摘要:本文从氮氧化物的生成机理出发,简述了浓淡燃烧、水冷低氮燃烧、全预混燃烧、分级燃烧这四种常见低氮燃烧方式,重点介绍了空气分级燃烧案例。对该案例的研究表明,其独特的结构设计,有效控制 CO 含量的同时实现低氮排放。
关键词:氮氧化物;分级燃烧;空气分级;低氮;燃气热水器
1 引言
由于 NO x 对环境的影响越来越严重,各国对 NO x 的排放控制标准也越来越严格。氮氧化物(NO x )是矿物燃料与氧在高温燃烧时产生的。其包括一氧化二氮(N 2 O)、一氧化氮(NO)、三氧化二氮(N 2 O 3 )、二氧化氮(NO 2 )、四氧化二氮(N 2 O 4 )、五氧化二氮(N 2 O 5 )。其毒性远比 CO 高,NO 结合血红蛋白的能力比 CO 强,严重威胁人体呼吸和内脏系统;NO x还是酸雨和光化烟雾污染的源头之一,对环境的影响越来越严重;同时 NO x 也是引起雾霾天气的罪魁祸首,京津冀地区,每年有超过一半时间是处于雾霾天气,严重影响人的身心健
康。
北京市环境保护局、北京市质监局颁布的《锅炉大气污染物排放标准》也指出:自 2017年 4 月 1 日起,北京地区新建锅炉的 NO x 排放浓度限值为 30mg/m 3 。新建燃气采暖热水炉的 NO x 排放值不宜超过 100mg/kWh。欧标 EN 26 规定,自 2018 年 9 月 26 日起,使用气体燃料的热水器 NO x 排放不得超过 56mg/kWh(相当于 32ppm)。GB 6932-2015《家用快速燃气热水器》中对于 NO x 的排放进行了分级规定,如下表 1 所示,只有当排放等级达到四级及以上时,才可称为低氮热水器。
2 Nox 的生成机理
在燃烧过程中,NO x 生成的途径有 3 条:一是空气中氮在高温下氧化产生,称为热力型NO x ;二是由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的 CH 自由基和空气中氮气反应生成HCN 和 N,再进一步与氧气作用以极快的速度生成 NO x ,称为快速型 NO x ;三是燃料中含氮化合物在燃烧中氧化生成的 NO x ,称为燃料型 NO x 。民用燃气具燃烧产生的氮氧化物主要是热力型 NO x 。
热力型 NO x 的生成机理由 Zeldovich 于 1964 年提出,其生成是在高温下由氧原子撞击氮分子而发生下列链式反应的结果:
O+N 2 →NO+NO (1)
N+O 2 →NO+O (2)
其中,式(1)起主导控制作用,而式(1)的反应条件是温度高于 1500℃,所以 NO x的生成与温度有关。从两个方程式中我们还可以看出,反应与氧原子的存在成正比。因此,得到结论,热力型 NO x 的生成与温度、含氧量有关。
根据 Zeldovich 提出的热力型 NO x 生成机理,NO 的生成速率为:
从式(4)中可以看出,热力型 NO x 生成量与氧气浓度的平方根成正比。这是由于氧气浓度增大时,在较高的温度下会使氧分子分解所得的氧原子浓度增加,因而氧原子与氮气生成的热力型 NO x 也增加。但在实际过程中情况会复杂一些,因为过剩空气系数的增加,一方面会增加氧浓度,另一方面会使火焰温度降低。总的趋势上,随着过剩空气系数的增加,NO x 生成量先增加,达到一个极值后会下降。
根据这一原理,若要降低 NO x 生成量,就要降低燃烧温度,由于受加热工艺热效率的限制,燃烧温度不能降得太低,所以降低热力型 NO x 必须从两方面着手:一是确实降低燃烧温度,尤其是燃烧的峰值温度;二是合理组织气流,在保证热负荷的情况下使燃烧的温度场尽量均匀。 3 常见 低氮燃烧技术
目前行业内实现低氮的常用技术手段有:
5 结论
本文从降低氮氧化物的机理研究出发,简述了浓淡燃烧、水冷低氮燃烧、全预混燃烧、分级燃烧这四种常见低氮燃烧方式,重点介绍了空气分级燃烧案例。该案例研究表明,其结构设计独特,空气和燃气混合均匀,火孔出口速度均匀,一次燃烧稳定;二次空气分级补充,既保证二次燃烧稳定充分,又对一次燃烧起稳焰作用,同时可降低周边部件温度。因一次燃烧氧浓度较低,燃烧温度较在化学当量比时低,能降低氮氧化物的生成,但可能引起 CO 偏高;二次空气的补给,有效降低 CO 含量;两者综合作用,有效控制 CO 含量的同时实现低氮排放。