水冷低氮型燃?xì)獠膳療崴疇t燃燒器理論與實(shí)驗(yàn)研究

程 洪1，孫魚銘，向 熹1，黃小美

(1.中山市思源電器有限公司，廣東 中山 528427； 2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

氮氧化物(NOx)按其生成機(jī)理的不同，可分為熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx[1]，在民用燃?xì)饩咧兄饕傻氖菬崃π蚇Ox。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：燃燒溫度越高、煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的NOx越多[2-4]。由熱力型NOx的生成機(jī)理可知，降低火焰溫度、縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間是抑制熱力型NOx生成的關(guān)鍵[5]。

近年來，隨著NOx生成機(jī)理的不斷完善，降低NOx排放量的燃燒技術(shù)也愈加成熟，由此衍生而來的多種多樣的低氮燃燒器也被廣泛用于工業(yè)燃煤燃?xì)忸I(lǐng)域和民用燃?xì)饩咧小Ｏ啾扔诩矣萌細(xì)饪焖贌崴黝I(lǐng)域內(nèi)常見的濃淡燃燒器和全預(yù)混燃燒器，水冷低氮型燃燒器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)較晚，但是具有工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)通用性好、低氮效果顯著的特點(diǎn)。此燃燒器是20世紀(jì)80年代由英國(guó)首先開發(fā)成功的，2010年被引入國(guó)內(nèi)，其在文獻(xiàn)中被稱為水冷燃燒器、水冷平板式全預(yù)混燃燒器和水冷式完全預(yù)混燃燒器等[6]，此燃燒器多被用于燃?xì)獠膳療崴疇t中。目前燃?xì)獠膳療崴疇t(簡(jiǎn)稱壁掛爐)市場(chǎng)上常見的水冷低氮型燃燒器有銅制燃燒器和鋁制燃燒器兩類，本文以中間進(jìn)氣的銅制水冷低氮型燃燒器(簡(jiǎn)稱水冷低氮型燃燒器)為主要研究對(duì)象。

1 水冷低氮型燃燒器理論研究

1.1 水冷低氮型壁掛爐整機(jī)結(jié)構(gòu)分析

水冷低氮型壁掛爐結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，水冷低氮型壁掛爐與常規(guī)壁掛爐的組成結(jié)構(gòu)十分相似，主要由供水與加熱系統(tǒng)、燃?xì)夤?yīng)與燃燒系統(tǒng)和供風(fēng)與排煙系統(tǒng)三大系統(tǒng)構(gòu)成。其中燃?xì)夤?yīng)與燃燒系統(tǒng)與常規(guī)壁掛爐基本相同，而供風(fēng)與排煙系統(tǒng)和供水與加熱系統(tǒng)有較大差異。

就水路而言，水冷低氮型燃燒器中穿插有一段水冷管路，用于降低工作狀態(tài)下的燃燒器頭部溫度，所以水冷低氮型壁掛爐的加熱端水路會(huì)先途徑燃燒器水冷

圖1 水冷低氮型壁掛爐結(jié)構(gòu)圖

管路，帶走部分熱量后再進(jìn)入主換熱器。當(dāng)采用低氮冷凝式壁掛爐時(shí)，水路會(huì)先經(jīng)過燃燒器水冷管路，然后進(jìn)入冷凝器對(duì)煙氣進(jìn)行冷凝，最終進(jìn)入主換熱器中完成三級(jí)換熱，而常規(guī)冷凝壁掛爐僅有兩級(jí)換熱。

水冷低氮型燃燒器在額定工作狀態(tài)下為全預(yù)混燃燒狀態(tài)，其引射情況和火焰狀態(tài)均受風(fēng)機(jī)影響較大，所以在水冷低氮型壁掛爐的供風(fēng)與排煙系統(tǒng)中采用的是變速風(fēng)機(jī)，具有五檔變速調(diào)節(jié)。在低負(fù)荷時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)隨負(fù)荷降低檔位，使得引射器端的空燃比例穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，同時(shí)降低風(fēng)速對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響。而在常規(guī)壁掛爐中，供風(fēng)與排煙系統(tǒng)常采用定速風(fēng)機(jī)，因?yàn)槌Ｒ?guī)燃燒器一次空氣系數(shù)小，火焰高度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，并且燃燒器中的二次空氣流道較寬，所以風(fēng)量對(duì)火焰穩(wěn)定性影響較小，定速風(fēng)機(jī)可以在不影響燃燒器性能的情況下降低成本。

