灶前压力对家用燃气灶烟气排放的影响

戴书生 史炬 戴奕艺

国家燃气用具产品质检监督检验中心（佛山） 广东佛山 528000

随着人们生活水平的改善，家用燃气灶具已经走进千家万户。燃气灶具的普及方便了人们生活的同时，对大气造成的污染，摆在了科研人员的面前，如何生产出高效节能的产品越来越受到企业和社会的重视。红外线燃气灶较好的解决了这个问题，本文将通过对红外线燃气灶的燃烧过程进行分析，研究不同灶前压力下大气式燃气灶和红外线燃气灶在标准状态下燃烧的烟气排放的差别。

1 灶前压力对燃烧器烟气排放的影响

图1是两种燃气灶燃烧烟气中CO和CO2排放浓度随灶前压力变化的示意图（三角折线表示大气式燃气灶；圆形折线表示红外线燃气灶；黑线表示CO排放浓度；红线表示CO2排放浓度）。可以看出，随着灶前压力的增大，大气式燃气灶燃烧产生的CO浓度呈指数函数递增，当灶前压力达到4000Pa时，CO排放浓度高达494PPM；而CO2排放浓度随灶前压力以正比函数递增，在4000Pa的灶前压力下CO2排放浓度达10.38%。相比大气式燃气灶，红外线燃气灶燃烧产生的CO随着灶前压力的增大基本不变，始终维持在14PPM，其燃烧产生的CO2随灶前压力的变化与大气式燃气灶类似，在4000Pa的灶前压力下CO2浓度达到9.78%。这是因为随着灶前压力的增大，大气式燃气灶中燃气与空气的预混效果相比标准状态下（2000Pa）产生偏差，随着灶前压力的增大，燃气与空气比例严重失衡，最终造成大气式燃气灶在3000Pa以上的灶前压力下发生恶性燃烧，CO浓度由83PPM迅速递增到494PPM。而红外线燃气灶由于燃烧器内部分布大量的微孔，使得燃气与空气不管在多大的灶前压力下均能得到很好的效果[1]，虽然由喷嘴引入的一次空气量与大气式燃气灶差不多，但在燃烧器表面大量的微孔使得二次空气的补充更加均匀，并且由于红外燃气灶的无焰燃烧技术造成热气流是发散式的，冷空气从四周引入，达到了非常好的二次预混效果，而大气式燃气灶的热烟气自下而上排放，冷空气只能与边缘的喷火孔有很好的预混效果，内部火孔附近二次空气量极少，燃烧不充分。此外，大气式燃气灶和红外线燃气灶CO2排放均随着灶前压力的增大而增大，这是因为随着灶前压力的增大，单位时间内的燃气耗气量也随着增大，自然造成CO2的排放量增大。因此红外线燃气灶相比大气式燃气灶在灶前压力的变化下烟气排放具有更好的稳定性。

图1 灶前压力对燃气灶燃烧烟气中CO和CO2排放浓度的影响

图2是两种燃气灶燃烧烟气中NOx和O2排放浓度随灶前压力变化的折线图（三角折线表示大气式燃气灶；圆形折线表示红外线燃气灶；黑线表示O2排放浓度；红线表示NOx排放浓度）。从图中可以看出，两种燃气灶燃烧烟气中NOx的排放浓度均随着灶前压力的增加而增大，两种燃气灶燃烧烟气中O2排放的浓度均随着灶前压力的增大而减小。这是因为随着灶前压力的增大，单位时间内的燃气耗气量也随着增大，因此单位时间的耗氧量也随着增大，这就造成烟气排放中O2浓度的降低；同时，随着单位时间内的燃气耗气量的增大，单位时间内的燃气热值提高，燃气的绝对燃烧温度也随之提高，而NOx排放浓度的变化正是反映燃烧温度的变化，绝对燃烧温度越高NOx排放浓度。实验已证明，NOx的生成机理包含三个方面：①热力型；②快速型；③燃料型。热力型NOx的生成主要是由助燃空气引入的氮气在1800K以上被氧化生成，它是由原苏联苏联科学家侧耳多维奇提出的[2]。

快速型NOx生成机理是由于碳氢化合物在燃烧时能够分解出大量的CH、CH2和CH3等基团，能够破坏氮气的分子键，在高温条件下，分解出的CHi等自由基与与氮气反应生成HCN、NH、N等，其中HCN是快速型NOx生成的最重要的中间产物，能在火焰里面快速生成NOx。

燃料型氮氧化物是由燃料中所含的氮元素在燃料燃烧时形成的，燃料中含氮的有机化合物通过热裂解，生成HCN、NHi、及CN等中间产物，最终氧化成NOx。其中，温度对燃料型NOx的影响并不明显，主要是由于燃料中含氮化合物的热裂解温度并不高，在600-800℃内，就能生成燃料型NOx。

