ）超低氮扩散式燃烧器十导烟管＋超高效换热器　１一大直径烟管２一针翅管３一回流水管４一导烟管／配水管（ｂ）全预混无焰燃烧器＋超高效换热器　５一二级换热器６一三级换热器７一烟气外循环　（ｃ）一种回流式内翅管传热兀件　１一大直径烟管２一针翅管３～针翅／销钉４一回流水管５一传热元件出水口　图３７～种新型的强化换热梯级烟气冷却的紧凑型冷凝式燃油燃气锅炉　（４）该结构仍然存在管板，但并无管板开裂的　倾向性，因为该设计使用大直径的导烟管和大烟管　可以使用窄间隙全焊透焊接结构，消除管板裂纹。　也可以探索采用新型焊接技术的可行性，如激光焊　接的焊缝深宽比可达７０：１，若用来焊接烟管和管　板．可以实现全焊透，同时减小孑Ｌ桥尺寸以使结构紧　凑　３．２．２水管式超高效换热器　（１）对燃气蒸汽锅炉应该是减少锅筒而不是增　加锅筒　我国传统设计生产的中大型水管燃油燃气锅炉　基本上都是Ｄ、Ａ、０型双锅筒加对流管束的锅炉结　构，中小型快装适合工厂内组装，中大型散装出厂，　从制造工艺上讲，双锅筒加对流管束的结构不适合　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　（２）热水炉型可取消锅筒　７　现场制造，因为双锅筒加对流管束结构管柬端部和　锅筒内部角接焊接工作量很大，上锅筒现场组装焊　接时，焊接Ｔ人向下俯焊，尚能保证焊接质量，但是　下锅筒现场组装焊接时，焊接工人向上仰焊．不仅焊　接质量难以保证，而且焊接工人施焊过程中存在被　熔化的金属液体和飞溅烧伤的危险性．若在工厂制　目前，我国大中型城市区域供热对燃气热水锅　炉的需求极其旺盛，但是，市场上已经投运的燃气热　水锅炉绝大多数是由燃气蒸汽锅炉结构改造而来，　因此，相当一部分还保留着蒸汽锅炉所特有的锅筒，　故而存在锅炉钢耗量大、结构不合理、安装焊接过程　造时，可以借助变位器等　装，使下锅筒也处于向下　俯焊的位置，以保证焊接质量，同时避免焊接过程的　危险性；更为重要的是，现场安装，要求焊接每一根　独立的管件，安装周期长，现场安装受压部件．制造　质量难以保证，很难在结构上实现模块化快速组装　繁琐等缺点，而合理、经济性好的热水炉型是可以取　消锅筒的。图３８示Ｉ叶Ｊ了２种全强制循环的新型角　管式燃气热水锅炉结构，其特点在于取消了锅筒，采　用了新型角管式结构，使得所有受热面为全部强制　上升受热面。该锅炉避免了引起爆管、低负荷运行　生产，难以减少现场极大的焊接工作量，焊接质量很　难保证，这些焊口成为运行过程中的重大安全隐患，　和停电保护时的缺陷，实现了节省钢架、气密性好、　流量偏差小、漏风少、热偏差小、不会引起爆管、燃烧　同时密集的对流管束的存在也不便于检修，因此，双　锅筒加对流管束结构制造Ｔ艺非常复杂，不适合大　型化　效率高、确保该结构在任何负荷下都可以安全可靠　地工作、具有超强的停电保护功能等诸多优点。　（ａ）传统第一代角管热水锅炉结构（ｂ）针翅代替旗式管的第二代角管热水锅炉结构　图３８全强制循环的新型角管式燃气热水锅炉　（３）采用强化传热元件、本体整装化　虽然．：ｒ业角管燃气锅炉一般都采用旗式受热　面（如图ｌ６和图３８（ａ）），旗式受热面也有其不为人　接可靠性、不能扩展强化传热的缺点，而且变蛇形管　排在尾部竖井的横向布置为纵向布置，其水循环动　力可以达到和前后墙膜式水冷壁相同的水平，更有　甚者，针形管的针翅可以应用于１　２００　ｏＣ以下的任　知的缺点．其一，同为蛇形管束，管束和竖管旗杆的　角焊焊口和竖管中弓形节流板的焊接比较困难，需　何温度区间．解决了燃油燃气锅炉高温度难以扩展　强化传热的难点，如图３８（ｂ）所示．消除了旗式蛇形　管束的弊端，我们称之为第二代角管锅炉结构。