壁挂炉的节能排放技术分析

2017-9-1渤尔全预混冷凝燃气热水炉

壁挂炉的发展历经百年，从扩散式燃烧到大气式部分预混式燃烧，再到全预混式燃烧；从普通吸热到现如今冷凝吸热的最新技术的壁挂炉。全预混燃烧、冷凝吸热这两种技术缺一不可，只有将这两种技术同时运用才能更好地提高排放与节能的性能，下面就这两种技术在壁挂炉的运用与老式壁挂炉进行对比。

一、    吸热

老式壁挂炉是不能冷凝吸热的，若产生冷凝水将使其火排、换热器锈蚀失效，所以排烟温度设计将高于130℃以上确保不出现冷凝水腐蚀。而冷凝式壁挂炉由于其特殊的结构使之避免了冷凝水对机器的腐蚀作用。既降低了排烟温度又吸收了汽化潜热，大大提高了机器的热效率，达到了节能的性能。1kg水从0℃加热到100℃需要100千卡（显热）热量。1kg水从100℃汽化成100℃水蒸气需要599千卡（潜热）热量。以燃烧天然气（CH₄）为例，粗略估算：燃烧1m³天然气可生成2m³水蒸气。若将2m³水蒸气全部变成冷凝水而吸收其汽化潜热（现行技术还做不到全部吸收）其节能效果是巨大的。

二、    燃烧方式

老式壁挂炉均采取大气式燃烧，大气式燃烧也叫部分预混燃烧，靠燃气压力通过喷咀喷射，利用引射器引入部分一次空气达到部分混合（0.4~0.6）。混合了部分一次空气的燃气从燃烧器火孔喷出进行不完全燃烧；将二次空气引入到火焰周围，二次空气与随着火焰上升的没完全燃烧的燃气混合燃烧，其火焰温度较低，火焰长度较长。换热器设置较远（120mm左右），否则火焰接触到换热器形成不完全燃烧。二次空气靠热交换器上部的风机吸入炉腔，炉腔内为负压，燃烧热质点密度小，不利于换热器换热。另外，火焰中没有完全燃烧的燃气接触到二次空气才燃烧，由于没有完全燃烧的燃气分子周围是部分混合燃烧的烟气，再与二次空气接触的概率相对减少了。若想增大接触概率则需加大过剩空气系数α（大气式燃烧α=1.6~2.2）过多的不参与燃烧的二次空气虽然使燃烧相对充分了，CO减少了，增加了燃气体积，降低了炉腔温度。增加了排烟热损失，效率降低了。另外，大气式燃烧器体积与其功率比较大，很是笨重，近年来，国外先进国家将全预混燃烧技术引入壁挂炉并结合冷凝吸热使其性能大幅提高。下面就全预混燃烧技术做讲解和分析：

全预混燃烧采用变速风机送风，风机将燃气燃烧所需要的空气吸入文丘里混合器，空气流量的变化导致文丘里内燃气入口处气压改变，使燃气与空气比例阀的阀口开度产生变化，使得燃气与空气形成比例关系，调整阀上的调节螺钉以达到所需比例，当燃气与空气以所需比例进入燃烧器，燃烧时已不需要另外的空气就能达到完全燃烧。风机变速，风量改变，燃气阀开口改变，燃烧负荷改变，燃气与空气比例不变。

全预混燃烧由于在燃烧前燃气分子与氧气分子已充分混合，在空气过剩系数α很小的情况下（α =1.05~1.1）也能充分燃烧。CO很小，火焰温度很高，火焰很短，可以离换热器很近（35~40m m）（热强度与距离平方成反比），加热效率很高。另外，全预混燃烧是风机抽取燃气管道内的燃气进行燃烧，燃气阀的二次压为负压，燃气管道气压变化对燃烧影响较小。全预混燃烧在炉腔内形成正压，热质点密度较大，有利于换热器换热。总结上诉两种燃烧方式，全预混燃烧有点如下：

1、           燃烧充分、节能。

2、           火焰温度高（同样功率比大气式燃烧高500℃）节能。

3、           火焰长度短（距换热器近）热强度与距离平方成反比）节能。

注：以上均为与大气式燃烧方式对比。

另外，全预混燃烧方式空气过剩系数α=1.大气式燃烧方式α=2，天然气（CH4）燃烧方程为：

α=1时:CH4+2(O2+3.76N2)=CO2+2H2O+7.52N2

(空气中氮气含量为79%，所以氧气与氮气的比例为1：3. 76)

