图1 燃烧器原理图
河南省太康四通锅炉有限公司
Henan Province Taikang Sitong Boiler Co., Ltd
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针对某省燃气锅炉NOx排放限值（≤50 mg/m³）下，传统低氮技术难以达标的问题。以经低氮燃烧器改造并增设给水加热器的50 t/h工业燃气锅炉为对象，通过现场燃烧调整试验，研究烟气再循环（FGR）开度（0～20%）对燃烧性能的影响；在10%～80%负荷范围内，每组工况稳定运行1 h后采集数据，对比FGR调整前后的燃烧特性。结果表明：当过量空气系数控制在1.19～1.36时，FGR开度增至15%，可使NOx排放质量浓度降至30～35 mg/m³，同时热效率维持在90.50%～94.46%，较调节前工况平均提升1.06个百分点。该方案在30%～80%负荷区间效果最优，兼顾燃烧稳定性与排放控制。研究为同类燃气锅炉实施低成本FGR改造，提供了可复现的操作参数与性能边界，具有良好的工程推广价值。
To address the issue that conventional low-NOx technologies fail to meet the stringent NOx emission limit （≤50 mg/m³） for gas-fired boilers in a province， field combustion adjustment tests were conducted on a 50 t/h industrial gas-fired boiler retrofitted with a low-NOx burner and an additional feedwater heater. The effects of flue gas recirculation （FGR） opening degree （0-20%） on combustion performance were investigated across a load range of 10%-80%， with data collected after 1 h stable operation under each working condition. Emissions before and after FGR adjustment were compared. Results showed that when the excess air coefficient was controlled within 1.19-1.36 and the FGR opening degree was increased to 15%， the NOx emission concentration was reduced to 30-35 mg/m³， while the thermal efficiency was maintained at 90.50%-94.46%， representing an average improvement of 1.06 percentage points over pre-adjustment conditions. The optimal performance was achieved within the 30%-80% load range， balancing combustion stability and emission control. This study provides reproducible operating parameters and performance boundaries for low-cost FGR retrofits of similar gas-fired boilers， offering clear engineering application value.
“双碳”背景下，燃气锅炉作为工业生产与热电联产领域的核心设备，其能效提升与NOx低排放已成为行业发展的双重核心约束。相较于燃煤锅炉，燃气锅炉虽具低污染、高燃烧效率的优势，但高温环境下，热力型NOx生成速率呈指数级增长，导致NOx排放难以从源头规避。而DB33/2147—2018《锅炉大气污染物排放标准》将燃气锅炉NOx排放限值收紧至50 mg/m³，传统分级燃烧、低氧燃烧等低氮技术已无法满足目前超低排放的要求，亟需开展低成本、高适配性的低氮改造技术研究与应用［
烟气再循环（FGR）技术因改造成本低，NOx减排效果显著，并和现有锅炉系统兼容性强，成为当前燃气锅炉超低氮改造的主流路径。该技术通过将低温排烟回流至燃烧区，实现炉膛降温、氧浓度稀释与还原性气氛营造，从源头抑制并还原NOx。实际工程应用中，FGR技术难以兼顾NOx减排效果，燃烧稳定性与锅炉热效率的技术矛盾等问题，具体表现为低负荷区间开启FGR易导致炉膛温度过低，引发火焰脉动，燃烧不完全等问题；中高负荷区间FGR开度与过量空气系数的匹配参数窗口模糊；全负荷区间缺乏系统化的协同调控方案［
