二次配風引射式低氮燃燒器設計與試驗研究

張錦梁 余浩倫

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著國家節能環保政策的推進實施，低氮燃燒技術已成為燃氣熱水器、燃氣采暖熱水爐等燃氣器具必然發展趨勢之一。在我國GB 25034-2020《燃氣采暖熱水爐》標準要求中，NOx排放最高等級標準（5 級）上限為62 mg/（kW·h）。現有低氮燃燒技術中，能達到此標準要求的有濃淡燃燒技術、水冷燃燒技術和全預混燃燒技術，如表1 所示。

表1 低氮燃燒技術NOx 排放量

現有的低氮燃燒技術制造、替換成本普遍較高，市面上的燃氣熱水器或燃氣采暖熱水爐普遍以常規大氣式燃燒技術產品為主。而常規大氣式燃燒器的NOx排放量大多在（130～150）mg/（kW·h）之間，只能達到GB 25034-2020 標準要求的3 級標準。近年來，我國北京等部分地區強制要求NOx排放量小于30 mg/（kW·h），歐洲地區排放標準要求為NOx排放量小于56 mg/（kW·h），美國加州地區的排放標準要求則為更加嚴格。為了能降低NOx排放量，以符合愈加嚴格的氮氧化物排放要求，并考慮到制造成本及排放門檻要求，發展常規大氣式低氮燃燒產品不失為國內市場的可選項。因此本文將圍繞二次空氣引射低氮燃燒技術，介紹一種常規大氣式二次風引射預混燃燒低氮燃燒器的結構設計、數值仿真及其燃燒試驗效果。

1 燃燒器燃燒及技術原理

1.1 燃燒器燃燒方式

大氣式燃燒屬于自由擴散方式，其混合時間長且火焰拉高，完全燃燒所需時間長，導致熱力型NOx的生成排放量較高，所以抑制熱力型NOx的生成是減少氮氧化物排放的關鍵所在。

二次風引射預混式低氮燃燒是指將二次空氣按設計的入口高度、方向以及流量強制穩流引射入火焰內部，主動補充二次空氣與未燃盡的空燃混合氣體預混燃盡，實現二次空氣引射預混式低氮燃燒的燃燒方式。該方式在降低火焰溫度的同時加快二次空氣與未燃氣體預混燃燒，提高燃燒效率，縮短燃燒時間，從而抑制熱力型NOx的生成。

1.2 燃燒器技術原理

目前的濃淡燃燒和水冷燃燒等低氮燃燒器可有效降低氮氧化物排放值，但其在結構上與常規大氣式燃燒器存在較大區別，相互之間不能直接置換使用，需要專用燃燒室結構配合，使得通用成本偏高。常見的濃淡燃燒器和水冷燃燒器如圖1 所示。

圖1 大氣式低氮燃燒器

二次風引射預混式低氮燃燒器主要由燃燒器組件及預混燃燒腔兩大部分組成，其技術實現原理如圖2 所示。燃氣通過噴氣管上的噴嘴噴出并引射一次空氣進入燃燒器組件完成一次預混，隨后經火孔流出在表面完成一次貧氧燃燒；在進行一次貧氧燃燒的同時，將二次空氣按設計的入口高度、方向以及流量引射進入一次火焰上方內部，加快二次空氣與貧氧燃燒后未燃氣體的二次風預混燃燒，從而實現空氣引射預混低氮燃燒，降低火焰溫度，提高燃燒效率，縮短燃燒時間，抑制熱力型NOx生成。

2 燃燒器設計與仿真分析

2.1 燃燒器結構設計

實現二次風引射預混燃燒，一是要構造形成二次空氣的有效引射路徑，二是要形成預混燃燒腔，使一次燃燒在腔內進行的同時將二次風與火焰實現引射預混，降低火焰溫度，加快二次預混燃燒。燃燒器主體結構如圖3 所示，包括燃燒器組件、二次空氣引射流道以及組成的預混燃燒腔，其中二次空氣分三個不同高度進行引射預混燃燒，同時燃燒器組件與二次空氣引射流道開設穩焰孔。為保證二次空氣引射流量及燃燒穩定性，根據火焰高度公式進行參數計算，并對火排模型進行數據模擬仿真分析、優化改善。

燃燒器按熱負荷26 kW 進行設計，火排數為13 排。基于上述結構試制樣品燃燒器，采用0.4 mm 厚度耐高溫、耐腐蝕和加工性能良好的不銹鋼板進行手板樣件制作。

該燃燒器二次空氣引射腔尺寸如表2 所示。

表2 二次空氣引射腔結構尺寸

以上二次空氣引射口合計有效引射面積為310.35 mm2。下面按公式（1）計算火焰內錐高度：

式中：

hic—火焰內錐高度（mm）；

fp—單個火孔的面積（mm2）；

qp—火孔熱強度（kW/ mm2）；

K—與燃氣性質及一次空氣系數有關的系數，查表3。

表3 不同燃氣的K 值

由公式（1） 可得燃燒器火焰內錐高度為hic=3.24 mm；

按公式（2）計算火焰外錐高度：

式中：

hoc—火焰外錐高度（mm）；

n—火孔排數；

n1—表示燃氣性質對外錐高度影響的系數；對天然氣，n1=1.0；對丁烷，n1=1.08；對煉焦煤氣，dp=2 mm，n1=0.5；dp=3 mm，n1=0.6；dp=4 mm，n1=0.77～0.78，熱強度較大時取較大值；

