論家用燃氣快速熱水器低NO_x燃燒技術(shù)

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(shù)，希望能為相關(guān)的人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：家用燃氣；快速熱水器；低NO_x；燃燒技術(shù)

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(chǎn)生，因此，開發(fā)控制NOx排放量的技術(shù)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(chǎn)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(guān)系，溫度越高，煙氣在高溫區(qū)停留時間越長，則產(chǎn)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(guān)鍵，此外，縮短煙氣在高溫區(qū)停留時間也可以有效地減少NOx的產(chǎn)生量。

2.濃淡燃燒技術(shù)及燃燒器

2.1濃淡燃燒技術(shù)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(shù)（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(shù)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(shù)較高條件下（α1<1）的濃火焰，另一部分是在燃氣體積分數(shù)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(jīng)過濃火焰，使得濃火焰反應區(qū)的溫度和氧氣體積分數(shù)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(qū)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)經(jīng)過分隔開的混合腔，最終在預混氣體出口部位分別經(jīng)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(guī)家用燃氣快速熱水器燃燒器單片結(jié)構(gòu)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(shù)及燃燒器

3.1全預混燃燒技術(shù)原理

全預混燃燒技術(shù)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(shù)之一。與部分預混燃燒相比，全預混燃燒的過?？諝庀禂?shù)（α）很小，一般α=1.05～1.10，沒有二次空氣補充，因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O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(qū)域就不會產(chǎn)生局部高溫，并且全預混火焰較短，使得煙氣在高溫區(qū)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(shù)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(shù)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(yōu)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(guī)燃燒器。全預混燃燒器性能優(yōu)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(shù)及燃燒器

4.1水冷型低NOx燃燒技術(shù)原理

根據(jù)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(shù)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(gòu)成，單片之間幾乎無間隙。

水冷型低NOx燃燒技術(shù)原理有以下要點：①混合腔和分配腔共同構(gòu)成了一次空氣和燃氣的混合氣流道，其腔體結(jié)構(gòu)采用了立式結(jié)構(gòu)，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(shù)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(chǎn)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(qū)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(nèi)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(fā)成功的，目前在歐洲得到廣泛應用，2010年開始被引入國內(nèi)，此后國內(nèi)的學者也對此燃燒器進行了全方位的研究。相關(guān)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(nèi)焰高度僅為5mm并且無外焰，內(nèi)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(guān)文獻對此燃燒器的最佳工況進行了研究，發(fā)現(xiàn)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(shù)最小可以達到2×10-6，CO體積分數(shù)在100×10-6以下。水冷型低NOx燃燒器的優(yōu)勢在于巧妙地結(jié)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(yōu)點，并且結(jié)構(gòu)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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