家用燃具低氮燃燒技術(shù)分析

周偉業(yè), 劉文博, 楊麗杰, 呂昕宇, 秦寒生, 李曉鳴

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭?天津300384;2.國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心,天津300384)

1 概述

提高天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例,對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高居民生活舒適度、推進(jìn)節(jié)能減排有極其重要的戰(zhàn)略意義。2016—2021年我國家用燃?xì)饪焖贌崴?簡稱熱水器)的總銷量為7 166×104臺,燃?xì)夤┡療崴疇t(簡稱熱水爐)的總銷量突破了2 000×104臺。絕大多數(shù)熱水器和熱水爐的燃燒方式均為部分預(yù)混燃燒,這種燃燒方式下燃燒產(chǎn)物中的NOx含量較高。

2013年,國務(wù)院發(fā)布了《大氣污染防治行動計劃》,各地區(qū)尤其是北方地區(qū)加強(qiáng)了鍋爐污染物排放的限制。對于NOx的排放要求,北京和河北要求新建燃?xì)忮仩t不超過30 mg/m3,杭州和山東要求新建燃?xì)忮仩t不超過50 mg/m3,烏魯木齊和成都則分別要求新建燃?xì)忮仩t不超過40 mg/m3和60 mg/m3。

為了降低NOx排放,通常采用的控制技術(shù)包括低氮燃燒和煙氣處理技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)是指在燃燒過程中控制NOx生成,煙氣處理技術(shù)則是對煙氣中NOx進(jìn)行處理,以減少污染物排放。煙氣處理技術(shù)對降低NOx雖然有效,但投資和運(yùn)行成本都很高,對于家用燃具來說,采用煙氣處理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上沒有可實(shí)現(xiàn)性,因此,研究低氮/超低氮燃燒技術(shù)具有重要意義。

2 NOx生成機(jī)理

天然氣燃燒產(chǎn)生的NOx主要為熱力型NOx,即燃燒過程中空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx。燃燒溫度是熱力型NOx生成的關(guān)鍵性變量。其次,燃燒過程中,燃燒室內(nèi)的局部高溫區(qū)會產(chǎn)生較多的NOx,對整個燃燒室內(nèi)的NOx生成起重要作用。因此,降低熱力型NOx,除了降低燃燒溫度外,還要盡量使燃燒室溫度分布均勻,避免燃燒室產(chǎn)生局部高溫區(qū)。

天然氣燃燒過程中也會產(chǎn)生快速型NOx,快速型NOx主要是碳?xì)渥杂苫cN2分子進(jìn)行反應(yīng),形成胺和氰基化合物,再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變形成中間體,最終形成NOx。

3 低氮燃燒技術(shù)分析

目前熱水器和熱水爐常用的低氮燃燒技術(shù)主要以降低燃燒溫度、減少熱力型NOx生成為主。根據(jù)燃燒技術(shù)的不同,可以分為兩類,一類是采用新型燃燒器疊加新燃燒技術(shù)的結(jié)構(gòu),包括完全預(yù)混燃燒、水冷低氮燃燒、濃淡燃燒等,一類是改變?nèi)紵鞯娜細(xì)饪諝夤庀到y(tǒng),如煙氣再循環(huán)等。

3.1 完全預(yù)混燃燒

完全預(yù)混燃燒中,火孔熱強(qiáng)度大,燃燒溫度高,火焰長度短,不易產(chǎn)生局部高溫,同時火焰較短使得煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間很短。結(jié)合熱力型NOx生成機(jī)理可知,上述特點(diǎn)能夠抑制熱力型NOx的生成。對于部分預(yù)混燃燒,由于二次空氣有一定的流速,使得燃?xì)饪諝饣旌蠚馀c二次空氣燃燒時火焰長度較長,燃燒溫度較高,生成的熱力型NOx較多。

依據(jù)GB 25034—2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》對部分預(yù)混和完全預(yù)混熱水爐額定熱負(fù)荷時進(jìn)行NOx試驗(yàn),依據(jù)GB 6932—2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌穼崴黝~定熱負(fù)荷時進(jìn)行NOx試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,部分預(yù)混式家用燃具額定熱負(fù)荷時煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)大多分布在60×10-6～90×10-6范圍,而完全預(yù)混式家用燃具額定熱負(fù)荷時煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)則能夠達(dá)到30×10-6甚至20×10-6以下。

