民用燃具低NOx燃烧技术研究进展与展望

Alexandria2020

民用燃具低Nox燃烧技术研究进展与展望

作者：陈聪，秦朝葵，陈志光

第一作者单位：同济大学  机械与能源工程学院

摘自《煤气与热力》2022年7月刊

参考文献示例

陈聪，秦朝葵，陈志光. 民用燃具低NOx燃烧技术研究进展与展望［J］.  煤气与热力，2022，42（7）：A32-A36.

1   概述

天然气燃烧烟气中的污染物SO2、NOx、CO等的排放量明显低于其他常规一次能源，在节能减排方面具有很大潜力。随着经济发展和生活水平提高，天然气在民用燃具中已日益普及，为居民炊事、生活热水、供暖等方面提供了能源保障。根据住建部《2020年城乡建设统计年鉴》，2017年到2020年，城市天然气居民家庭用量逐年增长，从282.5×108 m3/a达到381.6×108 m3/a。然而现在绝大部分民用燃具为部分预混式，NOx排放通常偏高，造成室内空气品质降低。虽然关于大型燃气锅炉的NOx排放等均有强制性标准，但尚无针对民用燃具NOx排放要求的强制性标准。随着节能减排进一步深入，民用燃具低NOx燃烧技术势必受到重视，因此有必要对适用于民用燃具的低NOx燃烧技术进行分析探讨。

较之工业方面，民用燃具降低NOx的研究起步较晚，受重视程度不够，降低NOx的技术方法也有较大差异。由于一方面要考虑降低NOx效果等技术问题，另一方面还要考虑实际应用的适用性和经济性，因此很多在工业上可行的方法，在民用燃具上很难实现，给民用燃具降低NOx提出了很多新的问题［1］。

《燃气采暖热水炉产品2020年度市场统计公告》统计了2016—2020年我国不同燃气采暖热水炉销量情况，见表1，可见低NOx型燃气采暖热水炉正在逐渐受到重视，但是市场占比仍然较低。

表1   2016—2020年我国燃气采暖热水炉销量   台

本文介绍天然气燃烧过程中NOx的生成机理，对比不同低NOx燃烧技术的原理与效果，为低NOx燃烧技术在民用燃具的使用提出一些建议。

2   氮氧化物生成机理

NOx主要包括NO、NO2、N2O以及N2O3等，其中NO和NO2分子结构相对稳定，通常情况下NOx指NO和NO2。天然气燃烧产生的NOx中NO体积分数占90%以上，因此研究燃烧过程中的NOx的生成途径主要是研究NO的生成途径。燃烧过程中，NO根据其生成途径主要分为热力型NO、快速型NO、燃料型NO，而天然气燃烧中，由于燃料内基本不含N原子，因此基本忽略燃料型NO的生成。天然气燃烧过程中热力型NO与快速型NO的生成途径见图1［2］。

图1   天然气燃烧过程中热力型NO与快速型NO的生成途径

①热力型NO

热力型NO是由助燃空气中的氮气在高温下（1 500 K以上）氧化生成，生成机理由前苏联科学家Zeldovich提出［3］。

影响热力型NO生成的主要因素为所在区域的局部状态参数，即该局部区域的温度、氧气浓度、氮气浓度以及停留时间。由于在民用燃具中，通常采用的氧化剂为空气，因此氮气浓度变化不大，因此主要影响因素还是局部区域的温度、氧气浓度和停留时间［4］。

②快速型NO

快速型NO是烃类燃料在燃料过浓时燃烧产生的，研究［5］表明：一次空气系数大于1时，反应内几乎不生成快速型NO；一次空气系数为0.7~1.0时，反应中有较多快速型NO生成，且在反应带下游高温区有热力型NO生成；当一次空气系数小于0.7时，反应中所生成的NO基本是快速型NO。因此影响快速型NO生成的主要因素时烃类燃料燃烧过程中的一次空气系数。

3   民用燃具燃烧技术

民用燃具主要包括燃气灶具、燃气热水器等。燃气灶具普遍采用引射式大气燃烧器形成火焰，燃气燃烧生成的高温烟气通过对流与辐射换热等方式进行加热，烟气直接进入室内或通过吸油烟机排到室外。而燃气燃烧器通常分为引射式和比例调节式两种，引射式燃烧器与灶具所用的引射式大气燃烧器类似；比例调节式燃烧器通过变频风机与比例调节阀，将燃气与设定量的助燃空气直接混合，然后送入燃烧室进行燃烧。

