論家用燃氣快速熱水器低NO_x燃燒技術

郭靈華

摘 要：本文簡要分析了家用燃氣快速熱水器低NO_x燃燒技術，希望能為相關的人員提供一定的參考。

關鍵詞：家用燃氣；快速熱水器；低NO_x；燃燒技術

1.氮氧化物的概述

氮氧化物（NOx）危害極大，但是任何一種燃料的燃燒都無法避免NOx的產生，因此，開發控制NOx排放量的技術有著重要意義。NOx按其生成機理的不同，可以分為熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。對于家用燃氣快速熱水器（以下簡稱熱水器）而言，燃燒產生的NOx主要是熱力型NOx和少量的快速型NOx，因此，本文所敘述的NOx均特指熱力型NOx。熱力型NOx是由空氣中的氮分子在高溫下氧化生成的，它的生成速度與燃燒溫度有著密切的關系，溫度越高，煙氣在高溫區停留時間越長，則產生的NOx越多。由生成機理可知，要想抑制熱力型NOx的生成，降低火焰溫度是關鍵，此外，縮短煙氣在高溫區停留時間也可以有效地減少NOx的產生量。

2.濃淡燃燒技術及燃燒器

2.1濃淡燃燒技術原理

降低火焰溫度的方法有很多種，對于熱水器中常見的預混燃燒火焰而言，一次空氣系數（α1）對火焰溫度具有顯著影響。以天然氣為氣源時，當α1偏離1，火焰溫度會明顯降低，NOx生成量減少。濃淡燃燒技術便是利用此原理，將預混火焰分為兩部分，一部分是在燃氣體積分數較高條件下（α1<1）的濃火焰，另一部分是在燃氣體積分數較低條件下（α1>1）的淡火焰，由此抑制了NOx的生成。另外，燃燒過程中部分淡火焰的煙氣會經過濃火焰，使得濃火焰反應區的溫度和氧氣體積分數均較低，NOx的生成受到抑制，同時淡火焰煙氣中的NOx在濃火焰燃燒區再反應，從而降低了最終的NOx排放量。

2.2濃淡燃燒器

濃淡燃燒器就是利用濃淡燃燒技術的低NOx燃燒器，其在氣流組織上分為對沖和平行分布兩種。以平行氣流的濃淡燃燒器為例，其常見結構是在同一燃燒器單片上，通過孔徑不同的濃燃料引射器和淡燃料引射器，形成α1<1的濃預混氣和α1>1的淡預混氣，兩者在燃燒器內經過分隔開的混合腔，最終在預混氣體出口部位分別經由濃火孔和淡火孔出流，在燃燒時形成濃火焰與淡火焰。濃淡燃燒器降低NOx排放量的效果十分明顯。由于濃淡燃燒器單片與常規家用燃氣快速熱水器燃燒器單片結構相似，尺寸相近，因此，濃淡燃燒器多用于家用燃氣快速熱水器中。

3.全預混燃燒技術及燃燒器

3.1全預混燃燒技術原理

全預混燃燒技術是將燃氣和空氣在進入燃燒室之前進行充分的預混合，使其在燃燒過程中反應更充分，能夠有效提高燃燒效率并降低有害氣體排放，是目前國際上最先進的燃氣燃燒技術之一。與部分預混燃燒相比，全預混燃燒的過剩空氣系數（α）很小，一般α=1.05～1.10，沒有二次空氣補充，因此，火焰傳播速度極快，火焰長度很短，火焰附著在火孔上形成燃燒面，其火孔熱強度高。

從熱力型NOx的生成機理可知，在火焰面的下游，局部高溫和煙氣停留時間長的地方，更容易生成NOx。而在全預混燃燒中，雖然火孔熱強度大，但是瞬時燃燒完全，只要每個火孔的氣流分布均勻，火焰下游區域就不會產生局部高溫，并且全預混火焰較短，使得煙氣在高溫區停留的時間很短，也有利于抑制NOx的生成，從而使得全預混燃燒技術中NOx的排放量極低。

3.2全預混燃燒器

全預混燃燒器就是應用全預混燃燒技術的燃燒器，全預混燃燒器的燃燒速度極快，火焰很短因而附著在燃燒器火孔表面，使得40%的燃燒熱以輻射傳熱的方式進行傳遞。與其他燃燒器相比，全預混燃燒器最大的優勢在于提前將燃氣與空氣進行充分混合，因此，在燃燒時反應完全，在降低NOx排放量的同時，不會由于不完全燃燒而導致CO大量生成，并且因其獨特的傳熱方式，使得熱效率一般高于其他常規燃燒器。全預混燃燒器性能優良，目前不僅被應用于家用燃氣快速熱水器中，還被應用于家用兩用型燃氣快速熱水器中。

4.水冷型低NOx燃燒技術及燃燒器

4.1水冷型低NOx燃燒技術原理

根據NOx的生成機理可知，使α1偏離1，杜絕局部高溫，縮短火焰長度等措施都可以抑制NOx的生成。而在水冷型低NOx燃燒技術中，便是利用了上述多種措施有效抑制了燃燒過程中NOx的生成。水冷型低NOx燃燒器由多排燃燒器單片和水冷管路穿插組合而成，燃燒器單片主要由混合腔、分配腔、火孔頭部構成，單片之間幾乎無間隙。

水冷型低NOx燃燒技術原理有以下要點：①混合腔和分配腔共同構成了一次空氣和燃氣的混合氣流道，其腔體結構采用了立式結構，使得α1大于1，燃燒溫度較低，從而抑制了NOx的生成。②水冷型低NOx燃燒器頭部火孔為平板形式，火孔數量多，總面積大，擴大了火焰面積，使得火焰面分布均勻，不會產生局部高溫，從而抑制了NOx的生成，并使部分熱量以輻射傳熱的方式進行傳遞，提高了熱效率。③水冷型低NOx燃燒器單片之間幾乎沒有空隙，α1>1且沒有二次空氣補充，使其燃燒方式類似于全預混燃燒，火焰長度較短，縮短了煙氣在高溫區的停留時間，從而減少了NOx的生成。④水冷型低NOx燃燒器分配腔下方的水冷管路在防止火孔回火的同時，降低了混合腔和分配腔內的混合氣體溫度，使得混合氣體溫度相比其他燃燒器而言較低，直接降低了火焰溫度，從而抑制了NOx的生成。

4.2水冷型低NOx燃燒器

水冷型低NOx燃燒器是20世紀80年代由英國首先開發成功的，目前在歐洲得到廣泛應用，2010年開始被引入國內，此后國內的學者也對此燃燒器進行了全方位的研究。相關文獻研究了水冷型低NOx燃燒器在冷凝式家用兩用型燃氣快速熱水器中的應用，實驗表明，額定負荷情況下水冷型低NOx燃燒器的內焰高度僅為5mm并且無外焰，內焰頂端溫度為1120℃，低于普通燃燒器，驗證了水冷型低NOx燃燒器的低NOx排放機理。相關文獻對此燃燒器的最佳工況進行了研究，發現對于水冷型低NOx燃燒器，噴嘴直徑在0.87mm時燃燒工況最佳，煙氣中NOx體積分數最小可以達到2×10-6，CO體積分數在100×10-6以下。水冷型低NOx燃燒器的優勢在于巧妙地結合了多種抑制NOx生成的措施，兼具低CO排放和低NOx排放的優點，并且結構通用性較好，目前在家用兩用型燃氣快速熱水器上應用廣泛。

參考文獻

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