程 洪1，孫魚銘，向 熹1，黃小美

(1.中山市思源電器有限公司，廣東 中山 528427； 2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

氮氧化物(NOx)按其生成機(jī)理的不同，可分為熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx[1]，在民用燃?xì)饩咧兄饕傻氖菬崃π蚇Ox。熱力型NOx是由空氣中的氮分子在高溫下氧化生成的，它的生成速度與燃燒溫度有著密切的關(guān)系：燃燒溫度越高、煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間越長，產(chǎn)生的NOx越多[2-4]。由熱力型NOx的生成機(jī)理可知，降低火焰溫度、縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間是抑制熱力型NOx生成的關(guān)鍵[5]。

近年來，隨著NOx生成機(jī)理的不斷完善，降低NOx排放量的燃燒技術(shù)也愈加成熟，由此衍生而來的多種多樣的低氮燃燒器也被廣泛用于工業(yè)燃煤燃?xì)忸I(lǐng)域和民用燃?xì)饩咧?。相比于家用燃?xì)饪焖贌崴黝I(lǐng)域內(nèi)常見的濃淡燃燒器和全預(yù)混燃燒器，水冷低氮型燃燒器在國內(nèi)市場上出現(xiàn)較晚，但是具有工藝簡單、結(jié)構(gòu)通用性好、低氮效果顯著的特點(diǎn)。此燃燒器是20世紀(jì)80年代由英國首先開發(fā)成功的，2010年被引入國內(nèi)，其在文獻(xiàn)中被稱為水冷燃燒器、水冷平板式全預(yù)混燃燒器和水冷式完全預(yù)混燃燒器等[6]，此燃燒器多被用于燃?xì)獠膳療崴疇t中。目前燃?xì)獠膳療崴疇t(簡稱壁掛爐)市場上常見的水冷低氮型燃燒器有銅制燃燒器和鋁制燃燒器兩類，本文以中間進(jìn)氣的銅制水冷低氮型燃燒器(簡稱水冷低氮型燃燒器)為主要研究對(duì)象。

1 水冷低氮型燃燒器理論研究

1.1 水冷低氮型壁掛爐整機(jī)結(jié)構(gòu)分析

水冷低氮型壁掛爐結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，水冷低氮型壁掛爐與常規(guī)壁掛爐的組成結(jié)構(gòu)十分相似，主要由供水與加熱系統(tǒng)、燃?xì)夤?yīng)與燃燒系統(tǒng)和供風(fēng)與排煙系統(tǒng)三大系統(tǒng)構(gòu)成。其中燃?xì)夤?yīng)與燃燒系統(tǒng)與常規(guī)壁掛爐基本相同，而供風(fēng)與排煙系統(tǒng)和供水與加熱系統(tǒng)有較大差異。

就水路而言，水冷低氮型燃燒器中穿插有一段水冷管路，用于降低工作狀態(tài)下的燃燒器頭部溫度，所以水冷低氮型壁掛爐的加熱端水路會(huì)先途徑燃燒器水冷

圖1 水冷低氮型壁掛爐結(jié)構(gòu)圖

管路，帶走部分熱量后再進(jìn)入主換熱器。當(dāng)采用低氮冷凝式壁掛爐時(shí)，水路會(huì)先經(jīng)過燃燒器水冷管路，然后進(jìn)入冷凝器對(duì)煙氣進(jìn)行冷凝，最終進(jìn)入主換熱器中完成三級(jí)換熱，而常規(guī)冷凝壁掛爐僅有兩級(jí)換熱。

水冷低氮型燃燒器在額定工作狀態(tài)下為全預(yù)混燃燒狀態(tài)，其引射情況和火焰狀態(tài)均受風(fēng)機(jī)影響較大，所以在水冷低氮型壁掛爐的供風(fēng)與排煙系統(tǒng)中采用的是變速風(fēng)機(jī)，具有五檔變速調(diào)節(jié)。在低負(fù)荷時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)隨負(fù)荷降低檔位，使得引射器端的空燃比例穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，同時(shí)降低風(fēng)速對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響。而在常規(guī)壁掛爐中，供風(fēng)與排煙系統(tǒng)常采用定速風(fēng)機(jī)，因?yàn)槌Ｒ?guī)燃燒器一次空氣系數(shù)小，火焰高度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，并且燃燒器中的二次空氣流道較寬，所以風(fēng)量對(duì)火焰穩(wěn)定性影響較小，定速風(fēng)機(jī)可以在不影響燃燒器性能的情況下降低成本。

