低NOx燃烧器在汽车涂装烘干工艺的应用分析

张建福 陶 禹 崔德源 高红杰

（中国汽车工业工程有限公司，天津，300113）

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，尤其是近几年，雾霾持续困扰我国诸多北方城市。同时，经济发展和人民生活质量提高，使得人们对于环保质量的要求越来越高，促使社会改变能源供给结构，发展清洁能源。2008年金融危机之后，世界各国对制造业的重视纷纷回归到国家战略层面，美国2012年推出《先进制造业国家战略计划》、德国提出工业4.0，此时代背景下，我国政府提出实施制造强国战略的第一个十年的行动纲领，即《中国制造2025》，五大基本方针之一便是要坚持绿色发展，坚持可持续发展，加强节能环保技术、工艺、装备推广应用。由此引申出五大工程之一的绿色制造工程，即组织实施传统制造业清洁生产、节水治污等的技术改造。

天然气主要成分为CH4，约占85%，属于低碳高效能源[1]。天然气中N2约占0.2%，在天然气燃烧后，NOx排放正常条件下≤300mg/m3。对比煤、油，NOx是天然气燃烧排放物中的主要污染物。随着天然气工业的迅速发展，天然气燃烧后产生的氮氧化物污染不容忽视[2]。

汽车制造业作为最典型的制造业之一，从整车到零部件，涉及各种先进制造技术的应用。而涂装车间则是汽车制造生产线上一个工艺最复杂、设备集成度高、能耗高的关键车间。涂装车间采用燃气燃烧器作为主要的能源转换工具，通过燃烧天然气释放热量满足各工艺能源需求。

当前，国家和各地陆续推出严格的环保标准，根据标准规定，汽车涂装生产线烘干炉、空调所用燃烧器应归属工业炉窑范畴。工业炉窑是指在工业生产中用燃料燃烧或电能转换产生的热量，将物料或工件进行冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等工序的热工设备[3]。动力锅炉归属锅炉范畴。锅炉是利用燃料燃烧释放的热能或其他热能加热热水或其他工质，以生产规定参数（温度、压力）和品质的蒸汽、热水或其他工质的设备[4]。北京、广东、重庆等地针对汽车涂装推出地区标准，如表2所示[5-6]。

表1 燃气燃烧器NO排放范围

1 NOx形成机理

在燃烧过程中，氮氧化物的生成量和排放量与燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。其生成NOx的途径有三个[7]。

1.1 热力型氮氧化物（Thermal NOx）

它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx，从捷里多维奇机理关于NO生成速度或生成浓度的表达式d[NO]/dt=3×1014[N2][O2]0.5exp（-54200/RT）中可以看出，热力型NOx的生成速度和温度的关系遵循阿累尼乌斯定律，随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律迅速增加。当温度高于1800K时，反应逐渐明显，而且随着温度的升高，NOx的生成量急剧升高，温度在1800K左右时，温度每升高100K，反应速度将增大6～7倍[2]。除了反应温度对热力型NOx的生成浓度具有决定性的影响外，过量空气系数和延期的停留时间也有很大影响[8]。

表2 大气污染物NOx排放浓度限值

1.2 快速型氮氧化物（Prompt NOx）

它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOx。当过量空气系数≥1时，基本上不生成快速NOx；当过量空气系数略小于1时，此时的快速型NOx生成速率最快；当过量空气系数＜0.7时，碳氢化合物的浓度提高，增加了中间氮化合物的生成量，生成更多的NOx前躯体，此时氧浓度减少，促进了HCN向N2转变，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烧过程中热分解而又接着氧化生成的NOx。

天然气的主要成分是CH4（甲烷）：96%左右；N2：0.2%；CO2：2.20%；微量的H2S，约在0.02‰以下。空气中燃烧的主要产物N2、CO2、H2O；温室气体：CO2、N2O；污染产物为：CO、SO2、SO3、NO、NO2、N2O；微细颗粒物、碳离子。

O+N2=NO+N热力型氮氧化物 （1）

N+O2=NO+O （2）

CH+N2=HCN+N快速型氮氧化物 （3）

HCN+O2=NO+HCO （4）

影响NOx生成有以下一些主要因素：有机的结合在燃料中氮的含量（燃料种类）；反应区氧、氮、NO和烃根的含量；燃烧温度的峰值；可燃物在火焰峰和反应区中的停留时间。

2 控制NOx排放的方法

为了控制燃烧设备排放的NOx对生态环境的危害，美国、日本、德国等国家相关领域专家早在二十世纪五六十年代就开始了对NOx生成机理、控制方法的研究工作[9]。

从NOx的形成和排放角度考虑，一般控制NOx排放的方法分为两类：一是燃烧过程中的控制技术，降低NOx生成；二是燃烧后的控制技术。

2.1 燃烧过程中NOx控制

2.1.1 降低过量空气系数

控制过量空气系数使燃烧过程尽量接近理论空气系数的条件下运行，使烟气中的过剩氧量减少，从而降低燃烧过程中NOx的生成量。但同时也导致化学未完全燃烧损失q3和机械未完全燃烧损失q4增大，使燃烧器经济性降低。脉动供燃料燃烧示意图如图1所示。

