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摘要：分户供暖的比例在冬季供暖市场逐年攀升，作为供暖主要设备之一的燃气壁挂锅炉的销量也在逐年上升，燃气壁挂锅炉是市场上的主流产品。由于在城市中安装比较集中，数量巨大的燃气壁挂锅炉运行时所产生的NOx等排放物，对环境的影响逐步显现。本文将对市场上常见的燃气壁挂锅炉包括常规大气式燃气壁挂锅炉、低氮壁挂锅炉、二次冷凝低氮壁挂锅炉和全预混燃气壁挂锅炉的排放物中的NOx进行测量，通过对数据进行定量分析比较，对燃气壁挂锅炉的选型给出参考。
关键词：燃气壁挂锅炉;NOx;分户供暖
1.研究背景
随着全国各地雾霾等极端天气的出现，环境污染问题逐渐引发人们的关注，促使各家研究机构，积极地探寻雾霾的主要成因。研究发现，雾霾的主要人为成因在冬季是民用建筑的供热锅炉烟气的排放，尤其是冬季供暖时燃烧煤碳的小锅炉排放的烟气影响较大[1]，因此北方冬季的雾霾一直以来都比南方更加严重。同时也发现空气中氮氧化物（NOx）的浓度与雾霾的形成有着直接的联系[2]。
天然气管道等城市基础设施的大量铺设为燃气燃烧设备的分散化使用提供了基础条件，并在北方传统和南方新兴的供暖市场都得到了越来越广泛的应用[3]。分户燃气壁挂锅炉热源供暖因其启停灵活、清洁卫生、功率易调节、计量简单等优点，逐渐成为独立供暖的主流选择[4]。图1.1展示了燃气壁挂锅炉近10年的销量[5]。
从图1.2中可以看出，在环保政策的持续推动下，2020年低氮炉全年销量有大幅提高，特别是以河北地区为代表，大范围推进“煤改气”工程安装低氮炉和冷凝炉。
2燃气壁挂锅炉的污染物排放情况
燃气壁挂锅炉主要以清洁的天然气为燃料，烟气污染物有两种：1）燃烧后烟气中的氮氧化物（NOx）;2）燃烧不完全引起的CO。
2.1烟气中的NOx
NOx是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的NOx有多种不同形式：包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2是主要的大气污染物。NOx的来源有三种：1）热力型（温度型）NOx指空气中的氮气在高温下被氧化而生成NOx;2）快速温度型NOx，指燃烧碳氢燃料时空气中的氧和氮与燃料中的碳氫离子基团如CH等反应生成NOx;3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。对于燃烧天然气的燃气壁挂锅炉，热力型和快速温度型的NOx可能都存在。
空气的主要成份为20.94%的氧气和78.1%的氮气，在参与天然气的燃烧过程中，氧气为助燃剂，氮气也进入燃烧室。氮气和氧气在高温下与天然气发生化学反应，热力型NOx可能形成。与大型燃气锅炉一样，壁挂炉中热力型NOx的生成机理可用捷里道维奇机理[7]来预测，如图1.3所示，当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少;高于1500℃时，温度每升高100 K，NOx的生成反应速度将增大6到7倍[8]。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果存在局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx。因此，降低热力型NOx的生成主要从3个方面入手：1）降低燃烧温度，避免局部高温;2）降低氧气浓度;3）缩短烟气在高温区内的停留时间。
但是快速型NOx是天然气燃气锅炉的一个例外，如图1.3所示，虽然量很少，但是在很大温度范围内都存在。快速温度型NOx是碳氢化合物燃料如天然气，在燃料过浓燃烧时，空气中的O2和N2与CH基团在燃烧区发生反应，快速生成NOx。快速温度型NOx成于火焰面内，而温度型NOx生成于火焰的下游。1971年费尼莫尔（Fenimore）提出的反应机理认为[10]：CH燃料过浓燃烧时，CN与N2首先生成中间产物：CN、HCN（氰化物）、NH、NH2（氨化物）和N等;然后再氧化成NO，其反应过程如图1.4所示。因此，降低快速温度型NOx的主要途径是避免CH的大量产生或者避免燃料过浓燃烧，故预混燃烧将有助于抑制快速温度型NOx的生成。
快速温度型NOx的总包化学反应方程式为：
N2+O2=2NO ΔH=180.5kJ/mol （1.1）
该化学反应是一个吸热反应，高温状态有利于NO的生成而NO非常容易被氧气O2氧化形成NO2。
2NO+O2=2NO2 ΔH=-114.1kJ/mol （1.2）
该反应是一个放热反应，也是NOx转化中非常重要的一个化学反应。化学反应1.2也是空气中氮氧化物转化的主要方式，温度的变化对NOx的成分有重要影响，如在汽车内燃机的高温环境下，N2和O2化合形成的NO很难再被氧化;而常温空气中氮氧化物的主要成分是NO2就是因为反应1.2的发生。另外，由于燃料燃烧不完全而产生的一氧化碳CO也能影响NOx的成分：
NO2+CO=NO+CO2 （1.3）
综上所述，在燃气壁挂锅炉的结构设计中，主要采取1）降低火焰温度、避免局部高温的方法来降低烟气中的热力型氮氧化物NOx的生成;采取2）采用风机来缩短高温区停留时间，3）以预混燃气方式来平衡氧气含量，来实现减少热力型及快速温度型NOx的生成。
2.2各级标准对NOx排放的要求
现行的国家及各地方的锅炉排放标准，同样适用于大锅炉及燃气壁挂锅炉。国家标准GB25034-2010[11]附录E给出了燃气壁挂锅炉NOx产生量量的确定方法，并对NOx排放等级做了相关规定，如表1所示。本文所描述的NOx排放量，在单位mg/kw·h的基础上，加入了换算单位mg/m3和ppmv。应该注意的是，不同单位之间的转换基于如下条件：
