家用燃具低氮燃烧技术分析

周伟业, 刘文博, 杨丽杰, 吕昕宇, 秦寒生, 李晓鸣

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院,天津300384;2.国家燃气用具质量检验检测中心,天津300384)

1 概述

提高天然气在能源结构中的比例,对我国调整能源结构、提高居民生活舒适度、推进节能减排有极其重要的战略意义。2016—2021年我国家用燃气快速热水器(简称热水器)的总销量为7 166×104台,燃气供暖热水炉(简称热水炉)的总销量突破了2 000×104台。绝大多数热水器和热水炉的燃烧方式均为部分预混燃烧,这种燃烧方式下燃烧产物中的NOx含量较高。

2013年,国务院发布了《大气污染防治行动计划》,各地区尤其是北方地区加强了锅炉污染物排放的限制。对于NOx的排放要求,北京和河北要求新建燃气锅炉不超过30 mg/m3,杭州和山东要求新建燃气锅炉不超过50 mg/m3,乌鲁木齐和成都则分别要求新建燃气锅炉不超过40 mg/m3和60 mg/m3。

为了降低NOx排放,通常采用的控制技术包括低氮燃烧和烟气处理技术。低氮燃烧技术是指在燃烧过程中控制NOx生成,烟气处理技术则是对烟气中NOx进行处理,以减少污染物排放。烟气处理技术对降低NOx虽然有效,但投资和运行成本都很高,对于家用燃具来说,采用烟气处理技术在经济上没有可实现性,因此,研究低氮/超低氮燃烧技术具有重要意义。

2 NOx生成机理

天然气燃烧产生的NOx主要为热力型NOx,即燃烧过程中空气中的N2在高温下氧化生成NOx。燃烧温度是热力型NOx生成的关键性变量。其次,燃烧过程中,燃烧室内的局部高温区会产生较多的NOx,对整个燃烧室内的NOx生成起重要作用。因此,降低热力型NOx,除了降低燃烧温度外,还要尽量使燃烧室温度分布均匀,避免燃烧室产生局部高温区。

天然气燃烧过程中也会产生快速型NOx,快速型NOx主要是碳氢自由基与N2分子进行反应,形成胺和氰基化合物,再进一步转变形成中间体,最终形成NOx。

3 低氮燃烧技术分析

目前热水器和热水炉常用的低氮燃烧技术主要以降低燃烧温度、减少热力型NOx生成为主。根据燃烧技术的不同,可以分为两类,一类是采用新型燃烧器叠加新燃烧技术的结构,包括完全预混燃烧、水冷低氮燃烧、浓淡燃烧等,一类是改变燃烧器的燃气空气供气系统,如烟气再循环等。

3.1 完全预混燃烧

完全预混燃烧中,火孔热强度大,燃烧温度高,火焰长度短,不易产生局部高温,同时火焰较短使得烟气在高温区内的停留时间很短。结合热力型NOx生成机理可知,上述特点能够抑制热力型NOx的生成。对于部分预混燃烧,由于二次空气有一定的流速,使得燃气空气混合气与二次空气燃烧时火焰长度较长,燃烧温度较高,生成的热力型NOx较多。

依据GB 25034—2020《燃气采暖热水炉》对部分预混和完全预混热水炉额定热负荷时进行NOx试验,依据GB 6932—2015《家用燃气快速热水器》对热水器额定热负荷时进行NOx试验。试验结果显示,部分预混式家用燃具额定热负荷时烟气中NOx体积分数大多分布在60×10-6～90×10-6范围,而完全预混式家用燃具额定热负荷时烟气中NOx体积分数则能够达到30×10-6甚至20×10-6以下。

相比部分预混式燃具,完全预混式燃具对燃气品质的要求较高,并且有复杂的燃气与空气比例控制系统,只有在最优的空燃比下,完全预混式热水炉和热水器的燃烧才能有最佳效果。由于完全预混式燃具的控制和结构比部分预混式燃具更为复杂,其经济成本也更高。

3.2 水冷低氮燃烧器

热水炉可以通过改变燃烧器结构和火孔形状来实现低氮燃烧,所用燃烧器即水冷低氮燃烧器。水冷低氮燃烧器的头部为平板式,其火焰面分布更为均匀,火孔相比常规燃烧器更细长,数量更多,火孔总面积也更大,火焰温度分布更加均匀,不会产生局部高温现象,能够抑制NOx的生成。相比常规燃烧器的单排喷嘴,低氮燃烧器通常采用双排喷嘴,对应的一次空气量也更多,且火排之间的间隙较小,使得二次空气量也较少,缩短了烟气在高温区的停留时间,从而抑制NOx的生成。另外,由于低氮燃烧器结构的特殊性,燃烧器引射器周围的冷却水管能够降低燃烧器表面对混合腔的预热作用,降低了燃烧温度,最终能够减少NOx的生成。