引射式大气燃烧器结构简单、有一定的自动调节能力、造价低，但是一次空气系数通常在0.45~0.75，由于只能预混部分空气，故火孔热强度与燃烧温度受限，且会产生大量快速型NO，易对室内环境造成破坏。

比例调节式燃烧器控制简单稳定、负荷适应性强、一次空气系数易控制，但其成本较高，尚未广泛应用于民用燃具。

目前大部分民用燃具厂家普遍使用引射式大气燃烧器。随着国家NOx排放日趋严格，对其进行改良非常必要。

4   低NOx燃烧技术

根据运行条件区分，低NOx燃烧技术主要有优化一次空气系数、改变燃烧室混合特性、降低热负荷、降低预热空气温度等，常用的低NOx燃烧技术如下。

①分段燃烧技术

空气或者燃气按照一定比例分次序进入燃烧室内参与燃烧，通常分为空气分级与燃料分级。民用燃具由于结构狭小，因此一般会使用空气分级而不使用燃料分级。

空气分级分段燃烧技术通过减少快速型NO的生成，抑制了NOx生成。燃烧所需的空气通过分段供给，并控制空气的供给位置，可以减少快速型NO的生成；分段燃烧可降低原火焰高温区的温度以及火焰面拉伸，增加火焰的辐射散热，进一步降低火焰温度，同样能减少快速型NO的生成。

郭祥信等人［6］在一台额定热负荷为1.74 kW的灶具上，对分段燃烧技术进行了实验研究，研究结果表明分段燃烧技术对降低NOx生成有明显效果，降低幅度可达到70%左右，而CO生成没有明显上升，此外二次空气需要从火焰中下游供入，若从火焰根部供入则会促进NOx生成。

分段燃烧技术与传统的引射式大气燃烧技术相比，不需要改变引射器，仅需在燃烧器头部进行改变，且结构较简单，但其降低NOx生成的能力较为有限，尚需进行进一步研究。

②浓淡燃烧技术

浓淡燃烧技术是指将燃料与空气按照不同配比，使得燃料燃烧分别在燃料过浓、燃料过淡与燃尽3个区域进行。在燃料过浓区域，部分燃料与少量空气进行不完全燃烧，形成浓火焰；在燃料过淡区域，部分燃料与过量空气燃烧，形成淡火焰；在燃尽区域，两种火焰二次燃烧，最后实现完全燃烧。

浓淡燃烧技术抑制NOx生成原理有以下3个方面。

a.在燃料过浓区域，由于燃料过浓，含氧量较少，导致不完全燃烧，因此在此区域仅会产生少量快速型NO。

b.在燃料过淡区域，由于空气供给量大于完全燃烧所需空气，有效降低了燃烧温度，虽然含氧量较高，但是不足以提供热力型NO生成所需的活化能，会生产少量热力型NO。

c.在燃尽区域，浓淡火焰燃烧产物会形成二次燃烧，但是此时反应区温度与氧浓度均不高，且燃烧面较大，生成NO极少。

赵高航等人［7］通过实验分析了被应用于燃气采暖热水炉中时，浓淡燃烧器中浓淡比与一次空气系数对NOx和CO生成的影响规律，结果表明在该设计下，浓淡负荷比为1∶3，浓火焰一次空气系数为0.55，淡火焰一次空气系数为1.7时，燃烧器的NOx与CO生成降低到最优水平。孙云帆等人［8］通过实验的方式研究了被应用于燃气采暖热水炉中时，浓淡燃烧器的NOx排放情况，实验结果表明，在固定浓淡比下，随着淡火焰一次空气系数增大，NO的生成大幅度降低；随着浓火焰一次空气系数增大，烟气中的NO生成则会增大。

浓淡燃烧器由于有浓火与淡火两套引射系统，对于引射器的设计要求较高，特别是淡火引射器需要大于当量比的空气，因此应用在燃气灶具时，其引射器需要重新设计，以达到较大引射比，而在燃气热水器中，则可以通过加装风机增加助燃空气量。因此，浓淡燃烧技术更多被用于加装风机的燃气热水器中。