1）换热效率最低的情况，给出保守的结果;
2）如果结果需要转换为mg/m3的单位，应该先基于过量空气系数为0进行转化，转化系数可参见[12]。
关键词：燃气壁挂锅炉;NOx;分户供暖
1.研究背景
随着全国各地雾霾等极端天气的出现，环境污染问题逐渐引发人们的关注，促使各家研究机构，积极地探寻雾霾的主要成因。研究发现，雾霾的主要人为成因在冬季是民用建筑的供热锅炉烟气的排放，尤其是冬季供暖时燃烧煤碳的小锅炉排放的烟气影响较大[1]，因此北方冬季的雾霾一直以来都比南方更加严重。同时也发现空气中氮氧化物（NOx）的浓度与雾霾的形成有着直接的联系[2]。
天然气管道等城市基础设施的大量铺设为燃气燃烧设备的分散化使用提供了基础条件，并在北方传统和南方新兴的供暖市场都得到了越来越广泛的应用[3]。分户燃气壁挂锅炉热源供暖因其启停灵活、清洁卫生、功率易调节、计量简单等优点，逐渐成为独立供暖的主流选择[4]。图1.1展示了燃气壁挂锅炉近10年的销量[5]。
从图1.2中可以看出，在环保政策的持续推动下，2020年低氮炉全年销量有大幅提高，特别是以河北地区为代表，大范围推进“煤改气”工程安装低氮炉和冷凝炉。
2燃气壁挂锅炉的污染物排放情况
燃气壁挂锅炉主要以清洁的天然气为燃料，烟气污染物有两种：1）燃烧后烟气中的氮氧化物（NOx）;2）燃烧不完全引起的CO。
2.1烟气中的NOx
NOx是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的NOx有多种不同形式：包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2是主要的大气污染物。NOx的来源有三种：1）热力型（温度型）NOx指空气中的氮气在高温下被氧化而生成NOx;2）快速温度型NOx，指燃烧碳氢燃料时空气中的氧和氮与燃料中的碳氫离子基团如CH等反应生成NOx;3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。对于燃烧天然气的燃气壁挂锅炉，热力型和快速温度型的NOx可能都存在。
空气的主要成份为20.94%的氧气和78.1%的氮气，在参与天然气的燃烧过程中，氧气为助燃剂，氮气也进入燃烧室。氮气和氧气在高温下与天然气发生化学反应，热力型NOx可能形成。与大型燃气锅炉一样，壁挂炉中热力型NOx的生成机理可用捷里道维奇机理[7]来预测，如图1.3所示，当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少;高于1500℃时，温度每升高100 K，NOx的生成反应速度将增大6到7倍[8]。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果存在局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx。因此，降低热力型NOx的生成主要从3个方面入手：1）降低燃烧温度，避免局部高温;2）降低氧气浓度;3）缩短烟气在高温区内的停留时间。
但是快速型NOx是天然气燃气锅炉的一个例外，如图1.3所示，虽然量很少，但是在很大温度范围内都存在。快速温度型NOx是碳氢化合物燃料如天然气，在燃料过浓燃烧时，空气中的O2和N2与CH基团在燃烧区发生反应，快速生成NOx。快速温度型NOx成于火焰面内，而温度型NOx生成于火焰的下游。1971年费尼莫尔（Fenimore）提出的反应机理认为[10]：CH燃料过浓燃烧时，CN与N2首先生成中间产物：CN、HCN（氰化物）、NH、NH2（氨化物）和N等;然后再氧化成NO，其反应过程如图1.4所示。因此，降低快速温度型NOx的主要途径是避免CH的大量产生或者避免燃料过浓燃烧，故预混燃烧将有助于抑制快速温度型NOx的生成。
快速温度型NOx的总包化学反应方程式为：
N2+O2=2NO ΔH=180.5kJ/mol （1.1）
该化学反应是一个吸热反应，高温状态有利于NO的生成而NO非常容易被氧气O2氧化形成NO2。
2NO+O2=2NO2 ΔH=-114.1kJ/mol （1.2）
该反应是一个放热反应，也是NOx转化中非常重要的一个化学反应。化学反应1.2也是空气中氮氧化物转化的主要方式，温度的变化对NOx的成分有重要影响，如在汽车内燃机的高温环境下，N2和O2化合形成的NO很难再被氧化;而常温空气中氮氧化物的主要成分是NO2就是因为反应1.2的发生。另外，由于燃料燃烧不完全而产生的一氧化碳CO也能影响NOx的成分：
NO2+CO=NO+CO2 （1.3）
综上所述，在燃气壁挂锅炉的结构设计中，主要采取1）降低火焰温度、避免局部高温的方法来降低烟气中的热力型氮氧化物NOx的生成;采取2）采用风机来缩短高温区停留时间，3）以预混燃气方式来平衡氧气含量，来实现减少热力型及快速温度型NOx的生成。
2.2各级标准对NOx排放的要求
现行的国家及各地方的锅炉排放标准，同样适用于大锅炉及燃气壁挂锅炉。国家标准GB25034-2010[11]附录E给出了燃气壁挂锅炉NOx产生量量的确定方法，并对NOx排放等级做了相关规定，如表1所示。本文所描述的NOx排放量，在单位mg/kw·h的基础上，加入了换算单位mg/m3和ppmv。应该注意的是，不同单位之间的转换基于如下条件：
1）换热效率最低的情况，给出保守的结果;
2）如果结果需要转换为mg/m3的单位，应该先基于过量空气系数为0进行转化，转化系数可参见[12]。