依据GB 25034—2020对水冷低氮热水炉进行额定热负荷时NOx试验,试验结果显示,额定热负荷时烟气中NOx体积分数能够达到20×10-6,远低于常规大气式热水炉的烟气中NOx体积分数60×10-6～90×10-6。但热水炉采用水冷低氮燃烧器时,可能会出现生活热水模式下,无法在50%额定热水热负荷的状态下维持正常燃烧的现象,不能满足热水炉能效的要求,同时还可能出现离焰燃烧工况下烟气中CO体积分数过高,不能满足GB 25034—2020要求的现象。

3.3 浓淡燃烧

浓淡燃烧是一部分燃气在空气不足的条件下燃烧,另一部分燃气在空气过多的条件下燃烧,主要通过浓淡燃烧器实现。浓淡燃烧器的局部结构见图1,浓淡燃烧火焰见图2。

图1 浓淡燃烧器局部结构

图2 浓淡燃烧火焰

浓淡燃烧器的单片燃烧器通常包含了火孔面积较大的浓燃烧器和火孔面积相对较小的淡燃烧器,浓燃烧器居中,淡燃烧器分布两侧,两者组合形成一个单片燃烧器。燃气分别从大火孔和小火孔喷射燃烧,形成浓淡火焰。淡火焰区由于过剩空气系数较大,为完全预混燃烧,火焰较短。浓火焰由于过剩空气系数较小,燃烧过程中二次空气量不足,火焰不完全燃烧,火焰被拉长。两种火焰交替分布,浓火焰由于空气不足,会抑制NOx的生成,而淡火焰则由于空气过剩,降低了燃烧温度,也能够抑制NOx的生成。

依据GB 25034—2020对某浓淡燃烧热水炉进行额定热负荷时NOx试验,试验结果显示,其额定热负荷时烟气中NOx体积分数能够达到15×10-6,远低于同类型常规大气式热水炉的NOx排放。对其进行NOx排放等级试验,结果显示,排放等级能够达到5级(级别越高,NOx排放越低)。

当燃具使用浓淡燃烧器时,应注意当浓燃烧过剩空气系数过小,燃烧室内氧气稀薄,空气量不足,从而造成不完全燃烧,使烟气中CO体积分数增加;当淡燃烧过剩空气系数过小,会形成离焰等不完全燃烧,烟气中CO体积分数也会剧增,或者由于燃气含量过低,难以点火燃烧。

3.4 烟气再循环

烟气再循环是在不改变燃具燃烧器的前提下,通过对燃烧工况进行改良的一种降低NOx的燃烧技术,即从排烟管中抽取一部分烟气(主要成分N2、O2和CO2)进入燃烧密封腔,与助燃空气混合后进入燃烧室参与燃烧,或者将烟气回流管安装至燃烧室,烟气直接被送至燃烧室作为部分二次空气进行燃烧。采用该技术时,NOx的降低程度主要取决于再循环烟气量。

该技术主要利用了再循环烟气的低氧低温特点,利用氧气体积分数较低的特点,烟气与空气混合后,在进气量不变的前提下由于烟气量的增加,减少了空气量,从而降低了O2含量,导致火焰温度以及高温区的O2含量的降低,抑制了NOx的生成。利用低温的特点,将再循环烟气引射至燃烧室合理的区域,加入的烟气通过吸热可以降低高温区温度,减少NOx的生成。

选取一台强制给排气式热水器并应用烟气再循环技术对其进行改造,在给排气烟管排气管末端连接烟气回流管,烟气回流管连接至回流风机,回流风机通过热水器左上方开孔将回流烟气送至热水器内。试验装置见图3。

图3 试验装置

依据GB 6932—2015对样机进行NOx试验,试验结果显示,在全部燃烧器燃烧时,随着烟气再循环比例增加,烟气中NOx体积分数呈指数型下降,而烟气中CO体积分数呈幂函数型上升,根据CO的排放标准,认为烟气再循环比例在35%最佳。在50%燃烧器燃烧时,烟气中NOx体积分数在烟气再循环比例为15%之前逐渐下降,而后出现波动趋势,而烟气中CO体积分数在烟气再循环比例达到15%以后,出现迅速增长趋势。

采用烟气再循环时,为了达到最佳的降低NOx效果,需要确定不同负荷下的烟气循环量,在实际应用中,则需要根据实时热负荷进行实时烟气再循环量调节,导致控制系统比较复杂。

3.5 增加单片燃烧器数量

热水炉和热水器的热负荷与火孔面积和火孔热强度有关。在热负荷保持不变的前提下,如果使火孔总面积增加,则火孔热强度减小,直接导致燃烧温度降低。根据NOx的生成条件可知,NOx的生成量就会有所降低。

