第19卷 第2期 2013年4月 DOI 10.11715/rskxjs 201302016燃 烧 科 学 与 技 术
Journal of Combustion Science and Technology
Vol.19 No.2Apr. 2013
平板式预混燃烧器的污染物排放特性
刘凤国1,2，尤学一1，王 启3，刘文博3
(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津城市建设学院能源与安全工程学院，天津 300384；
3. 中国国家燃气用具质量监督检验中心，天津 300384)
摘 要：利用多引射器混合结构实现燃气和空气的完全混合，设计了平板式预混燃烧器，研究了燃烧器污染物排放特性与空气系数、喷嘴直径、热负荷比的关系．实验结果表明：平板式预混燃烧器实现了NO 和CO的低排放；NO和CO的排放量随着空气系数的增大而减小；喷嘴直径越大，燃气和空气接触面越大，混合效果越好，CO的排
-6
放量越小；当空气系数为1.25时，全预混燃烧器烟气中折算为空气系数为1时NO排放为40×10，达到了氮氧化
物的第5排放等级．
关键词：平板式；预混燃烧；引射器；燃烧器
中图分类号：X511 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2013)02-0187-05
Pollutant Emission Characteristics of Flat Plate Premixed Burner
Liu Fengguo1，You Xueyi1，Wang Qi2，Liu Wenbo2
(1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2. School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；
3. China Quality Supervising and Test Center for Gas Appliances，Tianjin 300384，China)
Abstract：To realize the premixing of gas and air using muti-ejector，a flat plate premixed burner was proposed. The effects of air coefficient，nozzle diameter and thermal load ratio on the pollutant emission of burner were experimen-tally studied. It is found that lower NO and CO emissions of the designed flat plate premixed burner are realized. NO and CO emissions decrease with the increase of air coefficient. The larger the diameter of the nozzle，and the greater the gas and air contact surface，the better mixing effect and the smaller amount of CO emissions will be realized.When air ratio is 1.25，NO emission is 40×10-6，which reaches the fifth grade of NO emission.
Keywords：flat plate；premixed combustion；ejector；burner
随着人们对室内空气品质的要求的提高，室内
民用天然气燃烧NOx的控制引起了人们的高度重视．
器(燃气灶具、燃气快速热水器、燃气壁挂炉等)是居民室内污染物的主要来源之一．开发与研究适用于燃气快速热水器的低氮氧化物燃烧技术，成为民用燃气燃烧应用领域的发展方向之一，必将有助于城镇燃气应用行业的蓬勃发展．目前国内燃气用具燃烧器采用的低氮氧化物燃烧技术主要有浓淡燃烧技术、多孔陶瓷板预混燃烧技术和金属纤维表面燃烧技术．
浓淡燃烧技术是通过改变燃料和空气的配比，使
收稿日期：2012-05-22．
作者简介：刘凤国（1980— ），男，博士，讲师. 通讯作者：刘凤国，[email protected]．
得燃气的燃烧分别在燃气过浓、燃气过淡和燃尽共3
个不同区域进行．采用浓淡燃烧NOx的生成量可降
-6
低40%～50%，最低值一般为60×10[1]．
