引言随着化石能源的开发和利用，NOx的危害也日趋明显，降低NOx的研究从未间断。低氮技术包括全预混冷凝、分级燃烧、浓淡燃烧、烟气再循环等。全预混燃烧要求空燃比精准控制，稍有偏差既可能出现回火、爆炸等安全事故；分级燃烧由于火焰较长，需要较大的燃烧设备，无法用于家用燃具；浓淡燃烧受到燃烧器材料、加工精度、长期使用后燃烧器焰口变化的影响，目前国内家用燃具方面推广较为缓慢。烟气再循环是对原有燃烧器燃烧工况进行改良的一种低氮燃烧技术，即从烟气排放烟道抽取一部分烟气（主要成分包括N2、O2和CO2），与助燃空气混合后参与燃烧，或直接输送至燃烧室，作为部分二次空气辅助燃烧和燃烧室烟气流场整合。烟气再循环技术，已广泛用于工业燃烧器、燃料锅炉、燃气轮机、工业窑炉等大型工程项目，多数国内外的研究均基于此。于治国[1]等通过对3台58 MW燃气热水锅炉研究后认为，烟气再循环可有效降低NOx排放，但再循环烟气量过大时会增加锅炉振动，降氮效果降低。佐治亚理工大学 M.K. Bobba[2]对燃气轮机模型燃烧室研究发现，再循环烟气在燃料外部再循环，可起到稀释O2、预热燃料的作用，从而降低了NOx的生成。家用燃气热水器是一种结构小巧的家用燃气具，其主要内部结构包括燃气阀、燃烧器、热交换器和风机。冷水在热交换器内与高温烟气进行热交换，从而产生热水供居民使用，烟气经热交换器后排放。热水器的燃烧室通常为3 dm3左右，烟气在高温区停留的时间通常为2.5 s~ 4 s之间，由于烟气在高温区停留时间短，为保证燃烧充分，燃气热水器多采用富氧燃烧，烟气中氧含量通常为8%~14%。众多文献的研究表明，烟气再循环技术对降低NOx的排放有着明显的效果。但大多数研究都是在固定的燃烧状况下进行，而家用燃气热水器通常可根据不同的温度需求调整燃烧状况，以满足用户需求。根据燃气热水器的特点，通过试验的手段，研究相适应的烟气再循环技术，以达到最佳的减排效果。1试验系统为研究烟气再循环对燃气热水器的排放NOx的影响，结合国家标准《家用燃气快速热水器》（GB 6932）中相关规定，试验系统原理图如图1所示。试验系统主要设备包括燃气流量计、烟气分析仪、气相色谱仪、燃气热水器、烟气再循环用风机等。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.009.F001图1试验系统原理图1.1试验样机试验样机具有自动恒温功能，当供水流量或供水温度波动时，热水器会根据热水出水温度调整热负荷，以满足出水温度达到设定温度的要求，热负荷调整范围为31 kW~5 kW。热水器所用燃烧器由14个火排组成，燃烧器结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.009.F002图2燃烧器结构通过试验发现，当热负荷大于19 kW时，燃烧器全部火排燃烧，热负荷小于19 kW时，燃烧器部分火排燃烧。1.2烟气再循环风机天然气燃烧的化学反应方程式为：CH4+2O2=CO2+2H2O根据方程式可知，试验样品为额定热负荷31 kW运行时，取标准状态（15 ℃、101 325 Pa）的燃气低热值34.02 MJ/m3进行计算，消耗的燃气量约为3.1 m³/h，即每10 kW热负荷的燃气耗量约为1 m³/h，且氧气消耗量约为6.2 m³/h、根据空气中氧含量21%计算，样机所需风机风量约为30 m³/h。对于燃气快速热水器，燃烧状态一般为富氧燃烧，空气过剩系数一般为1.7 ~ 1.8，实际的风机风量约为54 m³/h，则单位热负荷所消耗的空气量约为1.7 m³/kWh。该样机的最小热负荷为5.0 kW，因而在最小热负荷时所需的空气约为8.5 m³/h。本次试验选用定频风机，风机最大工作电压为240 V，设备最大再循环量为8.8 m³/h。2试验条件与计算方法2.1试验条件实验室通风良好，环境中无CO2和NOx，试验所用供水、电气、燃气，和试验所用气相色谱仪、燃气流量计、烟气分析仪等检测设备符合标准GB 6932—2015要求，且检测设备均进行了定期计量。为减少热水出水温度对烟气温度和烟气成分的影响，将热水出水温度设定在60 ℃。烟气取样器材料为不锈钢，取样管采用聚四氟乙烯或其他不吸附氮氧化物的材料和保温措施；热水器预热时间为15 min 。2.2烟气中CO（α=1）的计算由于气相色谱仪能够测量燃气成分，可以准确计算理论二氧化碳量，因此采用二氧化碳折算法，测定烟气中CO含量和CO2含量：VCO(α=1)==VCOα VCO2bVCO2a (5)式中：VCO(α=1)——过剩空气系数等于1时，干烟气中的CO的体积分数，%；VCOa——实测烟气中CO的体积分数，%；VCO2b——理论CO2的体积分数，%；VCO2a——实测烟气中CO2的体积分数，%。2.3烟气中NOx的计算烟气中氮氧化物含量计算如下：VNOx(α=1)=α×13.33-1.5213.33-X×VNOx'-VNOx''VCO2a-VCO2b (6)式中：VNOx(α=1)——过剩空气系数α=1，干烟气中的氮氧化物含量，×10-6；VNOx'——烟气分析仪显示的烟气中的氮氧化物含量，×10-6；VNOx''——试验时空气中的氮氧化物含量，×10-6；α——试验时空气中的二氧化碳含量，%；X——实验室实测水蒸气压，kPa。3试验与数据分析试验模拟实际使用情况，在不同热负荷状态进行，热负荷状态的改变通过调整供水流量的方法来实现；烟气再循环量为8.8 m³/h。