本文通過理論，試驗對于常規(guī)大功率壁掛爐煙氣超標造成的原因進行了深入分析，對各項影響因素進行逐一排查并找出最佳解決方案從而使性能達到新國標要求。
關(guān)鍵詞：大功率壁掛爐燃燒器煙氣超標新國標
0前言隨著節(jié)能環(huán)保，低炭生活的理念已經(jīng)深入民心，開發(fā)低排放，低污染物已經(jīng)成為壁掛爐重要發(fā)展方向之一。隨著新國標GB25034-2010《燃氣采暖熱水爐》的實施，國家對燃氣采暖熱水爐燃燒工況的要求完全等同歐盟標準。相比原標準GB6932-2001有了較大的提高。由于CO的排放既影響熱效率又影響到燃燒工況，還會引起CO中毒事故，因此國標對燃具的CO含量進行嚴格的控制因此對機器的性能及結(jié)構(gòu)提出更高要求。在現(xiàn)有機型由于受結(jié)構(gòu)限制，按照新國標的規(guī)定進行測試，可能某些指標未避能達到要求。尤其新國標上增加了不完全燃燒工況時對煙氣CO含量的要求，在大功率機型上更容易出現(xiàn)煙氣超標。因此有必要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)及狀態(tài)，達到最佳性能。
1基礎(chǔ)理論分析下面以甲烷為例對燃燒化學反應進行分析。甲烷的燃燒并非直接生成水和二氧化碳，而是經(jīng)過許多中間反應才完成的，下面是主要的6個反應方程：(1)CH4+OCH3OH(2)CH3OH+OCH2(OH)2(3)CH2(OH)2CH2O+H2O(4)CH2O+OCHO(OH)(5)CH(OH)CO+H2O(6)CO+OCO2上述反應中的O是活性氧原子。上述6個反應中第1級與第6級活化能最大，反應最慢，所需反應時間最長。CH4燃盡需要第6級反應才能完成，由于外界的影響就可能出現(xiàn)反應中間過程終止，導致不完全燃燒產(chǎn)物出現(xiàn)。特別是第6個反應，若不能得到完全進行，將引起煙氣中CO產(chǎn)品超標。煙氣中的CO含量必須嚴格限制，為了防止CO引起人身中毒事故，所以降低煙氣中CO含量是壁掛爐開發(fā)設(shè)計中的重大課題。壁掛爐正常運行時，出現(xiàn)回火、脫火、黃焰現(xiàn)象都會引起CO含量增大。從圖1可知影響CO含量的最大因素便是燃燒器的空氣系數(shù)a和燃燒器的火孔強度q。燃氣燃燒時所需要的理論空氣量是指燃氣完全燃燒時所需要的最小空氣量(由燃燒化學方程式確定)。由于燃氣與空氣存在混合不均勻性，實際供給燃氣的空氣量大于理論空氣量，即要供給一部分過剩空氣，即存在一個過?？諝庀禂?shù)：其中V1實際供給空氣量V0理論供給空氣量1次空氣系數(shù)2二次空氣系數(shù)影響一次空氣系數(shù)的因素：a)結(jié)構(gòu)參數(shù)對一次空氣系數(shù)的影響燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)與一次空氣系數(shù)的關(guān)系表達式：S：燃氣相對密度K：常數(shù)fp：火孔總面積mm2fq：噴嘴面積mm2從上面式中可以看出增加燃燒器火孔總面積(增加火孔數(shù)量或火孔直徑)，會使一次空氣系數(shù)1加大，加大噴嘴面積，會使1減少。b)燃燒器背壓對一次空氣系數(shù)1的影響當大氣式燃燒器安裝在封閉的燃燒室內(nèi)時，燃燒燒室的壓力變化會對1產(chǎn)生明顯影響。燃燒室為正背壓時，1會減少燃燒室為負背壓時1會增大。c)燃燒器自調(diào)節(jié)性：大氣式燃燒器的一次空氣系數(shù)1取決于其結(jié)構(gòu)參數(shù)，與其負荷變化無關(guān)。即大氣式燃燒器的火孔不變，噴嘴與引射器相對位置不變，其1不隨熱負荷的變化而變化。但實際上由于流體的粘性使得燃燒器在高負荷下的流體阻力比低負荷下的流體阻力相對要小一些，造成燃燒器在低負荷下的1減少。常規(guī)壁掛爐a一般選取在1.4～2.0之間，正確的組織供風是為了用盡可能少的風量滿足燃氣在燃燒室內(nèi)完全燃燒。使煙氣中的不完全燃燒產(chǎn)物料CO體積分數(shù)降到很低水平，同時又能保證熱效率，達到節(jié)能減耗目的。過?？諝庀禂?shù)a與燃燒產(chǎn)物料CO體積分數(shù)關(guān)系如圖2所示：綜合圖1與圖2可知供風量過小或過大與及分配不均都對燃燒不利。燃燒區(qū)的過?？諝庀禂?shù)太少時，由于燃燒不完全導致熱損失增大，使理論燃燒溫度降低同時CO體積分數(shù)增大。燃燒區(qū)的過?？諝庀禂?shù)太大，則增加了燃燒產(chǎn)物的數(shù)量使燃燒溫度降低，同時容易產(chǎn)生離焰現(xiàn)象，導致CO含量的明顯升高。若空氣分配不均，燃燒室內(nèi)部分燃燒不充分，部分空氣量過剩。導致不但CO升高，燃燒溫度也下降，換熱效率低。由于CO的排放既影響熱效率又影響到燃燒工況，還會引起CO中毒事故，因此需要對壁掛爐的CO排量進行嚴格的控制。