多孔陶瓷板中的预混燃烧是混合气体在一种耐高温、导热性能非常好的多孔陶瓷介质中燃烧，多孔陶瓷具有辐射强度大和导热能力高的特点，使火焰后区的热量传递到火焰前区，增加了混合气的预热作用，同时也增强了火焰的辐射换热能力；良好的热交换特性，使燃烧区域温度迅速趋于均匀，能将最高温度保持在较低水平，烟气在高温区停留时间减少，
·188· 燃 烧 科 学 与 技 术 第19卷 第2期
NOx排放量低；燃烧区域的热量回流，预热了混合气体，使得燃烧负荷调节范围增大[2-4]．
金属纤维燃烧器是利用金属纤维表面燃烧技术，实现低氮氧化物排放的一种新型燃烧器．金属纤维燃烧器头部的主要部分是金属纤维板，呈多孔状，主要成分是铁、铬和铝，还含有稀有金属，目前主要应用的金属纤维板有两种形式：片状金属纤维编制物和烧结金属纤维板．两种形式的金属纤维板都是由直径大约为22µm的金属纤维加工而成．国外对金属纤维燃烧器的研究主要集中在燃烧器的CO和NOx的排放特性、金属纤维导热性能、热辐射发射率、燃烧器表面温度、催化剂中毒特性、燃烧器脱回火特性、催化剂材料、传热和燃烧模型等方面的研究[5-9]．
浓淡燃烧技术从总量上降低NOx生成量不明显．金属纤维表面燃烧技术和多孔陶瓷板预混燃烧技术都是采用的全预混燃烧，可以实现低氮氧化物排放．但是，为了增加负荷的调节范围，同时进一步降低NOx排放，这两种燃烧技术都需要在材料表面附
从而增加了燃烧着催化剂以实现更低的NOx排放，
器成本．此外，由于国内气源情况比较复杂，燃气燃烧过程中容易造成催化剂中毒，导致NOx排放量升高．鉴于以上几种燃烧技术所存在的问题，笔者开发了一种基于预混燃烧方式的低污染燃烧器，提出了新的全预混燃烧器设计思路，探究了全预混燃烧器燃烧稳定性和低污染物排放特性的关系
．
分流孔板以及燃烧火孔板等组成．燃气从喷嘴中喷
出，进入引射器，用来引射升压后的空气，这样可以使引射的空气系数α(燃烧所需实际空气量与理论空气量的比值)达到1.0以上．在混气系统中，不需要二次空气．
图1 全预混燃烧器(未加喷嘴)侧面结构示意
平板式预混燃烧器标定负荷为22kW．燃烧器火孔板采用厚度为1mm的不锈钢板，材质具有良好的耐腐蚀、耐高温的性能．火孔板的设计尺寸见图2所示. 由图可知，火孔板是由圆火孔和方火孔组成，其中7个小火孔组成一个梅花族，具体尺寸见表1和表2.
1 平板式预混燃烧器的结构和实验系统
1.1 平板式预混燃烧器的结构
平板式预混燃烧器(未加喷嘴)的侧面内视图如图1所示．整个燃烧器由燃气喷嘴、引射器、分配室、
表1 圆火孔尺寸
2221144
图2 火孔板的尺寸示意(单位：mm)
表2 方火孔尺寸
长/mm
宽/mm
面积/mm2
两个方火孔的面积/mm2
5
排数
方火孔列数
方火孔总面积/mm2
1.2 平板式预混燃烧器原理
空气和燃气混合物在引射器中的混合管中进行充分混合，使得混合气体压力分布比较均匀，最后气流从燃烧器火孔板上均匀分布的火孔排出，进行燃烧．引射器的主要作用是引射由风机提供的空气，并
利用自身的结构形式，使燃气和空气在其内部进行
混合．
燃气和空气的混合效果，是实现全预混燃烧和低污染物排放的关键．因为天然气和燃烧所需理论空气的体积比是1∶10，整体气流流量较大，较难实现
2013年4月 刘凤国等：平板式预混燃烧器的污染物排放特性 ·189·
理想的混合效果．为了使燃气燃烧前燃气和空气混合，国内外全预混燃烧器普遍使用单个混合器结构，但是结构阻力大，风机功率也大，不适合目前燃气快速热水器的结构要求．提出了11个引射器组成的混气结构，每个引射器承担1/11的燃气流量．11个引射器分担燃气和空气的混合，有助于优化燃气和空气的混合效果，而且增大燃烧器的负荷调节范围． 1.3 实验系统
平板式预混燃烧器实验方案设计，主要依据GB 节比下，喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和
1.40mm时，空气系数在1.0～1.5范围内NO和CO的排放情况．实验用燃气性质见表3．
表3 实验用天燃气的性质
参 数 低华白数/(MJ·m-3) 高热值/(MJ·m-3) 低热值/(MJ·m-3)
数 值 52.07 46.88 40.47 36.44 6932—2001来进行实验系统的搭建和数据处理．在实验过程中各参数的检测方法、仪器的使用方法以及实验室的条件，也严格执行GB 6932—2001中相应的规定．为了达到较好的实验效果，实验台在中国国家燃气用具质量监督检验中心搭建，所有实验条件由中心提供支持．
整个全预混燃烧器实验系统分为4个部分，即燃气供给系统、配风系统、供水系统和烟气分析系统．预混燃烧器实验系统见图3．将研发的全预混燃烧器置于方太11L家用燃气快速热水器中进行整机实验．
1—配气系统；2—阀门；3—调压器；4—流量计；5—阀前U
