燃气采暖热水炉的技术发展趋势

史炬 国家燃气用具产品质量监督检验中心（佛山）

一、低氮燃烧器

燃烧器是燃气采暖热水炉中的重要部件，它关系到燃气是否稳定着火燃烧和燃烧后污染物的形成，因此，要抑制NOx的生成量就需要对燃烧器进行研究。低氮氧化物燃烧器，是指燃料燃烧过程中产生较低NOx的燃烧器，采用低NOx燃烧器能够有效降低燃烧过程中氮氧化物的排放[1]。

在燃气燃烧所产生烟气中的氮的氧化物主要为NO和NO2，一般通称为氮氧化物NOx。在对燃气采暖炉的烟气分析表明，燃烧装置排放的氮氧化物主要为NO，约占90%～95%，而NO2仅占5%～10%左右。一般燃气燃烧所生成的NO主要来自两个方面：一是空气中的氮，在燃烧时的高温下氧化成一氧化氮；二是燃气中所含氮化物在燃烧过程中热分解再氧化。在燃气燃烧过程中，前者是NO的主要来源，后者的含量极少可以忽略不计（燃气中的氮化物极少）。NO的生成速度受燃烧温度的影响最大，燃烧温度越高生成的NO也越多，研究表明，在燃气采暖热水炉上，一些有效又简便的低氮燃烧方法是：完全预混燃烧；浓淡燃烧；在火焰中布置冷体。

下图是一种已经成熟的应用在燃气采暖炉上的水冷式低氮燃烧器，特点是其结构可以应用于大气式燃烧器的。与普通“口琴式”大气式燃烧器相比，该水冷式燃烧器采用直立式结构，可燃气体混合物从下向上流动，直至火孔表面被点燃燃烧，，燃烧器的流动阻力小，能获得较大的一次空气系数。较大的一次空气系数能增加一次空气量，可有效的降低燃烧温度，最关键在于该低氮燃烧器设计了冷却水管，该水管穿过整个燃烧器，同时采用导热性极好的紫铜作为冷却水管材料，使用较低温的采暖管路回水对燃烧器表面进行冷却，有效的降低了燃烧温度，从而有效的抑制了NOx的生成。

图1 某种低氮水冷型燃烧器

将一台额定热输入26Kw的燃气采暖热水炉，在实验室分别使用普通大气式燃烧器和图1的低氮水冷型燃烧器，使用燃烧烟气分析仪测试数据如下：

表1 两种燃烧器的NOx排放浓度

燃气种类 —— 12T 12T单位转换因子 —— 1.7554 1.7554基准条件下NOx折算值 mg/kw·h 132.6 23.4 NOx浓度上限（1级：260，2级：200，3级：150，4级：100，5级：70）mg/kw·h 3级 5级

以上试验结果表明，采用普通燃烧器和采用低氮燃烧器的同一台采暖炉在同等试验条件下，燃烧烟气中的NOx含量从132.6 mg/kW·h降低到了23.4 mg/kW·h。按照中国标准GB25034《燃气采暖热水炉》的NOx排放等级标准，排放量从普通的3级提升到了最低排放的5级，降低NOx排放的效果非常显著。

二、冷凝式换热燃烧

大量实验数据表明，我国的燃气采暖热水炉上使用的普通换热器，供暖热效率已经达到90%左右，达到了我国能效标准GB 20665-2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》中二级能效标准的要求。

传统采暖热水炉排放的烟气一般还具有相当高的温度（100～200℃），烟气中水蒸气仍处于过热蒸汽状态，没有凝结成为液态水而放出汽化潜热。为了进一步提高能源使用效率，燃气具行业内开始研究在普通换热器的基础上附加一个冷凝式换热器，目的就是利用该装置来吸收采暖炉烟气中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，以达到提高采暖炉热效率的目的。

