低氮氧化物燃燒系統(tǒng)在家用燃?xì)鉄崴髦械膽?yīng)用

上海林內(nèi)有限公司 徐蔚春

現(xiàn)行 GB 6932—2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌窐?biāo)準(zhǔn)中對(duì)煙氣中的CO含量有強(qiáng)制執(zhí)行要求，對(duì)氮氧化物NOx的含量?jī)H在附錄中加以分級(jí)，并無(wú)限制要求，因此，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大部分燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品的燃燒裝置都沒(méi)有考慮到對(duì)NOx排放的控制。反觀國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家同行業(yè)的發(fā)展情況，20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始美國(guó)和德國(guó)就在相關(guān)領(lǐng)域逐漸開(kāi)展了研究工作，隨后歐洲其他發(fā)達(dá)國(guó)家和日本在這方面都進(jìn)行了廣泛和深入的研究，近年來(lái)日本在此領(lǐng)域取得的成果尤為豐碩。有鑒于此，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作已經(jīng)日漸緊迫，如不及時(shí)開(kāi)展，與世界先進(jìn)國(guó)家技術(shù)水平的差距勢(shì)必會(huì)日益加大。

1 燃?xì)鉄崴鞯趸锶紵到y(tǒng)研究的意義

眾所周知，氮氧化物 NOx對(duì)環(huán)境的危害相比CO要更為嚴(yán)重。NOx會(huì)導(dǎo)致酸雨、酸雪的產(chǎn)生，使得土壤酸化、影響植被生長(zhǎng)，腐蝕建筑物；含有NOx的廢氣在紫外線作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，會(huì)形成光化學(xué)煙霧引起光化學(xué)污染，對(duì)人體呼吸道和視力產(chǎn)生嚴(yán)重危害；NOx還是城市細(xì)粒子污染物的主要來(lái)源之一，霧霾中就含有大量由NOx和揮發(fā)性有機(jī)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)的二次顆粒物。

2019年初，經(jīng)李克強(qiáng)總理簽批，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，明確了“十三五”節(jié)能減排工作的主要目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)，對(duì)全國(guó)節(jié)能減排工作進(jìn)行全面部署?！斗桨浮芬蟮?020年，全國(guó)氮氧化物排放總量要控制在1 574萬(wàn)t以內(nèi)，比2015年下降15%。因此，積極響應(yīng)國(guó)家總體規(guī)劃，對(duì)燃?xì)鉄崴鞯偷趸锶紵到y(tǒng)展開(kāi)深入研究，從而降低燃燒煙氣中氮氧化物含量的意義重大。

2 燃?xì)鉄崴鞯趸锏纳稍砑案倪M(jìn)方向

根據(jù)產(chǎn)生的途徑不同，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物NOx可以分為溫度型、快速型和燃料型三種。燃料型NOx的生成和燃料中含有的氮氧化物有關(guān)，家用燃?xì)鉄崴魇褂脻崈舻奶烊粴庾鳛槿剂?，燃燒產(chǎn)生的NOx主要以溫度型和快速型為主，并不涉及燃料型。

溫度型 NOx是高溫燃燒時(shí)空氣中的氮?dú)獍l(fā)生氧化反應(yīng)形成的，其生成機(jī)理由前蘇聯(lián)科學(xué)家澤爾多維奇在1946年提出，他認(rèn)為，溫度型NOx的生成原理可以用如下公式加以說(shuō)明：

溫度型NOx的產(chǎn)生和燃燒溫度、燃燒區(qū)域氧氣含量等有很大關(guān)系，一定的條件下，燃燒區(qū)域內(nèi)氧含量越高則溫度型NOx生成量越大。當(dāng)燃燒區(qū)域氧氣含量相同時(shí)，燃燒溫度越高則越容易生成溫度型NOx。研究表明，當(dāng)燃燒溫度低于300 ℃時(shí)，溫度型NOx的生成量極少，當(dāng)燃燒溫度高于1 500 ℃時(shí)，溫度型NOx生成量會(huì)成指數(shù)級(jí)上升。