型压力计；6—电磁阀；7—阀后U型压力计；8—温度计；9—压力计；10—流量计；11—阀门；12—风机；13—翅片式换热器；14—烟气分析仪；15—红外线分析仪；16—直流电源；17—燃烧器（包括混气系统）；18—直流电源
图3 全预混燃烧器实验系统示意
1.4 实验工况
实验室室温为20℃，在实验过程中室温波动控制在±5℃以内．室内的排烟口应靠近燃烧器的烟气出口，实验过程中产生的烟气经过排烟口及时排出．室内空气中的CO体积分数应小于0.002%，CO2 体积分数应小于0.2%．供水水温维持在(20±1)℃，标定负荷下，调节出水水温要比进水水温高(40±1)℃．所有参数的确定均是在热水器满负荷运行15min稳定后测定．平板式全预混燃烧器标定负荷为22kW．实验过程中主要是测定燃烧器不同负荷调
燃烧势 39.22 相对密度
0.6042
2 实验结果与分析
2.1 氮氧化物的排放特性
图4～图6分别显示了当喷嘴位置P＝5mm，喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，燃烧器燃烧过程中产生的NO的排放量，其中f为实际燃气热负荷与标定热负荷之比．3个图中均显示，
当空气系数α＞1.1时，NO的排放量低于70×10-6
．当
α＞1.2时，NO的排放量低于40×10-6
；当热负荷一定
时，随着空气系数α的增加，
NO的生成量减少；不同的喷嘴直径下，烟气中NO生成量随着空气系数的变化趋势相同．上述现象产生的原因：当α＞1.1时，随着空气系数α的增大，火焰中O2的含量增加，有利于NO的产生，但是过多的空气供给使得燃烧室内火焰温度降低，故NO的生成量减少；随着空气系数的增大，使得火孔的气流速度增大，从而缩短了燃烧产物在高温区的停留时间，且不利于NO的生成；空气系数α的增大，使得火焰的显示了拉伸效应，火焰面积增大，火焰锥体散热量增加(7个小圆火孔形成火焰和方火孔火焰)，同样也导致火焰温度降低，造成NO生成量的减少．图4～图6还显示了当空气系数一定时，喷嘴直径的改变对NO排放量的影响不是太明显．其主要原因是由于采用了全预混燃烧方式，热力
图4 P＝5mm，d＝1.30mm时烟气NO排放量与空气系数
的关系
·190· 燃 烧 科 学 与 技 术 第19卷 第2期
CO排放标准的前提下，空气系数应选择一个较小的值．图7～图9还显示了当空气系数一定时，喷嘴直径越大，燃气和空气接触面越大，混合效果越好，CO的排放量越小．
图5 P＝5mm，d＝1.35mm时烟气NO排放量与空气系数
的关系
图6 P＝5mm，d＝1.40mm时烟气NO排放量与空气系数
的关系
型NO生成量较少，其受空气系数影响不明显． 2.2 一氧化碳的排放特性
图7～图9分别显示了当喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，燃烧器燃烧过程中CO的排放量．对比3个图的结果表明，当空气系数 α＞1.1时，烟气中CO的体积分数随着空气系数α的增大，开始急剧减小；当α＞1.2时，随着空气系数α的增加，一氧化碳的排放量也继续降低，但降低的速度比较缓慢．当1.1＜α＜1.2时，燃烧室内氧气严重不
足，燃烧过程中CO作为生成CO2的中间产物，
并没有获得足够的氧气，使其快速完全转化为CO2，由于CO的体积分数受燃烧室内O2体积分数的变化影响特别显著，因此当1.1＜α＜1.2时烟气中CO体积分
数极高，波动范围也比较大，达到1000×10-6
～
4000×10-6
．随着空气系数的增大，燃烧室内的氧气体积分数增加，从而使得CO体积分数下降．同时，由于空气系数α的增大，使得燃烧温度下降，CO排放
量增加，并且随着空气系数α的增大，
预混气体的流速增加，造成烟气在高温区的停留时间有所减少，这也不利于CO体积分数的减少．但是考虑到燃烧形式为全预混燃烧，后两者的影响远不及氧气含量这个因素的影响大．因此，CO变化的总趋势是随着空气系数的增大而减少．考虑到无限制增加空气系数会降低燃烧器热效率，因此在满足家用燃气快速热水器
图7 P＝5mm，d＝1.30mm时烟气CO排放量与空气系数
的关系
图8 P＝5mm，d＝1.35mm时烟气CO排放量与空气系数
的关系
图9 P＝5mm，d＝1.40mm时烟气CO排放量与空气系数
的关系
3 结 论
(1) 当喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，平板式全预混燃烧器NO排放量随着空气系数的增大而减小．当空气系数α＞1.1时，NO的
体积分数低于70×10-6
．当α＞1.25时，NO的体积分
数低于40×10-6
．
(2) 当喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，平板式全预混燃烧器CO的排放量也随
2013年4月 刘凤国等：平板式预混燃烧器的污染物排放特性 ·191·
