煙道式水冷燃燒器小火啟動失敗的研究

李羅標

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著生活水平的提高，人們越來越意識到氮氧化物的危害性，減少氮氧化物對保護環(huán)境起到舉足輕重的作用，世界各國紛紛頒布相關(guān)政策來限制氮氧化物的排放，低氮排放已成為一個全球的趨勢。其中，歐美等大多數(shù)發(fā)達國家，保護環(huán)境的力度更甚，已對氮氧化物的排放提出了明確的要求。歐洲從2018年9月份起實施熱水器和熱水儲存罐的ErP生態(tài)設(shè)計實施條例（EU）No 814/2013，其中規(guī)定最大氮氧化物排放量限制于2018年9月份起開始實施，即燃氣熱水器的NOx的排放小于56 mg/kWh。

目前，在燃氣熱水器領(lǐng)域能實現(xiàn)低氮氧化物排放的機型只有全預(yù)混燃氣熱水器、濃淡燃氣熱水器及水冷燃燒燃氣壁掛爐，上述機型均有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、普及率低等特點。根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，2017年中國出口的燃氣熱水器煙道機占比75 %?；谝陨系脑蚣肮?jié)能減排的需要，各大燃氣具的廠商為搶占商機，紛紛研究適用于煙道機低NOX排放的燃燒技術(shù)。煙道式熱水器在工作過程中無風機參與，無法使用全預(yù)混燃燒器及濃淡燃燒器，水冷燃燒器是一個很好的選擇。

1 煙道式水冷燃燒燃氣熱水器的特點

燃氣熱水器燃燒過程中所生成的NOX主要有三種類型：燃料型NOX、快速型NOX和熱力型NOX，燃料型NOX是由燃料中的氮化物受熱氧化分解而生成的，快速型NOX是空氣中的氮氣與燃料中的碳氫離子團反應(yīng)而生成的，熱力型NOX是燃燒區(qū)域中的氮氣被高溫氧化而生成的。

經(jīng)測量，家用燃氣熱水器排放的氮氧化物中，大約95 %為熱力型NOX，5 %左右為快速型的NOX。因而，減少氮氧化物的排放，主要是減少熱力型NOX的生成。目前，常用的抑制熱力型NOX手段主要是降低燃燒溫度，減少或消除燃燒區(qū)域的局部高溫和減少煙氣在高溫區(qū)的停留時間。

水冷燃燒器的一次空氣系數(shù)為1.2以上，為完全預(yù)混燃燒，其火焰高度相對較矮，燃氣噴出燃燒器后馬上充分燃燒。燃燒后的高溫煙氣馬上得到周邊的過?？諝庀♂?，煙氣溫度得到有效的下降，煙氣停留在高溫區(qū)的時間大大縮短，使得熱力型NOX生成量大大減少。而全預(yù)混燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸欤一鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣入S著燃氣和空氣溫度的升高而增大，使得燃燒過程中容易發(fā)生回火。為解決回火的問題，需要在在火孔板附近布置合理的水路，如圖1所示，我們在燃燒器左、中、右布置三條冷卻水管，可對燃燒器左右腔體進行有效冷卻，使燃燒器整體的溫度不會過高，提高燃燒穩(wěn)定性。

2 EN 26-2015的氮氧化物測試及界限氣測試

由于絕大多數(shù)的煙道式燃氣熱水器用于出口，需滿足歐洲測試標準。相對于國標只測量最大負荷下的氮氧化物排放，歐盟的EN 26標準則更為全面。歐盟為使環(huán)境得到最好的保護，對人民的生活習慣進行研究，得出燃氣熱水器在最大負荷下工作的情況相對較少；因此，只測量最大負荷下的氮氧化物就顯得意義較小。EN 26采用加權(quán)平均的方法，綜合考慮各負荷段的氮氧化物排放，其公式如下：

從公式1可以看出，控制低氮氧化物的排放的關(guān)鍵在于控制50 %負荷與最小負荷下的氮氧化物排放。同時，為提高燃氣具的適應(yīng)性，需要對熱水器進行在最高氣壓Pmax、額定氣壓Pm及最低氣壓Pmin界限氣測試，其界限氣（天然氣G20為例）如表1。

