论家用燃气快速热水器低NO_x燃烧技术

郭灵华

摘 要：本文简要分析了家用燃气快速热水器低NO_x燃烧技术，希望能为相关的人员提供一定的参考。

关键词：家用燃气；快速热水器；低NO_x；燃烧技术

1.氮氧化物的概述

氮氧化物（NOx）危害极大，但是任何一种燃料的燃烧都无法避免NOx的产生，因此，开发控制NOx排放量的技术有着重要意义。NOx按其生成机理的不同，可以分为热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。对于家用燃气快速热水器（以下简称热水器）而言，燃烧产生的NOx主要是热力型NOx和少量的快速型NOx，因此，本文所叙述的NOx均特指热力型NOx。热力型NOx是由空气中的氮分子在高温下氧化生成的，它的生成速度与燃烧温度有着密切的关系，温度越高，烟气在高温区停留时间越长，则产生的NOx越多。由生成机理可知，要想抑制热力型NOx的生成，降低火焰温度是关键，此外，缩短烟气在高温区停留时间也可以有效地减少NOx的产生量。

2.浓淡燃烧技术及燃烧器

2.1浓淡燃烧技术原理

降低火焰温度的方法有很多种，对于热水器中常见的预混燃烧火焰而言，一次空气系数（α1）对火焰温度具有显著影响。以天然气为气源时，当α1偏离1，火焰温度会明显降低，NOx生成量减少。浓淡燃烧技术便是利用此原理，将预混火焰分为两部分，一部分是在燃气体积分数较高条件下（α1<1）的浓火焰，另一部分是在燃气体积分数较低条件下（α1>1）的淡火焰，由此抑制了NOx的生成。另外，燃烧过程中部分淡火焰的烟气会经过浓火焰，使得浓火焰反应区的温度和氧气体积分数均较低，NOx的生成受到抑制，同时淡火焰烟气中的NOx在浓火焰燃烧区再反应，从而降低了最终的NOx排放量。

2.2浓淡燃烧器

浓淡燃烧器就是利用浓淡燃烧技术的低NOx燃烧器，其在气流组织上分为对冲和平行分布两种。以平行气流的浓淡燃烧器为例，其常见结构是在同一燃烧器單片上，通过孔径不同的浓燃料引射器和淡燃料引射器，形成α1<1的浓预混气和α1>1的淡预混气，两者在燃烧器内经过分隔开的混合腔，最终在预混气体出口部位分别经由浓火孔和淡火孔出流，在燃烧时形成浓火焰与淡火焰。浓淡燃烧器降低NOx排放量的效果十分明显。由于浓淡燃烧器单片与常规家用燃气快速热水器燃烧器单片结构相似，尺寸相近，因此，浓淡燃烧器多用于家用燃气快速热水器中。

3.全预混燃烧技术及燃烧器

3.1全预混燃烧技术原理

全预混燃烧技术是将燃气和空气在进入燃烧室之前进行充分的预混合，使其在燃烧过程中反应更充分，能够有效提高燃烧效率并降低有害气体排放，是目前国际上最先进的燃气燃烧技术之一。与部分预混燃烧相比，全预混燃烧的过剩空气系数（α）很小，一般α=1.05～1.10，没有二次空气补充，因此，火焰传播速度极快，火焰长度很短，火焰附着在火孔上形成燃烧面，其火孔热强度高。

从热力型NOx的生成机理可知，在火焰面的下游，局部高温和烟气停留时间长的地方，更容易生成NOx。而在全预混燃烧中，虽然火孔热强度大，但是瞬时燃烧完全，只要每个火孔的气流分布均匀，火焰下游区域就不会产生局部高温，并且全预混火焰较短，使得烟气在高温区停留的时间很短，也有利于抑制NOx的生成，从而使得全预混燃烧技术中NOx的排放量极低。

3.2全预混燃烧器

全预混燃烧器就是应用全预混燃烧技术的燃烧器，全预混燃烧器的燃烧速度极快，火焰很短因而附着在燃烧器火孔表面，使得40%的燃烧热以辐射传热的方式进行传递。与其他燃烧器相比，全预混燃烧器最大的优势在于提前将燃气与空气进行充分混合，因此，在燃烧时反应完全，在降低NOx排放量的同时，不会由于不完全燃烧而导致CO大量生成，并且因其独特的传热方式，使得热效率一般高于其他常规燃烧器。全预混燃烧器性能优良，目前不仅被应用于家用燃气快速热水器中，还被应用于家用两用型燃气快速热水器中。

4.水冷型低NOx燃烧技术及燃烧器

4.1水冷型低NOx燃烧技术原理

根据NOx的生成机理可知，使α1偏离1，杜绝局部高温，缩短火焰长度等措施都可以抑制NOx的生成。而在水冷型低NOx燃烧技术中，便是利用了上述多种措施有效抑制了燃烧过程中NOx的生成。水冷型低NOx燃烧器由多排燃烧器单片和水冷管路穿插组合而成，燃烧器单片主要由混合腔、分配腔、火孔头部构成，单片之间几乎无间隙。

水冷型低NOx燃烧技术原理有以下要点：①混合腔和分配腔共同构成了一次空气和燃气的混合气流道，其腔体结构采用了立式结构，使得α1大于1，燃烧温度较低，从而抑制了NOx的生成。②水冷型低NOx燃烧器头部火孔为平板形式，火孔数量多，总面积大，扩大了火焰面积，使得火焰面分布均匀，不会产生局部高温，从而抑制了NOx的生成，并使部分热量以辐射传热的方式进行传递，提高了热效率。③水冷型低NOx燃烧器单片之间几乎没有空隙，α1>1且没有二次空气补充，使其燃烧方式类似于全预混燃烧，火焰长度较短，缩短了烟气在高温区的停留时间，从而减少了NOx的生成。④水冷型低NOx燃烧器分配腔下方的水冷管路在防止火孔回火的同时，降低了混合腔和分配腔内的混合气体温度，使得混合气体温度相比其他燃烧器而言较低，直接降低了火焰温度，从而抑制了NOx的生成。

4.2水冷型低NOx燃烧器

水冷型低NOx燃烧器是20世纪80年代由英国首先开发成功的，目前在欧洲得到广泛应用，2010年开始被引入国内，此后国内的学者也对此燃烧器进行了全方位的研究。相关文献研究了水冷型低NOx燃烧器在冷凝式家用两用型燃气快速热水器中的应用，实验表明，额定负荷情况下水冷型低NOx燃烧器的内焰高度仅为5mm并且无外焰，内焰顶端温度为1120℃，低于普通燃烧器，验证了水冷型低NOx燃烧器的低NOx排放机理。相关文献对此燃烧器的最佳工况进行了研究，发现对于水冷型低NOx燃烧器，喷嘴直径在0.87mm时燃烧工况最佳，烟气中NOx体积分数最小可以达到2×10-6，CO体积分数在100×10-6以下。水冷型低NOx燃烧器的优势在于巧妙地结合了多种抑制NOx生成的措施，兼具低CO排放和低NOx排放的优点，并且结构通用性较好，目前在家用两用型燃气快速热水器上应用广泛。

参考文献

[1]彭乾冰，钱广华.天然气低NO_x燃烧技术研究及应用[J].石油石化节能与减排，2015（3）：42-50.

[2]徐明.9E燃气轮机低NOx燃烧技术及应用[J].华电技术，2013（11）.