着空气系数的增大而减小．当1.1＜α＜1.2时，由于CO的体积分数受空气系数α 的变化影响特别显著，α 稍有增大，CO排放量急剧降低．当α ＞1.2时，随
CO的排放量也继续降低，但着空气系数α 的增加，
降低的速度比较缓慢．考虑到无限制增加空气系数会降低燃烧器热效率，因此在满足烟气排放标准的前213.
［3］ Hsu P F，Evans W D，Howell J R. Experimental and
numerical study of premixed combustion within nonho-mogeneous porous ceramics[J]. Combustion Science Technology，1993，90(1/2/3/4)：149-172.
［4］ Mobbauer S，Pickenacker O，Pickenacker K，et al.
提下，空气系数应选择一个较低的值．当α ＞1.3时，
CO的排放量低于58×10-6
．
(3) 采用了全预混燃烧方式，热力型NO生成量较少，其受喷嘴直径变化影响不明显．但是，当空气系数一定时，喷嘴直径越大，燃气和空气接触面越大，混合效果越好，CO的排放量越小．
(4) 当空气系数为1.25时，全预混燃烧器烟气
中折算为空气系数为1时，NO排放为40×10-6
，已经达到了氮氧化物NO的第5排放等级． 参考文献：
［1］ 周庆芳，杨庆泉，沈亦冰，等. 燃气热水器浓淡燃烧
低NOx燃烧器的模拟分析[J]. 煤气与热力，2004，24(12)：665-669.
Zhou Qingfang，Yang Qingquan，Shen Yibing，et al. Simulation of low NOx burner with rich and lean com-bustion of gas water heater [J]. Gas and Heat，2004，24(12)：665-669(in Chinese).
［2］ Brenner G，Pickenacker K，Pickenacker O，et al. Nu-merical and experimental investigation of matrix- stabilized methane/air combustion in porous inert me-dia[J]. Combustion and Flame，2000，123(1)：201-
Application of the porous burner technology in energy and heat-engineering[J]. Clean Air，2002，3(2)：185-198.
5］ Rortveit G J，Zepter K，Skreiberg O，et al. A compari-son of low-NOx burners for combustion of methane and hydrogen mixtures [J]. Proceedings of Combustion Insti-tute，2002，29(1)：1123-1129.
6］ Bizzi M，Saracco G，Specchia V. Improving the
flashback resistance of catalytic and non-catalytic metal fiber burners [J]. Chemical Engineering Journal，2003，95(1/2/3)：123-136.
7］ Saracco G，Cerri I，Specchia V，et al. Catalytic pre-mixed fibres burners [J]. Chemical Engineering Sci-ence，1999，54(15/16)：3599-3608.
8］ Cerri I，Saracco G，Geobaldo F，et al. Development of
a methane pre-mixed catalytic burner for domestic appli-cations[J]. Industrial and Engineering Chemistry Re-search，2000，39(1)：24-33.
9］ Cerri I，Saracco G，Specchia V，et al. Improved-performance knitted fiber mats as supports for pre-mixed natural gas catalytic combustion[J]. Chemical Engineer-ing Journal，2001，82(1)：73-85.