2.1.2 降低助燃空气预热温度

降低助燃空气预热温度，可降低火焰区的温度峰值，从而减少热力型NOx的生成。

2.1.3 浓淡燃烧

浓淡燃烧，也称非化学当量燃烧或偏离燃烧，是指在某一燃烧层面上，使燃料集中在中心区域，而助燃风分布在四周，推迟了燃料和助燃风的混合，降低炉内火焰平均温度，改善炉内氧气浓度平衡，如图2所示。

图1 脉动供燃料燃烧

图2 表面式浓淡燃烧

2.1.4 空气分级燃烧

空气分级燃烧（燃尽风OFA或二级燃烧），空气分级使低NOx燃烧器的设计特征之一，是指使原来单一的二次风变成了燃烧器的二次风和燃尽风两部分，如图3所示。初始燃烧区内主气流占总燃烧空气量的70%～90%，α＜1，使得燃料在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧，因氧量不足，燃烧区域燃烧速度和温度水平降低，使得热力型和快速型NOx生成减小。再燃区内燃尽风约占燃烧空气总量10%～30%，在α＞1的条件下完全燃烧，这一阶段燃烧温度也较低，使得热力型NOx生成受限[10]。

图3 分级燃烧示意图

空气分级技术脱氮效率与OFA风率（OFA风量占总入炉风量的百分率）、OFA喷口的位置有明显关系，如图4所示。

2.1.5 烟气再循环（FGR）

烟气再循环是指抽取烟气再循环进入燃烧器或直接进入炉内，使得氧气浓度下降，燃烧温度水平降低，热力型NOx的生成相应减少。但是，烟气再循环使输入热量增多，可能影响炉内热量分布，还可能导致火焰不稳定，因此烟气再循环的使用有一定限制，一般配合其他措施联合使用。

图4 OFA风率、OFA喷口位置对脱氮效果的影响

2.1.6 二次燃烧再燃（三级燃烧）

二次燃烧再燃是在空气分级的基础上发展起来的，指在燃烧器下游不如一股二次燃料，创造一种还原性气氛将已经生成的NOx还原为氮气。

2.2 燃烧后NOx控制

人们可以根据NO具有氧化、还原和吸附的特性进行脱附。

2.2.1 干法烟气脱硝（还原法）

干法烟气脱硝是指将NO和NO2用还原剂（NH3，CH4，CO及H2等）还原为N2。其主要包括选择性催化还原法、选择性非催化还原法、接触分解法、吸收法、吸附法、电子束照射法等[11]。

2.2.2 湿法烟气脱硝（氧化法）

将NO氧化成NO2，然后再用水将NO2吸收。

3 低氮燃烧器发展及在汽车涂装烘干工艺的应用

根据低NOx燃烧技术的发展历程，人们可以将其划分为4代。

第一代：降低过剩空气系数；降低助燃空气预热温度；增大辐射换热面积。

第二代：空气分级和燃料分级技术。

以烃类作为再燃燃料时，该技术又称为三级燃烧技术或再燃烧技术，空气和燃料都分级送入炉膛，形成初始燃烧区、再燃区和燃尽区。当NOx初始燃烧区形成，在再燃区与喷入的二次燃料混合并被还原，在下游喷入燃尽风，促进CO和UHC的燃烧。

美国John Zink公司采用远距离燃料分级技术，加热炉可减少28%的NOx排放。

第三代：烟气内、外循环技术（Flue Gas Recirculation，简称FGR）。

第四代：其他技术，有旋流燃烧、脉动供燃料燃烧、富氧燃烧和高温低氧燃烧等新型低NOx燃烧技术。

目前，国内学者在超低氮燃烧器技术领域的研究主要集中在燃煤燃烧器方面，而由于我国燃气工业滞后发展，对燃气燃烧技术及燃烧器的研究开发严重不足，其技术和装置主要依赖国外生产企业进口。最新的环保排放标准非常严格，锅炉行业要求氮氧化物排放低于30mg/m3，目前世界上只有几家著名的燃气燃烧器厂商如德国威索、意大利百得、美国IC、芬兰奥林等可以达到该标准，其设备结构复杂、价格异常昂贵。

在汽车生产线上，一般采用燃气燃烧器作为热源，主要的燃烧器品牌有ECLIPSE、MAXON、Weishaupt、Baltur、Riello。生产线上的燃烧器所处的工况要求与电站锅炉和工业锅炉不同，热负荷小，输出功率随生产状况实时变化且幅度较大，另外生产线根据生产安排存在频繁开机停机，一般每天启停一次。因此，对于汽车生产线来说，燃气燃烧器必须满足热负荷变化大、频繁启停机的工况。同时，车间空间布局紧凑，空间受限，火焰长度必须在有限范围内。受工艺限制，燃烧器需保证大小火位控制精度，保证运行的可靠性及稳定性。

