史炬 國(guó)家燃?xì)庥镁弋a(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（佛山）

一、低氮燃燒器

燃燒器是燃?xì)獠膳療崴疇t中的重要部件，它關(guān)系到燃?xì)馐欠穹€(wěn)定著火燃燒和燃燒后污染物的形成，因此，要抑制NOx的生成量就需要對(duì)燃燒器進(jìn)行研究。低氮氧化物燃燒器，是指燃料燃燒過程中產(chǎn)生較低NOx的燃燒器，采用低NOx燃燒器能夠有效降低燃燒過程中氮氧化物的排放[1]。

在燃?xì)馊紵a(chǎn)生煙氣中的氮的氧化物主要為NO和NO2，一般通稱為氮氧化物NOx。在對(duì)燃?xì)獠膳癄t的煙氣分析表明，燃燒裝置排放的氮氧化物主要為NO，約占90%～95%，而NO2僅占5%～10%左右。一般燃?xì)馊紵傻腘O主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是空氣中的氮，在燃燒時(shí)的高溫下氧化成一氧化氮；二是燃?xì)庵兴镌谌紵^程中熱分解再氧化。在燃?xì)馊紵^程中，前者是NO的主要來(lái)源，后者的含量極少可以忽略不計(jì)（燃?xì)庵械牡飿O少）。NO的生成速度受燃燒溫度的影響最大，燃燒溫度越高生成的NO也越多，研究表明，在燃?xì)獠膳療崴疇t上，一些有效又簡(jiǎn)便的低氮燃燒方法是：完全預(yù)混燃燒；濃淡燃燒；在火焰中布置冷體。

下圖是一種已經(jīng)成熟的應(yīng)用在燃?xì)獠膳癄t上的水冷式低氮燃燒器，特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于大氣式燃燒器的。與普通“口琴式”大氣式燃燒器相比，該水冷式燃燒器采用直立式結(jié)構(gòu)，可燃?xì)怏w混合物從下向上流動(dòng)，直至火孔表面被點(diǎn)燃燃燒，，燃燒器的流動(dòng)阻力小，能獲得較大的一次空氣系數(shù)。較大的一次空氣系數(shù)能增加一次空氣量，可有效的降低燃燒溫度，最關(guān)鍵在于該低氮燃燒器設(shè)計(jì)了冷卻水管，該水管穿過整個(gè)燃燒器，同時(shí)采用導(dǎo)熱性極好的紫銅作為冷卻水管材料，使用較低溫的采暖管路回水對(duì)燃燒器表面進(jìn)行冷卻，有效的降低了燃燒溫度，從而有效的抑制了NOx的生成。

圖1 某種低氮水冷型燃燒器

將一臺(tái)額定熱輸入26Kw的燃?xì)獠膳療崴疇t，在實(shí)驗(yàn)室分別使用普通大氣式燃燒器和圖1的低氮水冷型燃燒器，使用燃燒煙氣分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

表1 兩種燃燒器的NOx排放濃度

燃?xì)夥N類 —— 12T 12T單位轉(zhuǎn)換因子 —— 1.7554 1.7554基準(zhǔn)條件下NOx折算值 mg/kw·h 132.6 23.4 NOx濃度上限（1級(jí)：260，2級(jí)：200，3級(jí)：150，4級(jí)：100，5級(jí)：70）mg/kw·h 3級(jí) 5級(jí)

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，采用普通燃燒器和采用低氮燃燒器的同一臺(tái)采暖爐在同等試驗(yàn)條件下，燃燒煙氣中的NOx含量從132.6 mg/kW·h降低到了23.4 mg/kW·h。按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB25034《燃?xì)獠膳療崴疇t》的NOx排放等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，排放量從普通的3級(jí)提升到了最低排放的5級(jí)，降低NOx排放的效果非常顯著。

二、冷凝式換熱燃燒

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)的燃?xì)獠膳療崴疇t上使用的普通換熱器，供暖熱效率已經(jīng)達(dá)到90%左右，達(dá)到了我國(guó)能效標(biāo)準(zhǔn)GB 20665-2015《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級(jí)》中二級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的要求。

傳統(tǒng)采暖熱水爐排放的煙氣一般還具有相當(dāng)高的溫度（100～200℃），煙氣中水蒸氣仍處于過熱蒸汽狀態(tài)，沒有凝結(jié)成為液態(tài)水而放出汽化潛熱。為了進(jìn)一步提高能源使用效率，燃?xì)饩咝袠I(yè)內(nèi)開始研究在普通換熱器的基礎(chǔ)上附加一個(gè)冷凝式換熱器，目的就是利用該裝置來(lái)吸收采暖爐煙氣中的顯熱和水蒸汽凝結(jié)所釋放的潛熱，以達(dá)到提高采暖爐熱效率的目的。

冷凝式采暖爐能夠回收的水蒸氣凝結(jié)熱的多少與燃料的種類（化學(xué)成分）和冷媒介質(zhì)的溫度高低有關(guān)。對(duì)天然氣采暖爐來(lái)說，因?yàn)闅怏w燃料的高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量相差最大，因此熱效率提高得最多。為了防止換熱器冷凝液腐蝕，換熱器一般采用不銹鋼和硅鋁材質(zhì)來(lái)制造[3]。