冷凝式采暖炉能够回收的水蒸气凝结热的多少与燃料的种类（化学成分）和冷媒介质的温度高低有关。对天然气采暖炉来说，因为气体燃料的高位发热量与低位发热量相差最大，因此热效率提高得最多。为了防止换热器冷凝液腐蚀，换热器一般采用不锈钢和硅铝材质来制造[3]。

以下是一种典型的应用于冷凝式采暖炉的硅铝材质的冷凝式换热器。该换热器结构是将低温进水管置于高温烟气中，利用大量铜质翅片换热，尽可能吸收高温烟气中的汽化潜热，从而提高进水温度。进而提高采暖炉的热效率。

图2 某种冷凝式换热器

在实验室测试使用图2的冷凝式换热器的采暖热水炉，其热效率的试验数据如下：

表2 冷凝式换热器的采暖炉热效率

试验中测得该采暖炉的烟气的排放温度为60～70℃，烟气中的水蒸气的部分汽化潜热得到了较好的利用，上表的试验结果表明其热水、供暖热效率达到了GB20665规定的一级能效。高于使用普通换热器的二级能效。

三、全预混燃烧

全预混式燃烧是一种高效，节能环保的燃烧方式，实通过降低燃烧中的一次空气系数a1（理论上在1.05≤a1≤1.1），燃烧时的理论温度可达1800℃以上，国外的全预混燃烧技术在采暖热水炉上的运用已经非常广泛，其技术原理如下[4]：

转速可调风机（变频风机）能控制燃烧空气的吸入量，从而控制采暖炉系统的功率变化，采用全预混燃烧器的燃气采暖热水炉，其热负荷大小由风机转速决定。风机转速提高，风量增加，通过恒比例燃气/空气混合装置，进入燃烧器的燃气也成比例增加，从而提高燃烧器的热负荷。要降低燃烧器的热负荷，其过程则与上述相反。因此，全预混燃气采暖热水炉一般使用可无级调速的无刷直流电机。作为风机电机为燃烧器提供空气，并在控制器集成调速系统，实现燃气采暖热水炉热负荷的连续可调。无刷直流电机使用低压直流电源（一般12V～48V）供电。目前新型的控制器一般集成了整流电路部分，可将交流电压（如AC 220V）直接转换为风机所需的直流电压；

燃气比例阀根据风机提供的空气量的变化调整输入燃气量的变化，使空燃比在整个采暖炉功率调节范围内恒定，不需要额外的2次燃烧空气的补充，保证稳定燃烧状态；

系统需要混合器来协助空气与燃气的充分混合，混合器的方式有很多种，目前最普遍的是文丘里结构；

全预混燃烧过程；首先转速可调（变频）的风机启动，在与其连接的混合腔中产生一定的负压，一部分空气在负压作用下进入混合腔内；同时，燃气比例阀得到来自混合腔内的风压反馈信号，将燃气比例阀内的开关阀打开，并且根据风压信号调整燃气阀的开度，相应体积的燃气从燃气阀进入混合腔中与空气进行混合，在风机的作用下进一步混合达到充分预混的状态，随后进入燃烧器的表面，由点火器发出的火花引燃，开始燃烧过程。

以下是两种结构的国产全预混式燃气采暖炉，在结构上类似国外的同类产品，采用转速可调（变频）的风机，将特定比例的燃气与空气混合气体鼓入燃烧器然后点火燃烧，产生的烟气通过冷凝换热器释放热量，产生的冷凝水通过燃烧器底部的塑料管路排出。全预混燃烧技术再加上冷凝式换热，优化燃烧并吸收了烟气中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，达到了非常好的节能效果。

图3 两种全预混式燃气采暖炉的结构

在实验室对分别对图3两种采暖热水炉的热效率测试，试验数据如下：

表3 两种结构的全预混式燃气采暖炉热效率

这两种结构的燃气采暖热水炉的试验结果表明，额定热负荷的供暖热效率达到了非常高的102.9～106.5%，30%额定热负荷的供暖热效率也达到了非常高的105.4～105.3%。可以看出，全预混加冷凝换热是一种高效节能环保的燃烧方式。