1曾永攀 2于哲
1.中信建筑设计研究总院有限公司，武汉市 430000 ； 2.重庆川东燃气工程设计研究院，重庆市，401120
摘要：本文在高海拔和标准状态两种情况下对某型号燃气壁挂炉的燃烧过程进行了数值计算，并对燃烧室燃烧温度及污染物（NO和CO）组分的质量分数进行了分析。结果表明由于在低气压条件下，燃气质量流量减少，燃烧室内燃烧温度降低；对于燃烧污染物，不完全燃烧导致CO的含量增加，燃烧温度的降低又使得NO的含量降低。
关键词：高海拔 燃气壁挂炉 燃烧 数值计算
0 引言
一般使用的燃气壁挂炉均是按照标准状态（海拔高度0m，大气压10132.5Pa）下为适应于平原地区气候条件运行而设计的，若在高海拔气候条件下使用，大气压力和空气中含氧量的减少必然会对燃气壁挂炉的热工性能产生一定的影响。因此，本文对在不同气候条件下燃气壁挂炉的热工性能进行了研究。
本文采用FLUENT数值模拟计算软件，在合理的简化模型下，选取了拉萨气候条件与标准状态下两种情况对燃气壁挂炉内的燃烧过程进行数值计算对比分析。
1 物理模型与数学描述
1.1 数值计算对象及物理模型
本文数值计算研究对象选择额定热功率为28.1kW的燃气壁挂炉，其基本额定参数见表1。
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所选燃气壁挂炉的燃烧室尺寸大小为2180mm×200mm×130mm，热功率的大小通过改变换热器结构和燃气流量来实现。燃烧器采用口琴式火排，共有15排火排，每一排火排上有20个尺寸为10mm×1mm的条缝形火孔。
本文数值计算工况见表2。
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(3)辐射换热模型
由于在燃气壁挂炉上布置辐射换热面是不合适的，本文研究中采用绝热模型。
(4)污染物生成模型
根据燃气壁挂炉内的NO的生成机理，选择温度型和快速型两种生成模型。
1.3 假设条件的设定
本文为简化计算，作了如下假设：（1）部分预混气及二次空气为理想不可压缩气体，不考虑气体分子本身的体积和分子间的作用力，满足理想气体状态方程；（2）燃烧室内的燃烧在绝热条件下进行；（3）标准状态及拉萨地区空气视为由容积成分为21%的O2和79%的N2组成。
1.4边界条件
（1）入口边界条件：部分预混燃气和二次空气的入口设置为速度入口边界条件，其速度设定值见表3，表中部分预混气和二次空气速度来源于在拉萨和在标准状况下的实测值。
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从图2和图3可以看到，不同工况下燃烧室内温度随高度增加方向先是不断增加，然后逐渐降低直到燃烧室出口，其温度分布规律基本一致；最高温度均出现在燃烧室高度方向的靠近中间线处。这是因为燃气自火孔进入燃烧室后燃烧并温度迅速升高，随着逐渐远离燃烧温度最高点，燃烧产生的热量随着过剩的二次空气与生成的烟气混合，温度则沿着烟气流动方向慢慢下降。
另外由于标准条件下的燃气流量大于拉萨气候条件下的燃气流量，因此，图2中的温度普遍高于图1中的温度，这样使得在拉萨气候条件下从燃烧室进入换热器的烟气温度相对较低，从而降低了烟气与换热器之间的换热。
2.2两种工况下污染物组分质量分数分布
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(1) 燃烧室“A截面”CO质量分数分布
从CO质量分数在燃烧室内的分布规律来看，两种工况CO质量分数均呈现自火孔处沿着燃烧室高度方向逐渐增加，大约在CH4全部燃烧部位达到最高值，随后开始下降，直到燃烧室出口处，但不同之处在于，拉萨气候条件下，CO质量分数在接近燃烧室出口处才达到0，而标准条件下CO质量分数在燃烧室中部就已经为0。因此，拉萨气候条件不利于燃烧室内燃气的充分燃烧，会导致CO的大量产生。根据之前对温度分布规律和CH4质量分数分布规律的分析，可以适当降低燃烧室高度，以利于提高燃烧室出口烟气温度，增强换热，而对于拉萨气候条件降低燃烧室高度则会增大燃烧室出口烟气中的CO含量。根据《燃气采暖热水炉》（GB 25034—2010）中6.2.2极限热输入时CO含量规定“在7.6.2的实验条件下，烟气中COa=1浓度应小于0.10%”，因此，在拉萨气候条件下不应降低燃烧室高度。
(2) 燃烧室“A截面”NO质量分数分布
两种工况下燃烧室内的NO质量分数分布规律基本一致。NO质量分数均呈现自火孔处沿着燃烧室高度方向逐渐增加，一直延续到燃烧室烟气出口。标准条件下的NO的平均质量分数大于拉萨气候条件下的值，这是因为拉萨气候条件通过影响燃烧室内的温度从而减少了NO的质量分数。
3 结论
在本文的简化条件下，综合以上分析，可以得出以下结论：
（1）由于拉萨高海拔低气压气候的影响，燃气壁挂炉燃烧室温度较标准条件下有明显的下降。
（2）CO质量分数在CH4全部燃烧部位（即靠近燃烧室火孔处）达到最高值。拉萨气候条件不利于燃烧室内燃气的完全燃烧，会导致CO的大量产生。
（3）拉萨气候条件下，由于燃烧室内温度的降低从而减少了NO的生成量。
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