燃气热水器之燃烧系统5-浓淡燃烧(万和新电气股份有限公司)

之燃烧系统5-浓淡燃烧编制：热水器研发代先锋dai_money@燃烧是物质因剧烈氧化而发光、发热的现象，也称之为火。

燃气热水器研发NOX 来源、特性与危害NO X 生成机理案例低氮氧化物技术现状浓淡燃烧法NO X来源、特性与危害氮氧化物是矿物燃料（如石油、煤、天然气等）与氧在高温燃烧时产生的。

其包括一氧化二（N2O）、一氧化氮（NO）、三氧化二氮（N2O3）、二氧化氮（NO2）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化（N2O5 ），一般来说，NOX是指NO2和NO。

NO是无色无臭的气体，它在空气中极易氧化为NO2。

NO2是一种红棕色有害的恶臭气体。

其含量为0.1ppm时可嗅到，1-4 ppm时，有恶臭，而达到25ppm时，则恶臭难闻。

空气中NO2含量为3.5ppm 持续1小时，开始对人有影响；含量为20—50ppm时，对人眼睛有刺激作用；当含量达到150ppm时。

对人的呼吸器官则有强烈的刺激。

特别危险的是，器官经过刺激暂时恢复以后，只要3—8小时会发生肺气肿，引起致命的危险。

二氧化氮在阳光作用下，经过系列连锁反应可生成臭氧。

臭氧是一种有毒的、危险的刺激物。

NO、NO2都是毒性很强的气体，与CO一样，NO与血液中的血色素（Hb）的结合能力远大于氧原子与血色素（Hb）的结合能力，因而当空气中NO含量达到一定浓度时，人体将因血液中缺氧而引起中枢神经麻痹。

由于NO比CO更易于血色素（Hb）结合，因而其引起人体不良反应的最大允许值比CO更低（表1）。

NO在空气中极易形成NO2，NO2对呼吸器官有极强的刺激作用，NO2对心脏、肝脏、肾脏都有不同程度的影响。

尽管NO，NO2对人体的危害远大于CO，但是我国早已制定了民用燃具的CO排放标准，厂家在燃气具的设计生产各个环节中，都极其重视这一指标标，而NOx却未给于足够的重视，究其原因：(1)人们对NO x威害认识不足(2)比CO毒性大的NOx没有像CO那样造成人身伤亡事故的发生一方面是由于NOx浓度尚未达到MVP值；另一方面与CO、NOx的产生机理有关燃烧总是向不完全的方向发展，尤其是在空间比较封闭、通风不畅的房间，如厨房间、卫生间。

由于燃烧造成的局部空间氧含量的降低反作用于燃烧本身，使燃烧变得不完全，燃烧温度降低，其结果使燃气具的NOx排量降低，同时CO排量急剧增加，其关系如图2。

正是基于这种不同的产生机理，才造成每年都有人因CO 中毒身亡，而不会有人NOx中毒。

NO X生成机理作为城市空气尤其是室内空气的主要污染物之一，氮氧化物危害已经越来越引起人们的警觉。

在室外，汽车尾气是氮氧化物的主要来源；在室内，氮氧化物主要来自各种燃气用具，产生于烹饪和取暖过程中燃料的燃烧。

因此，燃气热水器生产厂家近年来开始了低NO X燃气热水器的研究和开发。

低NO X燃具的开发成为厂家新的增长点。

氮氧化物NOx是一切氮的氧化物的总称，包括一氧化氮（NO），二氧化氮（NO2）和氧化亚氮(N2O)等，燃烧装置排放的NOx90％以上是NO，故在各种研究中NOx的生成机理主要是针对NO。