1.2 燃燒器結(jié)構(gòu)差異

水冷低氮型燃燒器與常規(guī)燃燒器的工作原理完全相同，燃燒器單片負(fù)荷也相近，但其燃燒排放的污染物濃度卻相差甚遠(yuǎn)。首先對(duì)二者的結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行分析，燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯鏊涞偷腿紵鞯囊淦鳌⒒旌锨缓头峙淝徊捎昧肆⑹浇Y(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)常規(guī)燃燒器的引射器和混合腔采用的是水平結(jié)構(gòu)，并且與分配腔之間的氣流通道形成了一定角度，使得混合情況更好。由于天然氣密度低于空氣，所以在引射時(shí)，立式引射結(jié)構(gòu)的空氣阻力低于水平引射結(jié)構(gòu)，這使得水冷低氮型燃燒器在引射時(shí)獲得了比常規(guī)燃燒器更高的一次空氣系數(shù)。此外，在同負(fù)荷下，水冷低氮型燃燒器的引射器喉部直徑大于常規(guī)燃燒器，而單個(gè)噴嘴的直徑則小于常規(guī)燃燒器，這也使得水冷低氮型燃燒器獲得了更多的一次空氣。

1.3 燃燒器設(shè)計(jì)計(jì)算

自2010年以來，壁掛爐市場(chǎng)上出現(xiàn)過多種不同形狀尺寸的水冷低氮型燃燒器，張寧等人[7]研究了水冷低氮型燃燒器的應(yīng)用，采用的燃燒器火孔面積是常規(guī)燃燒器的5倍，而噴嘴直徑縮小了30%以上，使得一次空氣系數(shù)約為1.6～1.8。而劉鳳國(guó)等人[8]則通過噴嘴直徑為0.87 mm的水冷低氮型燃燒器得到了最佳燃燒工況。本文以銅制水冷低氮型燃燒器為參考依據(jù)，在不改動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)燃燒器噴嘴、火孔及引射器等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)計(jì)算，然后加工得到負(fù)荷理論設(shè)計(jì)尺寸的燃燒器樣品后對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)

1.3.1 噴嘴設(shè)計(jì)計(jì)算

燃燒器設(shè)計(jì)階段是通過預(yù)設(shè)的一次空氣系數(shù)、燃燒器負(fù)荷、燃?xì)鈮毫?、燃?xì)鉄嶂岛兔芏鹊葏?shù)，根據(jù)引射器理論計(jì)算公式計(jì)算得到噴嘴尺寸、火孔面積以及引射器關(guān)鍵尺寸。本設(shè)計(jì)計(jì)算以中間進(jìn)氣的銅制水冷低氮型燃燒器為例，參考現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，以四川干氣為氣源對(duì)燃燒器噴嘴及引射器尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)水冷低氮型燃燒器一次空氣系數(shù)為1.4，燃燒器額定輸入負(fù)荷為24 kW。燃燒器由10排燃燒器單片組成，共計(jì)20個(gè)噴嘴，所以每個(gè)噴嘴承擔(dān)負(fù)荷Q=1.2 kW。

已知四川干氣的相對(duì)密度s=0.575，低熱值Hl=34 540 kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))，理論空氣需要量V0=9.64 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn))，燃?xì)鈮毫=2 000 Pa。

然后根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)負(fù)荷，按下式計(jì)算得到圓形噴嘴直徑：

(1)

式中：Lg為圓形噴嘴的流量，m3/h；Q為單個(gè)噴嘴及引射器的熱負(fù)荷，kW；Hl為燃?xì)獾蜔嶂?，kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))；μ為噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和燃?xì)鈮毫τ嘘P(guān)，取μ=0.76；d為圓形噴嘴直徑，mm；H為燃?xì)鈮毫?，Pa；s為燃?xì)獾南鄬?duì)密度(空氣=1)。

(2)

(3)

(4)

式中：Fj為噴嘴出口截面積，mm2。

所以根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算可知，水冷低氮型燃燒器采用直徑為0.89 mm的噴嘴時(shí)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 火孔設(shè)計(jì)計(jì)算

