二次配风引射式低氮燃烧器设计与试验研究.pdf
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1、82日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation二次配风引射式低氮燃烧器设计与试验研究张锦梁 余浩伦(广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305)摘要:本文介绍了一种二次风引射预混式燃烧的低氮燃烧器,通过强化二次空气按设计的引射高度、方向以及流量强制进入火焰内部,实现二次空气引射预混式燃烧,提高预混效果及燃烧效率,降低火焰燃烧温度,进而降低氮氧化物排放值。基于该原理进行了燃烧器结构设计,并通过数值模拟仿真分析及热态试验相结合的研究方式,对该燃烧器的性能进行了研究。结果表明,在理想的二次空气引射条件下该燃烧器可实现低氮燃烧效
2、果,满足低氮排放要求。关键词:燃烧器;氮氧化物;二次空气;引射;预混燃烧Abstract:In this paper,a low nitrogen oxide burner with secondary air ejection premixed combustion is introduced.By strengthening the secondary air forced into the flame according to the designed ejector height,direction and flow rate,the secondary air ejection pr
3、emixed combustion is realized,the premixed effect and combustion efficiency are improved,the flame combustion temperature and the nitrogen oxide emission value are reduced.Based on this principle,the structure of the burner is redesigned,and the performance of the burner is studied through the combi
4、nation of numerical simulation analysis and thermal test.The results show that under ideal secondary air ejection conditions,the burner can achieve low nitrogen oxide combustion and meet the requirements of low nitrogen oxide emission.Key words:burner;nitrogen oxide;secondary air;ejection;premixed c
5、ombustionDesign and Experimental Study of Low NOx Burner With Secondary Air Distributional Ejection Structure引言随着国家节能环保政策的推进实施,低氮燃烧技术已成为燃气热水器、燃气采暖热水炉等燃气器具必然发展趋势之一。在我国 GB 25034-2020燃气采暖热水炉标准要求中,NOx排放最高等级标准(5 级)上限为 62 mg/(kWh)。现有低氮燃烧技术中,能达到此标准要求的有浓淡燃烧技术、水冷燃烧技术和全预混燃烧技术,如表 1 所示。现有的低氮燃烧技术制造、替换成本普遍较高,市面上的
6、燃气热水器或燃气采暖热水炉普遍以常规大气低氮燃烧技术类别NOx排放量浓淡燃烧技术约为 35 mg/(kWh)水冷燃烧技术约为 60 mg/(kWh)全预混燃烧技术低于 30 mg/(kWh)表 1 低氮燃烧技术 NOx 排放量式燃烧技术产品为主。而常规大气式燃烧器的 NOx排放量大多在(130150)mg/(kWh)之间,只能达到GB 25034-2020 标准要求的 3 级标准。近年来,我国北京等部分地区强制要求NOx排放量小于30 mg/(kWh),2023 年 7 月/Jul.2023 83技术创新/欧洲地区排放标准要求为NOx排放量小于56 mg/(kW h),美国加州地区的排放标准要
7、求则为更加严格。为了能降低 NOx排放量,以符合愈加严格的氮氧化物排放要求,并考虑到制造成本及排放门槛要求,发展常规大气式低氮燃烧产品不失为国内市场的可选项。因此本文将围绕二次空气引射低氮燃烧技术,介绍一种常规大气式二次风引射预混燃烧低氮燃烧器的结构设计、数值仿真及其燃烧试验效果。1 燃烧器燃烧及技术原理1.1 燃烧器燃烧方式大气式燃烧属于自由扩散方式,其混合时间长且火焰拉高,完全燃烧所需时间长,导致热力型 NOx的生成排放量较高,所以抑制热力型 NOx的生成是减少氮氧化物排放的关键所在。二次风引射预混式低氮燃烧是指将二次空气按设计的入口高度、方向以及流量强制稳流引射入火焰内部,主动补充二次空
8、气与未燃尽的空燃混合气体预混燃尽,实现二次空气引射预混式低氮燃烧的燃烧方式。该方式在降低火焰温度的同时加快二次空气与未燃气体预混燃烧,提高燃烧效率,缩短燃烧时间,从而抑制热力型NOx的生成。1.2 燃烧器技术原理目前的浓淡燃烧和水冷燃烧等低氮燃烧器可有效降低氮氧化物排放值,但其在结构上与常规大气式燃烧器存在较大区别,相互之间不能直接置换使用,需要专用燃烧室结构配合,使得通用成本偏高。常见的浓淡燃烧器和水冷燃烧器如图 1 所示。二次风引射预混式低氮燃烧器主要由燃烧器组件及预混燃烧腔两大部分组成,其技术实现原理如图2 所示。燃气通过喷气管上的喷嘴喷出并引射一次空气进入燃烧器组件完成一次预混,随后经
9、火孔流出在表面完成一次贫氧燃烧;在进行一次贫氧燃烧的同时,将二次空气按设计的入口高度、方向以及流量引射进入一次火焰上方内部,加快二次空气与贫氧燃烧后未燃气体的二次风预混燃烧,从而实现空气引射预混低氮燃烧,降低火焰温度,提高燃烧效率,缩短燃烧时间,抑制热力型 NOx生成。(a)浓淡燃烧器(b)水冷燃烧器图 1 大气式低氮燃烧器图 2 燃烧技术原理图84日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation2 燃烧器设计与仿真分析2.1 燃烧器结构设计实现二次风引射预混燃烧,一是要构造形成二次空气的有效引射路径,二是要形成预混燃烧腔,使一次
10、燃烧在腔内进行的同时将二次风与火焰实现引射预混,降低火焰温度,加快二次预混燃烧。燃烧器主体结构如图3 所示,包括燃烧器组件、二次空气引射流道以及组成的预混燃烧腔,其中二次空气分三个不同高度进行引射预混燃烧,同时燃烧器组件与二次空气引射流道开设稳焰孔。为保证二次空气引射流量及燃烧稳定性,根据火焰高度公式进行参数计算,并对火排模型进行数据模拟仿真分析、优化改善。燃烧器按热负荷 26 kW 进行设计,火排数为 13 排。基于上述结构试制样品燃烧器,采用0.4 mm厚度耐高温、耐腐蚀和加工性能良好的不锈钢板进行手板样件制作。该燃烧器二次空气引射腔尺寸如表 2 所示。以 上 二 次 空 气 引 射 口
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