按生成机理不同，可将NO生成分为热力型（T-NO）、快速型（P-NO）、燃料型（F-NO）氮氧化物。

民用燃气具燃烧产生的氮氧化物主要是热力型（T-NO）、快速型（P-NO）的。

1、热力型NO （T ‐NO ）热力型氮氧化物是由空气中的N 2和O 2在高温下生成的，其生成机理是由原苏联泽尔多维奇(Zeldovich)于1946年提出的。

其生成，此时的氮氧化物主要在火焰带后端生成，其生成机理为：O+N 2<=>NO+N （1）N+O 2<=>NO+N （2）N+OH<=>NO+O （3）前人的研究结果表明：在燃气燃烧过程中影响热力型氮氧化物生成的主要因素是：a.温度（关键因素）b.过剩空气系数（一次空气系数）c.烟气至排气口处的作用时间(在高温下)d.熱负荷升，NO剧增。

b.过剩空气系数（一次空气系数）α影响O2浓度和燃烧温度。

当α接近1时，NO生成量最大。

因为当α远小于1时，燃料过浓，O不易与N2生成NO；而当α远大于1时，燃烧温度降低，NO也减少。

c.烟气至排气口处的作用时间(在高温下)烟气停留时间长，特别是在高温下停留时间长，NO生成量增加。

NO生成量随着熱负荷增加而增加热力NO生成浓度与过剩空气系数和停留时间的关系热力NO生成浓度与过剩空气系数和空气预热温度的关系由此可此,控制温度型NO生成的方法1. 降低燃烧温度水平；2. 降低氧气浓度，在浓燃料下燃烧；3. 缩短烟气在高温区内停留时间；4. 使燃烧在远离α=1的条件下进行。

2、快速型NO（P-NO）快速型氮氧化物是费尼摩利（Fenimore）1971年首先发现的，该种NO主要是碳氢系燃料在一次空气系数为0.7-0.8时燃烧生成，其生成地点不是在火焰面的下游，而是在火焰的内部。

对于一般的烃类燃烧，快速型NO生成量较热力型NO生成量来的少(小一个数量级)。

3、燃料型型NO（F-NO）以化合物形式存在于燃料的氮原子在燃烧过程被氧化而生成。

生成温度600-700℃，具有中温生成特性。

气体燃料中氮的化合物很少，可不考虑。

低氮氧化物技术现状低氮氧化物技术已经有四、五十年的发展历程，并且已在大型燃烧装置上有广泛应用，应用到民用燃具上的低氮氧化物技术研究起步相对较晚.当前民用燃具低NOx技术主要分为两类，一类是改变燃烧器的燃料、空气供应系统，一类是改变燃烧器的头部。

前者包括：（1）增加一次空气混入量；（2）烟气再循环；（3）分段燃烧；（4）燃烧延迟；（5）加湿技术。

后者包括：（6）火焰冷却体内插；（7）大气式燃烧器再设计；（8）大气式燃烧器更替。

1、增加一次空气混入量对于预混火焰而言，当一次空气系数从0.5增加到1.5时，NOx排放量将从150ppm减少到70ppm以下。

超过化学计量比以后增加空气将会稀释烟气，使得燃烧的烟气温度1900°C 降到1200°C，这是NOx产生量减少的主要原因。

增加一次空气量方法（一次空气系数可达1.5以上）：增大文丘里管加设辅助风机/提高燃气或者空气压力/风机加文丘里管/该方法已被日本的东京煤气公司、日本林内公司用来开发低NOx热水器，其产品已经上市，其NOx排量可以达到50 ppm-40 ppm （0% O2）2、烟气循环烟气循环可以通过浮力、引射、风机三种方式实现。

