中国液体/气体燃烧器产业现状与发展前景

2021-01-09黎亚洲廖晓炜徐洪涛

中国特种设备安全 2020年8期

关键词：型式燃烧器燃料

黎亚洲廖晓炜徐洪涛刘峰王俊

（1.中国特种设备检测研究院北京 100029）

（2.上海焱晶燃烧设备检测有限公司上海 201821）

（3.上海理工大学上海 200093）

工业燃烧器是一种将可燃物与助燃物混合后进行燃烧的设备[1]，在工业设备中应用广泛，涉及各种工业与民用领域，如电力企业、钢铁企业、冶金企业和建材行业等。

二十世纪80年代之前，我国主流的锅炉设计是燃煤锅炉，以煤作为其燃料[2]。在当时，以燃油和燃气作为燃烧介质的工业锅炉燃烧器并没有得到人们的重视，企业相关产品研发的也没有新的实质性进展。进入二十一世纪后，随着我国市场经济的迅猛发展，改革开放日益深入，整个社会面临的环境污染问题越来越突出，这迫使人们在重视传统的“金山银山”的同时也开始关注于影响人们生活质量的“绿水青山”，国家对环境保护也越来越重视，各种措施与举措力度不断加大。基于此，我国对整个社会能源消耗结构做出了相应调整，以工业燃烧器为例，其所使用的燃料结构开始呈现多元化趋势，传统的燃煤燃烧器市场日益萎缩，起而代之的是以燃油和燃气燃烧器开始异军突起[3]。

工业燃烧器，尤其是近年来被广泛应用于各行各业的全自动工业燃烧器，是集燃烧学、流体力学、热工学、自动检测技术和程序控制技术等于一体的多学科综合性高技术含量的产品，其性能优劣和质量好坏对工业锅炉和油田用加热炉领域的能源消耗、安全性能以及污染物的排放有直接的影响。

本文将对中国液体/气体燃烧器产业现状与发展前景进行详细说明。数据主要来源于上海焱晶燃烧检测有限公司10多年燃烧器型式检测的统计大数据，该数据信息是国内目前最全面（涵盖所有油气燃烧器）和最权威（经核准的第三方实验室）的。

1 燃烧器厂商及产品现状

1.1 厂商现状

工业燃烧器是随着我国经济的高速发展和国家能源消费结构的变化而快速成长起来的一个新兴机械制造产业。它作为工业锅炉和油田用加热炉内的核心部件，近几年发展十分迅猛。

上海焱晶燃烧设备检测有限公司对2008年至2018年进行的燃烧器型式试验进行了大数据统计，统计结果表明：国内外燃烧器制造厂家的数量发生了很大变化，尤其最近三年变化最大。截至2018年，国内燃烧器检测厂家共192家，比2017年净增65家。国外燃烧器厂家2018年达到49家，比2017年增加8家。随着各地环保力度的加大，估计燃烧器生产厂家数量还要增加，厂家数量变化具体见图1。

从近10年的燃烧器型式试验统计数据中可知：

1）我国自有品牌燃烧器发展迅速，市场占有率急剧提升；

2）市场竞争格局初步形成；

3）少数国内燃烧器制造企业已具备自主创新能力；

4）虽然厂家数量增加很快，但里面存在很多企业的产品是贴牌产品，小作坊多，后续的售后服务跟不上，责任追究都存在问题。

近4年（2015～2018年）型式试验统计的燃烧器燃料种类如图2所示。从图中可知：燃烧器燃料种类多，主要以天然气为主，且近年来增加迅速；轻油和油气两用有轻微增加，其他燃料相对变化不大。

图1 燃烧器厂家数量变化趋势（2008～2018）

图2 燃料种类分布情况（2015～2018）

1.2 产品现状

目前型式试验中检测的燃烧器绝大部分是扩散式燃烧方式[4]的燃烧器。采用预混燃烧方式[5]的占比较小，主要运用在冷凝锅炉上。同样的，目前检测的燃烧器中采用大气式燃烧方式[6]的占极少部分，主要集中在油田用加热设备上。

由于2017年北京率先要求新建工业锅炉NOx排放浓度在30mg/m3以下[7]，之后全国其他地方如天津、重庆、郑州、西安都开始参照执行，因此，近3年工业锅炉中的燃气燃烧器检测大部分都是低氮燃烧器。

低氮燃烧技术以FGR燃烧技术[8]为主，表面燃烧技术[9]由于安全及使用和维护不便等原因造成市场大幅度萎缩，仅在冷凝式锅炉上采用较多。由于上海市规定的新建工业锅炉NOx排放为50mg/m3[10]，所以部分厂家为了抢夺市场，及时推出分级燃烧加烟气内循环技术[11，12]的燃烧器，克服了使用FGR和表面燃烧技术造成不节能的缺点，达到既环保又节能。以下介绍了低氮燃烧发展的不同阶段所采用的主要技术手段。

