烟道式水冷燃烧器小火启动失败的研究

李罗标

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

随着生活水平的提高，人们越来越意识到氮氧化物的危害性，减少氮氧化物对保护环境起到举足轻重的作用，世界各国纷纷颁布相关政策来限制氮氧化物的排放，低氮排放已成为一个全球的趋势。其中，欧美等大多数发达国家，保护环境的力度更甚，已对氮氧化物的排放提出了明确的要求。欧洲从2018年9月份起实施热水器和热水储存罐的ErP生态设计实施条例（EU）No 814/2013，其中规定最大氮氧化物排放量限制于2018年9月份起开始实施，即燃气热水器的NOx的排放小于56 mg/kWh。

目前，在燃气热水器领域能实现低氮氧化物排放的机型只有全预混燃气热水器、浓淡燃气热水器及水冷燃烧燃气壁挂炉，上述机型均有结构复杂、成本高、普及率低等特点。根据相应的数据，2017年中国出口的燃气热水器烟道机占比75 %。基于以上的原因及节能减排的需要，各大燃气具的厂商为抢占商机，纷纷研究适用于烟道机低NOX排放的燃烧技术。烟道式热水器在工作过程中无风机参与，无法使用全预混燃烧器及浓淡燃烧器，水冷燃烧器是一个很好的选择。

1 烟道式水冷燃烧燃气热水器的特点

燃气热水器燃烧过程中所生成的NOX主要有三种类型：燃料型NOX、快速型NOX和热力型NOX，燃料型NOX是由燃料中的氮化物受热氧化分解而生成的，快速型NOX是空气中的氮气与燃料中的碳氢离子团反应而生成的，热力型NOX是燃烧区域中的氮气被高温氧化而生成的。

经测量，家用燃气热水器排放的氮氧化物中，大约95 %为热力型NOX，5 %左右为快速型的NOX。因而，减少氮氧化物的排放，主要是减少热力型NOX的生成。目前，常用的抑制热力型NOX手段主要是降低燃烧温度，减少或消除燃烧区域的局部高温和减少烟气在高温区的停留时间。

水冷燃烧器的一次空气系数为1.2以上，为完全预混燃烧，其火焰高度相对较矮，燃气喷出燃烧器后马上充分燃烧。燃烧后的高温烟气马上得到周边的过剩空气稀释，烟气温度得到有效的下降，烟气停留在高温区的时间大大缩短，使得热力型NOX生成量大大减少。而全预混燃烧的火焰传播速度很快，且火焰传播速度随着燃气和空气温度的升高而增大，使得燃烧过程中容易发生回火。为解决回火的问题，需要在在火孔板附近布置合理的水路，如图1所示，我们在燃烧器左、中、右布置三条冷却水管，可对燃烧器左右腔体进行有效冷却，使燃烧器整体的温度不会过高，提高燃烧稳定性。

2 EN 26-2015的氮氧化物测试及界限气测试

由于绝大多数的烟道式燃气热水器用于出口，需满足欧洲测试标准。相对于国标只测量最大负荷下的氮氧化物排放，欧盟的EN 26标准则更为全面。欧盟为使环境得到最好的保护，对人民的生活习惯进行研究，得出燃气热水器在最大负荷下工作的情况相对较少；因此，只测量最大负荷下的氮氧化物就显得意义较小。EN 26采用加权平均的方法，综合考虑各负荷段的氮氧化物排放，其公式如下：

从公式1可以看出，控制低氮氧化物的排放的关键在于控制50 %负荷与最小负荷下的氮氧化物排放。同时，为提高燃气具的适应性，需要对热水器进行在最高气压Pmax、额定气压Pm及最低气压Pmin界限气测试，其界限气（天然气G20为例）如表1。

但是，在测试过程中（以I2H组为例），当使用G23气种时，在最小气压1 700 pa下，在小火启动时出现启动失败的问题，因此不符合符准要求。为解决小火启动问题，我们通过实验测试，提出了几种可行的解决方案，以供参考。

3 试验内容及分析

烟道式水冷燃烧器水器厂家均采用双电磁阀启动。该双电磁阀由大磁阀与小电磁阀组成，两电磁阀为并联结构。当热水器启动时，脉冲控制器先打开小电磁阀，使得热水器在一定的负荷下启动，当感应到火焰信号t1秒后，脉冲点火器控制打开大电磁阀，t2秒后再关闭小电磁阀，此时，热水器的负荷由水气联动阀的气阀芯控制。

本文以气种为EN 26-I2H，11升热水器为例子，为解决小火启动失败提供了三种解决方法，并通过试验验证这些方案可行，具体方案如下：

1）减少小电磁阀的通道，减少点火负荷。

使用11升燃气热水器测试，气阀芯旋到小火处，分别采用G20测试点火负荷与G23低气压测试点火，数据如表2。

结果分析：因小电磁阀的通道大小，决定着热水器的点火负荷的大小。当小火负荷小于点火负荷时，此负荷少于燃烧器能正常工作的最小负荷，故出现离焰熄火。然而，当点火负荷过大时，在小电磁阀关闭的时候，燃烧器将瞬间减少燃气流量，在此瞬间，燃气的一次空气过大，使得火焰因一次空气过大出现离焰。故需要选择合适的小火负荷及点火负荷。

图1 水冷燃烧器示意图

表1 界限气气种

2）延后火焰反馈针的保护时间

在标准范围内，调节火焰反馈针保护时间。测试时采用点火负荷为9.5 kW，小火负荷为8.5 kW。数据如表3。

试验结果分析：从上述数据可以看出，增加反馈针延迟保护时间可使小火点火成功，原因为小电阀关闭瞬时，燃烧器将瞬间减少燃气流量，在此瞬间，燃气的一次空气过大，使得火焰因一次空气过大出现离焰，反馈针探测不到火焰而保护，使得点火失败，当。当延迟反馈针的保护时间后，过大的一次空气系数变为正常值，使得燃烧器火焰正常，0.8 s延迟后反馈针重新探测到火焰信号，使得点火成功。因此需要在标准允许的范围内，延迟反馈针的保护时间，有助于解决小火点火失败的问题。

3）增加小火负荷：通过扩大气阀芯的小孔，增加小火负荷，测试时采用点火负荷为9.5 kW，其测试数据如表4。

表2 减小电磁阀通道测试结果

表3 延后火焰反馈针的保护时间测试结果

表4 增加小火负荷测试结果

试验结果分析：增加小火负荷，能把小电磁阀切换时所带来的一次空气增加导致的离焰的熄火。但过大的最小负荷均会导到NOX排放超标。故需合理选择最小负荷。

4 结论

本文主要研究了燃气热水器小火启动失败的问题，对于烟道机的水冷燃烧器，提出了三种解决小火启动问题的思路，分别是：减少点火负荷、延后火焰反馈针的保护时间以及增加小火负荷来解决小火启动问题，并通过了试验研究，验证了这三种思路的可行性，这些方案成本较低，工艺简单，适合大规模推广。