相比部分預(yù)混式燃具,完全預(yù)混式燃具對燃?xì)馄焚|(zhì)的要求較高,并且有復(fù)雜的燃?xì)馀c空氣比例控制系統(tǒng),只有在最優(yōu)的空燃比下,完全預(yù)混式熱水爐和熱水器的燃燒才能有最佳效果。由于完全預(yù)混式燃具的控制和結(jié)構(gòu)比部分預(yù)混式燃具更為復(fù)雜,其經(jīng)濟(jì)成本也更高。

3.2 水冷低氮燃燒器

熱水爐可以通過改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)和火孔形狀來實(shí)現(xiàn)低氮燃燒,所用燃燒器即水冷低氮燃燒器。水冷低氮燃燒器的頭部為平板式,其火焰面分布更為均勻,火孔相比常規(guī)燃燒器更細(xì)長,數(shù)量更多,火孔總面積也更大,火焰溫度分布更加均勻,不會產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象,能夠抑制NOx的生成。相比常規(guī)燃燒器的單排噴嘴,低氮燃燒器通常采用雙排噴嘴,對應(yīng)的一次空氣量也更多,且火排之間的間隙較小,使得二次空氣量也較少,縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時間,從而抑制NOx的生成。另外,由于低氮燃燒器結(jié)構(gòu)的特殊性,燃燒器引射器周圍的冷卻水管能夠降低燃燒器表面對混合腔的預(yù)熱作用,降低了燃燒溫度,最終能夠減少NOx的生成。

依據(jù)GB 25034—2020對水冷低氮熱水爐進(jìn)行額定熱負(fù)荷時NOx試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,額定熱負(fù)荷時煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到20×10-6,遠(yuǎn)低于常規(guī)大氣式熱水爐的煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)60×10-6～90×10-6。但熱水爐采用水冷低氮燃燒器時,可能會出現(xiàn)生活熱水模式下,無法在50%額定熱水熱負(fù)荷的狀態(tài)下維持正常燃燒的現(xiàn)象,不能滿足熱水爐能效的要求,同時還可能出現(xiàn)離焰燃燒工況下煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)過高,不能滿足GB 25034—2020要求的現(xiàn)象。

3.3 濃淡燃燒

濃淡燃燒是一部分燃?xì)庠诳諝獠蛔愕臈l件下燃燒,另一部分燃?xì)庠诳諝膺^多的條件下燃燒,主要通過濃淡燃燒器實(shí)現(xiàn)。濃淡燃燒器的局部結(jié)構(gòu)見圖1,濃淡燃燒火焰見圖2。

圖1 濃淡燃燒器局部結(jié)構(gòu)

圖2 濃淡燃燒火焰

濃淡燃燒器的單片燃燒器通常包含了火孔面積較大的濃燃燒器和火孔面積相對較小的淡燃燒器,濃燃燒器居中,淡燃燒器分布兩側(cè),兩者組合形成一個單片燃燒器。燃?xì)夥謩e從大火孔和小火孔噴射燃燒,形成濃淡火焰。淡火焰區(qū)由于過剩空氣系數(shù)較大,為完全預(yù)混燃燒,火焰較短。濃火焰由于過?？諝庀禂?shù)較小,燃燒過程中二次空氣量不足,火焰不完全燃燒,火焰被拉長。兩種火焰交替分布,濃火焰由于空氣不足,會抑制NOx的生成,而淡火焰則由于空氣過剩,降低了燃燒溫度,也能夠抑制NOx的生成。

依據(jù)GB 25034—2020對某濃淡燃燒熱水爐進(jìn)行額定熱負(fù)荷時NOx試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,其額定熱負(fù)荷時煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到15×10-6,遠(yuǎn)低于同類型常規(guī)大氣式熱水爐的NOx排放。對其進(jìn)行NOx排放等級試驗(yàn),結(jié)果顯示,排放等級能夠達(dá)到5級(級別越高,NOx排放越低)。

當(dāng)燃具使用濃淡燃燒器時,應(yīng)注意當(dāng)濃燃燒過?？諝庀禂?shù)過小,燃燒室內(nèi)氧氣稀薄,空氣量不足,從而造成不完全燃燒,使煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)增加;當(dāng)?shù)紵^?？諝庀禂?shù)過小,會形成離焰等不完全燃燒,煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)也會劇增,或者由于燃?xì)夂窟^低,難以點(diǎn)火燃燒。