1.2 燃燒器結(jié)構(gòu)差異

水冷低氮型燃燒器與常規(guī)燃燒器的工作原理完全相同，燃燒器單片負(fù)荷也相近，但其燃燒排放的污染物濃度卻相差甚遠(yuǎn)。首先對(duì)二者的結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行分析，燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯鏊涞偷腿紵鞯囊淦?、混合腔和分配腔采用了立式結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)常規(guī)燃燒器的引射器和混合腔采用的是水平結(jié)構(gòu)，并且與分配腔之間的氣流通道形成了一定角度，使得混合情況更好。由于天然氣密度低于空氣，所以在引射時(shí)，立式引射結(jié)構(gòu)的空氣阻力低于水平引射結(jié)構(gòu)，這使得水冷低氮型燃燒器在引射時(shí)獲得了比常規(guī)燃燒器更高的一次空氣系數(shù)。此外，在同負(fù)荷下，水冷低氮型燃燒器的引射器喉部直徑大于常規(guī)燃燒器，而單個(gè)噴嘴的直徑則小于常規(guī)燃燒器，這也使得水冷低氮型燃燒器獲得了更多的一次空氣。

1.3 燃燒器設(shè)計(jì)計(jì)算

自2010年以來，壁掛爐市場上出現(xiàn)過多種不同形狀尺寸的水冷低氮型燃燒器，張寧等人[7]研究了水冷低氮型燃燒器的應(yīng)用，采用的燃燒器火孔面積是常規(guī)燃燒器的5倍，而噴嘴直徑縮小了30%以上，使得一次空氣系數(shù)約為1.6～1.8。而劉鳳國等人[8]則通過噴嘴直徑為0.87 mm的水冷低氮型燃燒器得到了最佳燃燒工況。本文以銅制水冷低氮型燃燒器為參考依據(jù)，在不改動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)燃燒器噴嘴、火孔及引射器等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)計(jì)算，然后加工得到負(fù)荷理論設(shè)計(jì)尺寸的燃燒器樣品后對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)

1.3.1 噴嘴設(shè)計(jì)計(jì)算

燃燒器設(shè)計(jì)階段是通過預(yù)設(shè)的一次空氣系數(shù)、燃燒器負(fù)荷、燃?xì)鈮毫?、燃?xì)鉄嶂岛兔芏鹊葏?shù)，根據(jù)引射器理論計(jì)算公式計(jì)算得到噴嘴尺寸、火孔面積以及引射器關(guān)鍵尺寸。本設(shè)計(jì)計(jì)算以中間進(jìn)氣的銅制水冷低氮型燃燒器為例，參考現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，以四川干氣為氣源對(duì)燃燒器噴嘴及引射器尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)水冷低氮型燃燒器一次空氣系數(shù)為1.4，燃燒器額定輸入負(fù)荷為24 kW。燃燒器由10排燃燒器單片組成，共計(jì)20個(gè)噴嘴，所以每個(gè)噴嘴承擔(dān)負(fù)荷Q=1.2 kW。

已知四川干氣的相對(duì)密度s=0.575，低熱值Hl=34 540 kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))，理論空氣需要量V0=9.64 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn))，燃?xì)鈮毫=2 000 Pa。

然后根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)負(fù)荷，按下式計(jì)算得到圓形噴嘴直徑：

(1)

式中：Lg為圓形噴嘴的流量，m3/h；Q為單個(gè)噴嘴及引射器的熱負(fù)荷，kW；Hl為燃?xì)獾蜔嶂担琸J/m3(標(biāo)準(zhǔn))；μ為噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和燃?xì)鈮毫τ嘘P(guān)，取μ=0.76；d為圓形噴嘴直徑，mm；H為燃?xì)鈮毫?，Pa；s為燃?xì)獾南鄬?duì)密度(空氣=1)。

(2)

(3)

(4)

式中：Fj為噴嘴出口截面積，mm2。

所以根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算可知，水冷低氮型燃燒器采用直徑為0.89 mm的噴嘴時(shí)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 火孔設(shè)計(jì)計(jì)算

