周偉業(yè), 劉文博, 楊麗杰, 呂昕宇, 秦寒生, 李曉鳴

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司城市燃氣熱力研究院,天津300384;2.國家燃氣用具質(zhì)量檢驗檢測中心,天津300384)

1 概述

提高天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例,對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高居民生活舒適度、推進節(jié)能減排有極其重要的戰(zhàn)略意義。2016—2021年我國家用燃氣快速熱水器(簡稱熱水器)的總銷量為7 166×104臺,燃氣供暖熱水爐(簡稱熱水爐)的總銷量突破了2 000×104臺。絕大多數(shù)熱水器和熱水爐的燃燒方式均為部分預混燃燒,這種燃燒方式下燃燒產(chǎn)物中的NOx含量較高。

2013年,國務院發(fā)布了《大氣污染防治行動計劃》,各地區(qū)尤其是北方地區(qū)加強了鍋爐污染物排放的限制。對于NOx的排放要求,北京和河北要求新建燃氣鍋爐不超過30 mg/m3,杭州和山東要求新建燃氣鍋爐不超過50 mg/m3,烏魯木齊和成都則分別要求新建燃氣鍋爐不超過40 mg/m3和60 mg/m3。

為了降低NOx排放,通常采用的控制技術(shù)包括低氮燃燒和煙氣處理技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)是指在燃燒過程中控制NOx生成,煙氣處理技術(shù)則是對煙氣中NOx進行處理,以減少污染物排放。煙氣處理技術(shù)對降低NOx雖然有效,但投資和運行成本都很高,對于家用燃具來說,采用煙氣處理技術(shù)在經(jīng)濟上沒有可實現(xiàn)性,因此,研究低氮/超低氮燃燒技術(shù)具有重要意義。

2 NOx生成機理

天然氣燃燒產(chǎn)生的NOx主要為熱力型NOx,即燃燒過程中空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx。燃燒溫度是熱力型NOx生成的關(guān)鍵性變量。其次,燃燒過程中,燃燒室內(nèi)的局部高溫區(qū)會產(chǎn)生較多的NOx,對整個燃燒室內(nèi)的NOx生成起重要作用。因此,降低熱力型NOx,除了降低燃燒溫度外,還要盡量使燃燒室溫度分布均勻,避免燃燒室產(chǎn)生局部高溫區(qū)。

天然氣燃燒過程中也會產(chǎn)生快速型NOx,快速型NOx主要是碳氫自由基與N2分子進行反應,形成胺和氰基化合物,再進一步轉(zhuǎn)變形成中間體,最終形成NOx。

3 低氮燃燒技術(shù)分析

目前熱水器和熱水爐常用的低氮燃燒技術(shù)主要以降低燃燒溫度、減少熱力型NOx生成為主。根據(jù)燃燒技術(shù)的不同,可以分為兩類,一類是采用新型燃燒器疊加新燃燒技術(shù)的結(jié)構(gòu),包括完全預混燃燒、水冷低氮燃燒、濃淡燃燒等,一類是改變?nèi)紵鞯娜細饪諝夤庀到y(tǒng),如煙氣再循環(huán)等。

3.1 完全預混燃燒

完全預混燃燒中,火孔熱強度大,燃燒溫度高,火焰長度短,不易產(chǎn)生局部高溫,同時火焰較短使得煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間很短。結(jié)合熱力型NOx生成機理可知,上述特點能夠抑制熱力型NOx的生成。對于部分預混燃燒,由于二次空氣有一定的流速,使得燃氣空氣混合氣與二次空氣燃燒時火焰長度較長,燃燒溫度較高,生成的熱力型NOx較多。

依據(jù)GB 25034—2020《燃氣采暖熱水爐》對部分預混和完全預混熱水爐額定熱負荷時進行NOx試驗,依據(jù)GB 6932—2015《家用燃氣快速熱水器》對熱水器額定熱負荷時進行NOx試驗。試驗結(jié)果顯示,部分預混式家用燃具額定熱負荷時煙氣中NOx體積分數(shù)大多分布在60×10-6～90×10-6范圍,而完全預混式家用燃具額定熱負荷時煙氣中NOx體積分數(shù)則能夠達到30×10-6甚至20×10-6以下。