第一阶段：控制空燃比[13]。

过量空气系数对NOx的生成影响较大，初始阶段通过控制空燃比或增加旋流使空气和燃料混合均匀来降低NOx的生成，不过此方法对降低NOx的效果并不十分明显。

第二阶段：分级燃烧[14]。

分级燃烧包括燃料分级和空气分级。燃烧区划分为二级，将燃料和空气按比例分配到一级和二级燃烧区进行燃烧。

第三阶段：分级燃烧+FGR[15]；全预混表面燃烧[16]；水冷预混燃烧[17]。

外部烟气再循环（FGR）：从锅炉尾部烟道上抽取部分烟气与一次风混合后送入炉膛内燃烧，降低炉膛温度的同时，降低混合空气中的含氧量，从而降低了NOx的生成量。在分级燃烧的基础上，引入FGR技术，可将NOx降低到30mg/m3以下，这是目前工业锅炉低氮改造大部分厂家所采用的主流技术。

全预混表面燃烧技术是将燃料与空气在预混腔内进行完全混合后进入由金属纤维编织或金属烧结的火焰筒，混合物透过密织的金属网在网表面燃烧。该燃烧技术的特点是：燃烧速度快，火焰很短，几乎没有火焰，由于过剩空气量大，降低了火焰的温度，抑制热力型NOx的形成。

水冷预混燃烧方法，燃气与空气先预混形成混合气体，混合气体再经燃烧器末端的水冷壁喷出，在水冷壁处形成主火焰。水冷壁由翅片管排列组成，混合气体贴近水冷壁燃烧，通过水冷壁降低火焰的燃烧温度，进而降低NOx排放。

由于全预混表面燃烧技术和“分级燃烧+FGR技术”在实际应用中存在许多缺点，全预混表面燃烧技术如果维护使用不当，存在安全隐患；“分级燃烧+FGR技术”技术存在冷凝水多，低负荷燃烧不稳定，燃烧器的安全保护装置（火焰监测器，空气压力监测装置）易失灵或损坏，安装占地面积大和投资大等缺点，目前这两种燃烧技术只是过渡技术。

第四阶段：分级燃烧+FIR[18]。

内部烟气再循环（FIR）：利用各种技术手段，让燃烧区的根部形成低压回流区，卷吸部分烟气进入火焰，降低燃烧速度和火焰温度，从而降低了NOx的生成量。在分级燃烧的基础上，采用联合射流诱导技术，实现内部烟气再循环，实现超低氮燃烧。烟气内部循环低氮燃烧技术（FIR）具有燃烧稳定，性能可靠，投资省，性价比高的优点。所以采用“分级燃烧+FIR”相组合的技术方式，是低氮燃烧技术发展的方向。

各种低氮燃烧技术比较见表1。

表1 不同低氮燃烧技术比较

2 法规标准现状

2.1 国内法规发展过程

从《蒸汽锅炉安全技术监察规程》（1996）[19]开始，条款中开始出现对点火程序控制、熄火保护装置以及点火前吹扫总通风量的要求。2008年颁布了TSG ZB001《燃油（气）燃烧器安全技术规则》[20]和TSG ZB002《燃油（气）燃烧器型式试验规则》[21]。2010年以公告的形式对TSG ZB001和TSG ZB002进行了修订[22]。2012版的锅炉安全技术监察规程[23]继续增加相关条款，对燃烧器安全时间、启动热功率的要求开始出现，同时明确了对燃油/气燃烧器型式试验的基本要求。目前，修订中的锅炉安全技术监察规程继续增加关于燃烧器的有关条款，包括：将原来的燃油（气）燃烧器扩展为液体和气体燃料燃烧器；增加了锅炉用燃烧器前吹扫时间、吹扫风量和熄火保护的要求；细化了液体和气体燃料燃烧器的安全时间要求；规定了燃烧器安全与控制装置的组成和安全切断阀的布置要求；增加了燃烧器与锅炉实现联锁保护的要求；增加了在用燃烧器改造后性能测试的要求；细化了对燃烧器型式试验的要求。

2.2 国家标准发展过程

2018年之前，国内没有专门的燃烧器国家标准。2018年，GB/T 36699—2018《锅炉用液体和气体燃料燃烧器技术条件》正式发布[24]。GB/T 36699—2018主要遵循以下原则：