被冷却的烟气与空气混合进入燃烧器，循环烟气对一次空气进行了稀释，使得混合气的氧浓度（体积浓度）从21%降到18%。

这就使得燃烧温度降低。

在大型燃烧器上的研究表明，当一次空气中混入30%的回流烟气后，燃烧产生的NOx将降75%。

烟气再循环装置已经用在工业燃烧器来减少NOx生成，但尚未应用于民用燃烧装置。

由于这种方法可以大幅度降低NOx，所以一些研究人员正在进行民用燃具的烟气再循环技术开发。

部分烟气循环与新鲜燃气混合，降低燃烧温度，因而降低NO；同时利于着火。

3、分段燃烧分段燃烧将燃烧分为两段（或多段），第一段为一次空气系数小于1的富燃段，第二段为贫燃区，在两段之间为冷却装置。

在相同的空气供应量的情况下，分段燃烧方式的温度比普通燃烧方式低。

从理论上说，可以分更多段来达到更好的效果，但是这将增加生产成本和运行成本，生产和运行也会变得复杂化。

美国的Burnham、Empire Comfort、Trane等公司与GRI联合开发了多种分段燃烧民用燃气具。

其Burnham和GRI联合开发的低NOx锅炉NOx排放为33ppm（0% O2），此时的CO排量低50ppm，该燃烧装置同时具有内烟道烟气循环系统。

空气分段或燃料分段。

降低火焰平均温度和峰值温度，降低NO。

空气分段燃烧器空气分级燃烧法是将燃烧用的空气分两级送入，在第一级燃烧区，从主燃烧器供入炉膛总燃烧空气量的70%~75% （相当于理论空气量的80%左右），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。

在第一级燃烧区内过量空气系数α<1，从而降低了第一级燃烧区的燃烧速度和温度水平。

由于是缺氧的富燃料燃烧，不但延迟了燃烧过程，而且使燃料在还原性气氛中燃烧，燃烧生成CO ，燃料中的氮将分解生成HN 、HCH 、CN 、NH 3和NH 2等，它们相互复合或将已有NOx:还原分解，因而抑制了燃料NOx 的生成。

同时由于降低了火焰的峰值温度，从而也降低了热力NOx 的生成量。

为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则在第二级燃烧区送入，使燃料进入空气过剩区域燃尽。

虽然这时空气量多，但由于火焰温度较低，所以在第二级燃烧区内也不利于NOx 的生成。

由于整个燃烧过程所需空气是分两级供入炉内，使整个燃烧过程分为两级进行，故称之为空气分级燃烧法。

分级燃烧降低NOx 的原理•空气分级燃烧这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点，但是如果第一级和第二级的空气比例分配不当或炉内混合条件不好，仍然会增加不完全燃烧的损失。

•分级燃烧有两类：一类是燃烧室中的分级燃烧；另一类是单个燃烧器的分级燃烧。

4、燃烧延迟在这种燃烧方式中，燃料在大空间内均匀分布，并在较长时间内缓慢放热来，从而获得低NOx燃烧效果，可以这样认为：燃烧延迟是一种连续性的分段燃烧。

这种燃烧方式可以使燃烧在持续相对低温的状态下连续进行，从而减缓NOx 生成。

在1994年前后，Raghavan和Reuther 等人提出了四种使用燃烧延迟方式的燃烧器，其中三种适用于热水器，但后来并没有大量商业应用。

5、加湿技术加湿技术可以通过下述四种方式实现：向助燃空气中喷水/向燃烧室喷水/向助燃空气或燃料中喷射蒸汽/向燃烧室喷射蒸汽喷射水的作用有两个：水蒸发将吸收大量的燃烧热；水蒸气稀释燃烧烟气。

这两个作用都可以使燃烧的温度降低。

尽管加湿技术可以减少50-60%的NOx生成，但是在民用燃具上的应用却受到了很大限制，这主要是因为加湿使得热效率大幅度低。

与燃烧延迟技术相同，该技术现在还没有应用到民用燃具上。

6、火焰冷却体内插降低火焰温度的最简单办法是在火焰中插入一个冷却体，由于火焰温度降低，从而使得热力型NOx产量降低。

可用于大气式燃烧器的火焰内插冷却体有：（1）用于热水器和空间加热器的环形固体冷却体（2）应用于壁炉的棒形固体冷却体（3）多孔板（4）应用于壁炉的中空固体冷却体(5)与燃烧器集成的微型针状冷却体，此冷却体不伸入火焰。

大多数火焰冷却体内插燃烧器的NOx排量可以降低60%，但是CO产量会升高。

这主要是因为燃烧的其他条件并没有变化，只有燃烧温度降低了，燃烧温度的降低将导致CO产量增加。

美国的DSL、Lennox公司开发了基于火焰冷体内插的低NOx燃烧器。

其中DSL公司的产品中使用了多孔陶瓷或金属制作的冷却体，使得其燃烧器的NOx排量将少50-80%（一次空气系数为0.85-1.0）。