相比部分預混式燃具,完全預混式燃具對燃氣品質(zhì)的要求較高,并且有復雜的燃氣與空氣比例控制系統(tǒng),只有在最優(yōu)的空燃比下,完全預混式熱水爐和熱水器的燃燒才能有最佳效果。由于完全預混式燃具的控制和結(jié)構(gòu)比部分預混式燃具更為復雜,其經(jīng)濟成本也更高。

3.2 水冷低氮燃燒器

熱水爐可以通過改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)和火孔形狀來實現(xiàn)低氮燃燒,所用燃燒器即水冷低氮燃燒器。水冷低氮燃燒器的頭部為平板式,其火焰面分布更為均勻,火孔相比常規(guī)燃燒器更細長,數(shù)量更多,火孔總面積也更大,火焰溫度分布更加均勻,不會產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象,能夠抑制NOx的生成。相比常規(guī)燃燒器的單排噴嘴,低氮燃燒器通常采用雙排噴嘴,對應的一次空氣量也更多,且火排之間的間隙較小,使得二次空氣量也較少,縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時間,從而抑制NOx的生成。另外,由于低氮燃燒器結(jié)構(gòu)的特殊性,燃燒器引射器周圍的冷卻水管能夠降低燃燒器表面對混合腔的預熱作用,降低了燃燒溫度,最終能夠減少NOx的生成。

依據(jù)GB 25034—2020對水冷低氮熱水爐進行額定熱負荷時NOx試驗,試驗結(jié)果顯示,額定熱負荷時煙氣中NOx體積分數(shù)能夠達到20×10-6,遠低于常規(guī)大氣式熱水爐的煙氣中NOx體積分數(shù)60×10-6～90×10-6。但熱水爐采用水冷低氮燃燒器時,可能會出現(xiàn)生活熱水模式下,無法在50%額定熱水熱負荷的狀態(tài)下維持正常燃燒的現(xiàn)象,不能滿足熱水爐能效的要求,同時還可能出現(xiàn)離焰燃燒工況下煙氣中CO體積分數(shù)過高,不能滿足GB 25034—2020要求的現(xiàn)象。

3.3 濃淡燃燒

濃淡燃燒是一部分燃氣在空氣不足的條件下燃燒,另一部分燃氣在空氣過多的條件下燃燒,主要通過濃淡燃燒器實現(xiàn)。濃淡燃燒器的局部結(jié)構(gòu)見圖1,濃淡燃燒火焰見圖2。

圖1 濃淡燃燒器局部結(jié)構(gòu)

圖2 濃淡燃燒火焰

濃淡燃燒器的單片燃燒器通常包含了火孔面積較大的濃燃燒器和火孔面積相對較小的淡燃燒器,濃燃燒器居中,淡燃燒器分布兩側(cè),兩者組合形成一個單片燃燒器。燃氣分別從大火孔和小火孔噴射燃燒,形成濃淡火焰。淡火焰區(qū)由于過?？諝庀禂?shù)較大,為完全預混燃燒,火焰較短。濃火焰由于過?？諝庀禂?shù)較小,燃燒過程中二次空氣量不足,火焰不完全燃燒,火焰被拉長。兩種火焰交替分布,濃火焰由于空氣不足,會抑制NOx的生成,而淡火焰則由于空氣過剩,降低了燃燒溫度,也能夠抑制NOx的生成。

依據(jù)GB 25034—2020對某濃淡燃燒熱水爐進行額定熱負荷時NOx試驗,試驗結(jié)果顯示,其額定熱負荷時煙氣中NOx體積分數(shù)能夠達到15×10-6,遠低于同類型常規(guī)大氣式熱水爐的NOx排放。對其進行NOx排放等級試驗,結(jié)果顯示,排放等級能夠達到5級(級別越高,NOx排放越低)。

當燃具使用濃淡燃燒器時,應注意當濃燃燒過剩空氣系數(shù)過小,燃燒室內(nèi)氧氣稀薄,空氣量不足,從而造成不完全燃燒,使煙氣中CO體積分數(shù)增加;當?shù)紵^?？諝庀禂?shù)過小,會形成離焰等不完全燃燒,煙氣中CO體積分數(shù)也會劇增,或者由于燃氣含量過低,難以點火燃燒。