此时水蒸汽饱和分压为：2/(1+2+7.52)=0.19bar

α=2时：CH4+4(O2+3.76N2)=CO2+2H2O+2O2+15.04N2

此时水蒸汽饱和分压为：2/（1+2+2+15.04）=0.09975bar=0.1 bar

查表得出：0.19bar时冷凝水露点为58.3摄氏度；0.1bar时冷凝水露点为45.5摄氏度（全预混燃烧方式α=1,大气式燃烧方式α=2）。

由此可见全预混燃烧方式其结露点温度大大高于大气式燃烧，冷凝效果远远超出。

烟气二次加热式冷凝炉采用大气式燃烧方式α=2，其冷凝效果大打折扣。

三、    两种燃烧方式排放对大气的影响

近年来我国大气污染严重，特别是雾霾对人们人身健康及经济发展的影响是巨大的。

北京市2012~2013年度pm2.5主要成分质量百分比

燃气燃烧的烟气中只有硫化物和氮氧化物对雾霾有影响的。燃气中的脱硫工艺要比固体（煤）的脱硫工艺简单的多，所以我们使用的燃气中硫的含量很少，可以忽略不计。但空气中有79%N_2。大气式燃烧与全预混式燃烧的火焰温度（全预混燃烧比大气式燃烧高500℃）都能使氮气分子中的共价链打开而与氧气生成NOx。实测发现大气式让你说的NOx排放为100~200mg/kwh，而全预混燃烧的NOx排放为7~9mg/kwh,为什么火焰温度高的全预混燃烧NOx排放反而少了呢，因为全预混燃烧的α=1，而燃气分子夺取氧气分子的能力比氮气强，当燃气分子与氧气分子完全燃烧反应后已经没有多余的氧气分子与氮气发生反应了。反观大气式燃烧α=2燃烧后还有很多的氧气分子与氮气生产了NOx。另外由于其混合不充分，产生很高的CO甚至是碳颗粒（积碳），北京地区最新制定的NOx的排放标准是60mg/kwh

着重指出的是：大气式燃烧的壁挂炉国家检测的热效率为88%，实际使用连50%都不到。普通壁挂炉采用交流单速风机，按照最大燃烧功率给风，功率小时给风量不变；过剩空气系数α变大，效率很低。所以程序控制采暖加热时均以最大功率燃烧，当出水温度达到设置温度时熄火，出水温度低于回差温度时再次点火，大功率燃烧，周而循环。每次从点火到正常燃烧，又废气，排放又不好，效率很低。而国家检测时用水流控制水温不变化，不停机，检测结果与实际使用不符。而全预混壁挂炉采用变速风机，燃烧负荷变化是随着风量的变化而变化，程序控制对出水温度是恒温控制的，小负荷燃烧时空气、燃气量按比例缩减，过剩空气系数α不变。全预混冷凝壁挂炉热效率为108%，使用对比100㎡房子普通壁挂炉功率为18—20kw，而全预混冷凝式壁挂炉8kw既可达到。

另外，冷凝壁挂炉排烟温度比普通壁挂炉排烟温度低100多K，大大降低了排烟热损失，节能效果显著。

通过上面的分析全预混冷凝壁挂炉的优势是巨大的，这就是欧盟停产大气式燃烧壁挂炉的理由。

国内的全预混冷凝壁挂炉的研发与生产少之又少，国外的产品进入中国市场使用及检测中又出现了一些问题。

主交换器有腐蚀现象、锅炉管有烧穿漏水现象，进口全预混冷凝壁挂炉主换热器是有不锈钢矩形管缠绕成圆筒状，烟气从矩形管之间的窄缝（0.3—0.5mm）通过，国内空气中以及燃气燃烧后的颗粒物较多，很容易将窄缝堵塞，矩形管长宽比很大，侧面为长尺寸，侧面窄缝堵塞不吸热，只有迎火短尺寸面吸热，吸收热量太小，温度不高，在主换热器产生冷凝水，如此一来，燃烧而产生的颗粒物和空气中的颗粒物与冷凝水混合成了泥浆，经火蒸发，成了烧砖过程。而冷凝水中的酸的成分，颗粒物中的盐的成分由于水的不断蒸发其浓度不断增加（过程与晒盐相似），腐蚀性大大增强，产生了腐蚀现象。另外锅炉管壁太薄，使用中若排气不彻底，或锅炉管内壁结水垢而影响热量传递，造成管壁烧穿漏水现象。

全预混冷凝式壁挂炉方兴未艾，各个国家及部门纷纷推出自己的产品，市场上产品种类繁多，但要想做好冷凝炉，换热器的合理选择是关键。大连渤尔科技采用不锈钢翅片管主换热器和冷凝换热器一体型换热器，由直径20mm、壁厚1.5mm不锈钢无缝管外面焊接间隔2~2.2mm翅片以加大换热面积，不锈钢翅片管多层缠绕形成换热器。内层为主换热器，外层为冷凝换热器。烟气从2~2.2mm翅片间隙通过，不堵塞。1.5mm壁厚不锈钢无缝管没有烧穿隐患。圆形管受热面积大受热比较均匀，主交换器不产生冷凝水。

大连渤尔科技研发的不锈钢翅片管全预混式冷凝炉经过五年的实验检验，性能良好。能适应中国国情，是中国壁挂炉市场的理想选择。

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