1）安全、节能和环保要求。在保证安全的前提下，满足节能和环保排放的要求；

2）满足燃料多样性要求；

3）适应当前锅炉燃烧技术发展的需要，充分采纳新技术，并为新技术和新方法预留发展空间；

4）在适合我国国情的基础上充分借鉴国际标准的先进经验，与国际惯例接轨。

GB/T 36699—2018中的燃料种类比现有的燃烧器安全技术规则适用的燃料种类更广泛。增加了对醇基燃料燃烧器、生物质热解气燃烧器、表面燃烧器和自然通风燃烧器的特殊要求。进一步细化规定了锅炉用液体和气体燃料燃烧器各方面的技术要求。也将检验检测进一步拓展到出厂检验、改造后检验和在用检测。

2.3 行业企业标准

行业标准SY 0031—2012《石油工业用加热炉安全规程》[25]中对自动点火和熄火保护装置做出了规定。企业内部标准Q/SY 1836—2015《锅炉/加热炉燃油（气）燃烧器及安全联锁保护装置检测规范》[26]，详细规定了油田锅炉/加热炉安全联锁保护装置检测的有关方法、设备等要求。

3 燃烧器产品质量与性能现状

图3 给出了近10年的燃烧器型式试验不合格率。开始阶段不合格率较低，主要是因为最初检测的燃烧器大部分是国外产品，是多年发展的成熟产品。中间阶段不合格率升高，主要原因是国内的厂家数量增加，对产品的安全意识和质量意识重视不够。近几年不合格率逐渐降低，主要原因是厂家数量的增加，对产品的安全、节能及环保的意识提高，对产品质量更加重视。

整体而言，随着燃烧器生产厂家的技术进步，产品质量稳中有进。开展检测工作的前10年期间，燃烧器不合格项主要是基本配置不合格，如缺少燃料阀、缺少阀门检漏装置、缺少自动点火装置、安全时间超标、吹扫时间不够。10年后检测的主要变化是标准燃烧器配置基本都合格，不合格项主要集中在一些非标燃烧器采用PLC编程后的安全时间超标或阀门检漏缺失。从不合格率和不合格项两个指标很能说明国内燃烧器的质量水平在稳步提高。当然这里面还有一个原因是两个燃烧器TSG法规的执行及锅规对燃烧器型式试验的要求更加严格，引起了燃烧器生产厂家对产品质量的重视。

图3 燃烧器型式试验不合格率示意图（2008～2018）

此外，燃烧器产品的性能也提升的很快。在节能环保方面：各地节能环保标准要求越来越严格，燃烧器污染物排放也是逐渐降低；在设计水平和加工能力方面：大多数企业采用软件设计、模拟仿真、热态试验来提高自己产品性能；采用激光、数字加工、自动焊接等方法来提高自己的产品质量。在控制控制技术发面：采用电子比调、烟气O2控制、烟气CO跟踪、低NOx等控制方式及新型技术，大胆丢弃传承的机械控制方式来提高自己产品的竞争力。

虽然燃烧器的产品性能不断提升，但在现场运行和维护阶段存在的问题不容忽视。如：燃烧器调试人员缺乏专业培训，未经燃烧器制造单位或锅炉制造单位授权，违规调试，造成重大安全事故；部分燃烧器制造单位在燃烧器安装过程中偷工减料，减少安全配置，例如燃气燃烧器的阀门检漏装置，埋下重大安全隐患；部分燃烧器制造单位售后服务不及时，造成燃烧器带病工作，存在安全隐患；在低氮改造中，特别是采用表面燃烧技术，燃烧器缺少维护保养，造成爆炸事故时有发生。

4 产品发展前景

科技的发展进步促进了燃烧器产品的性能提升。在设计方面，如燃烧器设计方面需与锅炉协同设计，锅炉是一个整体的设备，燃烧机和锅炉要有必要的配合才能发挥出最优效果；仿真技术大量应用；针对特殊燃料和特殊需求的定制化设计。

在控制方面，锅炉燃烧系统与先进控制技术相结合，向智能低能耗方向发展，如：运行及操作状态的可视化，如人机交互的触屏控制；系统功能的模块化，如系统需求检漏功能的，只需在原有系统上插接相应功能的硬件或软件模块即可，无须另购检漏仪；系统智能化，未来燃烧器控制系统将接入更多的传感器和受控组件，接收更多的运行信息反馈，通过AI技术处理大量运行数据，使系统在偏离运行参数时自动纠正，从而达到安全稳定高效的运行；大量的远程监控及物联网技术的应用，可实时获取在用燃烧器的各项运行参数，并远传至专业机构，参与分析系统的各项性能，并得出一些有用的结论，为产品的优化改进带来不可估量的益处，甚至可以预判在用燃烧器的危险源，并做出及时防范措施。

在智能化生产方面：构建智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用，大量使用工业机器人完成生产加工过程中的各道工序。