摘 要 壁挂炉作为一种以燃气为能源的制热设备，制造商在产品开发时不但要考虑成本的控制，还应考虑如何提高整机燃烧的热效率，同时降低有害气体的排放量。鉴于目前中国市场冷凝机型以常规大气式二级换热冷凝壁挂炉为主，所以本文通过研究与实验，对常规二级换热冷凝壁挂炉进行结构上的改进，增加水冷燃烧技术，从而在满足工艺要求和成本限制的情况下，达到节能减排的效果。

    关键词 二级换热冷凝壁挂炉；节能减排；水冷燃烧器；氮氧化物

    1 前言

    近年来，天然气消耗量不断增大，用气领域及范围也不断扩大，而天然气的不可再生性，决定了我们在应用中要充分发挥它的使用价值，提高效率，节约用气。同时，如何减少燃气燃烧后产生的废气，降低雾霾天气、水资源污染、温室效应等恶劣的环境因素对人类健康的威胁，也成为燃气具产品设计和开发的基本理念。为此，北京市住房和城乡建设委员会出台了新的规定，即自2015年10月1日起，能效标识二级及以下的燃气壁挂炉首次列入禁止使用的设备。而北京市环境保护局在即将颁布的《锅炉大气污染物排放标准》中指出：自标准实施之日起，新建燃气采暖热水炉污染排放限值中氮氧化物排放上限为100mg/kWh。这也意味着排放和能效不达北京地方标准的产品将不能在北京市场销售。

    基于以上节能减排方面的考虑，全预混冷凝式壁挂炉的供暖热效率、热水热效率、氮氧化物排放等都可满足国家政策的要求，是行业内公认的高节能低排放产品。但由于其生产成本高、安装调试复杂、维护保养费用高、并且对产品运行环境、系统水质的适应性较差，因此，目前中国市场的全预混冷凝式壁挂炉仍处于不成熟阶段，技术及应用方面还需进一步拓展开发。所以能达到一级能效的二级换热冷凝壁挂炉将成为市场的主流。这种采暖炉采用大气式燃烧器，整体燃烧结构简单，成本低，消费者容易接受，但相对全预混燃气采暖热水炉，这种机型的产品在燃气燃烧后产生的废气中COx和NOx的含量都较高，不能满足北京地方标准的要求。本文通过研究与实验，对常规二级换热冷凝壁挂炉进行结构上的改进，将原大气式燃烧器改为水冷燃烧器，采用水冷燃烧技术，从而在满足工艺要求和成本限制的情况下，达到节能减排的效果。

    2 水冷燃烧器与普通大气式燃烧器结构性能对比

    2.1 燃烧器结构对一次空气系数的影响

    如图1、图2所示为水冷燃烧器与普通大气式燃烧器实物图，水冷燃烧采用直立式结构，相对于水平式普通大气式燃烧器，可燃混气从下部向上流动，直至火孔出口被点燃，其流动方向变化不大，燃烧器的流动阻力小，易获得较大的一次空气系数。

    水冷燃烧器火孔面积是普通大气式燃烧器的5倍以上，喷嘴直径缩小了30%以上，因此也获得了较大的一次空气系数，达到1.6～1.8。图3为大气式燃烧器和水冷燃烧器火孔分布对比图。表1为两种不同燃烧器结构参数的对比。

    根据理论分析，一次空气系数加大，空气量的增加导致燃烧温度急剧下降有效的抑制了NO的生成。
 

   2.2 火焰温度及高度对比

    根据氮氧化物生成机理可知，燃烧生成氮氧化物与火焰温度和烟气在高温区停留时间有关。因此我们对两种燃烧器在正常燃烧状态下的火焰温度与火焰高度进行测试对比。
 

    在燃烧室盖板上开取样孔，使机器在额定负荷下正常燃烧，用表面温度计在火焰的不同高度位置进行取样，在每个取样点上分别进行3次测试，读取测试温度与及测量火焰高度，取其平均值，测试结果如表2、3所示。图4、图5为水冷燃烧火焰和普通大气式燃烧火焰的取样点位置。

    从上述测试数据可以看出，由于水冷燃烧的一次空气系数为1.6～1.8，达到全预混燃烧状态，只有内焰燃烧，火焰高度只有普通大气式燃烧的50%；无外焰燃烧，1000℃以上的高温区缩短了70%以上，整个燃烧室的高度降低了30%，因此水冷燃烧通过缩短高温区，减少烟气在高温区的停留时间，从而有效的抑制NO生成。

    当燃烧器一次空气系数达到了1.2以上且燃烧器表面温度达到200℃以上时，极易产生回火。水冷燃烧器独特地设计了燃烧器冷却水管，同时采用导热性极佳的紫铜作为预混腔材料，利用低温回水对燃烧器进行冷却，使燃烧器表面温度降到100℃以下，不但降低了燃烧温度，减少NO排放，同时有效的防止了回火现象，保持燃烧的稳定性。

    3 工作原理

    3.1 二级换热冷凝壁挂炉

    目前，市场上部分厂家推出二级冷凝换热的壁挂炉，此种机器是在大气式燃烧的常规壁挂炉基础上增设一个二级换热系统。低温水经过二级冷凝换热器，回收一次换热以后烟气带走的热量，以达到节能高效的目的，其整机的热效率可由90%左右提升到97%，甚至在冷凝状态下热效率超过100%。这一变化与其整机在工作时的换热原理有很大关系，二级冷凝壁挂炉工作时，烟气在一级换热器中主要放出显热，温度降至100℃左右后进入二级换热器，烟气进一步冷却，并在换热器表面低于烟气中水的露点温度下，烟气中的水蒸气冷凝，放出潜热，烟气出口温度可降至50℃左右。图6为二级冷凝换热壁挂炉的工作原理图。