燃燒器火孔的燃燒能力可以用火孔熱強(qiáng)度或額定火孔出口流速表示，查《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》[9]表7-1可知，對(duì)于天然氣，額定火孔出口流速vp取值范圍1.0～1.3 m/s(標(biāo)準(zhǔn))。本次設(shè)計(jì)取vp=1.1 m/s(標(biāo)準(zhǔn))。則火孔總面積按下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：Fp為火孔總面積，mm2；α′為一次空氣系數(shù)；V0為理論空氣需要量，m3/m3(標(biāo)準(zhǔn))；vp為火孔出口氣流速度，m/s(標(biāo)準(zhǔn))。

對(duì)于水冷低氮型燃燒器而言，單個(gè)噴嘴對(duì)應(yīng)的火孔總面積為457.84 mm2，則單片燃燒器的火孔總面積約900 mm2。

選取壁掛爐燃燒器中較為常見的長橢圓型火孔為水冷低氮型燃燒器火孔頭部，設(shè)計(jì)長度為7 mm，寬度為0.8 mm，則單個(gè)火孔面積為5.5 mm2。設(shè)計(jì)單片燃燒器上對(duì)稱分布共計(jì)164個(gè)火孔，則單片燃燒器火孔總面積約為902 mm2。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的火孔，按下式計(jì)算火孔阻力系數(shù)及頭部能量損失系數(shù)：

(6)

(7)

式中：ζp為火孔阻力系數(shù);μp為火孔流量系數(shù)，與火孔的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，本文取0.7；K1為燃燒器頭部的能量損失系數(shù)，對(duì)于民用燃燒器，通常K1=2.7～2.9；t為混合氣體通過火孔被加熱的溫度，本文取120 ℃。

1.3.3 引射器設(shè)計(jì)計(jì)算

水冷低氮型燃燒器的引射器與常規(guī)壁掛爐燃燒器引射器相同，工質(zhì)壓力均為2 000 Pa左右，引射器吸氣收縮管較大，并漸漸過渡到圓柱形混合腔，所以同屬于常壓吸氣低壓引射器。此種引射器的工作原理是燃?xì)鈴膰娮熘袊姵觯瑝毫档投魉偕?。噴出的高速燃?xì)鈱⒁淮慰諝馕M(jìn)引射器中，發(fā)生動(dòng)量交換，使燃?xì)饬魉俳档投諝饬魉偕?，并在引射過程中充分混合，最終在混合腔出口處混合氣速度呈均勻分布。在混合腔中，燃?xì)鈩?dòng)壓頭減少，一部分傳給空氣，一部分克服阻力損失，還有一部分轉(zhuǎn)化為靜壓力。而當(dāng)混合氣到達(dá)分配腔(擴(kuò)壓管)時(shí)，動(dòng)壓進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為靜壓。

首先根據(jù)一次空氣系數(shù)按下式計(jì)算出引射器質(zhì)量引射系數(shù)：

(8)

式中：u為質(zhì)量引射系數(shù)。

然后按下式計(jì)算能量損失系數(shù)和最佳燃燒器參數(shù)：

(9)

(10)

式中：K為能量損失系數(shù)；ψ1為速度場不均勻系數(shù)，當(dāng)混合管長度為5～6倍喉部直徑時(shí)，通常取ψ1=1.02～1.04，混合管越長，ψ1越小，所以取ψ1=1.02；ζmix為混合管的摩擦阻力系數(shù)，取ζmix=0.06；ζd為擴(kuò)壓管阻力損失系數(shù)，取ζd=0.15；n為擴(kuò)壓管的擴(kuò)張程度，取n=2.6；Flop為最佳燃燒器參數(shù)。

得到最佳燃燒器參數(shù)后，可以通過下式計(jì)算A值和X值：

(11)

(12)

可見A<1但趨近于1，表明燃燒器計(jì)算工況與最佳工況接近，但燃燒器有多余的燃?xì)鈮毫?。由X值通過下式可推得，燃燒器參數(shù)、引射器喉部截面積，進(jìn)而得到喉部直徑和引射器其他尺寸：

F1=XFlop=0.72×0.71=0.51

(13)

Ft=F1Fp=0.51×457.84=233.50mm2

(14)

(15)

