低氮燃烧技术案例研究

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低氮燃烧技术案例研究

作者：广东美的厨卫电器制造有限公司

寿利萍、梁国荣、陆祖安、王治安、梁泽锋

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：

1、浓淡燃烧技术；
2、水冷低氮燃烧技术；
3、全预混燃烧技术；
4、分级燃烧技术。

浓淡燃烧技术工艺成熟，成本可控；但对零部件精度要求高，可调范围窄，易振动。水冷低氮燃烧技术结构复杂，虽然单个火排的制造工艺简单，但是整体的制造工艺要求高；易发生离焰/回火、火孔堵塞等现象；同时水冷管位置及水流量大小对燃烧状态、排放有影响。全预混燃烧可实现 CO&NOx 双低排放；但成本高，零部件要求高，控制精确，可调范围窄；安装过程中，需要根据实际情况对 CO 2 进行调节。分级燃烧技术相对而言属于粗犷式的调节，调节范围宽。本文主要分析一个空气分级燃烧实现低氮的案例。
4 空气分级 燃烧技术
4.1 原理分析
目前在燃烧过程中采用空气分级燃烧技术来控制 NOx 排放是一种有效的方法，即将燃烧所需要的空气分两个阶段送入，在燃烧初期，送入一次风，约占燃烧所需空气的 70%～80%，形成富燃料区，燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度及温度均降低，使氮、氧结合的热力型 NOx 生成量减少；同时由于燃料中的挥发分氮的中间产物 HCN、NH 3 得不到足够的氧而无法生成燃料型 NOx，同时氨基(NHi)会把生成的 NOx 还原成 N 2 ，减少了燃料型 NOx 的
生成；空气不足使部分燃料在高温缺氧条件下，会在火焰周围产生碳黑粒子和还原性气体CO，把部分已经生成的 NOx 还原成 N 2 ，从而进一步降低 NOx 的生成量。燃烧后期再加入适量二次风，使未燃烬燃料继续燃烬，此时生成的 NOx 的量有限，总的结果能使 NOx 生成量大幅降低。

4.2 结构分析
如图 3 所示空气分级燃烧器结构，1 次空气和燃气进入预混合器进行混合，此时燃气过浓，无法进行燃烧；而后通过预混合器和火焰孔组件的间隙补充 1.5 次空气，在火焰孔上游
流路进行再次混合；混合气喷出火焰孔，进行 1 次燃烧，火焰孔两侧有稳焰孔。此时，氧浓度较低，1 次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。
2 次空气通过空气流路构件分区域补给：在下部分 2 个区域补给 2 次空气用来进行稳焰和对部件进行降温冷却；在顶端部分补给 2 次空气，实现 2 次燃烧，有效降低 CO 的含量。两者综合作用，实现低氮的同时有效控制 CO。

1、预混合器
顶部封堵，两侧开孔的开口排部，一次空气和燃气的混合物从两侧开孔分配，有利于燃气和空气的混合，均质且流速均匀。
开口排部的开口方向与 1.5 次空气的方向交叉，促进混合。开口排部的开口方向与火焰孔上游流路的气流方向交叉，促进混合。开口排部可均为缝状。
开口排部可以设置为小于等于 180 度内角的倾斜面。
2、火焰孔组件
侧面稳焰火孔设计；侧面火孔的气流速度比中间主火孔气流流速慢，使得一次火焰稳定。
3、空气流路构件：分区域供给 2 次空气
具有倾斜面，空气沿倾斜方向喷射，而不会阻碍一次火焰的流动或燃气和空气混合物的
流动；结构契合火焰形态。
顶部为锐角脊状，顶部交错向两边折弯，增加强度，同时可以释放热应力。
压型：增加强度；提高二次空气流速，加快冷却效果。
温度达 700℃以上，普通不锈钢将氧化，无法满足要求；采用耐热钢。
4、防回火设计：α
1 <<1，燃气过浓不能在预混合器进行燃烧；同时预混合器顶部封堵两侧开孔；需补给 1.5 次空气，才可以进行一次燃烧。这样的结构，即使回火也只会到达补给 1.5 次空气处，不会进入预混合器。
4.3 仿真 分析
为节约计算资源，提取流体域后取对称模型，并删除部分无意义流体域（仅有钣金件空腔，但实际不会有影响火排工作的气体流动的部位），如图 4 所示。红色箭头为燃气入口，绿色为一次空气入口，蓝色为 1.5 与 2 此空气入口。

从图 5（a）组分分布云图看，其空气与燃气混合过程可看出明显的三段混合，且混合均匀。图 5（b）可看到该火排初步引射后混入 1.5 次空气的情况。图 5（c）中表现了二次空气的引入情况，二次空气分三次引入燃烧，最下方作用为冷却火焰根部，中间为补充二次风，开始第一段燃烧。上方为继续补充二次风，形成第二段燃烧。二次风混入后形成较大涡流，有助于混合。从图 6 速度矢量图分析来看，火排的速度均匀性调校得很好。

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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。

参考文献
[1]GB6932-2015．家用燃气快速热水器[S]．
[2]EN 26：A3：2015．大气式燃烧器卫浴用燃气快速热水器[S]．
[3]同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，北京建筑工程学院编．燃气燃烧与应用[M]．北京：中国
建筑工业出版社，2010.9．
[4]王福军．计算流体动力学——CFD 软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．
[5]姜涌，夏明明，覃绍亮，陈振宇．热力型 NOx 的抑制[J]．电站系统工程，2005,21(2)：25-26．

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