3.4 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是在不改變?nèi)季呷紵鞯那疤嵯?通過對燃燒工況進行改良的一種降低NOx的燃燒技術(shù),即從排煙管中抽取一部分煙氣(主要成分N2、O2和CO2)進入燃燒密封腔,與助燃空氣混合后進入燃燒室參與燃燒,或者將煙氣回流管安裝至燃燒室,煙氣直接被送至燃燒室作為部分二次空氣進行燃燒。采用該技術(shù)時,NOx的降低程度主要取決于再循環(huán)煙氣量。

該技術(shù)主要利用了再循環(huán)煙氣的低氧低溫特點,利用氧氣體積分數(shù)較低的特點,煙氣與空氣混合后,在進氣量不變的前提下由于煙氣量的增加,減少了空氣量,從而降低了O2含量,導致火焰溫度以及高溫區(qū)的O2含量的降低,抑制了NOx的生成。利用低溫的特點,將再循環(huán)煙氣引射至燃燒室合理的區(qū)域,加入的煙氣通過吸熱可以降低高溫區(qū)溫度,減少NOx的生成。

選取一臺強制給排氣式熱水器并應用煙氣再循環(huán)技術(shù)對其進行改造,在給排氣煙管排氣管末端連接煙氣回流管,煙氣回流管連接至回流風機,回流風機通過熱水器左上方開孔將回流煙氣送至熱水器內(nèi)。試驗裝置見圖3。

圖3 試驗裝置

依據(jù)GB 6932—2015對樣機進行NOx試驗,試驗結(jié)果顯示,在全部燃燒器燃燒時,隨著煙氣再循環(huán)比例增加,煙氣中NOx體積分數(shù)呈指數(shù)型下降,而煙氣中CO體積分數(shù)呈冪函數(shù)型上升,根據(jù)CO的排放標準,認為煙氣再循環(huán)比例在35%最佳。在50%燃燒器燃燒時,煙氣中NOx體積分數(shù)在煙氣再循環(huán)比例為15%之前逐漸下降,而后出現(xiàn)波動趨勢,而煙氣中CO體積分數(shù)在煙氣再循環(huán)比例達到15%以后,出現(xiàn)迅速增長趨勢。

采用煙氣再循環(huán)時,為了達到最佳的降低NOx效果,需要確定不同負荷下的煙氣循環(huán)量,在實際應用中,則需要根據(jù)實時熱負荷進行實時煙氣再循環(huán)量調(diào)節(jié),導致控制系統(tǒng)比較復雜。

3.5 增加單片燃燒器數(shù)量

熱水爐和熱水器的熱負荷與火孔面積和火孔熱強度有關(guān)。在熱負荷保持不變的前提下,如果使火孔總面積增加,則火孔熱強度減小,直接導致燃燒溫度降低。根據(jù)NOx的生成條件可知,NOx的生成量就會有所降低。

對比同一制造商的2臺額定熱負荷均為20 kW且除燃燒器外結(jié)構(gòu)相同的熱水爐,單片燃燒器數(shù)量增加至常規(guī)配置數(shù)量的1.3倍,煙氣中NOx體積分數(shù)降低,額定熱負荷下煙氣中NOx體積分數(shù)由55×10-6降低至44×10-6。依據(jù)GB 25034—2020附錄H進行不同熱負荷下的NOx試驗,NOx折算值能夠降低至100 mg/(kW·h)(煙氣中NOx質(zhì)量濃度約為117 mg/m3)。對比另一制造商的2臺額定熱負荷均為20 kW且除燃燒器外結(jié)構(gòu)相同的熱水爐,當單片燃燒器數(shù)量增加到常規(guī)配置數(shù)量的1.6倍時,煙氣中NOx體積分數(shù)明顯下降,額定熱負荷下煙氣中NOx體積分數(shù)由60×10-6降低至45×10-6。依據(jù)GB 25034—2020附錄H進行不同熱負荷下的NOx試驗,NOx折算值能夠降低至70 mg/(kW·h)(煙氣中NOx質(zhì)量濃度約為82 mg/m3),能夠使熱水爐的NOx排放等級從3級升至4級。

對于要求NOx折算值在80 mg/m3以下的地區(qū),采用增加單片燃燒器數(shù)量降低氮氧化物排放比采用水冷燃燒器的成本更低。但試驗結(jié)果也顯示,增加過多數(shù)量的單片燃燒器,熱水爐的熱效率也會降低。

