燃氣采暖熱水爐用微焰燃燒器試驗研究

梁友新 許天邦

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

概述

近年來，歐盟等發達國家及國內對環保越來越重視。在國內，燃氣采暖熱水爐國標GB 25034-2020對燃氣采暖熱水爐的NOx排放等級提出了相應的要求。 國內不少地區要求新安裝煤改氣工程的燃氣采暖熱水爐達到GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》氮氧化物（NOx）污染物排放4級（NOx濃度上限100 mg/（kW·h）以上。即將實施的GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》對氮氧化物（NOx）污染物排放進行了5級劃分，見表1，其最高級5級要求氮氧化物（NOx）污染物排放量不大于于 62 mg/（kW·h）[4]。

表1 NOX排放分級

對于常規燃氣采暖熱水爐，目前行業內普遍采用水冷燃燒技術及濃淡燃燒技術來降低氮氧化物排放。采用水冷燃燒技術的低氮燃氣采暖熱水爐可以有效降低NOx排放，但水冷低氮燃燒器由于使用成本較高的銅材料，成本高。采用濃淡燃燒技術的低氮燃燒器由于需要調配燃燒器內的濃淡比，控制復雜，結構也較復雜，成本也相對比較高。

本文就微焰燃燒器結構與應用，在燃氣采暖熱水爐上實現低氮氧化物排放進行分析和驗證。

1 微焰燃燒器結構及 NOx排放分析

1.1 NOx的生成分類[2]

根據NOx生成機理不同，可將燃料燃燒生成的NOx分為三類：燃料型NO、快速型NO和熱力型NO，其中①燃料型NO是燃料中的含氮化合物在燃燒過程中與O2反應生成的NO。天然氣中氮的化合物含量很少，因此生成量可以忽略不計，在此不展開討論。②快速型NO是指碳氫系燃料在過?？諝庀禂敌∮?的情況下，在火焰面內急劇生成的NO，只有部分預混火焰的內錐表面才會生成，在一般空氣過剩的燃燒中，快速型NO生成極少。③熱力型NO是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的NO，城市燃氣燃燒產生的NO中以熱力型NO為主。

1.2 影響熱力型NO生成的主要因素 [1-3]

1）溫度

熱力型NO的生成反應為：

其鏈反應為：

總反應中，正反應的活化能為E1=53.9×104J/mol，逆反應的活化能為-E2=36.0×104J/mol，由于正反應的活化能很大，因此熱力型NO的生成在很大程度上依賴于溫度。NOx生成與溫度和時間的關系見圖1。由圖1可知，在溫度1800 K以上，隨著溫度的升高，NOx的生成量越大，NOx生成量也隨著在高溫區停留時間增大[3]。

由熱力型NOx生成理論的及圖1分析可知，熱力型NOx的生成量主要和溫度以及在高溫區停留時間有關，溫度越高，在高溫區停留時間越長，氮氧化物生成量越大[2]。本文根據以上理論及圖表分析，對燃燒器的結構進行針對性設計，并通過調節擋風板以取得合適的一次空氣系數α′，達成降低火焰溫度及縮短反應停留時間，實現降低NO生成量的目的，展開試驗研究。

圖1 NOx生成與溫度和時間的關系

1.3 微焰燃燒器結構

微焰燃燒器通過增加一次空氣α′的辦法來降低火焰溫度，使氮氧化物（NOx）的生成量降低，由于一次空氣系數α′較大，其火焰較低。在實際應用中，僅通過燃氣引射的一次空氣，由于引射量有限，難以使其增大到可以使NOX降低的理想的系數，故通過改變燃燒器組件結構，增加擋風板等方式，強制空氣進入微焰燃燒器，達成增大一次空氣至理想值的目的。

微焰燃燒器具體結構見圖2，燃燒器組件圖見圖3。

圖2 微焰燃燒器結構簡圖

圖3 燃燒器組件圖

微焰燃燒器與大氣式常規燃燒器主要結構參數對比表見表2。

表2 微焰燃燒器與大氣式常規燃燒器主要結構參數對比表

增大火孔面積Fp混合管面積A等，降低了阻力，從而使一次空氣系數α′增大，降低燃燒溫度，同時火孔熱強度Wp也降低了。由于一次空氣系數接近1左右，燃氣燃燒速度較快，同時火孔面積較大，混合氣流速低，火焰變得低矮（形成微焰燃燒）。