燃燒器火孔的燃燒能力可以用火孔熱強(qiáng)度或額定火孔出口流速表示，查《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》[9]表7-1可知，對(duì)于天然氣，額定火孔出口流速vp取值范圍1.0～1.3 m/s(標(biāo)準(zhǔn))。本次設(shè)計(jì)取vp=1.1 m/s(標(biāo)準(zhǔn))。則火孔總面積按下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：Fp為火孔總面積，mm2；α′為一次空氣系數(shù)；V0為理論空氣需要量，m3/m3(標(biāo)準(zhǔn))；vp為火孔出口氣流速度，m/s(標(biāo)準(zhǔn))。

對(duì)于水冷低氮型燃燒器而言，單個(gè)噴嘴對(duì)應(yīng)的火孔總面積為457.84 mm2，則單片燃燒器的火孔總面積約900 mm2。

選取壁掛爐燃燒器中較為常見的長(zhǎng)橢圓型火孔為水冷低氮型燃燒器火孔頭部，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為7 mm，寬度為0.8 mm，則單個(gè)火孔面積為5.5 mm2。設(shè)計(jì)單片燃燒器上對(duì)稱分布共計(jì)164個(gè)火孔，則單片燃燒器火孔總面積約為902 mm2。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的火孔，按下式計(jì)算火孔阻力系數(shù)及頭部能量損失系數(shù)：

(6)

(7)

式中：ζp為火孔阻力系數(shù);μp為火孔流量系數(shù)，與火孔的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，本文取0.7；K1為燃燒器頭部的能量損失系數(shù)，對(duì)于民用燃燒器，通常K1=2.7～2.9；t為混合氣體通過火孔被加熱的溫度，本文取120 ℃。

1.3.3 引射器設(shè)計(jì)計(jì)算

水冷低氮型燃燒器的引射器與常規(guī)壁掛爐燃燒器引射器相同，工質(zhì)壓力均為2 000 Pa左右，引射器吸氣收縮管較大，并漸漸過渡到圓柱形混合腔，所以同屬于常壓吸氣低壓引射器。此種引射器的工作原理是燃?xì)鈴膰娮熘袊姵?，壓力降低而流速升高。噴出的高速燃?xì)鈱⒁淮慰諝馕M(jìn)引射器中，發(fā)生動(dòng)量交換，使燃?xì)饬魉俳档投諝饬魉偕?，并在引射過程中充分混合，最終在混合腔出口處混合氣速度呈均勻分布。在混合腔中，燃?xì)鈩?dòng)壓頭減少，一部分傳給空氣，一部分克服阻力損失，還有一部分轉(zhuǎn)化為靜壓力。而當(dāng)混合氣到達(dá)分配腔(擴(kuò)壓管)時(shí)，動(dòng)壓進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為靜壓。

首先根據(jù)一次空氣系數(shù)按下式計(jì)算出引射器質(zhì)量引射系數(shù)：

(8)

式中：u為質(zhì)量引射系數(shù)。

然后按下式計(jì)算能量損失系數(shù)和最佳燃燒器參數(shù)：

(9)

(10)

式中：K為能量損失系數(shù)；ψ1為速度場(chǎng)不均勻系數(shù)，當(dāng)混合管長(zhǎng)度為5～6倍喉部直徑時(shí)，通常取ψ1=1.02～1.04，混合管越長(zhǎng)，ψ1越小，所以取ψ1=1.02；ζmix為混合管的摩擦阻力系數(shù)，取ζmix=0.06；ζd為擴(kuò)壓管阻力損失系數(shù)，取ζd=0.15；n為擴(kuò)壓管的擴(kuò)張程度，取n=2.6；Flop為最佳燃燒器參數(shù)。

得到最佳燃燒器參數(shù)后，可以通過下式計(jì)算A值和X值：

(11)

(12)

可見A<1但趨近于1，表明燃燒器計(jì)算工況與最佳工況接近，但燃燒器有多余的燃?xì)鈮毫?。由X值通過下式可推得，燃燒器參數(shù)、引射器喉部截面積，進(jìn)而得到喉部直徑和引射器其他尺寸：

F1=XFlop=0.72×0.71=0.51

(13)

Ft=F1Fp=0.51×457.84=233.50mm2

(14)

(15)