图　３９示　了第二代角管蒸汽锅炉的结构，蒸汽锅炉还　有一个明显的改进就是将尾部的２级省煤器也置于　角管自支撑的范围，不仅角管自支撑辐射、蒸发对流　受热而，还自支撑辅助受热面省煤器，该锅炉完全实　要认真对待，强化焊接控制，一旦运行中泄露，维修　极其困难：其次，旗式蛇形管受热面用于自然循环结　构时．丁质侧流动阻力太大，对高温段管束的水循环　不利：第三，难以将低温段的旗式蛇形管束设计成螺　旋管、针形管或Ｈ型翅片管的强化传热的扩展受热　面．目前．旗式蛇形管受热面只能采用光管制成，这　对燃气锅炉的低温受热面是个遗憾。　为此．我们和沈阳军区联勤部Ｔ程安装大队对　传统的角管锅炉进行结构重整，创造出一种以针形　管作为扩展强化传热受热面（已获国家发明专利授　权）．不仅克服了旗式蛇形管受热面循环阻力大、焊　现了锅炉本体整装化。现场安装的丁作量大为简　化，该锅炉已生产２０　ｔ／ｈ和３０　ｔ／ｈ燃气蒸汽锅炉以　及同等容量的热水锅炉（如图３８（ｂ）），并已完成　３５　ｔ／ｈ和７５　ｔ／ｈ整体设计。　＿Ｉ　、　锅炉　２０１　７年第６期（总筇１６６期）　１一锅简　２一下降僻６一针形管然发器３一前墙卜　僻４一汽水倾分离集箱５～过热　７一　部・　Ｊ｝：通道Ｊ　＾　８一ｆ【ｌ！ＪＪ墒Ｉ　７１‘管９一ｎ史撑省煤　ｉ　３９针翘强化第　代角僻蒸汽锅炉结构　３．３燃气阀组及自动控制技术　组和控制　，国内产ｒＩ『Ｉ和罔外的　刖在逐渐缩小．　．低　燃气燃烧　的另一关键技术足燃　阀组及　白控技术，　１　４０所示　燃　比例阀披小＝可以实　脱燃　、一　气的比例调节　Ｉｊ控制，以挟得　定的燃　气、伞　匕例　、维持稳定的燃　Ｃ、李气比例对燃气燃　烧ｉ＇ｔ￣．１ｌ　ｆＪＩ】主要衷脱　维持稳定的燃烧　况、提高燃　烧效率、减少污染排放．．实现燃　、审气比例凋节的　』『ｌ】卜：　今后，困内企业应该　极合作共赢，使我Ｈ厂１主　产　的燃气锅炉使用同１人】　主　ＬＪｌ牌ｌＹ，ｊ燃气Ｉ　器　技术到产ｔ川屺套已经ｈ　于世　币Ｉｌ控制　仃这样，我仃Ｊ　能说，我　的燃气锅炉　沦从　族之林．术水足　属于我仃Ｊ的，只要我们努力就能够达到　锅炉址一个多变　¨１　Ｈ变｝ｌｔ－ｆ．１ｆＨ上ｆ　耦合　ｊ｝有　确定时滞的复杂控制对象，常规的控制器效　不　：这种燃烧设备Ｉ　燃气的送　理想，存此主要介绍今　来锅炉『｛动化研究的　个　方向：一是利朋其他方法和ＰＩＩ）控制结合，二二址利　用人　『　智能等计算机领域先进技术ＪＦ发　家系统，　二足针埘锅炉的强粥合性，开发晰　控制系统　ＰＩ１）控制系统结构简单、容易实现、鲁悸性强和　能够实脱尤　渊节　然Ｉ而，常姚的ＰＩＤ控制　址线　机械连ｆ１　州　人　‘ｊ－Ｄ，Ｊ￣风　联动，燃烧器利』Ｈ伺服电　Ｌ－＇￥１４动空气　蝶　，许通过迕杆川步控制燃，ｃ蝶阀的开度。］　作　时随行们Ｈｌ连电机的　动，宅气蝶阀和燃气蝶阀同ＩＩ寸　改变川业，从而　步控制空气　和燃气供给ｆ　，实现　埘火　人小的控制　②燃气比例阀：这种比例　通过引射　与调压　性的．适川１＿＿】二小惯性小滞后的过　，当把Ｐｌ１）控制　应用　非线性、大ｉｔ，ｔｆ，ｌｉ￣、参数小确定的情　ｆｆ、『，很　器ｆｆ｛结合的方法实现燃气、窄气比例的州　、　ｆｆｄ服电机分删控制燃气和　气阀门　度，、　④术来　空　和燃气精确混合上还有创新窄　Ｉ１＿＝ＩＪ　难获得满意的控制效　此　多学者将．１Ｃｆｉ￣厅法　和ＰＩＤ控制结合起来。女ｆＩ在常规ＰＩＤ控制器前巾联　一个模糊颅估器来补偿被控过程的惯性不１ｌ滞后的影　人１　ｆＩｌＩ经元　络　仃学习、泛化以及非线　ｒＥ映　响。　射多种能力．可以很好地弥补常规控制方法Ｉ，Ｉ勺均　性　々家系统以知识模Ｊ　为　础，／ｆ　仪利川　沦知　识．而Ｈ４￣ｌｉ　Ｊｌｔ人的知　和经验，　适合像锅炉燃烧过　Ｊ冬Ｉ　４（）ｌ侧ｆ　Ｊ　ｉｔ，　Ｉ冬Ｉ　程这样难以建模和操作的对象．　