燃氣采暖熱水爐的技術發展趨勢

史炬 國家燃氣用具產品質量監督檢驗中心（佛山）

一、低氮燃燒器

燃燒器是燃氣采暖熱水爐中的重要部件，它關系到燃氣是否穩定著火燃燒和燃燒后污染物的形成，因此，要抑制NOx的生成量就需要對燃燒器進行研究。低氮氧化物燃燒器，是指燃料燃燒過程中產生較低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]。

在燃氣燃燒所產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。在對燃氣采暖爐的煙氣分析表明，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。一般燃氣燃燒所生成的NO主要來自兩個方面：一是空氣中的氮，在燃燒時的高溫下氧化成一氧化氮；二是燃氣中所含氮化物在燃燒過程中熱分解再氧化。在燃氣燃燒過程中，前者是NO的主要來源，后者的含量極少可以忽略不計（燃氣中的氮化物極少）。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，在燃氣采暖熱水爐上，一些有效又簡便的低氮燃燒方法是：完全預混燃燒；濃淡燃燒；在火焰中布置冷體。

下圖是一種已經成熟的應用在燃氣采暖爐上的水冷式低氮燃燒器，特點是其結構可以應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構，可燃氣體混合物從下向上流動，直至火孔表面被點燃燃燒，，燃燒器的流動阻力小，能獲得較大的一次空氣系數。較大的一次空氣系數能增加一次空氣量，可有效的降低燃燒溫度，最關鍵在于該低氮燃燒器設計了冷卻水管，該水管穿過整個燃燒器，同時采用導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燃燒器表面進行冷卻，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

將一臺額定熱輸入26Kw的燃氣采暖熱水爐，在實驗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試數據如下：

表1 兩種燃燒器的NOx排放濃度

燃氣種類 —— 12T 12T單位轉換因子 —— 1.7554 1.7554基準條件下NOx折算值 mg/kw·h 132.6 23.4 NOx濃度上限（1級：260，2級：200，3級：150，4級：100，5級：70）mg/kw·h 3級 5級

以上試驗結果表明，采用普通燃燒器和采用低氮燃燒器的同一臺采暖爐在同等試驗條件下，燃燒煙氣中的NOx含量從132.6 mg/kW·h降低到了23.4 mg/kW·h。按照中國標準GB25034《燃氣采暖熱水爐》的NOx排放等級標準，排放量從普通的3級提升到了最低排放的5級，降低NOx排放的效果非常顯著。

二、冷凝式換熱燃燒

大量實驗數據表明，我國的燃氣采暖熱水爐上使用的普通換熱器，供暖熱效率已經達到90%左右，達到了我國能效標準GB 20665-2015《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》中二級能效標準的要求。

傳統采暖熱水爐排放的煙氣一般還具有相當高的溫度（100～200℃），煙氣中水蒸氣仍處于過熱蒸汽狀態，沒有凝結成為液態水而放出汽化潛熱。為了進一步提高能源使用效率，燃氣具行業內開始研究在普通換熱器的基礎上附加一個冷凝式換熱器，目的就是利用該裝置來吸收采暖爐煙氣中的顯熱和水蒸汽凝結所釋放的潛熱，以達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熱的多少與燃料的種類（化學成分）和冷媒介質的溫度高低有關。對天然氣采暖爐來說，因為氣體燃料的高位發熱量與低位發熱量相差最大，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來制造[3]。

以下是一種典型的應用于冷凝式采暖爐的硅鋁材質的冷凝式換熱器。該換熱器結構是將低溫進水管置于高溫煙氣中，利用大量銅質翅片換熱，盡可能吸收高溫煙氣中的汽化潛熱，從而提高進水溫度。進而提高采暖爐的熱效率。

圖2 某種冷凝式換熱器

在實驗室測試使用圖2的冷凝式換熱器的采暖熱水爐，其熱效率的試驗數據如下：

表2 冷凝式換熱器的采暖爐熱效率

試驗中測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，上表的試驗結果表明其熱水、供暖熱效率達到了GB20665規定的一級能效。高于使用普通換熱器的二級能效。

三、全預混燃燒

全預混式燃燒是一種高效，節能環保的燃燒方式，實通過降低燃燒中的一次空氣系數a1（理論上在1.05≤a1≤1.1），燃燒時的理論溫度可達1800℃以上，國外的全預混燃燒技術在采暖熱水爐上的運用已經非常廣泛，其技術原理如下[4]：

轉速可調風機（變頻風機）能控制燃燒空氣的吸入量，從而控制采暖爐系統的功率變化，采用全預混燃燒器的燃氣采暖熱水爐，其熱負荷大小由風機轉速決定。風機轉速提高，風量增加，通過恒比例燃氣/空氣混合裝置，進入燃燒器的燃氣也成比例增加，從而提高燃燒器的熱負荷。要降低燃燒器的熱負荷，其過程則與上述相反。因此，全預混燃氣采暖熱水爐一般使用可無級調速的無刷直流電機。作為風機電機為燃燒器提供空氣，并在控制器集成調速系統，實現燃氣采暖熱水爐熱負荷的連續可調。無刷直流電機使用低壓直流電源（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）直接轉換為風機所需的直流電壓；

燃氣比例閥根據風機提供的空氣量的變化調整輸入燃氣量的變化，使空燃比在整個采暖爐功率調節范圍內恒定，不需要額外的2次燃燒空氣的補充，保證穩定燃燒狀態；

系統需要混合器來協助空氣與燃氣的充分混合，混合器的方式有很多種，目前最普遍的是文丘里結構；

全預混燃燒過程；首先轉速可調（變頻）的風機啟動，在與其連接的混合腔中產生一定的負壓，一部分空氣在負壓作用下進入混合腔內；同時，燃氣比例閥得到來自混合腔內的風壓反饋信號，將燃氣比例閥內的開關閥打開，并且根據風壓信號調整燃氣閥的開度，相應體積的燃氣從燃氣閥進入混合腔中與空氣進行混合，在風機的作用下進一步混合達到充分預混的狀態，隨后進入燃燒器的表面，由點火器發出的火花引燃，開始燃燒過程。

以下是兩種結構的國產全預混式燃氣采暖爐，在結構上類似國外的同類產品，采用轉速可調（變頻）的風機，將特定比例的燃氣與空氣混合氣體鼓入燃燒器然后點火燃燒，產生的煙氣通過冷凝換熱器釋放熱量，產生的冷凝水通過燃燒器底部的塑料管路排出。全預混燃燒技術再加上冷凝式換熱，優化燃燒并吸收了煙氣中的顯熱和水蒸汽凝結所釋放的潛熱，達到了非常好的節能效果。

圖3 兩種全預混式燃氣采暖爐的結構

在實驗室對分別對圖3兩種采暖熱水爐的熱效率測試，試驗數據如下：

表3 兩種結構的全預混式燃氣采暖爐熱效率

這兩種結構的燃氣采暖熱水爐的試驗結果表明，額定熱負荷的供暖熱效率達到了非常高的102.9～106.5%，30%額定熱負荷的供暖熱效率也達到了非常高的105.4～105.3%。可以看出，全預混加冷凝換熱是一種高效節能環保的燃燒方式。