对比同一制造商的2台额定热负荷均为20 kW且除燃烧器外结构相同的热水炉,单片燃烧器数量增加至常规配置数量的1.3倍,烟气中NOx体积分数降低,额定热负荷下烟气中NOx体积分数由55×10-6降低至44×10-6。依据GB 25034—2020附录H进行不同热负荷下的NOx试验,NOx折算值能够降低至100 mg/(kW·h)(烟气中NOx质量浓度约为117 mg/m3)。对比另一制造商的2台额定热负荷均为20 kW且除燃烧器外结构相同的热水炉,当单片燃烧器数量增加到常规配置数量的1.6倍时,烟气中NOx体积分数明显下降,额定热负荷下烟气中NOx体积分数由60×10-6降低至45×10-6。依据GB 25034—2020附录H进行不同热负荷下的NOx试验,NOx折算值能够降低至70 mg/(kW·h)(烟气中NOx质量浓度约为82 mg/m3),能够使热水炉的NOx排放等级从3级升至4级。

对于要求NOx折算值在80 mg/m3以下的地区,采用增加单片燃烧器数量降低氮氧化物排放比采用水冷燃烧器的成本更低。但试验结果也显示,增加过多数量的单片燃烧器,热水炉的热效率也会降低。

3.6 其他技术

① 改变一次空气系数

当一次空气系数逐渐增大时,燃烧速度变快,反应时间缩短,火焰长度逐渐减小,外焰扩散火焰与二次空气的接触面减小,燃烧产物出口速度相比一次空气系数较小时略有增加,因此,O2在高温区的停留时间缩短,减少了O与N的反应,导致NOx生成减少。同时由于一次空气系数增大,会使燃气燃烧更充分,释放出的热量会更多,局部火焰温度会略有升高,导致热力型NOx增加。相比而言,在此过程中O2在高温区停留时间的缩短起主导作用,总体上NOx呈现逐渐降低的趋势。

以某台热水炉为例,通过改变热水炉的喷嘴直径和引射距离改变一次空气系数,并依据GB 25034—2020进行额定热负荷下的NOx试验,结果显示,当引射距离从5.5 mm增加至13.5 mm时,NOx体积分数从65×10-6降至60×10-6;当喷嘴直径从1.35 mm减小到1.22 mm时,NOx体积分数从61×10-6降至58×10-6。随着一次空气系数增加,热水炉额定热负荷下的NOx体积分数略微下降。

② 助燃空气加湿

空气中水蒸气的含量不同,空气相对湿度不同,燃烧温度会有所改变。空气相对湿度越大,含湿量越高,燃烧温度越低,生成的热力型NOx越少。

不同学者对空气加湿抑制NOx生成的机理有不同看法,文献[1]认为助燃空气含湿量的提高降低了助燃空气中的含氧量,增加了空气热容,会影响燃烧室内的流场分布、火焰形态与火焰传播特性,使得燃气锅炉燃烧室的燃烧温度降低,减少了NOx生成。文献[2]则指出,对于碳氢燃料,湿空气中H2O的作用有两方面,一方面空气加湿会使燃烧温度降低,从而减少热力型NOx的生成,另一方面抑制了H基、CH3基和CH2基的生成,同时H2O和O基反应生成OH基,并促进了CHi自由基和OH基的反应,抑制了CHi自由基和N2的反应,从而减少了快速型NOx生成。

依据GB 25034—2020对某台热水炉进行了不同空气相对湿度下额定热负荷时的NOx试验,试验结果显示,随着空气相对湿度从15%增加至70%,额定热负荷时烟气中NOx体积分数从66×10-6逐渐降低至56×10-6,空气相对湿度每增加10%,烟气中NOx体积分数降低约2×10-6。

4 结论

① 完全预混燃烧、水冷低氮燃烧器、浓淡燃烧均能实现额定热负荷时NOx排放较低,但各技术也有相应的难点。完全预混燃烧对燃气空气比例控制要求高,只有在最优的空燃比下,完全预混燃烧才能有最佳效果,且经济成本较高。水冷低氮燃烧器容易产生离焰等问题,不易满足GB 25034—2020的要求。浓淡燃烧的过剩空气系数过小时,烟气中CO体积分数过高,不易满足GB 25034—2020的要求。

② 对于烟气再循环技术,需要确定合理的烟气再循环比例才能够实现低氮燃烧。

③ 增加单片燃烧器数量能够降低额定热负荷下的烟气中NOx体积分数,且使常规大气式热水炉的NOx排放等级从3级升至4级,经济成本相比其他技术更低。

④ 由于热水炉和热水器的体积偏小,改变一次空气系数或助燃空气加湿虽然能够降低烟气中NOx体积分数,但实际试验结果显示降低效果有限。