快速型NOx是燃燒時(shí)燃料分解形成CH自由基，其與火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，形成HCN、N等中間產(chǎn)物，再進(jìn)一步與氧結(jié)合快速生成的。這種NOx的生成與燃燒室腔體壓力的0.5次方成正比，與燃燒溫度的關(guān)系不是很大，且生成量很少，并不是NOx排放的主要來(lái)源，因此在研究中可以忽略。

因此，對(duì)燃?xì)鉄崴鞯偷趸锶紵到y(tǒng)開(kāi)展研究時(shí)需重點(diǎn)控制溫度型NOx的生成，可以通過(guò)降低燃燒溫度以及控制燃燒區(qū)域氧氣含量等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 低氮氧化物燃燒系統(tǒng)在燃?xì)鉄崴鞯膽?yīng)用研究

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上家用燃?xì)鉄崴鞯娜紵到y(tǒng)大多采用本生燃燒器的形式，燃?xì)饨?jīng)噴嘴引射與適量空氣進(jìn)入燃燒器并在燃燒器內(nèi)部分預(yù)混，然后在燃燒室內(nèi)部進(jìn)行燃燒產(chǎn)生熱量。其燃燒火焰分為外焰和內(nèi)焰兩部分。外焰燃?xì)馀c氧氣充分混合燃燒，火焰溫度高；內(nèi)焰燃?xì)夂扛叨鹾康?，為濃火焰，其與通過(guò)二次風(fēng)孔引入燃燒室的空氣結(jié)合，再充分燃燒，進(jìn)一步提高了火焰的燃燒溫度。經(jīng)測(cè)試，此時(shí)火焰溫度通常會(huì)高達(dá)2 000 ℃以上，在此溫度條件下會(huì)有大量溫度型NOx生成。此外，為了保證燃料的燃燒充分，燃燒室內(nèi)引入的二次空氣量一般很充足，過(guò)?？諝庀禂?shù)較高，這也進(jìn)一步提升了燃燒時(shí)NOx生成的幾率。根據(jù)理論分析，普通本生燃燒系統(tǒng)的 NOx生成量一般在 70×10－6～120×10－6之間。

因此，該研究中采用一種濃淡燃燒形式的燃燒器取代現(xiàn)有的本生燃燒器。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析比較，可以看出濃淡燃燒器有別于普通本生燃燒器，有2處燃?xì)馊肟冢瑵獾紵魍庑魏徒Y(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1和圖2。其中燃燒器上部的入口為濃燃?xì)馊肟?，下部入口為淡燃?xì)馊肟?。與之對(duì)應(yīng)，燃燒器的火焰燃燒口也分為位于燃燒器兩側(cè)的濃焰燃燒口和位于燃燒器中間的淡焰燃燒口兩部分。

圖1 濃淡燃燒器外形

圖2 濃淡燃燒器結(jié)構(gòu)

采用濃淡燃燒器的燃燒系統(tǒng)工作時(shí)，燃?xì)饬鞣謩e從濃燃?xì)馊肟诤偷細(xì)馊肟谶M(jìn)入燃燒器參與燃燒。其中從淡燃?xì)馊肟谶M(jìn)入的燃?xì)馀c一次空氣充分混合，燃燒完全充分，火焰高度較高，溫度也較高，其位于燃燒器中部，起到主要的燃燒換熱作用；從濃燃?xì)馊肟谶M(jìn)入的燃?xì)饬枯^少，燃燒溫度較低，燃燒產(chǎn)生的火焰高度也較低，其均勻分布在燃燒器的兩側(cè)，在燃燒時(shí)起到穩(wěn)定火焰的作用。整個(gè)燃燒系統(tǒng)的燃燒反應(yīng)相比于普通本生燃燒方式更加充分和完全，對(duì)于二次空氣的需求量相比本生燃燒的方式也大幅下降，從而可以大大降低溫度型NOx的生成量。根據(jù)分析計(jì)算，采用濃淡燃燒器形式的燃燒系統(tǒng)，其 NOx生成量一般在 30×10－6～70×10－6之間。

