降低常规大气式壁挂炉NOX排放实验研究
2015-03-09 09:48 来源：广东万和新电气股份有限公司 浏览量：10143
1 前言
随着国内PM2.5污染日益严重，人们对低污染排放产品的关注度越来越高，国内各大城市相继出台政策以控制污染物排放，同时也促使相关产品进行技术升级。对于壁挂炉产品，国标GB25034-2010《燃气采暖热水炉》对氮氧化物（NOX）污染物排放进行了5级划分。目前国内市场上销售的壁挂炉当中，普通大气式壁挂炉的销售量占90%，而这种传统大气式壁挂炉的氮氧化物污染物排放基本维持在国标4级范围内，随着氮氧化物排放要求的提高，未来将成为一个强制性指标。
2 氮氧化物生成机理
燃气壁挂炉燃烧排出的烟气中，氮氧化物NOX主要包括NO和NO2，其NO占总NOX的90%～95%，NO随烟气排入大气后，与空气中的氧反应生成NO2，因此在讨论NOX生成机理时，主要是针对NO，研究指出，按照其生成机理的不同一般分为三类:
（1）热力型:由燃烧空气中的氮在高温下氧化生成，根据泽尔多维奇的热力型NOx生成理论,其化学反应过程是：
① N2+ONO+N
② N+O2NO+O
③ N+OHNO+H
④ N2+OHN2O+H
⑤ N2+O2N2O+O
⑥ N2O+ONO
从上述反应得知：1、燃烧过程中主要生成物为NO；2、NO的生成速度主要取决于上述①、②两个反应，其余四个反应对NO的生成，影响相对较小；3、由NO进一步氧化为NO2是在温度低的条件下进行的，因此NO2大多是在NO随烟气排入大气后生成；4、前面①、②两个反应是吸热反应，因此NO的生成速度受燃烧温度的影响最大，燃烧温度越高生成的NO也越多，所以，通常总是把NOX看做是高温燃烧的产物。
（2）燃料型：由燃气中的氮化合物在燃烧过程中氧化而成。
（3）快速型：由燃气中的碳氢化合物CmHn在高温下与空气中的N2反应生成。
其中热力型NO占90%左右，因此如果要降低NO排放量，重点应该放在降低热力型NO。
3 试验与分析
我们对目前市场上销售的一款普通大气式燃烧器壁挂炉进行测试分析，通过实验来寻找和验证降低氮氧化物排放的方法。
测试基本参数：额定输入功率——26kW，火排数——11排，试验压力——2000Pa，城镇天然气。
3.1 火焰不同位置温度及NO浓度变化
在对整机结构设计参数影响氮氧化物生成的试验分析前，首先了解燃烧后火焰不同位置氮氧化物的分布，分析影响氮氧化物生成的主要因素。在燃烧室盖板上开8个取样点，分别设定好到燃烧器火孔的距离，利用烟气分析仪及表面温度计进行测量，读取各取样点温度及NO的浓度值。
将取样点②-⑧测得的NO含量转换成如图3曲线。
从图2、3测试数据可知：（1）烟气温度最高出现在内焰顶端,达到1250℃，外焰温度有所下降，顶端温度为1170℃，离开外焰顶端烟气温度基本在800℃范围变化；（2）NO增长主要集中在内焰以及外焰的高温区域，800℃左右的区域NO增长幅度很小。从测试结果及NO生成机理可知，热力型NO的生成具有如下特点：a、燃烧温度越高，NO的生成速率越大，生成的NO越多；b、在高温区停留时间越长，NO产生越多；c、NO主要生成于火焰的高温区域。根据热力型NO生成特点，要降低NO生成需降低火焰温度，缩短高温区以及减少烟气在高温区的停留时间。
3.2 整机设计参数对NO排放影响
由于火排功率、过剩空气系数以及喷嘴孔径大小对火焰的温度以及高度，烟气流速等有不同程度的影响，以下通过试验来分析其对氮氧化物生成的影响，找出降低NO排放的设计方向。
3.2.1 火排功率对NO排放的影响
通过改变壁挂炉燃气比例阀的二次压力，降低热输入使得燃烧器的火排功率发生变化，同时在保证过剩空气系数（α=2，即烟气中的氧含量维持在10.5%左右）不变的情况下进行测试，利用烟气分析仪测得烟气中NO，CO含量变化见表1、图4。
从上述图表可看出，当壁挂炉输入功率由26kW降低到11kW时，单个火排功率由2.36kW降低到1kW时，NO排放量随着负荷的减少，但下降幅度并不大，而CO排放量降低幅度较大。
3.2.2 过剩空气系数对NO排放的影响
在保持壁挂炉额定热输入不变的情况下，通过调节排烟口开度来改变过剩空气系数，观察NO与过剩空气系数的关系，利用烟气分析仪测得烟气中O2，NO，CO含量变化如下：
从上述图表可看出，烟气中过剩空气系数由1.5增加到3.2（氧含量由7.0%增加到14.4%）时，NO降低40%，降低幅度明显。这是由于过剩空气系数增加，参与燃烧的空气量增加，带走的热量增加，降低了火焰燃烧温度，减少NO生成。但随着过剩空气系数的增加，热效率同时也降低。
3.2.3 喷嘴孔径对NO排放的影响
在保持额定热输入不变，火排数相同的情况下，分别采用不同孔径的喷嘴进行测试，利用烟气分析仪测得烟气中NO，CO含量变化如下：
从上述图表可看出，改变喷嘴孔径大小，对NO排放影响较为明显。这是由于喷嘴孔径减少时，需要增加喷嘴前的二次压力，以保持额定热输入不变。二次压力越大，从喷嘴喷射出的燃气速度越高，卷入的空气量越多，一次空气系数也就越大，使得燃烧外焰降低，减少了高温区域，减少NO生成。但由于受燃气二次压力限制，喷嘴直径只能在小范围减少。
4 总结
在保持现有燃烧器结构不变的情况下，虽然可以通过调整火排功率，过剩空气系数，喷嘴孔径等方法降低NO生成，然而降低幅度有限。因此常规壁挂炉要实现更低氮氧化物排放，应从燃烧器的结构上进行改进，同时改进的方向必须遵循以下三个原则：1）降低燃烧温度，消除局部高温；2）燃烧在远离理论空气比的条件下进行；3）缩短在高温区的停留时间。
参考文献
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