③全预混燃烧技术

全预混燃烧技术是将燃气与空气（一次空气系数略大于1）在进入燃烧室前充分混合，在进入燃烧室后，混合物瞬间完全燃烧的技术。由于燃料迅速完全燃烧，因此所产生的NO与CO都会很低。但是燃气与空气的混合物是爆炸性气体，其火焰传播速度极快，且易发生回火，火焰稳定性较差，因此需要使用一些方法稳定火焰。

全预混燃烧技术降低NOx生成的原理有以下3个方面。

a.全预混燃烧由于一次空气系数大于1且混合均匀，因此不会产生快速型NO。

b.燃烧温度均匀，不会有局部高温，因此不会产生过多热力型NO。

c.燃烧完成迅速，烟气在高温区域停留时间很短，进一步降低热力型NO的生成。

谢芳芳［9］利用孔隙率为0.85碳化硅多孔陶瓷设计了一种螺旋管式多孔介质燃气热水器，并通过实验对其进行了研究分析，结果表明该款热水器不但提高了热效率，且有效降低了CO与NOx的排放，还能减小燃气热水器的体积。沈敏［10］对不同孔隙率的碳化硅多孔陶瓷在燃气灶具上的运用进行了实验研究，结果表明该种灶具着火稳定、表面温度分布均匀，烟气中NOx与CO均处于较低水平。吕杨［11］通过搭建的碳化硅多孔介质燃烧器实验台，对火焰传播特性与温度特性进行了实验研究，结果表明多孔介质燃烧器在燃烧强度为1 645 kW/m2时，CO排放平均值为41 mg/m3，NOx排放平均值为43 mg/m3，且在多孔陶瓷浸渍铜锰催化剂后，污染物排放得到进一步降低。孙鱼铭［12］利用实验与模拟的方法对水冷技术在燃气采暖热水炉的利用进行研究，研究表明相比于铝质燃烧器，铜质燃烧器火焰稳定性更好，且CO与NOx排放更低，此外，喷嘴直径与距引射器距离也会对污染物排放产生影响。刘文博等人［13］通过实验的方法，比较了8种不同组合下水冷燃烧器的适用性情况，研究结果表明，对水冷燃烧器而言，性能稳定、排放低、成本低这3方面难以兼顾，需要根据不同需求进一步改善。

此外全预混燃烧技术还可以通过风机与比例调节阀将燃气与一定比例的空气混合，然后直接送入燃烧室内，这种方式保证了全工况下燃气与空气的混合比例，但由于风机与比例调节阀的成本较高，导致这种方式造价普遍较高，因此主要应用于较高端的民用燃具与大型燃烧器中。

在全预混燃烧技术中，由于在进入燃烧室前，混合气体为爆炸性气体，因此要重点保证火焰稳定性，现有在全预混燃烧器上的研究重点主要是精确控制助燃空气量、燃烧器头部防回火、降低成本。

④烟气再循环燃烧技术

烟气再循环燃烧技术是指从烟道抽取一部分烟气进入燃烧室参与燃烧的技术，目前已被广泛应用于工业燃烧器中。利用烟气再循环后，有效降低了火焰温度，同时减少混合气中含氧量，从而减少热力型NO的生成。

龙飞等人［14］通过实验的方法研究了烟气再循环燃烧技术在燃气热水器中的适用性，研究结果表明，烟气再循环燃烧技术可以用于降低燃气热水器NOx的排放，但是固定的烟气再循环量不能满足不同负荷状态下的污染物排放要求，需要通过额外控制系统调整烟气再循环量。

烟气再循环燃烧技术在使用时，需要根据负荷控制烟气再循环量，用于工业燃烧器时，由于其正常燃烧时负荷相对稳定，因此烟气再循环量也比较稳定，容易控制。但是对于民用燃具而言，使用时会经常调节负荷，烟气再循环量难以控制，因此烟气再循环燃烧技术在民用燃具的应用尚需要进一步进行研究。