在数值模拟与机理研究方面，姬岩岩［
针对上述问题，本文以50 t/h中小型工业燃气锅炉为试验对象，在低氮燃烧器改造（三级配风配气，燃料/空气分级及精准配比）和增设给水加热器的基础上，开展基于FGR燃烧调整的现场试验，系统探究FGR开度，过量空气系数与锅炉负荷的耦合作用规律。通过反平衡法计算，对比FGR调整前后的锅炉热效率变化，明确不同负荷区间的FGR最优开度对热效率的影响。研究成果可为同类中小型燃气锅炉的低成本FGR改造与运行优化提供参考。
试验对象为50 t/h燃气锅炉，额定工作压力1.3 MPa，额定蒸汽温度300 ℃，设计热效率92.3%，给水温度104 ℃，设计排烟温度160 ℃。炉膛采用膜式水冷壁结构，强化炉膛内的换热效果。为满足低氮排放与能效提升需求，对锅炉进行升级改造，更换低氮燃烧器，增设FGR系统，并加装给水加热器，实现排烟余热回收，降低实际排烟温度。
燃烧器为定制化低氮燃烧器，采用三级配风配气结构设计，中心燃气与中心风精准配合，内强旋燃气与强旋流风协同作用，外弱旋燃气与外弱旋风合理配比，形成多股多层次的分级燃烧火焰。该结构保证燃气与助燃空气的充分混合，提升燃料燃烧完全度，有效分散燃烧热量，减少炉内局部高温区域，抑制热力型NOx的生成。燃烧器设计原理与邢艳果等［
图1 燃烧器原理图
Fig. 1 Schematic diagram of the burner
下载: 原图 | 高精图 | 低精图在给水加热器后，抽取121 ℃的烟气，经变频循环风机输送至风门入口，与新风充分混合后送入燃烧器燃烧。当FGR系统开启后，低温烟气通过多种途径实现NOx减排：烟气的吸热作用降低炉膛燃烧温度，抑制热力型NOx的生成；烟气稀释燃烧区氧浓度，减少燃料型NOx的生成；烟气回流形成的还原性气氛，将炉膛内已生成的部分NOx还原为N2［
燃气锅炉系统为集成化运行系统，主要包含给水系统、燃烧系统、FGR系统及余热回收系统。系统构成及运行流程，如
图2 燃气锅炉系统流程图
Fig.2 Flow chart of the gas-fired boiler system
下载: 原图 | 高精图 | 低精图试验所用天然气为工业用天然气，低位发热量为42.71 MJ/m³，组分以CH4为主，杂质含量低，燃烧特性稳定。组分分析结果如
试验采用现场测点在线监测与便携式仪器手动检测相结合的双重监测方式。排烟温度由K型热电偶（量程0～1 300 ℃，精度±1.5 ℃）测量；烟气中氧气体积分数（简称“氧含量”）采用便携式氧化锆分析仪（量程0～25%，精度±0.1%）测定；NOx排放浓度由烟气分析仪（量程0～500 mg/m³，精度±1%）实时记录；燃气低位发热量通过热量计（精度±0.5%）标定。各风门（一、二次风门，再循环风门）及燃气挡板开度由开度传感器（量程0～100%，精度±0.5%）监测；锅炉运行压力差由压力变送器（量程0～2 MPa，精度±0.5%）采集。所有仪器均经计量检定，并在有效期内使用，测量精度满足GB/T 10180—2017《工业锅炉热工性能试验规程》的相关要求。
试验选取锅炉宽负荷区间，FGR开度调节范围0~20%，过量空气系数调控在1.1～1.3，并在燃气锅炉原有运行参数基础上进行分步调节。此外，二次风主要用于修正火焰形态，调节其风量和角度，防止火焰贴壁或过度伸长造成局部过热。由于试验考察重点为FGR对NOx的影响，二次风门开度在试验过程中保持固定。
3.1.1 过量空气系数调整
以烟气中氧含量为核心监测指标，并将其值控制在4%左右，通过调节一次风门开度间接调控过量空气系数。在30%~80%负荷区间内，确保锅炉过量空气系数稳定在1.3左右（以燃气锅炉尾部烟气氧含量计算）。当氧含量高于4.5%时，减小一次风开度，降低排烟热损失，提升锅炉热效率；当氧含量低于3.5%时，增大一次风开度，补充氧量，避免燃料不完全燃烧造成的热效率损失与未燃尽物堆积［
3.1.2 FGR开度调整
依据烟气NOx排放浓度，动态调整FGR再循环风门开度，建立“排放浓度-开度调节”的联动调控策略。以0.5个百分点为步长，逐步增大FGR开度。试验过程中，采用测点数据实时监测和人工检查观火孔相结合的方式，判断炉膛燃烧状态，若出现火焰偏黄、波动和振荡等燃烧不稳定迹象，调小FGR开度至上一次值，恢复至稳定运行状态。为保证试验数据的代表性与准确性，每组工况稳定运行1 h后进行参数采样，同步记录一次风门开度、烟气氧含量、NOx排放量和燃气挡板开度等运行参数。
通过现场分步调节试验，调整前不同负荷下锅炉运行参数如
| 参数 | 负荷 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | |
| 一次风门开度/% | 15 | 22 | 30.5 | 35 | 40 | 45 | 54 | 60 |
| 燃气挡板开度% | 11.0 | 18.0 | 25.0 | 28.5 | 32.0 | 37.0 | 42.5 | 46.5 |
| FGR开度/% | 0 | 0 | 0.6 | 2.0 | 6.5 | 8.0 | 12.0 | 14.0 |