［［［［［
第19卷 第2期 2013年4月 DOI 10.11715/rskxjs 201302016燃 烧 科 学 与 技 术
Journal of Combustion Science and Technology
Vol.19 No.2Apr. 2013
平板式预混燃烧器的污染物排放特性
刘凤国1,2，尤学一1，王 启3，刘文博3
(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津城市建设学院能源与安全工程学院，天津 300384；
3. 中国国家燃气用具质量监督检验中心，天津 300384)
摘 要：利用多引射器混合结构实现燃气和空气的完全混合，设计了平板式预混燃烧器，研究了燃烧器污染物排放特性与空气系数、喷嘴直径、热负荷比的关系．实验结果表明：平板式预混燃烧器实现了NO 和CO的低排放；NO和CO的排放量随着空气系数的增大而减小；喷嘴直径越大，燃气和空气接触面越大，混合效果越好，CO的排
-6
放量越小；当空气系数为1.25时，全预混燃烧器烟气中折算为空气系数为1时NO排放为40×10，达到了氮氧化
物的第5排放等级．
关键词：平板式；预混燃烧；引射器；燃烧器
中图分类号：X511 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2013)02-0187-05
Pollutant Emission Characteristics of Flat Plate Premixed Burner
Liu Fengguo1，You Xueyi1，Wang Qi2，Liu Wenbo2
(1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2. School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；
3. China Quality Supervising and Test Center for Gas Appliances，Tianjin 300384，China)
Abstract：To realize the premixing of gas and air using muti-ejector，a flat plate premixed burner was proposed. The effects of air coefficient，nozzle diameter and thermal load ratio on the pollutant emission of burner were experimen-tally studied. It is found that lower NO and CO emissions of the designed flat plate premixed burner are realized. NO and CO emissions decrease with the increase of air coefficient. The larger the diameter of the nozzle，and the greater the gas and air contact surface，the better mixing effect and the smaller amount of CO emissions will be realized.When air ratio is 1.25，NO emission is 40×10-6，which reaches the fifth grade of NO emission.
Keywords：flat plate；premixed combustion；ejector；burner
随着人们对室内空气品质的要求的提高，室内
民用天然气燃烧NOx的控制引起了人们的高度重视．
器(燃气灶具、燃气快速热水器、燃气壁挂炉等)是居民室内污染物的主要来源之一．开发与研究适用于燃气快速热水器的低氮氧化物燃烧技术，成为民用燃气燃烧应用领域的发展方向之一，必将有助于城镇燃气应用行业的蓬勃发展．目前国内燃气用具燃烧器采用的低氮氧化物燃烧技术主要有浓淡燃烧技术、多孔陶瓷板预混燃烧技术和金属纤维表面燃烧技术．
浓淡燃烧技术是通过改变燃料和空气的配比，使
收稿日期：2012-05-22．
作者简介：刘凤国（1980— ），男，博士，讲师. 通讯作者：刘凤国，[email protected]．
得燃气的燃烧分别在燃气过浓、燃气过淡和燃尽共3
个不同区域进行．采用浓淡燃烧NOx的生成量可降
-6
低40%～50%，最低值一般为60×10[1]．