s—表示火孔凈距對外錐高度影響的系數，查表4。

表4 火孔凈距對外錐高度影響的系數s

由公式（2） 可得燃燒器火焰外錐高度為hoc=18.05 mm。

根據公式（1）和公式（2）火焰高度的計算結果可知，該燃燒器二次空氣引射腔高度尺寸設計值為：引射空氣孔1 設計高度為（5～8）mm（距離火孔面高度），引射空氣孔2 設計高度為（18～20）mm（距離火孔面高度），引射空氣孔1 設計高度（26～28）mm（火焰燃盡區）。

2.2 模擬仿真分析

根據設計模型進行數據模擬仿真，分析對比模型調整前后的狀態，進行模型優化設計。該模擬分析主要為二次空氣引射的方向及流量調整，經調整改善后確定有效二次空氣引射面積為310.35 mm2（改善前為200.15 mm2），模擬分析結果參見表5。

表5 燃燒器改善前后仿真模擬對比

由溫度云圖可知：改善前有效二次空氣引射面積較小，中部高溫區占幅較高；改善后有效引射面積增大，中部高溫區明顯降低，對于抑制NOx的生成有顯著效果。

由氣體流線圖可知：改善前有效二次空氣引射面積小，阻力較大，導致二次引射空氣的流量不足，難以滿足理論計算所需的空氣系數，二次空氣引射預混效果欠佳。通過調整空氣引射孔的分布和面積，增加二次空氣引射流量，流經火排引射孔的流量顯著改善。

根據上述分析結果，改善后相對改善前有效引射面積增加近1.5 倍，對中部區域溫度降溫效果顯著，流經二次空氣引射孔的流量也顯著增大，可知改善后仿真分析優化效果良好，故按改善后方案進行試驗驗證。

3 試驗驗證

將二次風引射預混式低氮燃燒器安裝于現有常規大氣式燃氣采暖熱水爐內，采用12T 天然氣（2 000 Pa）進行燃燒測試。通過整機試驗進行調節，在全負荷段的運行狀態下，按GB 25034-2020 中NOx排放的試驗要求，分別對額定熱負荷φn的70 %、60 %、40 %、20 %狀態下的燃燒煙氣進行分析驗證。NOx實驗值計算的權重因子按GB 25034-2020 標準要求見表6，燃燒器各負荷狀態下的燃燒火焰效果見表7。

表6 NOx 實驗值的權重因子

表7 不同負荷φn 百分比燃燒火焰效果

在試驗過程中，冷態點火以及各負荷段均能點火成功，各熱負荷百分比狀態下燃燒火焰穩定且無明顯燃燒噪音，火焰清晰、均勻，未出現回火、離焰、熄火等現象，運行狀況良好。在測試樣機配置下，最小負荷為5.2 kW，最大負荷達26 kW，可實現1 ∶5 的燃燒負荷調節比。經煙氣分析儀測試，在各熱負荷百分比狀態下該燃燒器的NOx排放值均低于GB 25034-2020 標準5 級排放要求及歐洲排放標準要求， 各熱負荷百分比NOx排放測試值按權重因子計算后總值為39.1 mg/（kW·h），改善后的結構設計方案可有效降低氮氧化物排放，試驗方案效果符合預期設計目標，總體性能達到預期要求，具體測試數據參見表8。

4 結論

本文基于二次風引射預混式低氮燃燒器的原理進行了燃燒器設計，并通過數值模擬仿真分析及熱態實驗相結合的研究方式，對該燃燒器的性能進行了試驗研究。得出以下結論：

1）在調控好二次空氣引射高度、方向及引射流量等較理想的條件下，該燃燒器可實現低氮燃燒效果，滿足低氮排放要求。

2）該燃燒器與同類技術應用相比，技術結構簡單、工藝方便，且可通用現有常規大氣式燃燒器產品，制造成本變化不大，能盡快應用到現有產品實現技術應用價值。

3）同時發現，在長時間燃燒的情況下，預混燃燒腔會因高溫產生金屬熱變形，二次空氣引射預混的效果會變差。為延長燃燒器壽命并實現良好效果，需消除高溫對預混燃燒腔的影響，如通過調整結構、采用耐高溫、變形量小的材料以保證低氮燃燒效果。

4）進一步降低NOx的方法，可通過減少一次空氣引射量來形成貧氧燃燒區，降低一次燃燒火焰溫度，抑制NOx的生成量。另外，加強二次空氣引射預混，縮短燃燒時間，減小高溫區，從而抑制NOx的生成。對于兩者間的最優方案，需要再進行深入細致的匹配試驗研究。