灶前壓力對家用燃氣灶煙氣排放的影響

戴書生 史炬 戴奕藝

國家燃氣用具產品質檢監督檢驗中心（佛山） 廣東佛山 528000

隨著人們生活水平的改善，家用燃氣灶具已經走進千家萬戶。燃氣灶具的普及方便了人們生活的同時，對大氣造成的污染，擺在了科研人員的面前，如何生產出高效節能的產品越來越受到企業和社會的重視。紅外線燃氣灶較好的解決了這個問題，本文將通過對紅外線燃氣灶的燃燒過程進行分析，研究不同灶前壓力下大氣式燃氣灶和紅外線燃氣灶在標準狀態下燃燒的煙氣排放的差別。

1 灶前壓力對燃燒器煙氣排放的影響

圖1是兩種燃氣灶燃燒煙氣中CO和CO2排放濃度隨灶前壓力變化的示意圖（三角折線表示大氣式燃氣灶；圓形折線表示紅外線燃氣灶；黑線表示CO排放濃度；紅線表示CO2排放濃度）。可以看出，隨著灶前壓力的增大，大氣式燃氣灶燃燒產生的CO濃度呈指數函數遞增，當灶前壓力達到4000Pa時，CO排放濃度高達494PPM；而CO2排放濃度隨灶前壓力以正比函數遞增，在4000Pa的灶前壓力下CO2排放濃度達10.38%。相比大氣式燃氣灶，紅外線燃氣灶燃燒產生的CO隨著灶前壓力的增大基本不變，始終維持在14PPM，其燃燒產生的CO2隨灶前壓力的變化與大氣式燃氣灶類似，在4000Pa的灶前壓力下CO2濃度達到9.78%。這是因為隨著灶前壓力的增大，大氣式燃氣灶中燃氣與空氣的預混效果相比標準狀態下（2000Pa）產生偏差，隨著灶前壓力的增大，燃氣與空氣比例嚴重失衡，最終造成大氣式燃氣灶在3000Pa以上的灶前壓力下發生惡性燃燒，CO濃度由83PPM迅速遞增到494PPM。而紅外線燃氣灶由于燃燒器內部分布大量的微孔，使得燃氣與空氣不管在多大的灶前壓力下均能得到很好的效果[1]，雖然由噴嘴引入的一次空氣量與大氣式燃氣灶差不多，但在燃燒器表面大量的微孔使得二次空氣的補充更加均勻，并且由于紅外燃氣灶的無焰燃燒技術造成熱氣流是發散式的，冷空氣從四周引入，達到了非常好的二次預混效果，而大氣式燃氣灶的熱煙氣自下而上排放，冷空氣只能與邊緣的噴火孔有很好的預混效果，內部火孔附近二次空氣量極少，燃燒不充分。此外，大氣式燃氣灶和紅外線燃氣灶CO2排放均隨著灶前壓力的增大而增大，這是因為隨著灶前壓力的增大，單位時間內的燃氣耗氣量也隨著增大，自然造成CO2的排放量增大。因此紅外線燃氣灶相比大氣式燃氣灶在灶前壓力的變化下煙氣排放具有更好的穩定性。

圖1 灶前壓力對燃氣灶燃燒煙氣中CO和CO2排放濃度的影響

圖2是兩種燃氣灶燃燒煙氣中NOx和O2排放濃度隨灶前壓力變化的折線圖（三角折線表示大氣式燃氣灶；圓形折線表示紅外線燃氣灶；黑線表示O2排放濃度；紅線表示NOx排放濃度）。從圖中可以看出，兩種燃氣灶燃燒煙氣中NOx的排放濃度均隨著灶前壓力的增加而增大，兩種燃氣灶燃燒煙氣中O2排放的濃度均隨著灶前壓力的增大而減小。這是因為隨著灶前壓力的增大，單位時間內的燃氣耗氣量也隨著增大，因此單位時間的耗氧量也隨著增大，這就造成煙氣排放中O2濃度的降低；同時，隨著單位時間內的燃氣耗氣量的增大，單位時間內的燃氣熱值提高，燃氣的絕對燃燒溫度也隨之提高，而NOx排放濃度的變化正是反映燃燒溫度的變化，絕對燃燒溫度越高NOx排放濃度。實驗已證明，NOx的生成機理包含三個方面：①熱力型；②快速型；③燃料型。熱力型NOx的生成主要是由助燃空氣引入的氮氣在1800K以上被氧化生成，它是由原蘇聯蘇聯科學家側耳多維奇提出的[2]。

快速型NOx生成機理是由于碳氫化合物在燃燒時能夠分解出大量的CH、CH2和CH3等基團，能夠破壞氮氣的分子鍵，在高溫條件下，分解出的CHi等自由基與與氮氣反應生成HCN、NH、N等，其中HCN是快速型NOx生成的最重要的中間產物，能在火焰里面快速生成NOx。