3.6 其他技術(shù)

① 改變一次空氣系數(shù)

當一次空氣系數(shù)逐漸增大時,燃燒速度變快,反應時間縮短,火焰長度逐漸減小,外焰擴散火焰與二次空氣的接觸面減小,燃燒產(chǎn)物出口速度相比一次空氣系數(shù)較小時略有增加,因此,O2在高溫區(qū)的停留時間縮短,減少了O與N的反應,導致NOx生成減少。同時由于一次空氣系數(shù)增大,會使燃氣燃燒更充分,釋放出的熱量會更多,局部火焰溫度會略有升高,導致熱力型NOx增加。相比而言,在此過程中O2在高溫區(qū)停留時間的縮短起主導作用,總體上NOx呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

以某臺熱水爐為例,通過改變熱水爐的噴嘴直徑和引射距離改變一次空氣系數(shù),并依據(jù)GB 25034—2020進行額定熱負荷下的NOx試驗,結(jié)果顯示,當引射距離從5.5 mm增加至13.5 mm時,NOx體積分數(shù)從65×10-6降至60×10-6;當噴嘴直徑從1.35 mm減小到1.22 mm時,NOx體積分數(shù)從61×10-6降至58×10-6。隨著一次空氣系數(shù)增加,熱水爐額定熱負荷下的NOx體積分數(shù)略微下降。

② 助燃空氣加濕

空氣中水蒸氣的含量不同,空氣相對濕度不同,燃燒溫度會有所改變。空氣相對濕度越大,含濕量越高,燃燒溫度越低,生成的熱力型NOx越少。

不同學者對空氣加濕抑制NOx生成的機理有不同看法,文獻[1]認為助燃空氣含濕量的提高降低了助燃空氣中的含氧量,增加了空氣熱容,會影響燃燒室內(nèi)的流場分布、火焰形態(tài)與火焰?zhèn)鞑ヌ匦?使得燃氣鍋爐燃燒室的燃燒溫度降低,減少了NOx生成。文獻[2]則指出,對于碳氫燃料,濕空氣中H2O的作用有兩方面,一方面空氣加濕會使燃燒溫度降低,從而減少熱力型NOx的生成,另一方面抑制了H基、CH3基和CH2基的生成,同時H2O和O基反應生成OH基,并促進了CHi自由基和OH基的反應,抑制了CHi自由基和N2的反應,從而減少了快速型NOx生成。

依據(jù)GB 25034—2020對某臺熱水爐進行了不同空氣相對濕度下額定熱負荷時的NOx試驗,試驗結(jié)果顯示,隨著空氣相對濕度從15%增加至70%,額定熱負荷時煙氣中NOx體積分數(shù)從66×10-6逐漸降低至56×10-6,空氣相對濕度每增加10%,煙氣中NOx體積分數(shù)降低約2×10-6。

4 結(jié)論

① 完全預混燃燒、水冷低氮燃燒器、濃淡燃燒均能實現(xiàn)額定熱負荷時NOx排放較低,但各技術(shù)也有相應的難點。完全預混燃燒對燃氣空氣比例控制要求高,只有在最優(yōu)的空燃比下,完全預混燃燒才能有最佳效果,且經(jīng)濟成本較高。水冷低氮燃燒器容易產(chǎn)生離焰等問題,不易滿足GB 25034—2020的要求。濃淡燃燒的過剩空氣系數(shù)過小時,煙氣中CO體積分數(shù)過高,不易滿足GB 25034—2020的要求。

② 對于煙氣再循環(huán)技術(shù),需要確定合理的煙氣再循環(huán)比例才能夠?qū)崿F(xiàn)低氮燃燒。

③ 增加單片燃燒器數(shù)量能夠降低額定熱負荷下的煙氣中NOx體積分數(shù),且使常規(guī)大氣式熱水爐的NOx排放等級從3級升至4級,經(jīng)濟成本相比其他技術(shù)更低。

④ 由于熱水爐和熱水器的體積偏小,改變一次空氣系數(shù)或助燃空氣加濕雖然能夠降低煙氣中NOx體積分數(shù),但實際試驗結(jié)果顯示降低效果有限。