以下是一種典型的應(yīng)用于冷凝式采暖爐的硅鋁材質(zhì)的冷凝式換熱器。該換熱器結(jié)構(gòu)是將低溫進(jìn)水管置于高溫?zé)煔庵?，利用大量銅質(zhì)翅片換熱，盡可能吸收高溫?zé)煔庵械钠瘽摕?，從而提高進(jìn)水溫度。進(jìn)而提高采暖爐的熱效率。

圖2 某種冷凝式換熱器

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試使用圖2的冷凝式換熱器的采暖熱水爐，其熱效率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表2 冷凝式換熱器的采暖爐熱效率

試驗(yàn)中測(cè)得該采暖爐的煙氣的排放溫度為60～70℃，煙氣中的水蒸氣的部分汽化潛熱得到了較好的利用，上表的試驗(yàn)結(jié)果表明其熱水、供暖熱效率達(dá)到了GB20665規(guī)定的一級(jí)能效。高于使用普通換熱器的二級(jí)能效。

三、全預(yù)混燃燒

全預(yù)混式燃燒是一種高效，節(jié)能環(huán)保的燃燒方式，實(shí)通過降低燃燒中的一次空氣系數(shù)a1（理論上在1.05≤a1≤1.1），燃燒時(shí)的理論溫度可達(dá)1800℃以上，國(guó)外的全預(yù)混燃燒技術(shù)在采暖熱水爐上的運(yùn)用已經(jīng)非常廣泛，其技術(shù)原理如下[4]：

轉(zhuǎn)速可調(diào)風(fēng)機(jī)（變頻風(fēng)機(jī)）能控制燃燒空氣的吸入量，從而控制采暖爐系統(tǒng)的功率變化，采用全預(yù)混燃燒器的燃?xì)獠膳療崴疇t，其熱負(fù)荷大小由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，風(fēng)量增加，通過恒比例燃?xì)?空氣混合裝置，進(jìn)入燃燒器的燃?xì)庖渤杀壤黾?，從而提高燃燒器的熱?fù)荷。要降低燃燒器的熱負(fù)荷，其過程則與上述相反。因此，全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t一般使用可無(wú)級(jí)調(diào)速的無(wú)刷直流電機(jī)。作為風(fēng)機(jī)電機(jī)為燃燒器提供空氣，并在控制器集成調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獠膳療崴疇t熱負(fù)荷的連續(xù)可調(diào)。無(wú)刷直流電機(jī)使用低壓直流電源（一般12V～48V）供電。目前新型的控制器一般集成了整流電路部分，可將交流電壓（如AC 220V）直接轉(zhuǎn)換為風(fēng)機(jī)所需的直流電壓；

燃?xì)獗壤y根據(jù)風(fēng)機(jī)提供的空氣量的變化調(diào)整輸入燃?xì)饬康淖兓?，使空燃比在整個(gè)采暖爐功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)恒定，不需要額外的2次燃燒空氣的補(bǔ)充，保證穩(wěn)定燃燒狀態(tài)；

系統(tǒng)需要混合器來(lái)協(xié)助空氣與燃?xì)獾某浞只旌?，混合器的方式有很多種，目前最普遍的是文丘里結(jié)構(gòu)；

全預(yù)混燃燒過程；首先轉(zhuǎn)速可調(diào)（變頻）的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，在與其連接的混合腔中產(chǎn)生一定的負(fù)壓，一部分空氣在負(fù)壓作用下進(jìn)入混合腔內(nèi)；同時(shí)，燃?xì)獗壤y得到來(lái)自混合腔內(nèi)的風(fēng)壓反饋信號(hào)，將燃?xì)獗壤y內(nèi)的開關(guān)閥打開，并且根據(jù)風(fēng)壓信號(hào)調(diào)整燃?xì)忾y的開度，相應(yīng)體積的燃?xì)鈴娜細(xì)忾y進(jìn)入混合腔中與空氣進(jìn)行混合，在風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)一步混合達(dá)到充分預(yù)混的狀態(tài)，隨后進(jìn)入燃燒器的表面，由點(diǎn)火器發(fā)出的火花引燃，開始燃燒過程。

以下是兩種結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)全預(yù)混式燃?xì)獠膳癄t，在結(jié)構(gòu)上類似國(guó)外的同類產(chǎn)品，采用轉(zhuǎn)速可調(diào)（變頻）的風(fēng)機(jī)，將特定比例的燃?xì)馀c空氣混合氣體鼓入燃燒器然后點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生的煙氣通過冷凝換熱器釋放熱量，產(chǎn)生的冷凝水通過燃燒器底部的塑料管路排出。全預(yù)混燃燒技術(shù)再加上冷凝式換熱，優(yōu)化燃燒并吸收了煙氣中的顯熱和水蒸汽凝結(jié)所釋放的潛熱，達(dá)到了非常好的節(jié)能效果。

圖3 兩種全預(yù)混式燃?xì)獠膳癄t的結(jié)構(gòu)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)分別對(duì)圖3兩種采暖熱水爐的熱效率測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表3 兩種結(jié)構(gòu)的全預(yù)混式燃?xì)獠膳癄t熱效率

這兩種結(jié)構(gòu)的燃?xì)獠膳療崴疇t的試驗(yàn)結(jié)果表明，額定熱負(fù)荷的供暖熱效率達(dá)到了非常高的102.9～106.5%，30%額定熱負(fù)荷的供暖熱效率也達(dá)到了非常高的105.4～105.3%。可以看出，全預(yù)混加冷凝換熱是一種高效節(jié)能環(huán)保的燃燒方式。