2 數值模擬

對微焰燃燒器進行了CFD數值計算，主要考察微焰燃燒器內部燃氣的混合情況及出火孔的速度分布。

計算采用穩態計算，并且沒有考慮化學反應，即只計算了冷態工況。

2.1 幾何模型

微焰燃燒器的原幾何模型見圖4，計算用的幾何圖形見圖5。噴嘴出口到引射口距離7.5 mm，噴嘴出口直徑為1.3 mm，噴嘴進口直徑為3 mm。

圖4 原幾何模型

圖5 計算用幾何模型

2.2 計算設置

主要計算設置如下：

1）采用ske湍流模型；

2）組分運輸模型不考慮化學反應；

3）燃氣進口設為速度進口，氣體組分為100 %的CH4，速度大小設為9.118 m/s (根據單個噴嘴的燃氣流量為3.867 L/min算得；

4）空氣進口設為壓力進口，壓力大小設置為-22.1 Pa；

5）出口設為壓力出口，壓力大小設置為-26.1 Pa。

2.3 計算結果

CH4摩爾濃度結果：燃燒器對稱面的CH4的摩爾分數（體積分數）的分布云圖如圖6、圖7所示。

圖6 CH4的摩爾分數（對稱面）

圖7 CH4的摩爾分數（火孔面）

2.4 速度結果

燃燒器對稱面的速度的分布云圖如圖 8、圖9所示。

圖8 速度云圖（對稱面）

圖9 速度云圖（火孔面）

3 實驗驗證

試機型參數：26 kW，燃燒器排數：11排，無分段，噴嘴直徑d=1.32 mm，負荷比（1:2.5）。

實驗條件：按GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》實驗條件。

3.1 額定負荷下煙氣中CO、NOX與O2的變化關系

由圖10、11；表3、4中分析可知，在額定負荷工況下，微焰燃燒器在過剩空氣較低的情況下，由于過剩空氣不足導致燃燒不完全，CO排放增加，CO排放量隨著過剩空氣系數增加而下降；由于過?？諝獠蛔?，NOX的生成量會因為在燃燒區溫度過高及煙氣停留時間過長而增大，NOX的生成量排放隨著過剩空氣的增加而降低。

圖10 額定負荷下煙氣中CO與O2的測試數據圖

圖11 額定負荷下煙氣中NOX與O2的測試數據圖

表3 額定負荷下煙氣中CO與O2的測試數據

表4 額定負荷下煙氣中NOX與O2的測試數據

3.2 最小負荷下煙氣中CO、NOX與O2的變化關系

根據圖12、13；表5、6中分析可知，在最小負荷工況下：微焰燃燒器在過剩空氣較低的情況下，CO排放較低，隨著過?？諝庠龃?，由于離焰而導致CO急速上升；另一方面，由于過?？諝庀禂颠^多，使燃燒區溫度下降，降低了煙氣在高溫區停留時間，NOX的生成量也隨之下降。

圖12 最小負荷下煙氣中CO與O2的測試數據圖

表5 最小負荷下煙氣中CO與O2的測試數據

表6 最小負荷下煙氣中NOx與O2的測試數據

3.3 按GB 25034-2020國標測試方法NOX排放數據

依GB 25034-2020進行加權計算，NOX排放數值為57.99 mg/（kW·h），排放符GB 25034-2020國標的5級（62 mg/（kW·h）），遠小于國標4級規定的100 mg/ （kW·h）。

表7 按國標GB 25034-2020測試方法測試數據

3.4 不同額定負荷下按GB 25034-2020國標測試方法NOX排放數據

燃燒器組件不變，通過調整整機參數，使整機工作在不同的負荷下，按GB 25034-2020國標測試方法NOX測試數據數據見表8～11。

表8 28 kW負荷下NOx測試數據

表9 23 kW負荷下NOx測試數據

表10 20 kW負荷下NOx測試數據

表11 18 kW負荷下NOx測試數據

通過測試數據得出，額定負荷由28 kW下降至18 kW，NOX排放量隨著額定負荷減小而降低（見表12），由于28 kW時，火孔熱強度為0.062 kW/mm2，18 kW時，火孔熱強度為0.040 kW/mm2。在其他條件不變的情況下，燃燒器通過的流量不變，燃氣流量變小，則一次空氣系數變大，燃燒溫度降低，破壞了熱力型NOx的形成條件，故通過設定燃燒器在合理的額定負荷，可實現NOX排放量低于30 mg/（kW·h）以下（見圖13）。

圖13 最小負荷下煙氣中NOX與O2的測試數據圖

表12 不同額定負荷下NOX計算數據匯總表

圖13 不同額定負荷下NOx折算值

4 結論

1）根據NOx生成機理及影響NOx生成的主要因素進行設計的燃氣采暖熱水爐用微焰燃燒器，其NOx排放可以滿足國標 GB 25034-2020的5級（62 mg/（kW·h））以上排放的要求，遠小于國標4級規定的100 mg/（kW·h）。

2）微焰燃燒器沒有使用比較貴重的金屬銅（水冷燃燒器采用）成型，且結構也比濃淡燃燒器簡單，使用的材料較少，因此材料上具有成本優勢。

3）通過匹配微焰燃燒器合適的火排數量，即把微焰燃燒器設定在合理的額定負荷工況下，可實現NOX排放量低于到30 mg/（kW·h）以下。

4）實驗證明，微焰燃燒器在最小負荷工況下，過剩空氣并不是越大越好，隨著過?？諝庠龃?，由于離焰而導致CO急速上升。

5）由于只需要通過不同數量的微焰燃燒器組合可以達成不同NOX排放量,燃燒器通用性強，可實現實通用化生產。