不同热负荷下烟气再循环前后烟气成分试验数据如表2所示，试验所用天然气理论CO2为11.94%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.009.T001表2不同热负荷下烟气再循环前后烟气成分序号调定热负荷/kW烟气再循环前烟气再循环后CO2/ %CO/%NOx/×10-6CO2/ %CO/ %NOx/×10-6114.04.40.003 3316.50.088 641216.04.90.003 3356.80.078 342318.05.30.003 3436.80.060 939419.56.60.002 7347.10.002 927520.56.50.002 9347.20.003 526621.56.50.002 9347.10.003 827722.56.60.003 2347.10.004 224823.56.70.003 3347.10.004 528924.56.70.003 4347.10.004 5281025.56.70.003 4337.00.004 6291126.56.60.004 0337.00.005 6281227.56.60.005 4327.00.006 827将表2中的数据代入式(5)和式(6)计算，可得表3。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.009.T002表3不同热负荷下烟气再循环前后烟气中NOx (α=1)、CO(α=1）含量序号烟气再循环前烟气再循环后CO(α=1)/%NOx (α=1)/×10-6CO(α=1)/%NOx (α=1)/×10-610.009 0830.162 87320.008 0830.137 57230.007 5950.106 96640.004 9600.004 94450.005 3600.005 84260.005 3600.006 44470.005 8600.007 14580.005 9590.007 64790.006 1590.007 647100.006 1590.007 949110.007 2580.009 646120.009 8570.011 646分析表3中数据可知：（1）在全部火排燃烧工况（热负荷大于19 kW）下，随着热负荷的降低，NOx(α=1)逐渐增加，烟气再循环对降低的效果也逐渐增加。观察样机工作状态和分析试验数据可知，随着热负荷的降低，热水器提供助燃空气量也相应降低，烟气再循环量占燃烧用空气量的百分比从16.7%提高至23.4%，导致烟气再循环的效果逐步升高；（2）在部分火排燃烧工况（热负荷小于19 kW）下，再循环后烟气中CO含量急剧增长，分析原因为：①热负荷减小后，热水器提供助燃空气量降低，烟气再循环量占燃烧用空气量的百分比增大，助燃空气中氧含量降低，导致热水器偏离设计的富氧燃烧状态，使CO2的生成过程加长；但同时由于燃烧室体积短小，燃烧产生的CO未及时反应生成CO2而被直接排放；②部分火排燃烧时，有部分火排没有火焰，但仍有大量助燃空气经过，使燃烧室内部温度不均匀，且温度过低，导致燃烧产生的CO无法继续反应生成CO2而被直接排放。4烟气再循环量的自适应控制固定烟气再循环量直接影响热水器在不同热负荷燃烧状态下的稳定燃烧，尤其是部分火排燃烧时的影响会直接导致不完全燃烧。而在实际使用时，热负荷的大小会根据个人习惯（用水温度、用水流量）随时进行调整。基于此，需要一套包含烟气再循环风机、CO监测装置和再循环风机控制器的控制系统来不断调整烟气再循环量，从而满足每个热负荷点都对应最优的烟气再循环量，烟气再循环自适应控制示意图如图3所示。该控制系统的原理为：根据排放烟气中CO含量判断热水器的燃烧是否恶化，并根据这个判断来决定是否增加或减少烟气再循环量，达到在满足CO排放的基础上，最大限度地降低NOx排放。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.009.F003图3烟气再循环自适应控制示意图该控制系统的逻辑关系如图4所示。燃气热水器冷态启动时，CO含量较高，因此不作为监测依据。当燃气热水器运行趋于稳定（5 min）后，再循环风机控制器启动烟气再循环风机至设定流量，同时启动CO监测装置。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.009.F004图4烟气再循环自适应控制逻辑图（1）当CO监测装置测量CO含量超出CO设定值时：① 如烟气再循环量未达到最小值，则继续降低烟气再循环量，并判断烟气中CO含量是否低于CO设定值：如低于CO设定值，则热水器稳定运行；如高于CO设定值，则返回①；② 如烟气再循环量降至最小值，CO监测装置测量CO含量仍然高于CO设定值，则再循环风机控制器将热水器运行异常信号传递给热水器或燃主控制器发出报警信号。（2）当CO监测装置测量CO含量低于CO设定值时：① 如烟气再循环量达到流量设定值，则热水器稳定运行；② 如烟气再循环量未达到流量设定值，则逐步增加烟气再循环量，并判断烟气中CO含量是否高于CO设定值。如高于CO设定值，则减小烟气再循环量至本次调整前流量值，热水器稳定运行；如低于CO设定值，则返回②。5结语通过以上研究分析，在大型工业场所使用的烟气再循环技术，可以用于降低家用燃气热水器NOx的排放；但固定烟气再循环量不能满足燃气热水器在不同热负荷状态时的CO排放要求，文中提出了自适应控制系统，通过对CO的监测，调整烟气再循环量，以达到在满足CO排放要求的基础上，尽量增加烟气再循环量，使NOx排放尽量降低。研究结果可为降低家用燃气热水器NOx排放提供新的参考。