式中：F1為燃燒器參數(shù)；Ft為引射器喉部截面積，mm2；dt為混合管喉部直徑，mm。

所以通過設(shè)計(jì)計(jì)算可得，當(dāng)水冷低氮型燃燒器采用0.89 mm直徑的噴嘴，引射器喉部直徑約為17.25 mm時(shí)可以達(dá)到設(shè)計(jì)工況下1.4左右的一次空氣系數(shù)，由此得到穩(wěn)定的完全預(yù)混式燃燒火焰。根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)計(jì)算所得到的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)燃燒器進(jìn)行加工，得到一款銅制水冷低氮型燃燒器，并將其裝備入壁掛爐中進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)依托于Micropla工業(yè)級(jí)兩用型燃?xì)饪焖贌崴鳈z測臺(tái)，用于對(duì)壁掛爐的熱工性能、NOx排放機(jī)理等開展系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用一臺(tái)24 kW常規(guī)壁掛爐和一臺(tái)24 kW具有水冷低氮型燃燒器的低氮壁掛爐，共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分組見表1，包括對(duì)常規(guī)壁掛爐常規(guī)燃燒器的測試、對(duì)低氮壁掛爐水冷低氮型燃燒器的測試以及無水冷管路情況下水冷低氮型燃燒器的測試。實(shí)驗(yàn)過程中以每組實(shí)驗(yàn)不同輸入負(fù)荷為變量，記錄燃燒器的燃?xì)饬髁俊煔飧鹘M分濃度及表面溫度進(jìn)行記錄，并通過理論計(jì)算得到燃燒器輸入負(fù)荷、過?？諝庀禂?shù)和折合后的CO和NOx濃度，對(duì)比三組燃燒器不同負(fù)荷下的性能參數(shù)。燃燒器表面溫度測點(diǎn)位置見圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)分組

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 整機(jī)性能分析

三組實(shí)驗(yàn)的折合后CO和NOx排放濃度見圖3。從圖3中可以看出，就NOx濃度而言，水冷低氮型壁掛爐煙氣中的NOx濃度遠(yuǎn)低于常規(guī)壁掛爐，折合后濃度始終保持在10×10-6以下；在常規(guī)壁掛爐中，燃燒溫度隨著負(fù)荷的增加隨之上升，使得NOx排放濃度也逐漸升高，在額定負(fù)荷下接近100×10-6；在無水冷管路的情況下，水冷低氮型壁掛爐的NOx排放濃度明顯高于有水冷管路的情況，由此可以推斷水冷低氮型燃燒器中的水冷管路也是降低NOx排放濃度的原因之一。

其次，對(duì)比煙氣中的CO排放濃度可以看出，常規(guī)壁掛爐在低負(fù)荷情況下的CO排放濃度較高，隨著負(fù)荷的升高，常規(guī)壁掛爐的CO排放濃度隨之減少；水冷低氮型壁掛爐在低負(fù)荷時(shí)CO排放濃度低，高負(fù)荷時(shí)高，額定負(fù)荷下約為130×10-6；相比于有水冷情況下，在水冷低氮型壁掛爐無水冷時(shí)CO排放濃度略低，但低負(fù)荷下較高。

圖3 三組實(shí)驗(yàn)的折合后CO和NOx排放濃度

三組實(shí)驗(yàn)的過?？諝庀禂?shù)對(duì)比見圖4，通過過?？諝庀禂?shù)的對(duì)比可以看出部分煙氣排放濃度變化規(guī)律的原因。

圖4 三組實(shí)驗(yàn)的過?？諝庀禂?shù)對(duì)比

2.2.2 燃燒器性能分析

由于采用了風(fēng)量恒定的定速風(fēng)機(jī)，常規(guī)壁掛爐在低負(fù)荷下過剩空氣系數(shù)極大，有大量空氣沒有參與燃燒，較大風(fēng)速的影響使得低負(fù)荷火焰穩(wěn)定性大大減弱，產(chǎn)生局部脫火的情況，由此使得CO排放濃度較高。隨著負(fù)荷的加大，更多空氣參與反應(yīng)，過剩空氣系數(shù)減小，CO排放濃度也降低。

水冷低氮型壁掛爐有無水冷管路對(duì)其燃燒器外形結(jié)構(gòu)并無影響，所以兩組實(shí)驗(yàn)的過?？諝庀禂?shù)十分相近，在變速風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)下基本穩(wěn)定在2.2左右。水冷低氮型壁掛爐的α′>1，并且燃燒器單片中間沒有空隙，為完全預(yù)混式燃燒，二次空氣多通過燃燒器和燃燒室之間的間隔直接進(jìn)入煙氣。所以在較高負(fù)荷下水冷低氮型壁掛爐CO排放濃度較高的原因是火焰中二次空氣補(bǔ)充不足，產(chǎn)生了局部不完全燃燒。在額定負(fù)荷附近，水冷低氮型壁掛爐和常規(guī)壁掛爐擁有相近的過?？諝庀禂?shù)。

