燃氣采暖熱水爐的富氧燃燒研究

王維

（武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430010）

燃氣采暖熱水爐的富氧燃燒研究

王維

（武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430010）

本文介紹富氧燃燒的特點與變壓吸附法制取富氧，計算在氧濃度和過剩空氣系數不同的情況下的燃氣量、所產煙氣量和燃燒溫度，進一步計算富氧燃燒狀態下燃燒節能率。

燃氣采暖熱水爐；富氧燃燒；燃燒溫度；助燃富氧濃度；節能率

1 富氧燃燒的特點與變壓吸附法制取富氧

富氧燃燒具有如下特點［1］：①富氧使燃燒的溫度及黑度隨之上升，從而大幅提升自身的傳熱效率；②助燃氧氣濃度提高不但可以提高燃燒的速率，縮短燃燒的時間，加強燃燒時的強度，而且還能使燃燒的化學反應更加充分，即更全面的燃燒；③燃燒溫度升高，排出煙氣溫度隨之升高，高溫煙氣經過換熱器可釋放出更多熱量，提高了煙氣傳熱能力；④富氧燃燒技術能在較低溫度下點燃燃燒燃料，提高燃燒產熱；⑤富氧燃燒降低過量空氣系數，保證完全燃燒，減少煙氣帶走的熱量，提高燃燒的效率。

變壓吸附法的原理是根據吸附劑（沸石分子篩）對于氮氣和氧氣的吸附能力的差異，完成對空氣中氮氣和氧氣的剝離。因為壓力如果產生變動，分子篩的吸附量也會隨著變動，呈周期性使壓力產生變化，可讓吸附與解吸操作交替進行，像過濾篩一樣將空氣中所含的氧氣全部篩出，剝離了空氣中的氮氣與氧氣，最終獲取富氧氣體。

2 富氧燃燒計算

2.1 富氧燃燒實際助燃氣體量

稀有氣體并不參加燃燒反應，假設忽略空氣中包含的極少量稀有氣體。1Nm3試驗氣在不同氧氣濃度的富氧助燃氣體和過剩空氣系數的燃燒條件下，燃燒需要的實際助燃氣體量計算結果如表1所示。結果顯示，富氧氣體燃燒更節省實際助燃氣體的需要量，同時降低排放的煙氣量；隨著過剩空氣系數變大，助燃需要的空氣量增多。

表1 燃燒需要實際助燃氣體量

2.2 富氧燃燒實際產生煙氣量

1Nm3試驗氣在不同氧氣濃度的富氧助燃氣體和過剩空氣系數的燃燒條件下，燃燒實際產生煙氣量計算結果見表2。采用富氧助燃產生煙氣的量會減小，并且隨著過剩空氣的系數增大，所產生的廢煙氣相應正比例增大；隨著高溫廢氣的排出，熱量損失導致燃燒效率降低，因此需要選取合適的過剩空氣系數。

表2 燃燒實際煙氣量

表3 燃燒排煙損失

2.3 富氧燃燒的實際燃燒溫度

1Nm3試驗氣在不同氧氣濃度的富氧助燃氣體和過剩空氣系數的燃燒條件下，實際燃燒溫度計算結果顯示，采取富氧氣體助燃可得到更高的燃燒溫度，且隨著富氧濃度的增大，燃燒溫度增大；但過剩空氣系數增大會導致燃燒溫度變小。

2.4 富氧燃燒節能率

1Nm3試驗氣在不同氧氣濃度的富氧助燃氣體和過剩空氣系數的燃燒條件下，排煙熱損失結果如表3所示，燃燒相對節能率結果顯示，富氧助燃更加節能高效，隨著富氧濃度或者過剩空氣系數增大，節能率呈上升趨勢。

燃氣采暖熱水爐作為小型家用鍋爐，其燃燒室耐熱性有一定的限制，根據國家相關標準規定以及燃氣采暖爐燃燒室配件性質決定，燃燒溫度不得大于1 250℃，若超過該溫度，則可能導致燃燒室部件損壞，造成用戶使用過程中的安全隱患。綜合以上計算結果，選取富氧濃度為25%，過剩空氣系數為1.6，這樣的燃燒工況所產煙氣量較少，節能率較高。

3 結論

①燃燒一定量試驗氣，富氧助燃方式更節省實際助燃氣體需要量，同時減少所產煙氣量，富氧濃度越大，燃燒所需助燃氣體量和所產煙氣量減小，燃燒溫度越大。

②燃燒一定量試驗氣，過剩空氣系數增高，即助燃的空氣量越多，燃燒所需的助燃氣體量越多，所產廢煙氣量越大，但過剩空氣系數增大，會導致燃燒溫度降低。

③燃氣采暖熱水爐作為小型家用鍋爐，其燃燒室耐熱性有一定的限制，根據國家相關標準規定以及燃氣采暖爐燃燒室配件性質決定，燃燒溫度不得大于1 250℃。煙氣的排放會污染大氣環境，高溫廢氣排出帶來的熱量損失降低燃燒效率，需要選取合適的過剩空氣系數。綜合上述兩方面因素，選取助燃富氧濃度為25%，過剩空氣系數α=1.6，這樣的燃燒工況可在滿足燃氣采暖熱水爐的安全要求，同時更加節能高效。

［1］黃麗平，李廣學.變壓吸附技術在工業上的應用與發展［J］.廣東化工，2011（3）：14-15.

Study on Oxygen-enriched Combustion of Gas Water Heater

Wang Wei

（School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430010）

This paper introduced the characteristics of oxygen enriched combustion and preparation of PSA oxygen enriched gas volume,the amount of gas,the amount of flue gas and the temperature of combustion were calculated un?der different oxygen concentration and excess air coefficient,and the energy saving rate of combustion in oxygen en?riched combustion was calculated.

gas-fired heating water heater；oxygen-enriched combustion；combustion temperature；oxygen enrich?ment concentration；excess air coefficient

TK227.1

A

1003-5168（2017）02-0122-02

2017-01-13

王維（1996-），男，本科，研究方向：能源與動力工程。