3.4 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是在不改變?nèi)季呷紵鞯那疤嵯?通過對燃燒工況進(jìn)行改良的一種降低NOx的燃燒技術(shù),即從排煙管中抽取一部分煙氣(主要成分N2、O2和CO2)進(jìn)入燃燒密封腔,與助燃空氣混合后進(jìn)入燃燒室參與燃燒,或者將煙氣回流管安裝至燃燒室,煙氣直接被送至燃燒室作為部分二次空氣進(jìn)行燃燒。采用該技術(shù)時,NOx的降低程度主要取決于再循環(huán)煙氣量。

該技術(shù)主要利用了再循環(huán)煙氣的低氧低溫特點(diǎn),利用氧氣體積分?jǐn)?shù)較低的特點(diǎn),煙氣與空氣混合后,在進(jìn)氣量不變的前提下由于煙氣量的增加,減少了空氣量,從而降低了O2含量,導(dǎo)致火焰溫度以及高溫區(qū)的O2含量的降低,抑制了NOx的生成。利用低溫的特點(diǎn),將再循環(huán)煙氣引射至燃燒室合理的區(qū)域,加入的煙氣通過吸熱可以降低高溫區(qū)溫度,減少NOx的生成。

選取一臺強(qiáng)制給排氣式熱水器并應(yīng)用煙氣再循環(huán)技術(shù)對其進(jìn)行改造,在給排氣煙管排氣管末端連接煙氣回流管,煙氣回流管連接至回流風(fēng)機(jī),回流風(fēng)機(jī)通過熱水器左上方開孔將回流煙氣送至熱水器內(nèi)。試驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 試驗(yàn)裝置

依據(jù)GB 6932—2015對樣機(jī)進(jìn)行NOx試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,在全部燃燒器燃燒時,隨著煙氣再循環(huán)比例增加,煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)呈指數(shù)型下降,而煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)呈冪函數(shù)型上升,根據(jù)CO的排放標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為煙氣再循環(huán)比例在35%最佳。在50%燃燒器燃燒時,煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)在煙氣再循環(huán)比例為15%之前逐漸下降,而后出現(xiàn)波動趨勢,而煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)在煙氣再循環(huán)比例達(dá)到15%以后,出現(xiàn)迅速增長趨勢。

采用煙氣再循環(huán)時,為了達(dá)到最佳的降低NOx效果,需要確定不同負(fù)荷下的煙氣循環(huán)量,在實(shí)際應(yīng)用中,則需要根據(jù)實(shí)時熱負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時煙氣再循環(huán)量調(diào)節(jié),導(dǎo)致控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。

3.5 增加單片燃燒器數(shù)量

熱水爐和熱水器的熱負(fù)荷與火孔面積和火孔熱強(qiáng)度有關(guān)。在熱負(fù)荷保持不變的前提下,如果使火孔總面積增加,則火孔熱強(qiáng)度減小,直接導(dǎo)致燃燒溫度降低。根據(jù)NOx的生成條件可知,NOx的生成量就會有所降低。

對比同一制造商的2臺額定熱負(fù)荷均為20 kW且除燃燒器外結(jié)構(gòu)相同的熱水爐,單片燃燒器數(shù)量增加至常規(guī)配置數(shù)量的1.3倍,煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)降低,額定熱負(fù)荷下煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)由55×10-6降低至44×10-6。依據(jù)GB 25034—2020附錄H進(jìn)行不同熱負(fù)荷下的NOx試驗(yàn),NOx折算值能夠降低至100 mg/(kW·h)(煙氣中NOx質(zhì)量濃度約為117 mg/m3)。對比另一制造商的2臺額定熱負(fù)荷均為20 kW且除燃燒器外結(jié)構(gòu)相同的熱水爐,當(dāng)單片燃燒器數(shù)量增加到常規(guī)配置數(shù)量的1.6倍時,煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)明顯下降,額定熱負(fù)荷下煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)由60×10-6降低至45×10-6。依據(jù)GB 25034—2020附錄H進(jìn)行不同熱負(fù)荷下的NOx試驗(yàn),NOx折算值能夠降低至70 mg/(kW·h)(煙氣中NOx質(zhì)量濃度約為82 mg/m3),能夠使熱水爐的NOx排放等級從3級升至4級。

對于要求NOx折算值在80 mg/m3以下的地區(qū),采用增加單片燃燒器數(shù)量降低氮氧化物排放比采用水冷燃燒器的成本更低。但試驗(yàn)結(jié)果也顯示,增加過多數(shù)量的單片燃燒器,熱水爐的熱效率也會降低。