水冷低氮型燃燒器火焰圖像見圖5，從圖5中可以看出，由于α′>1且無二次空氣補(bǔ)充，水冷低氮型燃燒器的火焰沒有外焰，僅有一層藍(lán)色內(nèi)焰，并且火焰高度很矮，只有不到2 cm。此外可以看出，水冷低氮型燃燒器的火孔面積大，火焰面大且分布均勻，所以有效增強(qiáng)了燃燒器的輻射換熱能力。從火焰圖像可以看出，分布均勻高度較矮的火焰減少了局部高溫，也縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，是水冷低氮型燃燒器低NOx排放的原因之一。

圖5 水冷低氮型燃燒器火焰圖像

燃燒器表面溫度可以側(cè)面反映出燃燒器腔體內(nèi)混合氣的預(yù)熱情況以及火焰溫度情況。三組實(shí)驗(yàn)的燃燒器表面各測點(diǎn)溫度見圖6。通過燃燒器表面溫度反映出的混合氣預(yù)熱和火焰溫度情況也可以分析出燃燒器煙氣排放濃度的變化規(guī)律。

圖6 三組實(shí)驗(yàn)的燃燒器表面各測點(diǎn)溫度

可以看出水冷低氮型燃燒器的表面各測點(diǎn)溫度約在100 ℃，而常規(guī)燃燒器表面溫度則約在200～300 ℃。結(jié)合煙氣排放和表面溫度情況發(fā)現(xiàn)，無水冷管路時(shí)水冷低氮型燃燒器的NOx排放濃度較高而CO濃度較低，燃燒器表面溫度較高，說明無水冷管路的火焰溫度高于有水冷管路情況。

由此可以推斷，水冷低氮型燃燒器中水冷管路降低NOx排放濃度的原因是水冷管路有效降低了火焰溫度及燃燒器表面溫度，并使得燃燒器表面對(duì)腔體內(nèi)混合氣的預(yù)熱作用大大減弱，抑制了NOx的生成。

在無水冷情況下，當(dāng)燃燒器輸入負(fù)荷低于18 kW時(shí)，燃燒器腔體中產(chǎn)生了周期性的轟鳴聲，無水冷情況下的水冷低氮型燃燒器發(fā)生了回火現(xiàn)象。回火使得全預(yù)混混合氣直接在腔體內(nèi)爆燃，迅速地提升了燃燒器表面溫度，這也是圖4中無水冷情況下燃燒器負(fù)荷低于18 kW后CO和NOx排放濃度急速升高的主要原因。

3 結(jié) 論

本文通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方式，總結(jié)出水冷低氮型燃燒器的低NOx排放機(jī)理如下：

(1)參考現(xiàn)有外型結(jié)構(gòu)，對(duì)水冷低氮型燃燒器關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)計(jì)算，得到了一款符合設(shè)計(jì)要求的燃燒器用于實(shí)驗(yàn)研究。此燃燒器理論一次空氣系數(shù)為1.4，在額定工況下形成了穩(wěn)定的完全預(yù)混式燃燒，燃燒器性能優(yōu)異，壁掛爐整機(jī)污染物排放量較低。

(2)完全預(yù)混式燃燒形式使得水冷低氮型燃燒器火焰高度較矮、面積大且分布均勻，有利于減少局部高溫，有利于縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，從而抑制了NOx的生成。

(3)水冷低氮型燃燒器中的水冷管路可以有效起到防止回火的作用，并且輔助降低了水冷低氮型燃燒器的火焰溫度，起到了降低NOx排放濃度的作用。

雖然此款水冷低氮型燃燒器可以大幅降低整機(jī)煙氣中的NOx排放濃度，但是由于在額定情況下存在二次空氣補(bǔ)充不足的缺點(diǎn)，使得CO排放濃度也略高于常規(guī)壁掛爐，所以對(duì)水冷低氮型燃燒器燃燒性能的進(jìn)一步優(yōu)化仍有待研究。