水冷燃烧器达成低NOx排放的应用研究

水冷燃烧器达成低NOx排放的应用研究郑柏清，马学峰，彭庆源（广州迪森家用锅炉制造有限公司）摘要：NOx是一种有害气体，排放时有严格的要求，水冷燃烧器能有效抑制NOx的生成，且有制作工艺简单，成本低廉，寿命长等优点，本文通过对水冷燃烧器抑制NOx生成机理进行试验与研究，阐明水冷燃烧器能达成低NOx排放的因果关系。关键词：NOx；水冷燃烧；热力型作者简介：郑柏清，高级工程师，主要从事燃气壁挂炉及关键零部件的研发1引言燃气燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO及NO2，统称为NOx。NO能使人中枢神经麻痹并导致窒息死亡，NO2会造成哮喘和肺水肿，破坏人的心、肺、肾及造血组织的功能丧失，其毒性比NO更强。无论NO、NO2或N2O，在空气中的最高允许浓度为5mg/m3。浓度（ppm)影响1.0闻到臭味5.0闻到很强烈的臭味10~15眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激501分钟内人体呼吸异常，鼻受到刺激803~5分钟引起胸痛100~150人在30~60分钟就会因肺水肿死亡200以上人瞬间死亡本文就水冷燃烧器的燃烧方式进行试验与研究，阐明水冷燃烧器能达成NOx排放的因果关系。2结构介绍水冷燃烧采用直立式结构，且相同功率的情况下喷嘴数量、燃烧器数量是普通燃烧的两倍，例如18kW水冷燃烧壁挂炉有18个喷嘴、18个燃烧器，而普通燃烧壁挂炉只有9个喷嘴、9个燃烧器，因此喷嘴小，且燃烧面积大。供暖回水在燃烧器头部形成冷却回路（见上图），供暖回水循环预热后再进入主换热器。3机理分析水冷燃烧的结构与普通燃烧的不同，这也就是水冷燃烧器能达成低NOx排放的原因所在，下面就它们之间的因果关系进行机理分析（注：水冷燃烧器的结构是因；达成低NOx排放是果）：我们知道，燃烧产生的NOx中NO占90%，NO2为5%~10%，其中热力型生成的NOx占大部分，热力型：就是空气中的N2与O2在高温下发生氧化发应生成NOx。而且实验证明，随着反应温度升高，其反应速率按指数规律增加。热力型氮氧化合物生成化学反应式：N2+O22NONO+1/2O22NO2热力型NOx的生成浓度与温度的关系：注：横坐标为反应温度（℃）；纵坐标为NOx的生成浓度（ppm)水冷燃烧器是直立式结构，燃气从喷嘴喷出，气流方向也是垂直的，然后再在火口点燃，气流阻力小，引射的空气多；加之喷嘴数是普通燃烧器的两倍，同时喷嘴的孔径是的70%左右，引射的空气就更多，经测算水冷燃烧的一次空气系数能达到1.7左右，而普通燃烧的一次空气系数只有0.65左右。完全燃烧实际理论燃烧温度计算公式如下：tli：为计算的实际理论燃烧温度，℃V、c：实际燃烧产物体积及产物平均比热容，单位分别是：Nm3，kJ/(Nm3·℃)Q：煤气发热量，kJVr、cr、tr：煤气的体积、平均比热和温度，单位分别是：Nm3，kJ/(Nm3·℃)，℃Va、ca、ta：助燃空气的体积、平均比热和温度，单位分别是：Nm3，kJ/(Nm3·℃)，℃n%：燃烧室热效率，这里设定n%=100%根据上述燃烧温度计算公式可见，一次空气系数加大，实际燃烧产物体积V会增加，从而导致燃烧温度急剧下降，从而有效抑制了NOx的生成。另外，供暖回水在燃烧器头部形成冷却回路，也降低了燃烧温度，也抑制了NOx的生成。一次空气系数加大后，燃气的气流速度会降低，而燃气的燃烧速度没有变化，从而会有回火倾向，但供暖回水冷却燃烧器头部后，燃烧速度也会降低，从而有效控制了回火现象的发生。再就是供暖回水将燃烧器头部热量带走后，供暖回水被加热，热效率会提高。4试验数据现以迪森18kW水冷燃烧冷凝壁挂炉为例（见上图），测试其NOx的含量及热工%rrraaaliQVctVctntVc性能：类别NOx排放量(α=1）CO排放量(α=1）热效率（60/80)热效率（30/50)水冷燃烧(18kW)10.5mg/m358ppm96.1%105.3%NOx排放量符合GB25034-2010中的5级标准，热效率达到GB20665-2006中的1级能效标准5总结水冷燃烧器特殊结构，使得燃气燃烧温度急剧下降，有效抑制了热力型NOx生成，同时供暖回水冷却燃烧器头部，降低燃气燃烧的速度，又有效地抑制回火现象的发生，从而使得水冷燃烧器真正成为厂商生产低NOx燃气具一种值得信赖的选择。参考文献：［1］同济大学，燃气燃烧与应用［M］．北京：中国建筑工业出版社，1988［2］张宁，黎彦民，徐麦建．水冷燃烧器在二级换热冷凝壁挂炉的应用研究［M］．中国土木工程学会．燃气分会．应用专业委员会．2015年年会论文集．［3］李继红．NOx的产生机理及排放控制技术［M］．