多孔陶瓷板中的预混燃烧是混合气体在一种耐高温、导热性能非常好的多孔陶瓷介质中燃烧，多孔陶瓷具有辐射强度大和导热能力高的特点，使火焰后区的热量传递到火焰前区，增加了混合气的预热作用，同时也增强了火焰的辐射换热能力；良好的热交换特性，使燃烧区域温度迅速趋于均匀，能将最高温度保持在较低水平，烟气在高温区停留时间减少，
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NOx排放量低；燃烧区域的热量回流，预热了混合气体，使得燃烧负荷调节范围增大[2-4]．
金属纤维燃烧器是利用金属纤维表面燃烧技术，实现低氮氧化物排放的一种新型燃烧器．金属纤维燃烧器头部的主要部分是金属纤维板，呈多孔状，主要成分是铁、铬和铝，还含有稀有金属，目前主要应用的金属纤维板有两种形式：片状金属纤维编制物和烧结金属纤维板．两种形式的金属纤维板都是由直径大约为22µm的金属纤维加工而成．国外对金属纤维燃烧器的研究主要集中在燃烧器的CO和NOx的排放特性、金属纤维导热性能、热辐射发射率、燃烧器表面温度、催化剂中毒特性、燃烧器脱回火特性、催化剂材料、传热和燃烧模型等方面的研究[5-9]．
浓淡燃烧技术从总量上降低NOx生成量不明显．金属纤维表面燃烧技术和多孔陶瓷板预混燃烧技术都是采用的全预混燃烧，可以实现低氮氧化物排放．但是，为了增加负荷的调节范围，同时进一步降低NOx排放，这两种燃烧技术都需要在材料表面附
从而增加了燃烧着催化剂以实现更低的NOx排放，
器成本．此外，由于国内气源情况比较复杂，燃气燃烧过程中容易造成催化剂中毒，导致NOx排放量升高．鉴于以上几种燃烧技术所存在的问题，笔者开发了一种基于预混燃烧方式的低污染燃烧器，提出了新的全预混燃烧器设计思路，探究了全预混燃烧器燃烧稳定性和低污染物排放特性的关系
．
分流孔板以及燃烧火孔板等组成．燃气从喷嘴中喷
出，进入引射器，用来引射升压后的空气，这样可以使引射的空气系数α(燃烧所需实际空气量与理论空气量的比值)达到1.0以上．在混气系统中，不需要二次空气．
图1 全预混燃烧器(未加喷嘴)侧面结构示意
平板式预混燃烧器标定负荷为22kW．燃烧器火孔板采用厚度为1mm的不锈钢板，材质具有良好的耐腐蚀、耐高温的性能．火孔板的设计尺寸见图2所示. 由图可知，火孔板是由圆火孔和方火孔组成，其中7个小火孔组成一个梅花族，具体尺寸见表1和表2.
1 平板式预混燃烧器的结构和实验系统
1.1 平板式预混燃烧器的结构
平板式预混燃烧器(未加喷嘴)的侧面内视图如图1所示．整个燃烧器由燃气喷嘴、引射器、分配室、
表1 圆火孔尺寸
2221144
图2 火孔板的尺寸示意(单位：mm)
表2 方火孔尺寸
长/mm
宽/mm
面积/mm2
两个方火孔的面积/mm2
5
排数
方火孔列数
方火孔总面积/mm2
1.2 平板式预混燃烧器原理
空气和燃气混合物在引射器中的混合管中进行充分混合，使得混合气体压力分布比较均匀，最后气流从燃烧器火孔板上均匀分布的火孔排出，进行燃烧．引射器的主要作用是引射由风机提供的空气，并
利用自身的结构形式，使燃气和空气在其内部进行
混合．
燃气和空气的混合效果，是实现全预混燃烧和低污染物排放的关键．因为天然气和燃烧所需理论空气的体积比是1∶10，整体气流流量较大，较难实现
2013年4月 刘凤国等：平板式预混燃烧器的污染物排放特性 ·189·
理想的混合效果．为了使燃气燃烧前燃气和空气混合，国内外全预混燃烧器普遍使用单个混合器结构，但是结构阻力大，风机功率也大，不适合目前燃气快速热水器的结构要求．提出了11个引射器组成的混气结构，每个引射器承担1/11的燃气流量．11个引射器分担燃气和空气的混合，有助于优化燃气和空气的混合效果，而且增大燃烧器的负荷调节范围． 1.3 实验系统
平板式预混燃烧器实验方案设计，主要依据GB 节比下，喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和
1.40mm时，空气系数在1.0～1.5范围内NO和CO的排放情况．实验用燃气性质见表3．
表3 实验用天燃气的性质
参 数 低华白数/(MJ·m-3) 高热值/(MJ·m-3) 低热值/(MJ·m-3)
数 值 52.07 46.88 40.47 36.44 6932—2001来进行实验系统的搭建和数据处理．在实验过程中各参数的检测方法、仪器的使用方法以及实验室的条件，也严格执行GB 6932—2001中相应的规定．为了达到较好的实验效果，实验台在中国国家燃气用具质量监督检验中心搭建，所有实验条件由中心提供支持．
整个全预混燃烧器实验系统分为4个部分，即燃气供给系统、配风系统、供水系统和烟气分析系统．预混燃烧器实验系统见图3．将研发的全预混燃烧器置于方太11L家用燃气快速热水器中进行整机实验．
1—配气系统；2—阀门；3—调压器；4—流量计；5—阀前U