目前，汽车生产线涂装烘房工艺可采用的低氮燃烧器有两种类型，特点如下。

第一种低氮燃烧器是采用旋流和控制过量空气系数技术控制氮氧化物生成。过程温度控制器接收大小火位信号，控制电机调节空气蝶阀，从而调整助燃空气流量。燃烧器内空气压力沿装载线向比例调节阀发出脉冲，比例调节阀按比例调节燃气和空气流量，如图5所示。高火位时过量空气系数40%～70%，低火位时过量空气系数的比例更高。旋流射流中心回流区内部的高温低速的燃烧产物和中间体对未反应的空气和燃料进行预热、稀释，能够有效地强化低热值合成气燃烧，形成稳定的火焰。射流卷吸作用使燃料和空气射入突扩燃烧室会在燃烧器根部形成促进炉膛内烟气整体循环的边角回流区。内部烟气循环使得炉内温度分布更加均匀，循环的冷烟气稀释燃烧反应物，降低最高燃烧温度、缩小高温区，抑制热力型NOx的形成。因独特的喷嘴设计，空气和燃料的强烈混合，可极大地降低NOX排放，在较多应用场合下保证低于0.02‰。

第二种低氮燃烧器是采用空气分级燃烧和控制过量空气系数技术控制氮氧化物生成。控制过量空气系数的原理与第一种相似。燃气和助燃空气在混合锥内预混后燃烧形成初始燃烧区，二次风通过混合锥外侧与护火桶间隙送入炉膛形成再燃区。初始燃烧区内燃料在缺氧的富燃料条件下燃烧，因氧量不足，燃烧区域燃烧速度和温度水平降低，使得热力型和快速型NOx生成减小。再燃区内在α＞1的条件下完全燃烧，这一阶段燃烧温度也较低，使得热力型NOx生成受限。

图5 空气燃气流量

目前，在汽车涂装烘干工艺上采用的燃烧器以及各主流燃烧器厂家纷纷推出的各类低氮燃烧器，理论上可显著降低氮氧化物生成，氮氧化物排放的试验数据在某些工况甚至可以低于0.02‰。但是在实际应用中，燃烧器运行工况是根据车间生产实时变动，难以保证在任何工况下燃烧器空燃比、火焰长度、炉膛内温度场和流场处于理想状态，在某一工况氮氧化物排放低于排放标准，但在多数工况由于火焰不稳定，炉膛内部流场合温度场变化或者变化的过量空气系数导致氮氧化物生成超标。另外，在汽车制造领域环保标准日趋严格的大背景下，相应的排放检测、数据搜集和智能上传尚未全面推广，无法获得全工况下各类燃烧器的运行参数和排放指标。

4 结论

为满足新时代下环保、节能减排、燃料多样化、智能制造的时代需求，各燃烧器厂家及高校科研单位大力推进NOX生成抑制机理研究。针对研制新型低氮燃烧器及其他减排措施，笔者提出以下建议。

（1）研制高效低氮燃烧器，针对连续可变工况，提供实验室数据和实际应用数据作参考，同时提供可靠的调试作业指导，实现数据在线监测及智能参数优化。进一步提高节能效果，在满足汽车涂装工艺和空间限制的前提下，利用低空燃比燃烧，提高燃烧效率；采用分级燃烧、浓淡燃烧、FGR及其他方式抑制NOx生成。

（2）运用计算流体技术（CFD）进行全尺寸三维热态流场模拟，分析火焰高温区和火焰稳定性，指导低氮燃烧器研发时预混程度、分流空气比例等影响机械结构的参数选择.同时，模拟不同功率输出工况下的运行状况，通过模拟调试提前锁定变工况过量空气系数等参数。变工况和频繁ON/OFF是涂装车间燃气燃烧器的常规运行状态，低氮高效、兼顾智能分析及控制将是涂装车间燃气燃烧器研究的努力方向。

（3）统筹工厂或车间烟气集中排放，利用氮氧化物的氧化性、还原性和吸附性，在尾部烟道利用转轮、焚烧炉、催化装置（干法烟气脱销）等对废气中的NOx和VOC进行集中处理，实现烟气达标排放。

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[2]赵钦新，商俊奇，倪永涛，等.我国燃气锅炉的差距和突破[J].工业锅炉，2017，（5）：1-16.

[3]中华人民共和国国家环境保护局.GB-9078-1996 工业炉窑大气污染物排放标准[S].北京：中国标准出版社，1996.

[4]中华人民共和国环境保护部.GB13271-2014 锅炉大气污染物排放标准[S].北京：中国标准出版社，2014.

[5]北京市环境保护局.DB11 501-2017 大气污染物综合排放标准[S].北京：北京市环境保护局，2017.

[6]北京市环境保护局.DB11-139-2015 锅炉大气污染物标准[S].北京：北京市环境保护局，2015.

[7]苏亚欣，毛玉如，徐璋.燃煤氮氧化物排放控制技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

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