式中：F1為燃燒器參數(shù)；Ft為引射器喉部截面積，mm2；dt為混合管喉部直徑，mm。

所以通過設(shè)計(jì)計(jì)算可得，當(dāng)水冷低氮型燃燒器采用0.89 mm直徑的噴嘴，引射器喉部直徑約為17.25 mm時(shí)可以達(dá)到設(shè)計(jì)工況下1.4左右的一次空氣系數(shù)，由此得到穩(wěn)定的完全預(yù)混式燃燒火焰。根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)計(jì)算所得到的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)燃燒器進(jìn)行加工，得到一款銅制水冷低氮型燃燒器，并將其裝備入壁掛爐中進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)依托于Micropla工業(yè)級(jí)兩用型燃?xì)饪焖贌崴鳈z測(cè)臺(tái)，用于對(duì)壁掛爐的熱工性能、NOx排放機(jī)理等開展系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用一臺(tái)24 kW常規(guī)壁掛爐和一臺(tái)24 kW具有水冷低氮型燃燒器的低氮壁掛爐，共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分組見表1，包括對(duì)常規(guī)壁掛爐常規(guī)燃燒器的測(cè)試、對(duì)低氮壁掛爐水冷低氮型燃燒器的測(cè)試以及無水冷管路情況下水冷低氮型燃燒器的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程中以每組實(shí)驗(yàn)不同輸入負(fù)荷為變量，記錄燃燒器的燃?xì)饬髁?、煙氣各組分濃度及表面溫度進(jìn)行記錄，并通過理論計(jì)算得到燃燒器輸入負(fù)荷、過?？諝庀禂?shù)和折合后的CO和NOx濃度，對(duì)比三組燃燒器不同負(fù)荷下的性能參數(shù)。燃燒器表面溫度測(cè)點(diǎn)位置見圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)分組

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 整機(jī)性能分析

三組實(shí)驗(yàn)的折合后CO和NOx排放濃度見圖3。從圖3中可以看出，就NOx濃度而言，水冷低氮型壁掛爐煙氣中的NOx濃度遠(yuǎn)低于常規(guī)壁掛爐，折合后濃度始終保持在10×10-6以下；在常規(guī)壁掛爐中，燃燒溫度隨著負(fù)荷的增加隨之上升，使得NOx排放濃度也逐漸升高，在額定負(fù)荷下接近100×10-6；在無水冷管路的情況下，水冷低氮型壁掛爐的NOx排放濃度明顯高于有水冷管路的情況，由此可以推斷水冷低氮型燃燒器中的水冷管路也是降低NOx排放濃度的原因之一。

其次，對(duì)比煙氣中的CO排放濃度可以看出，常規(guī)壁掛爐在低負(fù)荷情況下的CO排放濃度較高，隨著負(fù)荷的升高，常規(guī)壁掛爐的CO排放濃度隨之減少；水冷低氮型壁掛爐在低負(fù)荷時(shí)CO排放濃度低，高負(fù)荷時(shí)高，額定負(fù)荷下約為130×10-6；相比于有水冷情況下，在水冷低氮型壁掛爐無水冷時(shí)CO排放濃度略低，但低負(fù)荷下較高。

圖3 三組實(shí)驗(yàn)的折合后CO和NOx排放濃度

三組實(shí)驗(yàn)的過剩空氣系數(shù)對(duì)比見圖4，通過過?？諝庀禂?shù)的對(duì)比可以看出部分煙氣排放濃度變化規(guī)律的原因。

圖4 三組實(shí)驗(yàn)的過剩空氣系數(shù)對(duì)比

2.2.2 燃燒器性能分析

由于采用了風(fēng)量恒定的定速風(fēng)機(jī)，常規(guī)壁掛爐在低負(fù)荷下過?？諝庀禂?shù)極大，有大量空氣沒有參與燃燒，較大風(fēng)速的影響使得低負(fù)荷火焰穩(wěn)定性大大減弱，產(chǎn)生局部脫火的情況，由此使得CO排放濃度較高。隨著負(fù)荷的加大，更多空氣參與反應(yīng)，過剩空氣系數(shù)減小，CO排放濃度也降低。

水冷低氮型壁掛爐有無水冷管路對(duì)其燃燒器外形結(jié)構(gòu)并無影響，所以兩組實(shí)驗(yàn)的過剩空氣系數(shù)十分相近，在變速風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)下基本穩(wěn)定在2.2左右。水冷低氮型壁掛爐的α′>1，并且燃燒器單片中間沒有空隙，為完全預(yù)混式燃燒，二次空氣多通過燃燒器和燃燒室之間的間隔直接進(jìn)入煙氣。所以在較高負(fù)荷下水冷低氮型壁掛爐CO排放濃度較高的原因是火焰中二次空氣補(bǔ)充不足，產(chǎn)生了局部不完全燃燒。在額定負(fù)荷附近，水冷低氮型壁掛爐和常規(guī)壁掛爐擁有相近的過剩空氣系數(shù)。