小負(fù)荷和額定負(fù)荷下濃淡型燃燒器燃燒工作時(shí)的火焰燃燒情況分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 小負(fù)荷下濃淡火焰燃燒情況

圖4 額定負(fù)荷下濃淡火焰燃燒情況

需要注意的是，由于濃淡型燃燒器的結(jié)構(gòu)和工作原理的特殊性，在燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合整體的燃燒系統(tǒng)、綜合考慮多方面因素的影響，包括燃料的濃淡比、濃淡燃燒的一次空氣系數(shù)以及過(guò)?？諝庀禂?shù)等。其中濃淡比的確定是影響濃淡型燃燒器穩(wěn)定可靠工作的重要因素之一，對(duì)NOx的生成量也有著較大影響。濃淡比太低，即淡燃燒占比高而濃燃燒占比低，此時(shí)系統(tǒng)極易發(fā)生離焰，會(huì)導(dǎo)致煙氣大幅超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)火焰甚至有可能會(huì)燒到換熱器的翅片，對(duì)換熱器的耐久性造成嚴(yán)重影響；濃淡比太高，即濃燃燒占比相對(duì)較高而淡燃燒占比相對(duì)較低，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生回火的問(wèn)題，也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。經(jīng)試驗(yàn)反復(fù)確定，本結(jié)構(gòu)的濃淡型燃燒器的濃淡比確定為1：2.6～1：2.8左右較為合適。不同濃淡比條件下實(shí)測(cè)煙氣水平見(jiàn)表1。

表1 不同濃淡比條件下實(shí)測(cè)煙氣水平

此外，通過(guò)大量試驗(yàn)分析可知，濃燃燒在整個(gè)燃燒系統(tǒng)中主要起到穩(wěn)定火焰的作用，對(duì)于 NOx的生成并沒(méi)有太大影響，因此需要控制濃燃燒的一次空氣系數(shù)盡量低些，確保濃火焰能有效起到穩(wěn)焰作用即可。反之，淡火焰的燃燒情況直接決定了系統(tǒng)NOx的生成量。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，在一定范圍內(nèi)，淡燃燒的一次空氣系數(shù)越大，將越有利于對(duì)燃燒生成的NOx含量的控制，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在合理范圍內(nèi)盡量提高淡燃燒的一次空氣系數(shù)，確保其燃燒充分完全。

根據(jù)溫度型NOx的生成原理，過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)于NOx的生成量會(huì)有一定的影響，其生成量會(huì)隨著過(guò)剩空氣系數(shù)的增加而增加，在達(dá)到一定的峰值以后再次下降。然而根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)確認(rèn)，在本燃燒系統(tǒng)中，過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)于燃燒時(shí)NOx生成量的影響不顯著，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件下，人為增大或減小過(guò)?？諝庀禂?shù)，對(duì)生成的NOx含量影響不明顯，因此可暫不作考慮。

經(jīng)過(guò)多輪試驗(yàn)測(cè)試和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整后，對(duì)該種濃淡型燃燒系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)進(jìn)行了初步確定：系統(tǒng)總體一次空氣系數(shù)設(shè)置為1.8左右，其中濃燃燒的一次空氣系數(shù)設(shè)為 0.6，淡燃燒的一次空氣系數(shù)設(shè)為 1.4，燃燒器的濃淡比設(shè)為 1：2.8。在此參數(shù)設(shè)置條件下可以取得較為滿意的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果。