| 氧含量/% | 10.2 | 8.6 | 5.5 | 5.0 | 4.9 | 3.7 | 4.4 | 4.8 |
| 氮氧化物/（mg·m-3） | 60.0 | 62.0 | 42.0 | 34.0 | 34.5 | 30.0 | 34.0 | 39.0 |
| 过量空气系数 | 1.94 | 1.69 | 1.35 | 1.31 | 1.30 | 1.21 | 1.26 | 1.30 |
调整后不同负荷下锅炉运行参数如
| 参数 | 负荷 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | |
| 一次风门开度/% | 14.0 | 20.5 | 30.5 | 40 | 40.5 | 45.5 | 53.5 | 60.0 |
| 燃气挡板开度% | 11.0 | 18.0 | 25.0 | 28.5 | 32.0 | 37.0 | 42.5 | 46.5 |
| FGR开度/% | 0 | 0 | 1.0 | 4.0 | 7.0 | 10.0 | 12.0 | 14.0 |
| 氧含量/% | 5.5 | 5.4 | 3.6 | 3.6 | 3.4 | 3.7 | 3.5 | 3.4 |
| 氮氧化物/（mg·m-3） | 42.0 | 46.0 | 32.0 | 31.0 | 30.0 | 30.0 | 32.0 | 33.0 |
| 火焰颜色 | 橙黄色 | 浅橙黄 | 淡蓝色 | 淡蓝色 | 淡蓝色 | 淡蓝色 | 淡蓝色 | 淡蓝色 |
| 过量空气系数 | 1.36 | 1.35 | 1.21 | 1.21 | 1.19 | 1.21 | 1.20 | 1.19 |
随着锅炉负荷升高，一次风门开度呈线性增加趋势，炉膛热负荷逐步提升，一次风供应量与燃气输入量同步增加，实现风量与燃气量的匹配，保障燃料充分燃烧，如
图3 氧含量随参数变化曲线
Fig. 3 Curve of oxygen variation with parameters
下载: 原图 | 高精图 | 低精图从氧含量变化规律来看，10%~20%负荷区间，烟气氧含量维持在5%以上，过量空气系数偏高（低负荷下，为保证燃烧稳定性，需通入过量一次风）；30%~80%负荷区间，通过过量空气系数的精准调控，烟气氧含量降至3.4%~4.5%，表明该负荷段的过量空气系数调控措施有效，一次风精准配给。
随着FGR开度的增加，NOx排放浓度呈持续下降趋势。NOx排放质量浓度随FGR开度的变化曲线，如
图4 NOx排放随FGR开度变化曲线
Fig. 4 Curve of NOx emission variation with FGR opening degree
下载: 原图 | 高精图 | 低精图FGR开度增至1%，NOx排放质量浓度降至33 mg/m³，满足超低氮排放要求（≤35 mg/m³）；FGR开度>10%，NOx排放质量浓度趋缓上升；FGR开度>15%，已无明显的减排效果。
30%~80%负荷区间，FGR开度在1.0%～14.5%时，炉膛内火焰始终保持淡蓝色稳定燃烧状态，无波动、振荡等现象，表明该FGR开度区间为锅炉的安全运行区间；当FGR开度>15%时，炉膛内出现火焰波动现象，燃烧稳定性下降。因此，30%~80%负荷下的最佳FGR开度为1%～15%，可同时兼顾超低氮排放与燃烧稳定性。
试验采用反平衡法计算锅炉热效率。该方法通过扣除锅炉各项热损失（排烟热损失、化学不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失、散热损失和灰渣物理热损失等）得到锅炉实际热效率，计算结果更贴合工业锅炉现场运行实际。试验过程中，天然气燃烧后无灰渣产生，因此灰渣物理热损失为0［
燃烧调整前后锅炉排烟参数对比结果，见
取常用工况50%，70%，80%计算，燃烧调整前燃气锅炉的平均热效率为92.26%。调整后达93.32%，较调整前提高1.06个百分点，在30%~80%负荷区间内的热效率稳定在90.50%~94.46%。结果表明，通过FGR开度与过量空气系数的协同优化，可在实现低氮排放的同时，提升锅炉热效率。
（1）过量空气系数控制在1.19～1.36，且FGR开度在1%～15%动态调节，可实现锅炉的超低氮排放。在30%~80%负荷区间，NOx排放质量浓度降至30～35 mg/m³，满足50 mg/m³的排放限值要求。
（2）FGR开度与NOx排放浓度呈非线性关系。30%~80%负荷区间的FGR最优操作窗口为1%～15%，在此区间，NOx减排效果显著，且燃烧状态稳定（淡蓝色火焰）；当FGR开度超过15%，减排效果趋于饱和，燃烧稳定性下降。
（3）通过FGR开度与过量空气系数的协同优化，锅炉热效率较调整前提升1.06个百分点，调整后，30%~80%负荷区间热效率为90.50%～94.46%，平均热效率达93.32%。低氮燃烧器的分级燃烧与精准配比，解决了烟气再循环降低炉温与提高燃尽率之间的矛盾，为热效率提升提供了基础保障。
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