低氮氧化物燃烧系统在家用燃气热水器中的应用

上海林内有限公司 徐蔚春

现行 GB 6932—2015《家用燃气快速热水器》标准中对烟气中的CO含量有强制执行要求，对氮氧化物NOx的含量仅在附录中加以分级，并无限制要求，因此，国内市场上大部分燃气热水器产品的燃烧装置都没有考虑到对NOx排放的控制。反观国外发达国家同行业的发展情况，20世纪70年代中期开始美国和德国就在相关领域逐渐开展了研究工作，随后欧洲其他发达国家和日本在这方面都进行了广泛和深入的研究，近年来日本在此领域取得的成果尤为丰硕。有鉴于此，国内相关领域的应用研究工作已经日渐紧迫，如不及时开展，与世界先进国家技术水平的差距势必会日益加大。

1 燃气热水器氮氧化物燃烧系统研究的意义

众所周知，氮氧化物 NOx对环境的危害相比CO要更为严重。NOx会导致酸雨、酸雪的产生，使得土壤酸化、影响植被生长，腐蚀建筑物；含有NOx的废气在紫外线作用下发生光化学反应，会形成光化学烟雾引起光化学污染，对人体呼吸道和视力产生严重危害；NOx还是城市细粒子污染物的主要来源之一，雾霾中就含有大量由NOx和挥发性有机物产生化学反应生产的二次颗粒物。

2019年初，经李克强总理签批，国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》，明确了“十三五”节能减排工作的主要目标和重点任务，对全国节能减排工作进行全面部署。《方案》要求到2020年，全国氮氧化物排放总量要控制在1 574万t以内，比2015年下降15%。因此，积极响应国家总体规划，对燃气热水器低氮氧化物燃烧系统展开深入研究，从而降低燃烧烟气中氮氧化物含量的意义重大。

2 燃气热水器氮氧化物的生成原理及改进方向

根据产生的途径不同，燃烧过程中产生的氮氧化物NOx可以分为温度型、快速型和燃料型三种。燃料型NOx的生成和燃料中含有的氮氧化物有关，家用燃气热水器使用洁净的天然气作为燃料，燃烧产生的NOx主要以温度型和快速型为主，并不涉及燃料型。

温度型 NOx是高温燃烧时空气中的氮气发生氧化反应形成的，其生成机理由前苏联科学家泽尔多维奇在1946年提出，他认为，温度型NOx的生成原理可以用如下公式加以说明：

温度型NOx的产生和燃烧温度、燃烧区域氧气含量等有很大关系，一定的条件下，燃烧区域内氧含量越高则温度型NOx生成量越大。当燃烧区域氧气含量相同时，燃烧温度越高则越容易生成温度型NOx。研究表明，当燃烧温度低于300 ℃时，温度型NOx的生成量极少，当燃烧温度高于1 500 ℃时，温度型NOx生成量会成指数级上升。

快速型NOx是燃烧时燃料分解形成CH自由基，其与火焰反应区内的氮气发生反应，形成HCN、N等中间产物，再进一步与氧结合快速生成的。这种NOx的生成与燃烧室腔体压力的0.5次方成正比，与燃烧温度的关系不是很大，且生成量很少，并不是NOx排放的主要来源，因此在研究中可以忽略。

因此，对燃气热水器低氮氧化物燃烧系统开展研究时需重点控制温度型NOx的生成，可以通过降低燃烧温度以及控制燃烧区域氧气含量等手段来实现。

3 低氮氧化物燃烧系统在燃气热水器的应用研究

目前国内市场上家用燃气热水器的燃烧系统大多采用本生燃烧器的形式，燃气经喷嘴引射与适量空气进入燃烧器并在燃烧器内部分预混，然后在燃烧室内部进行燃烧产生热量。其燃烧火焰分为外焰和内焰两部分。外焰燃气与氧气充分混合燃烧，火焰温度高；内焰燃气含量高而氧含量低，为浓火焰，其与通过二次风孔引入燃烧室的空气结合，再充分燃烧，进一步提高了火焰的燃烧温度。经测试，此时火焰温度通常会高达2 000 ℃以上，在此温度条件下会有大量温度型NOx生成。此外，为了保证燃料的燃烧充分，燃烧室内引入的二次空气量一般很充足，过剩空气系数较高，这也进一步提升了燃烧时NOx生成的几率。根据理论分析，普通本生燃烧系统的 NOx生成量一般在 70×10－6～120×10－6之间。

因此，该研究中采用一种浓淡燃烧形式的燃烧器取代现有的本生燃烧器。从结构上进行分析比较，可以看出浓淡燃烧器有别于普通本生燃烧器，有2处燃气入口，浓淡燃烧器外形和结构分别见图1和图2。其中燃烧器上部的入口为浓燃气入口，下部入口为淡燃气入口。与之对应，燃烧器的火焰燃烧口也分为位于燃烧器两侧的浓焰燃烧口和位于燃烧器中间的淡焰燃烧口两部分。

图1 浓淡燃烧器外形

图2 浓淡燃烧器结构

采用浓淡燃烧器的燃烧系统工作时，燃气流分别从浓燃气入口和淡燃气入口进入燃烧器参与燃烧。其中从淡燃气入口进入的燃气与一次空气充分混合，燃烧完全充分，火焰高度较高，温度也较高，其位于燃烧器中部，起到主要的燃烧换热作用；从浓燃气入口进入的燃气量较少，燃烧温度较低，燃烧产生的火焰高度也较低，其均匀分布在燃烧器的两侧，在燃烧时起到稳定火焰的作用。整个燃烧系统的燃烧反应相比于普通本生燃烧方式更加充分和完全，对于二次空气的需求量相比本生燃烧的方式也大幅下降，从而可以大大降低温度型NOx的生成量。根据分析计算，采用浓淡燃烧器形式的燃烧系统，其 NOx生成量一般在 30×10－6～70×10－6之间。

