煙道式水冷燃燒器小火啟動失敗的研究

李羅標

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著生活水平的提高，人們越來越意識到氮氧化物的危害性，減少氮氧化物對保護環境起到舉足輕重的作用，世界各國紛紛頒布相關政策來限制氮氧化物的排放，低氮排放已成為一個全球的趨勢。其中，歐美等大多數發達國家，保護環境的力度更甚，已對氮氧化物的排放提出了明確的要求。歐洲從2018年9月份起實施熱水器和熱水儲存罐的ErP生態設計實施條例（EU）No 814/2013，其中規定最大氮氧化物排放量限制于2018年9月份起開始實施，即燃氣熱水器的NOx的排放小于56 mg/kWh。

目前，在燃氣熱水器領域能實現低氮氧化物排放的機型只有全預混燃氣熱水器、濃淡燃氣熱水器及水冷燃燒燃氣壁掛爐，上述機型均有結構復雜、成本高、普及率低等特點。根據相應的數據，2017年中國出口的燃氣熱水器煙道機占比75 %。基于以上的原因及節能減排的需要，各大燃氣具的廠商為搶占商機，紛紛研究適用于煙道機低NOX排放的燃燒技術。煙道式熱水器在工作過程中無風機參與，無法使用全預混燃燒器及濃淡燃燒器，水冷燃燒器是一個很好的選擇。

1 煙道式水冷燃燒燃氣熱水器的特點

燃氣熱水器燃燒過程中所生成的NOX主要有三種類型：燃料型NOX、快速型NOX和熱力型NOX，燃料型NOX是由燃料中的氮化物受熱氧化分解而生成的，快速型NOX是空氣中的氮氣與燃料中的碳氫離子團反應而生成的，熱力型NOX是燃燒區域中的氮氣被高溫氧化而生成的。

經測量，家用燃氣熱水器排放的氮氧化物中，大約95 %為熱力型NOX，5 %左右為快速型的NOX。因而，減少氮氧化物的排放，主要是減少熱力型NOX的生成。目前，常用的抑制熱力型NOX手段主要是降低燃燒溫度，減少或消除燃燒區域的局部高溫和減少煙氣在高溫區的停留時間。

水冷燃燒器的一次空氣系數為1.2以上，為完全預混燃燒，其火焰高度相對較矮，燃氣噴出燃燒器后馬上充分燃燒。燃燒后的高溫煙氣馬上得到周邊的過剩空氣稀釋，煙氣溫度得到有效的下降，煙氣停留在高溫區的時間大大縮短，使得熱力型NOX生成量大大減少。而全預混燃燒的火焰傳播速度很快，且火焰傳播速度隨著燃氣和空氣溫度的升高而增大，使得燃燒過程中容易發生回火。為解決回火的問題，需要在在火孔板附近布置合理的水路，如圖1所示，我們在燃燒器左、中、右布置三條冷卻水管，可對燃燒器左右腔體進行有效冷卻，使燃燒器整體的溫度不會過高，提高燃燒穩定性。

2 EN 26-2015的氮氧化物測試及界限氣測試

由于絕大多數的煙道式燃氣熱水器用于出口，需滿足歐洲測試標準。相對于國標只測量最大負荷下的氮氧化物排放，歐盟的EN 26標準則更為全面。歐盟為使環境得到最好的保護，對人民的生活習慣進行研究，得出燃氣熱水器在最大負荷下工作的情況相對較少；因此，只測量最大負荷下的氮氧化物就顯得意義較小。EN 26采用加權平均的方法，綜合考慮各負荷段的氮氧化物排放，其公式如下：

從公式1可以看出，控制低氮氧化物的排放的關鍵在于控制50 %負荷與最小負荷下的氮氧化物排放。同時，為提高燃氣具的適應性，需要對熱水器進行在最高氣壓Pmax、額定氣壓Pm及最低氣壓Pmin界限氣測試，其界限氣（天然氣G20為例）如表1。

但是，在測試過程中（以I2H組為例），當使用G23氣種時，在最小氣壓1 700 pa下，在小火啟動時出現啟動失敗的問題，因此不符合符準要求。為解決小火啟動問題，我們通過實驗測試，提出了幾種可行的解決方案，以供參考。

3 試驗內容及分析

煙道式水冷燃燒器水器廠家均采用雙電磁閥啟動。該雙電磁閥由大磁閥與小電磁閥組成，兩電磁閥為并聯結構。當熱水器啟動時，脈沖控制器先打開小電磁閥，使得熱水器在一定的負荷下啟動，當感應到火焰信號t1秒后，脈沖點火器控制打開大電磁閥，t2秒后再關閉小電磁閥，此時，熱水器的負荷由水氣聯動閥的氣閥芯控制。

本文以氣種為EN 26-I2H，11升熱水器為例子，為解決小火啟動失敗提供了三種解決方法，并通過試驗驗證這些方案可行，具體方案如下：

1）減少小電磁閥的通道，減少點火負荷。

使用11升燃氣熱水器測試，氣閥芯旋到小火處，分別采用G20測試點火負荷與G23低氣壓測試點火，數據如表2。

結果分析：因小電磁閥的通道大小，決定著熱水器的點火負荷的大小。當小火負荷小于點火負荷時，此負荷少于燃燒器能正常工作的最小負荷，故出現離焰熄火。然而，當點火負荷過大時，在小電磁閥關閉的時候，燃燒器將瞬間減少燃氣流量，在此瞬間，燃氣的一次空氣過大，使得火焰因一次空氣過大出現離焰。故需要選擇合適的小火負荷及點火負荷。

圖1 水冷燃燒器示意圖

表1 界限氣氣種

2）延后火焰反饋針的保護時間

在標準范圍內，調節火焰反饋針保護時間。測試時采用點火負荷為9.5 kW，小火負荷為8.5 kW。數據如表3。

試驗結果分析：從上述數據可以看出，增加反饋針延遲保護時間可使小火點火成功，原因為小電閥關閉瞬時，燃燒器將瞬間減少燃氣流量，在此瞬間，燃氣的一次空氣過大，使得火焰因一次空氣過大出現離焰，反饋針探測不到火焰而保護，使得點火失敗，當。當延遲反饋針的保護時間后，過大的一次空氣系數變為正常值，使得燃燒器火焰正常，0.8 s延遲后反饋針重新探測到火焰信號，使得點火成功。因此需要在標準允許的范圍內，延遲反饋針的保護時間，有助于解決小火點火失敗的問題。

3）增加小火負荷：通過擴大氣閥芯的小孔，增加小火負荷，測試時采用點火負荷為9.5 kW，其測試數據如表4。

表2 減小電磁閥通道測試結果

表3 延后火焰反饋針的保護時間測試結果

表4 增加小火負荷測試結果

試驗結果分析：增加小火負荷，能把小電磁閥切換時所帶來的一次空氣增加導致的離焰的熄火。但過大的最小負荷均會導到NOX排放超標。故需合理選擇最小負荷。

4 結論

本文主要研究了燃氣熱水器小火啟動失敗的問題，對于煙道機的水冷燃燒器，提出了三種解決小火啟動問題的思路，分別是：減少點火負荷、延后火焰反饋針的保護時間以及增加小火負荷來解決小火啟動問題，并通過了試驗研究，驗證了這三種思路的可行性，這些方案成本較低，工藝簡單，適合大規模推廣。