⑤催化燃烧技术

催化燃烧技术是指燃气与助燃空气混合后在固体催化剂表面进行燃烧的技术。与传统的燃烧方式相比，催化燃烧技术燃烧温度低、燃烧稳定。且由于燃烧温度低，不依赖高温自由基反应，产生NOx较少，是一种较为理想的燃烧方式。对于催化燃烧技术，关键在于寻找一种高温稳定性好且催化活性高的催化剂，目前广泛应用于工业燃烧器的催化剂是金属氧化物催化剂。

张晓玉等人［15］通过实验的方式，研究了不同催化剂在强鼓式燃气热水器中的应用，研究结果表明，以镧改性的Ce-Zr-O固溶体储氧材料和钇、锆改性的氧化铝的混合物为载体，浸渍特定活性组分的催化剂具有很高的活性和热稳定性，在结合冷凝换热技术后，其NOx排放降低至62 mg/m3以下，且火焰具有较好的稳定性。

催化燃烧技术作为一种潜力较大的燃烧技术，应用于工业燃烧器时，低NOx的优势相对明显，但是用于民用燃具中时，还需要考虑成本问题，对于低成本且高效的催化剂的选择需要进一步研究。

⑥小结

对于民用燃具而言，低NOx燃烧技术的应用需要考虑多个方面的问题，本文所给出的低NOx燃烧技术的优缺点见表2。

表2   不同燃烧技术的优缺点

5   结语
可用于民用燃具的各种低NOx燃烧技术均存在优缺点，应根据实际需求情况而定。对于低NOx燃烧技术的应用可以从多种不同燃烧技术的结合进行研究，例如分段燃烧技术与浓淡燃烧技术结合，或者全预混燃烧技术与催化燃烧技术结合，这种结合能够为进一步降低NOx生成提供一些思路。

参考文献：
［ 1 ］傅忠诚，艾效逸，王天飞，等. 天然气燃烧与节能环保新技术［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2007：156-160.
［ 2 ］PETER G，JAMES A M，BRANKO R，et al. Modeling nitrogen chemistry in combustion［J］. Progress in Energy and Combustion Science，2018，67：31-68.
［ 3 ］ZELDOVICH  Y B. The oxidation of nitrogen in combustion and explosions［J］. Acta Physicochim，1946（21）：577-628.
［ 4 ］TURNS S R. Understanding NOx formation in non-premixed flames：experiments and modeling［J］. Progress in Energy and Combustion Science，1995（5）：361-385.
［ 5 ］AY J H，SICHEL M. Theoretical analysis of NO formation near the primary reaction zone in methane combustion［J］. Combustion and Flame，1976（26）：1-15.
［ 6 ］郭祥信，傅忠诚. 民用燃具分离火焰低NOx燃烧技术的研究［J］. 北京建筑工程学院学报，1996（3）：12-19.
［ 7 ］赵高航，陈斌，张华平，等. 浓淡燃烧技术在燃气热水器中的绿色设计应用［J］. 标准科学，2016（S1）：38-43.
［ 8 ］孙云帆，许天邦，梁友高. 浓淡燃烧在燃气采暖热水炉的应用［J］. 煤气与热力，2018（2）：A39-A42.
［ 9 ］谢芳芳. 多孔介质燃气热水器的燃烧、换热特性研究及产品设计（硕士学位论文）［D］. 天津：河北工业大学，2010：61-62.
［10］沈敏. 多孔介质智能灶燃烧特性研究（硕士学位论文）［D］. 杭州：杭州电子科技大学，2018：41-42.
［11］吕杨. 基于多孔介质燃烧的新型燃气热水器开发（硕士学位论文）［D］. 北京：清华大学，2016：42-43.
［12］孙鱼铭. 水冷低氮型燃气采暖热水炉燃烧器研究（硕士学位论文）［D］. 重庆：重庆大学，2019：65-66.
［13］刘文博，周伟业，刘贵川，等. 燃气采暖热水炉低氮氧化物燃烧技术分析［J］. 煤气与热力，2020（5）：A31-A36.
［14］龙飞，王家欣，陈津蕊，等. 基于烟气再循环的家用燃气热水器低氮燃烧研究［J］. 节能，2021（2）：34-36.
［15］张晓玉，刘志敏，魏振玲，等. 高性能甲烷催化燃烧催化剂的制备及其在天然气催化燃烧热水器上的应用［J］. 催化学报，2006（9）：823-826.
         
内容来源：煤气与热力杂志