但是，在測試過程中（以I2H組為例），當使用G23氣種時，在最小氣壓1 700 pa下，在小火啟動時出現(xiàn)啟動失敗的問題，因此不符合符準要求。為解決小火啟動問題，我們通過實驗測試，提出了幾種可行的解決方案，以供參考。

3 試驗內(nèi)容及分析

煙道式水冷燃燒器水器廠家均采用雙電磁閥啟動。該雙電磁閥由大磁閥與小電磁閥組成，兩電磁閥為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。當熱水器啟動時，脈沖控制器先打開小電磁閥，使得熱水器在一定的負荷下啟動，當感應(yīng)到火焰信號t1秒后，脈沖點火器控制打開大電磁閥，t2秒后再關(guān)閉小電磁閥，此時，熱水器的負荷由水氣聯(lián)動閥的氣閥芯控制。

本文以氣種為EN 26-I2H，11升熱水器為例子，為解決小火啟動失敗提供了三種解決方法，并通過試驗驗證這些方案可行，具體方案如下：

1）減少小電磁閥的通道，減少點火負荷。

使用11升燃氣熱水器測試，氣閥芯旋到小火處，分別采用G20測試點火負荷與G23低氣壓測試點火，數(shù)據(jù)如表2。

結(jié)果分析：因小電磁閥的通道大小，決定著熱水器的點火負荷的大小。當小火負荷小于點火負荷時，此負荷少于燃燒器能正常工作的最小負荷，故出現(xiàn)離焰熄火。然而，當點火負荷過大時，在小電磁閥關(guān)閉的時候，燃燒器將瞬間減少燃氣流量，在此瞬間，燃氣的一次空氣過大，使得火焰因一次空氣過大出現(xiàn)離焰。故需要選擇合適的小火負荷及點火負荷。

圖1 水冷燃燒器示意圖

表1 界限氣氣種

2）延后火焰反饋針的保護時間

在標準范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)火焰反饋針保護時間。測試時采用點火負荷為9.5 kW，小火負荷為8.5 kW。數(shù)據(jù)如表3。

試驗結(jié)果分析：從上述數(shù)據(jù)可以看出，增加反饋針延遲保護時間可使小火點火成功，原因為小電閥關(guān)閉瞬時，燃燒器將瞬間減少燃氣流量，在此瞬間，燃氣的一次空氣過大，使得火焰因一次空氣過大出現(xiàn)離焰，反饋針探測不到火焰而保護，使得點火失敗，當。當延遲反饋針的保護時間后，過大的一次空氣系數(shù)變?yōu)檎Ｖ?，使得燃燒器火焰正常?.8 s延遲后反饋針重新探測到火焰信號，使得點火成功。因此需要在標準允許的范圍內(nèi)，延遲反饋針的保護時間，有助于解決小火點火失敗的問題。

3）增加小火負荷：通過擴大氣閥芯的小孔，增加小火負荷，測試時采用點火負荷為9.5 kW，其測試數(shù)據(jù)如表4。

表2 減小電磁閥通道測試結(jié)果

表3 延后火焰反饋針的保護時間測試結(jié)果

表4 增加小火負荷測試結(jié)果

試驗結(jié)果分析：增加小火負荷，能把小電磁閥切換時所帶來的一次空氣增加導(dǎo)致的離焰的熄火。但過大的最小負荷均會導(dǎo)到NOX排放超標。故需合理選擇最小負荷。

4 結(jié)論

本文主要研究了燃氣熱水器小火啟動失敗的問題，對于煙道機的水冷燃燒器，提出了三種解決小火啟動問題的思路，分別是：減少點火負荷、延后火焰反饋針的保護時間以及增加小火負荷來解決小火啟動問題，并通過了試驗研究，驗證了這三種思路的可行性，這些方案成本較低，工藝簡單，適合大規(guī)模推廣。