锅炉操作的复杂悱在于其变　训的紧崭椭合，　根据多变　频域控制疗法．克服内扰实现解椭的最　有效途径魁采用解祸控制方法，而冲经网络具有的　¨控制技术ｆｊ前以西门子技术最为先进、稳　定．』　他公司，如值　、　浦的燃油燃气锅，ｔｓ、产品都　选『｝ｊ　Ｌｊ水公司的控制技术，国外燃烧器厂家大多也　将　¨控制系统竹－７为首选，　内也已经行企业Ｉｔ＇　行研发Ｊ　燃气燃烧器相应的阀组和自动控制技术，　学习、泛化、非线性映射等能力使其成为可能．　．３．４燃气“锅”“炉”一体化设计优化技术　们足除ｒ白已使刷外，没有大范ｆ｝；Ｉ推广，实际上在　｜１　，我囝大多数燃气锅炉制造企业无法实现　・综　述・　我罔燃气锅炉的差距和突破　９　燃气“锅”、“炉”和“阀组控制”一体化设计优化技　术．但是国外在中国设立的一些独资或合资企业可　以实现这一点　如　浦、荏原在中国的公司。不仪　如此，即使仪仅实现燃气“锅”、“炉”的一体化设计　Ⅱ三是凤毛麟角．但是．据笔者所知．有这种能力的中　行理论设计、数值模拟和模型试验的人才，不能对研　发的产品实践重现性和系列化：高校和研究院也缺　少其他的相关人才，即缺少进行现场实验和调试的　人才．以及实现机电一体化配套的人才．　此，只有　产学研结合才能实现ｊ者的耦合及完整的一体化设　计优化技术。图４１示ｌ叶Ｊ了我们为青岛荏原公司贯　流式燃气锅炉全流程数值模拟优化设计的过程，可　以看到．不是完成结构设计就可以直接付诸制造和　生产的，优秀的设计需要正确的设计计算、深入的数　值模拟试验和细致的实验验证、反复地改进和优化　的过程　同企业小存少数，只是缺乏一些适当的机会使他们　的产品成为社会的主流，那么，我们到底缺什么。我　们缺真ｌ【Ｆ的产学研合作，导致我们围家与此相关的　一些企业没有信心走向市场。企业不缺资金、设备、　行进行现场实验卡¨调试，但是企业缺少可以独立进　厂房和苻销战略．缺的是技术人才，企业或许可以自　＼、、　／　（ａ）顶置燃烧器＋贯流式换热器（ｂ）燃烧器数值模拟（ｃ）燃烧器＋炉膛　（ｄ）炉膛温度场　（ｅ）炉膛出口温度场　冈４１　贯流式燃气锅炉结构设汁及令流程结构化数值模拟　实际上，冷凝式燃气锅炉就足一个典型的燃气　“锅”、“炉”和“阀组与自动控制”一体化设汁优化　４结论及展望　超低氮燃烧与超高效换热技术是一项高效、节　能减排的ｌＩ＝程应用技术，对于燃气锅炉的发展具有　技术产品的实例，图３０（ｅ）示出了紧凑的整体冷凝　式锅炉结构，　３７示ｊ｝Ｊ了分离型的冷凝式锅炉结　重要意义　随着我国能源结构调整和对碳排放、污　构　、因为笔者以前已经多次阐述过燃气冷凝式锅炉　的原理及Ｔ程应用，为避免重复，在此略过。当然其　他燃气锅炉也需要一体化设计，只是其依赖程度有　轻重之分而已。　染物排放要求的逐步提高，超低氮高效换热的燃气　锅炉在我国必然有广阔的发展前景，政策和市场引　导保证了未来燃气锅炉发展的动力，这也是能源替　代发展的必然。　整体冷凝式锅炉的发展需要全预混无焰燃烧器　和超高效换热器的技术支撑，也是未来发展无炉膛　目前．燃气锅炉快速发展的制约因素是燃气燃　烧器技术的缺失、强化换热技术的陈旧以及对燃气　阀组和自动控制的无奈，只有实现产学研的结合，才　能增大研发力度、完善试验及检测手段，从而突破围　外的技术封锁．开发自主品牌，这其中的技术经济性　也是显而易见的。基于此，提出以下建议供行业内　相关企业参考。　的冷凝式锅炉结构型式的需求，无炉膛不是没有辐　射受热面，只是燃烧反应、辐射和对流换热同时在水　管管束问进行，　４２示…了三浦（中国）公司最新　推ｆ｝｛的燃气低温燃烧技术　这是一种技术集成度很　高的产品，值得欣喜的是，国内已经有企业开始了这　方面的研发一Ｉ　作．　