同时，由于燃气中的氮含量极少，燃烧时几乎没有燃料型氮氧化物产生，而快速型氮氧化物的生成量比热力型氮氧化物小一个数量级，因此控制烟气中的氮氧化物排放量主要是控制热力型氮氧化物的产生，1800K是热力型NOx生成的关键温度点，低于1800K时，NOx的生成量很少，当温度超过1800K时，NOx的生成速率急剧增大，为指数关系，温度每升高100℃，反应速率增大6-7倍。

图2 灶前压力对燃气灶燃烧烟气中NOx和O2排放浓度的影响

图3是灶前压力对两种燃气灶燃烧时CO(α=1)和NOx(α=1)排放浓度的影响（三角折线表示大气式燃气灶；圆形折线表示红外线燃气灶；黑线表示CO(α=1)排放浓度；红线表示NOx(α=1)排放浓度）。图3是由图1和图2根据GB 16410-2007家用燃气灶具标准通过以下公式转化而来。

图3 灶前压力对燃气灶燃烧烟气中CO(α=1)和NOx(α=1)排放浓度的影响

从图3中可以看出，大气式燃气灶NOx(α=1)排放浓度随灶前压力的增大有缓慢降低的趋势，当灶前压力达到4000Pa时，NOx(α=1)排放浓度下降到0.010%，红外线燃气灶NOx(α=1)排放浓度随灶前压力的增大有缓慢增大的趋势，当灶前压力达到4000Pa时，NOx(α=1)排放浓度提高到0.005%。对于大气式燃气灶，由于燃烧器表面从周围获取的二次空气量有限，随着灶前压力的增大，空气需求量严重不足，燃气空气比例逐渐失调，而相对较高的燃气量使NOx的排放浓度持续上升，严重短缺的空气造成氧含量急剧下降，最终导致大气式燃气灶NOx(α=1)排放浓度随灶前压力的增大缓慢降低。相反，红外线燃气灶由于燃烧器面板从周围获取的二次空气量充足，随着灶前压力的增大，氧气排放浓度下降较缓，使得NOx的排放浓度的增大速率大于氧气排放浓度的下降速率，所以红外线燃气灶NOx(α=1)排放浓度随灶前压力的增大有增大的趋势。同时，可以看出大气式燃气灶NOx(α=1)排放浓度始终比红外线燃气灶NOx(α=1)排放浓度高，这是因为4.2kW的大气式燃气灶比3.8kW的红外线燃气灶喷嘴口径大，单位时间内的燃气流量大，燃气的绝对燃烧温度高，所以大气式燃气灶NOx(α=1)排放浓度始终比红外线燃气灶NOx(α=1)排放浓度高。

此外，从图3中可以明显的看出大气式燃气灶CO(α=1)的排放浓度随灶前压力的增大而增大，而红外线燃气灶CO(α=1)的排放浓度随灶前压力的增加基本不变。这也是因为大气式燃气灶在相对较高的灶前压力下与空气的预混不充分造成的。灶前压力越高，单位时间内燃气流量越大，由于二次空气补充有限，CO2的排放量受到限制，造成大气式燃气灶燃烧不充分，CO排放量迅速增大，因此CO(α=1)的排放浓度随灶前压力的增大而增大。而红外线燃气灶燃气与空气混合均匀，CO排放量基本不变，CO2排放有略微增大，由于有效数字的关系，造成红外线燃气灶CO(α=1)的排放浓度随灶前压力的增加显示出表观无影响的趋势[3]。

2 结语

本文通过研究大气式燃气灶与红外线燃气灶在灶前压力与环境风速两种因素下的燃烧烟气和燃烧效率的变化趋势，对比两种燃气灶在相同试验因素下的实验结果得出以下结论：（1）随着灶前压力的增大，大气式燃气灶燃烧产生的CO其浓度呈指数函数递增，在4000Pa的灶前压力下CO排放浓度高达494PPM，而红外线燃气灶产生的CO保持基本不变。（2）大气式燃气灶与红外线燃气灶燃烧产生的CO2随灶前压力的增大而增大。（3）大气式燃气灶与红外线燃气灶燃烧烟气中NOx的排放浓度均随着灶前压力的增加而增大，而两种燃气灶燃烧烟气中O2排放的浓度均随着灶前压力的增大而减小。（4）大气式燃气灶CO(α=1)的排放浓度随灶前压力的增大而增大，而红外线燃气灶CO(α=1)的排放浓度随灶前压力的增加基本不变。（5）当灶前压力大于3000Pa时，大气式燃气灶NOx(α=1)排放浓度随灶前压力的增大有缓慢降低的趋势，在灶前压力达到4000Pa时，NOx(α=1)排放浓度下降到0.010%，红外线燃气灶NOx(α=1)排放浓度随灶前压力的增大有缓慢增大的趋势，当灶前压力达到4000Pa时，NOx(α=1)排放浓度提高到0.005%。