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预混燃烧、低氮排放和冷凝换热三者之间的关系

作者:admin 发布时间:2020-08-27 09:34:10点击:

为了使燃气热水锅炉厂家和技术人员更好的了解燃烧知识,以及燃气热水锅炉技术发展到现在的历程和必然,本人将自己的体会给同行分享一下,请大家批评。

一、低氮燃烧与预混燃烧的关系

讨论两者关系,首先要清楚为什么要低氮燃烧,这里有几个原因,首先是客观原因。氮氧化物对人体健康的危害性是比较大,氮氧化物的危害性远比 CO、SO2 大,NO 与人体血液中的血红蛋白结合力很强,比 CO 高数百倍(CO 与血红蛋白结合力比 O2 高 200~300 倍;更重要的是氮氧化物是 PM2.5 和光化学烟雾的重要前驱物。而主观原因在于国际和国内相关燃气应用产品的能效和排放标准的提升。欧洲在 2009 年的 ERP 指令制定了氮氧化物减排的路线图, 到 2015 年强制之执行,需达到五级排放标准低于 70mg/kwh(40PPm),现在又有新的标准。而 2017 年 4 月 1 日起,北京市新建锅炉执行 30mg/m3(15PPm)的排放限值;对位于高污染燃料禁燃区内的在用锅炉,北京市执行 80 mg/m3 排放限值,该标准限值已接近于目前全世界最严的锅炉排放标准。从数据上看,北京的排放要求比欧洲更加严格。 可见未来的燃气设备,首先要满足的就是低氮排放。

接下来说如何实现低氮。

普通商用采暖炉所采用的燃烧方式多为部分预混式燃烧方式,而且多采用火排式大气式燃烧器,明显的是火焰呈现内外焰。

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由上图可以看出,氮氧化物主要产生在内焰表面。从氮氧化物产生的机理上看区分为热力型NO(T-NO),即燃烧反应过程中空气中的N2在高温下被氧化生成NO。还有快速NO(P-NO),即在空气系数小于 1 区域,富燃条件下产生的。因此,氮氧化物减排的设计要点在于降低火焰的局部高温区。

全预混燃烧技术,则是指燃气和所需要的实际空气量在火孔前充分混合,火焰温度均匀,虽然整体温度相对高,但是低于内焰表面温度,解决了大气式燃烧火焰局部高温区的问题,氮氧化物排放低。其最大的缺点在于负荷调节比有限,火焰稳定性差。从下面这个图上也可以看出,为什么很多人喜欢传统锅炉采用大气式燃烧器,优势很明显。但是,结论出来了要实现低氮必须采用全预混(现在说的水冷也是全预混),当然也有分段燃烧,还有浓淡燃烧(浓淡燃烧实际也是分段燃烧),这里不再阐述。说句实话,全预混是个讨厌的燃烧方式,即容易脱火也容易回火。可见熟悉这两种燃烧方式的同行,都有这种感受。

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全预混燃烧:燃气和所需要的实际空气量在火孔前充分混合。

全预混燃烧器设计需要解决以下问题:提高负荷调节比和重视防回火和防止脱火设计。设计的方向在于小火孔和水冷。水冷在火孔热强度的控制和回火脱火上的作用有效果,但是考虑辐射换热、火孔热强度和负荷调节比,小火孔(金属纤维燃烧器)优势更明显,金属纤维圆燃烧器存在着预热区和着火区,火孔热强度大,不易脱火和回火,负荷调节比大的重要特点,能够解决安全性的问题。由上图可知,如果在满足排放的情况下,尽量降低空气系数(氧值),全预混燃烧过程,稳定工况下的空气系数一般为 1.25-1.35。

综上所述,是行业标准和政府环保标准中的低氮排放要求,使得锅炉和壁挂炉厂家采用全预混燃烧方式。

二、预混燃烧和冷凝换热的关系

目前市场上商用燃气锅炉对低氮和冷凝进行了宣传,各种考虑都有。低氮与冷凝有没有关系呢?如上所述,如果使燃气锅炉实现低氮燃烧,一般要采用全预混燃烧,且空气系数需要设置在 1.25-1.35 下以保证燃气锅炉的稳定运行。至于空气系数(氧气)应该设置在什么值,以后咱们再介绍。那我们先说预混燃烧和冷凝的关系,先看下图。

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由图可知,燃气锅炉的烟气露点温度随着空气系数的降低而升高,烟气经过换热器是从高温降低到低温,露点温度高导致采用预混燃烧的燃气锅炉容易冷凝,因此需要采用冷凝换热技术,解决燃气锅炉腐蚀问题。燃气锅炉和燃气壁挂炉的工程师都很清楚,冷凝对传统钢制炉体带来的危害。其实,搞燃气锅炉的厂家技术和一线售后人员都讨厌冷凝水,为了高效牺牲炉体,需要算一下帐,是否合适,值得大家思考。

三、低氮燃烧、预混燃烧和冷凝换热三者的关系

以上分析的很清楚了,燃气锅炉是为了实现低氮燃烧,采用了低氮燃烧,低氮燃烧所需空气系数少,势必产生冷凝附属问题,不得已采用耐冷凝腐蚀的换热技术,设计要点就是耐腐蚀,其中防止热应力腐蚀最难。也就是说锅炉厂家非主动为了提高燃气锅炉效率,而开发冷凝燃气锅炉。当然,为了热效率,不考虑牺牲炉体和锅炉寿命的情况下,也可以使用传统炉体。我们用一个图表来总结一下。

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