（１）燃气“锅”、“炉”和“控”耦合适配设计是未　来燃气锅炉发展重点，建议行业内一些先进企业应　该将超低氮燃烧器和超高效换热器耦合发展，并Ｆ｝｛　先进的企业实现燃气阀组和自动控制的产业化，这　二三位一体是未来燃气锅炉企业的根本发展之路，企　业只有这样才能成为真正的燃气锅炉制造企业，全　行业应该立足创新创业、强化双赢合作、勇于责任担　当．使燃气锅炉技术及产品具有国际竞争力。　１０　工业锅炉　２０１７年第６期（总第１６６期）　（２）从“锅”、“炉”和“控”及其耦合上进行集成　创新，制订燃气锅炉的全结构设计、全流程数值模　拟、全部件先进制造、全自动控制一体化发展规划，　这是国内企业创立自主品牌、抵御外来产品、最终以　我为主的必经阶段，这是一个痛苦、纠结、蜕变、破茧　重生的过程。　该不忘企业初衷，砥砺奋进，增强锅炉行业整体发展　合力。以工业锅炉行业协会和上海工业锅炉研究所　为行业归口单位，积极建立实质有效的共同研讨、创　新和发展的机制．共同寻求更大的发展空问和机会　盟　参考文献　［１］冯银厂．高效清洁地利用煤炭资源是关键［Ｎ］．１１１　环　境报．２０１４－０１—１４．　（３）严格地讲，国内９８％的锅炉厂属于“锅”的　加工企业．一些先进的锅炉厂可在“锅”结构设计上　进行创新。研究开发超高效换热器，或许会成为未来　崭新的加工企业；同时，我们也希望国内通过创新滋　生有竞争力的燃气燃烧器生产企业，当然，我们更希　望国内出现超低氮燃烧器和超高效换热器的耦合一　体化生产企业．根据我们的市场调查，目前已经有行　业内外的相关企业已开始为此而努力，创造了不菲　『２］中华人民共和国国家能源局．天然气发展“ｔｔ五”舰　划『Ｇ］．北京：中华人民共和国国家能源局，２０１６．　［３］赵钦新．燃油燃气锅炉结构设计及图册［Ｍ］．西安：西安　交通大学出版社，２００２．　『４］刘衍德，刘高古．浅谈针形管强化传热元件在锅炉中的　应用［Ｊ］．余热锅炉，１９９９（４）：３０—３２．　［５］王庆东，冯增健，孙优贤．锅炉热工过程先进控制策略　研究综述［Ｊ］．电力系统及其自动化学报，２００４，１６（５）：　７５－８０．　的业绩。我们预计２０２５年前后中国将产生十几家　既生产“锅”又生产“炉”同时解决燃气阀组和自动　控制的或各自独立又相互支持的内源性创新企业，　它们将引领国内企业摆脱国外技术对中国市场的控　制。　（４）无论是“锅”厂、“炉”厂，亦或是锅炉厂，应　『６］国伟．燃烧系统的两种空燃比调节方法分析［Ｊ］．有色金　属加工，２００５，３４（４）：４４－４６．　『７］中国工业锅炉行业协会，机械：ｌ业部上海工业锅炉研究　所．燃油（气）锅炉研讨会论文集［Ｃ］．１９９４．　广告索引　口承　ｌ　封面　阿里斯顿集团燃烧器中国支援中心　前插１１　博世热力科技（北京）有限公司　北京英翔博瑞耐火材料科技有限公司　方快锅炉有限公司　封二　封三　封底　利雅路热能设备（上海）有限公司　上海工业锅炉研究所　德国麦克斯威索有限公司　奥林（中国）有限公司　意大利百得有限公司上海代表处　前插１２　前插１３　前插ｌ４、１５　西安交大思源科技股份有限公司　前插１　前插２　前插３　前插４　前插５　前插６　前插７　前插１６　前插１７　前插１８　艾法史密斯机械（青岛）有限公司　浙江澳太机械制造有限公司　《工业锅炉》公益广告　河南省四通锅炉有限公司　江苏双良锅炉有限公司　上海市特种设备监督检验技术研究院　前插１９　前插２０　中插１　宜宾市信通电子器材厂　江苏威孚锅炉有限公司　意大利ＣＩＢ优尼瓦斯股份有限公司　上海大田阀门管道　Ｉ　程有限公司　阿里斯顿集团燃烧器中国支援中心　中插２、３　扎克能源技术设备（上海）有限公司　中插４　前插８，９　西门子（中国）有限公司　前插ｌ０　无锡尼德兰能源设备有限公司　美国ＩＣ燃烧器公司