    由于此款机型的燃烧方式为常规大气式燃烧，并且二级冷凝换热器在回收烟气余热的同时，增加了烟气排放的阻力，所以此款二级冷凝换热式壁挂炉虽然能达到一级能效，但所排放的烟气中COx和NOx含量较常规机型没得到改善。

    3.2 水冷燃烧+二级换热的冷凝壁挂炉

    为了在追求高的能效的同时改善烟气排放，我们可以考虑将以上二级冷凝换热壁挂炉进行优化。将以上结构中所用到的大气式燃烧器改为水冷式燃烧器。此燃烧器的火排喷嘴孔径小，预混腔高度长，火孔大，火排直立，流动阻力小，从而让燃气射流卷吸的空气量增加，即一次空气量增加，达到降低COx和NOx的目的。
 

    如图7所示，低温水先经过燃烧器的高温火焰部分，将火焰燃烧温度降低，然后再经过二级冷凝换热器、主换热器进行换热。此种燃烧器增加水冷作用后，可以使火焰高温区的平均温度降低，进而降低烟气中NOx的体积分数。
 

    由于三次换热，此款机型的排烟温度可达到50℃以下，充分利用了燃气燃烧后释放的热量。同时，其水冷燃烧器的一次空气大，二次空气几乎不需要，燃烧方式类似全预混，燃烧充分，从而达到降低NOx和COx排放的目的。
 

    4 试验装置和试验内容

    本实验使用万和24kW二级冷凝壁挂炉一台进行结构改进测试。试验用燃气采用市政天然气，供气压力2000Pa。实验装置如图8所示。具体内容如下：
 

    (1)安装1m烟管，按正常操作方法使二级冷凝换热的壁挂炉进入工作状态，燃烧稳定后，将壁挂炉二次压力调节在最大值（1200Pa），热负荷达到额定值，用烟气分析仪检测烟气中的CO和NO的含量并记录数据。逐渐降低阀后二次压力，用烟气分析仪检测烟气中的CO和NO的含量并记录数据。

    (2)按照《CJ/T 395-2012冷凝式燃气暖浴两用炉》中的检测方法，将整机供暖供水和回水温度调节到80～60℃，运行稳定后，分别测试额定供暖热负荷下和30%额定供暖热负荷下的热效率和排烟温度，并记录数据。

    (3)按照《CJ/T 395-2012冷凝式燃气暖浴两用炉》中的检测方法，将整机供暖供水和回水温度调节到50～30℃，运行稳定后，分别测试额定供暖热负荷下和30%额定供暖热负荷下的冷凝热效率和排烟温度，并记录数据。

    按照同样方法，将以上壁挂炉改制为水冷燃烧+二级换热的冷凝壁挂炉，更换对应相同燃烧功率的水冷式火排，并根据燃烧所需风量匹配风机，再次进行以上测试 ，并记录数据。

    将以上所得数据进行整理分析，分别对二级冷凝换热的壁挂炉和水冷燃烧+二级换热的冷凝壁挂炉烟气中CO和NO的含量、排烟温度以及整机热效率进行分析对比，结试验果如下：

    (1) 同热负荷下二级冷凝换热的壁挂炉和水冷燃烧+二级换热的冷凝壁挂炉的烟气中CO和NO的含量。实验数据见表4。
 

    由以上数据可看出，在壁挂炉燃烧的整个过程中，水冷燃烧+二级换热的壁挂炉较常规二级冷凝换热壁挂炉烟气排放的CO和NO的含量明显减少。

    (2) 整机供暖供水和回水温度调节到80/60℃时，额定供暖热负荷下和30%额定供暖热负荷下的热效率和排烟温度。实验数据见表5。

    由以上数据可看出，额定负荷和部分负荷时，水冷燃烧+二级换热的壁挂炉较常规二级冷凝换热壁挂炉能效提高1%，排烟温度相对降低。

    (3) 整机供暖供水和回水温度调节到50/30℃时，额定供暖热负荷下和30%额定供暖热负荷下的冷凝热效率和排烟温度。实验数据见表6。

    由以上数据可看出，额定负荷和部分负荷时，水冷燃烧+二级换热的壁挂炉较常规二级冷凝换热壁挂炉冷凝热效率提高1%，排烟温度相对降低。
 

    5 结语

    水冷燃烧+二级换热的冷凝壁挂炉相对常规二级冷凝换热的壁挂炉来说，热效率有所提高，同时排烟效果有明显的改善，符合北京地方标准《锅炉大气污染物排放标准》，能满足市场对产品能效和排放的要求。同时，相对全预混机型，制造成本低，生产工艺简单，后期维护保养方便，适合大范围推广。

    参考文献：

    [1]傅忠诚，艾效逸，王天飞等.天然气燃烧与节能环保新技术.北京：中国建筑工业出版社.2007.

    [2]夏昭知，伍国福.燃气热水器.重庆：重庆大学出版社.2002.

    点评：

    论文作者通过试验研究，将原二级换热冷凝壁挂炉上应用的部分预混式燃烧器改为带水冷火孔的全预混燃烧器，使CO与NOx的排放量大大降低。特别是NOx的排放，降到了20ppm以下。为应对今后更严格的与锅炉烟气排放相关的国家或地方标准的出台提供了低成本的技术储备。

    论文评审组一致认为，该项研究切合当前节能减排的需求，为低成本超低氮民用燃烧器的研发做了很好的尝试。专家组同时也指出，该项研究尚有进一步深入的必要，如对空气系数的优化。希望作者再接再厉，在该领域取得更可喜的成果。