小负荷和额定负荷下浓淡型燃烧器燃烧工作时的火焰燃烧情况分别见图3和图4。

图3 小负荷下浓淡火焰燃烧情况

图4 额定负荷下浓淡火焰燃烧情况

需要注意的是，由于浓淡型燃烧器的结构和工作原理的特殊性，在燃烧器结构参数和尺寸设计时，需要结合整体的燃烧系统、综合考虑多方面因素的影响，包括燃料的浓淡比、浓淡燃烧的一次空气系数以及过剩空气系数等。其中浓淡比的确定是影响浓淡型燃烧器稳定可靠工作的重要因素之一，对NOx的生成量也有着较大影响。浓淡比太低，即淡燃烧占比高而浓燃烧占比低，此时系统极易发生离焰，会导致烟气大幅超标，严重时火焰甚至有可能会烧到换热器的翅片，对换热器的耐久性造成严重影响；浓淡比太高，即浓燃烧占比相对较高而淡燃烧占比相对较低，此时会产生回火的问题，也不利于系统的稳定工作。经试验反复确定，本结构的浓淡型燃烧器的浓淡比确定为1：2.6～1：2.8左右较为合适。不同浓淡比条件下实测烟气水平见表1。

表1 不同浓淡比条件下实测烟气水平

此外，通过大量试验分析可知，浓燃烧在整个燃烧系统中主要起到稳定火焰的作用，对于 NOx的生成并没有太大影响，因此需要控制浓燃烧的一次空气系数尽量低些，确保浓火焰能有效起到稳焰作用即可。反之，淡火焰的燃烧情况直接决定了系统NOx的生成量。通过对试验数据的分析可知，在一定范围内，淡燃烧的一次空气系数越大，将越有利于对燃烧生成的NOx含量的控制，因此在系统设计时，需要在合理范围内尽量提高淡燃烧的一次空气系数，确保其燃烧充分完全。

根据温度型NOx的生成原理，过剩空气系数对于NOx的生成量会有一定的影响，其生成量会随着过剩空气系数的增加而增加，在达到一定的峰值以后再次下降。然而根据实际试验确认，在本燃烧系统中，过剩空气系数对于燃烧时NOx生成量的影响不显著，在保证系统稳定工作的条件下，人为增大或减小过剩空气系数，对生成的NOx含量影响不明显，因此可暂不作考虑。

经过多轮试验测试和系统参数调整后，对该种浓淡型燃烧系统的规格参数进行了初步确定：系统总体一次空气系数设置为1.8左右，其中浓燃烧的一次空气系数设为 0.6，淡燃烧的一次空气系数设为 1.4，燃烧器的浓淡比设为 1：2.8。在此参数设置条件下可以取得较为满意的测试数据结果。

整机试验时内置了 12个该浓淡型燃烧器，基本满足了常用燃气热水器的热负荷需求，然后在不同负荷条件下测量其排放的烟气。图5是12个燃烧器均处于工作状态下，实际负荷在最大标准热负荷(36 kW)的±30%之间变动时测得的烟气中CO和NOX的含量；图6是12个燃烧器均处于工作状态下，实际负荷在最小标准热负荷(16 kW)的±35%之间变动时测得的烟气中CO和NOX的含量。此时，烟气中的CO含量均折算到过剩空气系数α=1。

该种结构的浓淡燃烧器在最大标准热负荷(全负荷)和最小标准热负荷(全开小)时，实测烟气水平见表2。

表2 浓淡燃烧器各工况下实测烟气水平

图5 全负荷状态下烟气中CO和NOx变化曲线

图6 全开小状态下烟气中CO和NOx变化曲线

需要注意的是，除上述燃料的浓淡比、一次空气系数等关键技术参数的选取确定以外，在实际产品应用中如何通过调整燃烧室腔体结构、进气通路的结构和尺寸等方式实现燃烧系统的可靠稳定燃烧，也是需要进一步切实解决的问题。

在预防和改善燃烧时所产生的共振噪声方面，根据以往的开发经验，通过大量试验数据的统计和对比分析，发现采用调整燃烧室腔体体积的方式可以对燃烧共振和过热问题的发生起到有效的改善作用。特别是在新产品开发初期，当发现燃烧系统容易产生燃烧共振问题时，可以通过对燃烧室腔体形状和尺寸等进行适当调整，使得系统的正常燃烧工作区间远离腔体的共振频率范围，从而有效解决系统的燃烧共振问题。

除此以外，通过调整风机进风口尺寸、以及调整一次调风板孔径和排列方式等手段，对于保证系统稳定工作、预防燃烧共振的发生都是行之有效的措施。

研究过程中发现由于浓淡型燃烧系统结构较之普通本生燃烧系统更为复杂，系统工作时内部各种气流体的运动更加不规律，因而也更容易发生燃烧共振、局部过热等问题。特别是目前国内市场上主流的热水器产品一般都采用强制排气或者强制给排气的进出气结构形式，这两种结构的热水器产品采用浓淡燃烧系统进行产品开发时，其对于共振噪音的预防、以及器具内部结构的设计要求相比国外较常见的室外型结构更高，开发的难度也相应更大。

4 结语

燃气热水器中低 NOx燃烧系统的应用已经在国外发达国家经过了数十年的研究，其技术水平非常成熟和完善，而国内相关工作的开展尚处于初级阶段，还有大量的理论研究和试验验证工作需要去实践和完善。本文所述的浓淡型燃烧方式作为控制NOx生成的一种燃烧技术手段，在国外低NOx燃烧技术中应用较多，具有较强的借鉴使用意义，结合具体产品开发应用，其实现起来也相对较简单可行。