水冷低氮型燃燒器火焰圖像見圖5，從圖5中可以看出，由于α′>1且無二次空氣補(bǔ)充，水冷低氮型燃燒器的火焰沒有外焰，僅有一層藍(lán)色內(nèi)焰，并且火焰高度很矮，只有不到2 cm。此外可以看出，水冷低氮型燃燒器的火孔面積大，火焰面大且分布均勻，所以有效增強(qiáng)了燃燒器的輻射換熱能力。從火焰圖像可以看出，分布均勻高度較矮的火焰減少了局部高溫，也縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，是水冷低氮型燃燒器低NOx排放的原因之一。

圖5 水冷低氮型燃燒器火焰圖像

燃燒器表面溫度可以側(cè)面反映出燃燒器腔體內(nèi)混合氣的預(yù)熱情況以及火焰溫度情況。三組實(shí)驗(yàn)的燃燒器表面各測(cè)點(diǎn)溫度見圖6。通過燃燒器表面溫度反映出的混合氣預(yù)熱和火焰溫度情況也可以分析出燃燒器煙氣排放濃度的變化規(guī)律。

圖6 三組實(shí)驗(yàn)的燃燒器表面各測(cè)點(diǎn)溫度

可以看出水冷低氮型燃燒器的表面各測(cè)點(diǎn)溫度約在100 ℃，而常規(guī)燃燒器表面溫度則約在200～300 ℃。結(jié)合煙氣排放和表面溫度情況發(fā)現(xiàn)，無水冷管路時(shí)水冷低氮型燃燒器的NOx排放濃度較高而CO濃度較低，燃燒器表面溫度較高，說明無水冷管路的火焰溫度高于有水冷管路情況。

由此可以推斷，水冷低氮型燃燒器中水冷管路降低NOx排放濃度的原因是水冷管路有效降低了火焰溫度及燃燒器表面溫度，并使得燃燒器表面對(duì)腔體內(nèi)混合氣的預(yù)熱作用大大減弱，抑制了NOx的生成。

在無水冷情況下，當(dāng)燃燒器輸入負(fù)荷低于18 kW時(shí)，燃燒器腔體中產(chǎn)生了周期性的轟鳴聲，無水冷情況下的水冷低氮型燃燒器發(fā)生了回火現(xiàn)象。回火使得全預(yù)混混合氣直接在腔體內(nèi)爆燃，迅速地提升了燃燒器表面溫度，這也是圖4中無水冷情況下燃燒器負(fù)荷低于18 kW后CO和NOx排放濃度急速升高的主要原因。

3 結(jié) 論

本文通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式，總結(jié)出水冷低氮型燃燒器的低NOx排放機(jī)理如下：

(1)參考現(xiàn)有外型結(jié)構(gòu)，對(duì)水冷低氮型燃燒器關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)計(jì)算，得到了一款符合設(shè)計(jì)要求的燃燒器用于實(shí)驗(yàn)研究。此燃燒器理論一次空氣系數(shù)為1.4，在額定工況下形成了穩(wěn)定的完全預(yù)混式燃燒，燃燒器性能優(yōu)異，壁掛爐整機(jī)污染物排放量較低。

(2)完全預(yù)混式燃燒形式使得水冷低氮型燃燒器火焰高度較矮、面積大且分布均勻，有利于減少局部高溫，有利于縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，從而抑制了NOx的生成。

(3)水冷低氮型燃燒器中的水冷管路可以有效起到防止回火的作用，并且輔助降低了水冷低氮型燃燒器的火焰溫度，起到了降低NOx排放濃度的作用。

雖然此款水冷低氮型燃燒器可以大幅降低整機(jī)煙氣中的NOx排放濃度，但是由于在額定情況下存在二次空氣補(bǔ)充不足的缺點(diǎn)，使得CO排放濃度也略高于常規(guī)壁掛爐，所以對(duì)水冷低氮型燃燒器燃燒性能的進(jìn)一步優(yōu)化仍有待研究。