整機(jī)試驗(yàn)時(shí)內(nèi)置了 12個(gè)該濃淡型燃燒器，基本滿足了常用燃?xì)鉄崴鞯臒嶝?fù)荷需求，然后在不同負(fù)荷條件下測(cè)量其排放的煙氣。圖5是12個(gè)燃燒器均處于工作狀態(tài)下，實(shí)際負(fù)荷在最大標(biāo)準(zhǔn)熱負(fù)荷(36 kW)的±30%之間變動(dòng)時(shí)測(cè)得的煙氣中CO和NOX的含量；圖6是12個(gè)燃燒器均處于工作狀態(tài)下，實(shí)際負(fù)荷在最小標(biāo)準(zhǔn)熱負(fù)荷(16 kW)的±35%之間變動(dòng)時(shí)測(cè)得的煙氣中CO和NOX的含量。此時(shí)，煙氣中的CO含量均折算到過(guò)?？諝庀禂?shù)α=1。

該種結(jié)構(gòu)的濃淡燃燒器在最大標(biāo)準(zhǔn)熱負(fù)荷(全負(fù)荷)和最小標(biāo)準(zhǔn)熱負(fù)荷(全開(kāi)小)時(shí)，實(shí)測(cè)煙氣水平見(jiàn)表2。

表2 濃淡燃燒器各工況下實(shí)測(cè)煙氣水平

圖5 全負(fù)荷狀態(tài)下煙氣中CO和NOx變化曲線

圖6 全開(kāi)小狀態(tài)下煙氣中CO和NOx變化曲線

需要注意的是，除上述燃料的濃淡比、一次空氣系數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的選取確定以外，在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中如何通過(guò)調(diào)整燃燒室腔體結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣通路的結(jié)構(gòu)和尺寸等方式實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定燃燒，也是需要進(jìn)一步切實(shí)解決的問(wèn)題。

在預(yù)防和改善燃燒時(shí)所產(chǎn)生的共振噪聲方面，根據(jù)以往的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用調(diào)整燃燒室腔體體積的方式可以對(duì)燃燒共振和過(guò)熱問(wèn)題的發(fā)生起到有效的改善作用。特別是在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，當(dāng)發(fā)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)容易產(chǎn)生燃燒共振問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)對(duì)燃燒室腔體形狀和尺寸等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得系統(tǒng)的正常燃燒工作區(qū)間遠(yuǎn)離腔體的共振頻率范圍，從而有效解決系統(tǒng)的燃燒共振問(wèn)題。

除此以外，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口尺寸、以及調(diào)整一次調(diào)風(fēng)板孔徑和排列方式等手段，對(duì)于保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作、預(yù)防燃燒共振的發(fā)生都是行之有效的措施。

研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于濃淡型燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較之普通本生燃燒系統(tǒng)更為復(fù)雜，系統(tǒng)工作時(shí)內(nèi)部各種氣流體的運(yùn)動(dòng)更加不規(guī)律，因而也更容易發(fā)生燃燒共振、局部過(guò)熱等問(wèn)題。特別是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流的熱水器產(chǎn)品一般都采用強(qiáng)制排氣或者強(qiáng)制給排氣的進(jìn)出氣結(jié)構(gòu)形式，這兩種結(jié)構(gòu)的熱水器產(chǎn)品采用濃淡燃燒系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，其對(duì)于共振噪音的預(yù)防、以及器具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求相比國(guó)外較常見(jiàn)的室外型結(jié)構(gòu)更高，開(kāi)發(fā)的難度也相應(yīng)更大。

4 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)鉄崴髦械?NOx燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的研究，其技術(shù)水平非常成熟和完善，而國(guó)內(nèi)相關(guān)工作的開(kāi)展尚處于初級(jí)階段，還有大量的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作需要去實(shí)踐和完善。本文所述的濃淡型燃燒方式作為控制NOx生成的一種燃燒技術(shù)手段，在國(guó)外低NOx燃燒技術(shù)中應(yīng)用較多，具有較強(qiáng)的借鑒使用意義，結(jié)合具體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)起來(lái)也相對(duì)較簡(jiǎn)單可行。