燃料型氮氧化物是由燃料中所含的氮元素在燃料燃燒時形成的，燃料中含氮的有機化合物通過熱裂解，生成HCN、NHi、及CN等中間產物，最終氧化成NOx。其中，溫度對燃料型NOx的影響并不明顯，主要是由于燃料中含氮化合物的熱裂解溫度并不高，在600-800℃內，就能生成燃料型NOx。

同時，由于燃氣中的氮含量極少，燃燒時幾乎沒有燃料型氮氧化物產生，而快速型氮氧化物的生成量比熱力型氮氧化物小一個數量級，因此控制煙氣中的氮氧化物排放量主要是控制熱力型氮氧化物的產生，1800K是熱力型NOx生成的關鍵溫度點，低于1800K時，NOx的生成量很少，當溫度超過1800K時，NOx的生成速率急劇增大，為指數關系，溫度每升高100℃，反應速率增大6-7倍。

圖2 灶前壓力對燃氣灶燃燒煙氣中NOx和O2排放濃度的影響

圖3是灶前壓力對兩種燃氣灶燃燒時CO(α=1)和NOx(α=1)排放濃度的影響（三角折線表示大氣式燃氣灶；圓形折線表示紅外線燃氣灶；黑線表示CO(α=1)排放濃度；紅線表示NOx(α=1)排放濃度）。圖3是由圖1和圖2根據GB 16410-2007家用燃氣灶具標準通過以下公式轉化而來。

圖3 灶前壓力對燃氣灶燃燒煙氣中CO(α=1)和NOx(α=1)排放濃度的影響

從圖3中可以看出，大氣式燃氣灶NOx(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢降低的趨勢，當灶前壓力達到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度下降到0.010%，紅外線燃氣灶NOx(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢增大的趨勢，當灶前壓力達到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度提高到0.005%。對于大氣式燃氣灶，由于燃燒器表面從周圍獲取的二次空氣量有限，隨著灶前壓力的增大，空氣需求量嚴重不足，燃氣空氣比例逐漸失調，而相對較高的燃氣量使NOx的排放濃度持續上升，嚴重短缺的空氣造成氧含量急劇下降，最終導致大氣式燃氣灶NOx(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大緩慢降低。相反，紅外線燃氣灶由于燃燒器面板從周圍獲取的二次空氣量充足，隨著灶前壓力的增大，氧氣排放濃度下降較緩，使得NOx的排放濃度的增大速率大于氧氣排放濃度的下降速率，所以紅外線燃氣灶NOx(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有增大的趨勢。同時，可以看出大氣式燃氣灶NOx(α=1)排放濃度始終比紅外線燃氣灶NOx(α=1)排放濃度高，這是因為4.2kW的大氣式燃氣灶比3.8kW的紅外線燃氣灶噴嘴口徑大，單位時間內的燃氣流量大，燃氣的絕對燃燒溫度高，所以大氣式燃氣灶NOx(α=1)排放濃度始終比紅外線燃氣灶NOx(α=1)排放濃度高。

此外，從圖3中可以明顯的看出大氣式燃氣灶CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大，而紅外線燃氣灶CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加基本不變。這也是因為大氣式燃氣灶在相對較高的灶前壓力下與空氣的預混不充分造成的。灶前壓力越高，單位時間內燃氣流量越大，由于二次空氣補充有限，CO2的排放量受到限制，造成大氣式燃氣灶燃燒不充分，CO排放量迅速增大，因此CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大。而紅外線燃氣灶燃氣與空氣混合均勻，CO排放量基本不變，CO2排放有略微增大，由于有效數字的關系，造成紅外線燃氣灶CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加顯示出表觀無影響的趨勢[3]。

2 結語

本文通過研究大氣式燃氣灶與紅外線燃氣灶在灶前壓力與環境風速兩種因素下的燃燒煙氣和燃燒效率的變化趨勢，對比兩種燃氣灶在相同試驗因素下的實驗結果得出以下結論：（1）隨著灶前壓力的增大，大氣式燃氣灶燃燒產生的CO其濃度呈指數函數遞增，在4000Pa的灶前壓力下CO排放濃度高達494PPM，而紅外線燃氣灶產生的CO保持基本不變。（2）大氣式燃氣灶與紅外線燃氣灶燃燒產生的CO2隨灶前壓力的增大而增大。（3）大氣式燃氣灶與紅外線燃氣灶燃燒煙氣中NOx的排放濃度均隨著灶前壓力的增加而增大，而兩種燃氣灶燃燒煙氣中O2排放的濃度均隨著灶前壓力的增大而減小。（4）大氣式燃氣灶CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大，而紅外線燃氣灶CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加基本不變。（5）當灶前壓力大于3000Pa時，大氣式燃氣灶NOx(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢降低的趨勢，在灶前壓力達到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度下降到0.010%，紅外線燃氣灶NOx(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢增大的趨勢，當灶前壓力達到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度提高到0.005%。