型压力计；6—电磁阀；7—阀后U型压力计；8—温度计；9—压力计；10—流量计；11—阀门；12—风机；13—翅片式换热器；14—烟气分析仪；15—红外线分析仪；16—直流电源；17—燃烧器（包括混气系统）；18—直流电源
图3 全预混燃烧器实验系统示意
1.4 实验工况
实验室室温为20℃，在实验过程中室温波动控制在±5℃以内．室内的排烟口应靠近燃烧器的烟气出口，实验过程中产生的烟气经过排烟口及时排出．室内空气中的CO体积分数应小于0.002%，CO2 体积分数应小于0.2%．供水水温维持在(20±1)℃，标定负荷下，调节出水水温要比进水水温高(40±1)℃．所有参数的确定均是在热水器满负荷运行15min稳定后测定．平板式全预混燃烧器标定负荷为22kW．实验过程中主要是测定燃烧器不同负荷调
燃烧势 39.22 相对密度
0.6042
2 实验结果与分析
2.1 氮氧化物的排放特性
图4～图6分别显示了当喷嘴位置P＝5mm，喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，燃烧器燃烧过程中产生的NO的排放量，其中f为实际燃气热负荷与标定热负荷之比．3个图中均显示，
当空气系数α＞1.1时，NO的排放量低于70×10-6
．当
α＞1.2时，NO的排放量低于40×10-6
；当热负荷一定
时，随着空气系数α的增加，
NO的生成量减少；不同的喷嘴直径下，烟气中NO生成量随着空气系数的变化趋势相同．上述现象产生的原因：当α＞1.1时，随着空气系数α的增大，火焰中O2的含量增加，有利于NO的产生，但是过多的空气供给使得燃烧室内火焰温度降低，故NO的生成量减少；随着空气系数的增大，使得火孔的气流速度增大，从而缩短了燃烧产物在高温区的停留时间，且不利于NO的生成；空气系数α的增大，使得火焰的显示了拉伸效应，火焰面积增大，火焰锥体散热量增加(7个小圆火孔形成火焰和方火孔火焰)，同样也导致火焰温度降低，造成NO生成量的减少．图4～图6还显示了当空气系数一定时，喷嘴直径的改变对NO排放量的影响不是太明显．其主要原因是由于采用了全预混燃烧方式，热力
图4 P＝5mm，d＝1.30mm时烟气NO排放量与空气系数
的关系
·190· 燃 烧 科 学 与 技 术 第19卷 第2期
CO排放标准的前提下，空气系数应选择一个较小的值．图7～图9还显示了当空气系数一定时，喷嘴直径越大，燃气和空气接触面越大，混合效果越好，CO的排放量越小．
图5 P＝5mm，d＝1.35mm时烟气NO排放量与空气系数
的关系
图6 P＝5mm，d＝1.40mm时烟气NO排放量与空气系数
的关系
型NO生成量较少，其受空气系数影响不明显． 2.2 一氧化碳的排放特性
图7～图9分别显示了当喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，燃烧器燃烧过程中CO的排放量．对比3个图的结果表明，当空气系数 α＞1.1时，烟气中CO的体积分数随着空气系数α的增大，开始急剧减小；当α＞1.2时，随着空气系数α的增加，一氧化碳的排放量也继续降低，但降低的速度比较缓慢．当1.1＜α＜1.2时，燃烧室内氧气严重不
足，燃烧过程中CO作为生成CO2的中间产物，
并没有获得足够的氧气，使其快速完全转化为CO2，由于CO的体积分数受燃烧室内O2体积分数的变化影响特别显著，因此当1.1＜α＜1.2时烟气中CO体积分
数极高，波动范围也比较大，达到1000×10-6
～
4000×10-6
．随着空气系数的增大，燃烧室内的氧气体积分数增加，从而使得CO体积分数下降．同时，由于空气系数α的增大，使得燃烧温度下降，CO排放
量增加，并且随着空气系数α的增大，
预混气体的流速增加，造成烟气在高温区的停留时间有所减少，这也不利于CO体积分数的减少．但是考虑到燃烧形式为全预混燃烧，后两者的影响远不及氧气含量这个因素的影响大．因此，CO变化的总趋势是随着空气系数的增大而减少．考虑到无限制增加空气系数会降低燃烧器热效率，因此在满足家用燃气快速热水器
图7 P＝5mm，d＝1.30mm时烟气CO排放量与空气系数
的关系
图8 P＝5mm，d＝1.35mm时烟气CO排放量与空气系数
的关系
图9 P＝5mm，d＝1.40mm时烟气CO排放量与空气系数
的关系
3 结 论
(1) 当喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，平板式全预混燃烧器NO排放量随着空气系数的增大而减小．当空气系数α＞1.1时，NO的
体积分数低于70×10-6
．当α＞1.25时，NO的体积分
数低于40×10-6
．
(2) 当喷嘴直径d分别为1.30mm、1.35mm和1.40mm时，平板式全预混燃烧器CO的排放量也随
2013年4月 刘凤国等：平板式预混燃烧器的污染物排放特性 ·191·