2性能測試舊國標GB6932-2001要求輸入功率40%，采用基準氣，一米煙管條件下進行測試，規(guī)定CO=10.1%。而新國標要求采用基準氣調(diào)節(jié)1.05倍額定熱負荷，再采用黃火界限氣代替測試，規(guī)定CO=10.2%(3m煙管)。市場上某輸入功率為40kW的常規(guī)機型，其配置如表1，根據(jù)新國標GB25034-2010規(guī)定的實驗條件進行測試，性能參數(shù)如表2：根據(jù)以上測試結(jié)果分析，熱效率及產(chǎn)水率均能達到國標要求，但在1.05倍額定熱負荷采用黃火界限氣測試，煙氣已經(jīng)超出新國標規(guī)定要求，因此該機型屬于不合格產(chǎn)品。
3系統(tǒng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化當燃燒不完全時表現(xiàn)出燃燒煙氣中CO含量增大。CO的生成與燃燒溫度，一次空氣系數(shù)，二次空氣系數(shù)，燃燒煙氣在高溫區(qū)的滯留時間等有關(guān)。其中一次空氣系數(shù)及二次空氣系數(shù)為主要因素，一次空氣系數(shù)由引射器的結(jié)構(gòu)，噴嘴尺寸，與及引射器與噴嘴的匹配決定。由于在正常燃燒工況下，煙氣比較理想，以及現(xiàn)有燃燒器結(jié)構(gòu)不便于調(diào)整，因此主要從二次空氣系數(shù)的影響因素去分析CO超標的原因。其中O2=6.9%空氣系數(shù)=1.5左右呈現(xiàn)出提供的燃燒的空氣量不夠，可能直接導致不完全燃燒，使CO上升。為了確定是否因為供氧不足使引CO上升，我們對風機的輸入電壓進行了調(diào)整。采用標準氣，1米煙管進行測試，其風機電壓對煙氣的影響如上圖3所示。通過圖4，加大風機電壓，功率增大，煙氣中O2上升,CO含量呈現(xiàn)明顯的下降。因此可以通過改變不同功率風機來降低CO含量。分別更換了功率為56W，65W風機恒速風機，在1.05倍額定熱負荷采用黃火界限氣進行測試，測試結(jié)果如表3。結(jié)果表明通增加風機功率，CO含量有下降趨勢，當風機功率從56W加大到65W時，O2繼續(xù)上升，煙氣CO變化不明顯。因此分析出不單是整體供氧量影響燃燒不完全，也可能空氣分配不均引起局部不充分燃燒。為了確切的了解局部燃燒狀況，對燃燒室煙氣分部進行測試分析。我們采用煙氣分析儀連接取樣管深入到燃燒室燃燒室對各位置進行了煙氣取樣。試驗方法：從主換熱器下方位置，在燃燒室及空氣箱上開細孔，將用簡易毛細銅管做的取樣探測管深入燃燒室中，1cm距離慢慢深入并記錄數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖5：燃燒器的前端與后端區(qū)域煙氣CO明顯比中間區(qū)域的高，燃燒區(qū)域分為三個區(qū)(如圖6)：燃燒器前端的貧氧區(qū)，中間的富氧區(qū)，后端的貧氧區(qū)。由于燃燒器前后側(cè)都安裝有固定支架，所以該處的正上方?jīng)]有二次空氣補給孔要靠其周圍的空隙補給空氣，當負荷達到一定程度時，從周圍補給的空氣就顯得相對稀薄，由于功率大的機型匹配的風機轉(zhuǎn)速大，二次空氣速度增大以后空氣偏移會更加明顯，燃燒室腔體里的二次空氣公布相對平衡會被打破，分配不均更加明顯。二次空氣過剩與不足的差距會進一步增大。通過調(diào)整額定功率為48W的風機的輸入功率，在火排垂直截面及平行截面對煙氣取樣檢測，監(jiān)測結(jié)果分別如圖7、圖8：隨著風機功率的增大，二次空氣不足與過剩的差距將拉大，因此，難以用小功率風機下基本均勻來判斷大功率風機下也均勻同時分配不足地方始終不足，過剩地方始終過剩。
經(jīng)過對上述對燃燒器的二次空氣分布，及燃燒室煙氣現(xiàn)狀分析，針對于煙氣超標問題對燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，采取了三點改進措施：
1、將原來的48W風機更改為56W風機，以提高實際空氣量。
2、燃燒器前后固定支架增加二次空氣補給孔，目的是增加支架位置正上方的二次空氣量。
3、燃燒器底側(cè)增加分配網(wǎng)，目的是降低燃燒室各處二次空氣流速差距。分配網(wǎng)的使用，使燃燒器各區(qū)域的空氣得以均勻分布。經(jīng)過二次空氣均勻分布的優(yōu)化設(shè)計，性能測試結(jié)果如下：
4結(jié)論
1、通過改善供風與分配，使煙氣達到新國標要求。
2、通過改善燃燒降低CO的排放，有利于減少環(huán)境污染，同時提升燃燒效率，實現(xiàn)節(jié)能要求。3、通過對二次空氣分配的優(yōu)化改善燃氣的燃燒狀態(tài)的方法，具有改造時間短，投入成本低，且效果理想的優(yōu)點，在其他機型遇到類似問題時，提供了一個解決方向。
上一篇：武漢壁掛爐怎么選擇