3.6 其他技術(shù)

① 改變一次空氣系數(shù)

當(dāng)一次空氣系數(shù)逐漸增大時,燃燒速度變快,反應(yīng)時間縮短,火焰長度逐漸減小,外焰擴(kuò)散火焰與二次空氣的接觸面減小,燃燒產(chǎn)物出口速度相比一次空氣系數(shù)較小時略有增加,因此,O2在高溫區(qū)的停留時間縮短,減少了O與N的反應(yīng),導(dǎo)致NOx生成減少。同時由于一次空氣系數(shù)增大,會使燃?xì)馊紵浞?釋放出的熱量會更多,局部火焰溫度會略有升高,導(dǎo)致熱力型NOx增加。相比而言,在此過程中O2在高溫區(qū)停留時間的縮短起主導(dǎo)作用,總體上NOx呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

以某臺熱水爐為例,通過改變熱水爐的噴嘴直徑和引射距離改變一次空氣系數(shù),并依據(jù)GB 25034—2020進(jìn)行額定熱負(fù)荷下的NOx試驗(yàn),結(jié)果顯示,當(dāng)引射距離從5.5 mm增加至13.5 mm時,NOx體積分?jǐn)?shù)從65×10-6降至60×10-6;當(dāng)噴嘴直徑從1.35 mm減小到1.22 mm時,NOx體積分?jǐn)?shù)從61×10-6降至58×10-6。隨著一次空氣系數(shù)增加,熱水爐額定熱負(fù)荷下的NOx體積分?jǐn)?shù)略微下降。

② 助燃空氣加濕

空氣中水蒸氣的含量不同,空氣相對濕度不同,燃燒溫度會有所改變。空氣相對濕度越大,含濕量越高,燃燒溫度越低,生成的熱力型NOx越少。

不同學(xué)者對空氣加濕抑制NOx生成的機(jī)理有不同看法,文獻(xiàn)[1]認(rèn)為助燃空氣含濕量的提高降低了助燃空氣中的含氧量,增加了空氣熱容,會影響燃燒室內(nèi)的流場分布、火焰形態(tài)與火焰?zhèn)鞑ヌ匦?使得燃?xì)忮仩t燃燒室的燃燒溫度降低,減少了NOx生成。文獻(xiàn)[2]則指出,對于碳?xì)淙剂?濕空氣中H2O的作用有兩方面,一方面空氣加濕會使燃燒溫度降低,從而減少熱力型NOx的生成,另一方面抑制了H基、CH3基和CH2基的生成,同時H2O和O基反應(yīng)生成OH基,并促進(jìn)了CHi自由基和OH基的反應(yīng),抑制了CHi自由基和N2的反應(yīng),從而減少了快速型NOx生成。

依據(jù)GB 25034—2020對某臺熱水爐進(jìn)行了不同空氣相對濕度下額定熱負(fù)荷時的NOx試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著空氣相對濕度從15%增加至70%,額定熱負(fù)荷時煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)從66×10-6逐漸降低至56×10-6,空氣相對濕度每增加10%,煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù)降低約2×10-6。

4 結(jié)論

① 完全預(yù)混燃燒、水冷低氮燃燒器、濃淡燃燒均能實(shí)現(xiàn)額定熱負(fù)荷時NOx排放較低,但各技術(shù)也有相應(yīng)的難點(diǎn)。完全預(yù)混燃燒對燃?xì)饪諝獗壤刂埔蟾?只有在最優(yōu)的空燃比下,完全預(yù)混燃燒才能有最佳效果,且經(jīng)濟(jì)成本較高。水冷低氮燃燒器容易產(chǎn)生離焰等問題,不易滿足GB 25034—2020的要求。濃淡燃燒的過?？諝庀禂?shù)過小時,煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)過高,不易滿足GB 25034—2020的要求。

② 對于煙氣再循環(huán)技術(shù),需要確定合理的煙氣再循環(huán)比例才能夠?qū)崿F(xiàn)低氮燃燒。

③ 增加單片燃燒器數(shù)量能夠降低額定熱負(fù)荷下的煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù),且使常規(guī)大氣式熱水爐的NOx排放等級從3級升至4級,經(jīng)濟(jì)成本相比其他技術(shù)更低。

④ 由于熱水爐和熱水器的體積偏小,改變一次空氣系數(shù)或助燃空氣加濕雖然能夠降低煙氣中NOx體積分?jǐn)?shù),但實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果顯示降低效果有限。