着空气系数的增大而减小．当1.1＜α＜1.2时，由于CO的体积分数受空气系数α 的变化影响特别显著，α 稍有增大，CO排放量急剧降低．当α ＞1.2时，随
CO的排放量也继续降低，但着空气系数α 的增加，
降低的速度比较缓慢．考虑到无限制增加空气系数会降低燃烧器热效率，因此在满足烟气排放标准的前213.
［3］ Hsu P F，Evans W D，Howell J R. Experimental and
numerical study of premixed combustion within nonho-mogeneous porous ceramics[J]. Combustion Science Technology，1993，90(1/2/3/4)：149-172.
［4］ Mobbauer S，Pickenacker O，Pickenacker K，et al.
提下，空气系数应选择一个较低的值．当α ＞1.3时，
CO的排放量低于58×10-6
．
(3) 采用了全预混燃烧方式，热力型NO生成量较少，其受喷嘴直径变化影响不明显．但是，当空气系数一定时，喷嘴直径越大，燃气和空气接触面越大，混合效果越好，CO的排放量越小．
(4) 当空气系数为1.25时，全预混燃烧器烟气
中折算为空气系数为1时，NO排放为40×10-6
，已经达到了氮氧化物NO的第5排放等级． 参考文献：
［1］ 周庆芳，杨庆泉，沈亦冰，等. 燃气热水器浓淡燃烧
低NOx燃烧器的模拟分析[J]. 煤气与热力，2004，24(12)：665-669.
Zhou Qingfang，Yang Qingquan，Shen Yibing，et al. Simulation of low NOx burner with rich and lean com-bustion of gas water heater [J]. Gas and Heat，2004，24(12)：665-669(in Chinese).
［2］ Brenner G，Pickenacker K，Pickenacker O，et al. Nu-merical and experimental investigation of matrix- stabilized methane/air combustion in porous inert me-dia[J]. Combustion and Flame，2000，123(1)：201-
Application of the porous burner technology in energy and heat-engineering[J]. Clean Air，2002，3(2)：185-198.
5］ Rortveit G J，Zepter K，Skreiberg O，et al. A compari-son of low-NOx burners for combustion of methane and hydrogen mixtures [J]. Proceedings of Combustion Insti-tute，2002，29(1)：1123-1129.
6］ Bizzi M，Saracco G，Specchia V. Improving the
flashback resistance of catalytic and non-catalytic metal fiber burners [J]. Chemical Engineering Journal，2003，95(1/2/3)：123-136.
7］ Saracco G，Cerri I，Specchia V，et al. Catalytic pre-mixed fibres burners [J]. Chemical Engineering Sci-ence，1999，54(15/16)：3599-3608.
8］ Cerri I，Saracco G，Geobaldo F，et al. Development of
a methane pre-mixed catalytic burner for domestic appli-cations[J]. Industrial and Engineering Chemistry Re-search，2000，39(1)：24-33.
9］ Cerri I，Saracco G，Specchia V，et al. Improved-performance knitted fiber mats as supports for pre-mixed natural gas catalytic combustion[J]. Chemical Engineer-ing Journal，2001，82(1)：73-85.
［［［［［