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行业新闻

燃气灶(燃烧机)技术现状面面观

燃气灶(燃烧机)技术现状面面观

燃气灶的能效及污染物排放现状 

 

目前市场上销售的燃气灶主要有台式灶和嵌入式灶两种,二者相比通常前者热效率高,NOx排放高,CO排放低,而后者相反。从燃烧方式看,大都为部分预混大气式燃烧,其传热主要为对流换热及火焰辐射换热。大气式燃烧形成的本生火焰,焰面温度分布不均匀,存在局部高温,不仅大量生成T-NO,还生成P-NO,故NOx排放较高。特别是在追求低CO指标时,NOx排放会更高。 

 

从污染物体毒性看,NOx远高于CO,出现排放指标不合理现象,没有体现毒性高排放低,毒性低排放高的特性。为了使负荷调节范围大、火焰稳定,大气式燃烧的预混空气量一般为理论空气需要量的60%。为了使燃气燃烧完全,需供给大量二次空气,这就形成了烟气量大,烟气温度低,从而影响换热,故热效率低。标准规定台灶热效率为55%,嵌入式更低为50%。若进一步提高热效率、降低污染物排放难度很大。最近国家能源部、国家发改委出台了节能政策的红头文件,其中燃气灶到2010年的热效率变更,台灶由现在的≥55%提高到≥65%,嵌入灶由现在的≥50%提高到≥60%。同时,又将燃气灶国标中的热效率由推荐性条款(B)提升至强制性条款(A),也就是说节能课题形势严峻、刻不容缓。因此,就目前应用的大气式燃烧的燃气灶要同时实现提高热效率、降低污染物NOx及CO的排放,是十分困难的。

 

方太三眼灶设计方案立体效果图

 

燃气灶(燃烧机)的发展历程 

 

燃气灶的几乎所有的重要性能指标都体现在其核心部件 — 燃烧机上,因此燃气灶的发展史也是燃烧机的发展历程。虽然最近几年流行的嵌入式灶具和先前的台式灶在外观上有所不同,但其所使用的燃烧机几乎都是异曲同工的。 

 

自钻木取火开始,人类就开始用树枝、火把来直接烧烤猎物,后来发展为用燃气通过扩散燃烧方式加热、烹调食物,直到1855年本生工程师发现了本生火焰,开始时由于这种大气式火焰稳定性尚未被人们所掌握,再加上燃气中含氢气量的变化,使燃烧机经常回火或者积碳。所以1945年以前英国市场上大多数民用燃气灶仍然采用扩散式燃烧。当天然气进入燃气市场后,开始人们还在开发适应天然气的扩散燃烧机,后因其结构复杂,成本过高而淘汰。这时已认识到天然气必须预混空气,采用本生火焰(预混部分空气的大气式燃烧机)。燃气灶中燃气与空气的混合方法绝大多数采用文吐利管,靠燃气从喷嘴喷出的动能吸入一定量的空气,这样就形成了引射型大气式燃烧机。从上世纪40年代开始至今,这种燃烧机一直统治着燃气灶。 

 

随着人们掌握了引射型大气式燃烧机的特点,同时也看到了这种燃烧机不可避免的缺点:例如内外焰燃烧易生成NO,需要二次空气的空间等等。早在60年代前后国内外已在研究燃气红外线燃烧机。这属于全预混空气燃烧方法。燃烧所需空气全部预先混入,它有两种结构型式:一为多孔陶瓷板;一为双金属网,有时也可二者联合应用。全预混空气的燃烧机的优点是:不需要二次空气;烟气中NOx量很少;热效率较高。其缺点是调节的范围小,只有与大气式火焰配合才能更好地适应民用燃具。因此三十余年来并没有动摇大气式燃烧机在民用燃具的统治地位。但是,不少燃气工作者仍在不断地研究开发其它形式的全预混式燃烧机以克服大气式燃烧机的缺点。上世纪80年代英国开发了一种板式燃烧机,通过它对全预混燃烧方法做了大量实验研究,得到一系列的基础数据。随后又有人提出陶瓷纤维燃烧机,一直到现在提出的金属纤维燃烧机,它既具有低火孔热强度的辐射功能又可转变为高火孔热能强度的对流传热方式。相信经过不长的时间,它将以新型、高效率、低污染、小体积的特点出现在燃气灶中。 

 

各种燃烧方法的特点 

 

燃烧方法的特点,决定了各自的使用范围。 

 

扩散式燃烧方法:指燃气直接自燃烧机头部火孔喷出,靠扩散与空气混合而燃烧。工业上常利用机力混合。湍流扩散的燃烧方法满足工业炉中的工艺要求。这种方法没有回火的可能,脱火的极限火孔热强度很高,故其有很大的调节范围。这种燃烧方法不能用于天然气灶具。 

 

大气式燃烧方法:将燃气与部分空气(一次空气系数α<1)相混合后自燃烧机头部喷出,点燃后在火孔上方呈内、外双层火焰。这种燃烧方法的稳定性理论已被英国的刘易斯博士解释清楚,其设计方法也被人们掌握。它的火孔热强度分别为:对液化石油气与天然气约6-9W/mm2;对人工燃气约11-19W/mm2。此时火孔的间距应大于火孔尺寸的1.5倍。并且要求有足够的二次空气流动空间。因此热负荷为2.9kw(2500 kcal/h)的燃烧机头部直径需要8-10cm,与其相应的头部面积热强度为0.58-0.32W/mm2。此外为了防止烟气中的CO含量过高,燃气灶应维持一定的支架高度,总之,大气式燃烧由于需要二次空气,进一步减少燃烧设备体积就会受到限制。从环境保护角度看,大气式燃烧的烟气中产生NOx较多,为了降低NOx含量还需采用许多技术措施。因此就有必要进一步改进燃烧方法。 

 

全预混式燃烧方法:将燃烧所需要空气全部预先混入燃气,故不再需要二次空气,从而为减少燃烧设备体积,降低大气污染提供有利条件。但是,全预混燃烧方法的稳定性比较差,这种燃烧机需要采取必要措施防止脱火、冷回火与热回火。为实现全预混燃烧方法,现在开发的燃烧机有陶瓷(或双金属网)红外线燃烧机、板式燃烧机及新型的金属纤维燃烧机。 

 

几种新型燃烧机 

 

◆ 金属板式燃烧机 

 

这是英国在上世纪80年代开发的一种全预混燃烧机。所谓金属板式燃烧机是由一组金属波纹板组成燃烧火孔,其中间是垂直的金属分隔板(见图1)。因为不需二次空气,火焰间距离可很小,使燃烧机的头部尺寸大大缩小,同时也降低了燃烧室的高度。在设计此种燃烧机时,主要需解决以下两个问题:一是要防止脱火;二是要降低头部火孔温度,防止回火。

 

图1:金属板式燃烧机结构示意图

 

● 防止脱火 

 

1、防止周边脱火。最重要的是要防止火焰根部的离焰。一般采用辅助火焰与稳焰壁两种方法,其原理与大气式燃烧稳定理论相同,前者结构比较复杂,后者可使稳焰壁做为燃烧机本体的一部分,主要用来防止二次空气吹扫火焰根部。 

2、影响脱火的其它因素。经过大量的实验证明,波纹板的形状,火孔宽度、隔板的厚度对脱火均有不同程度的影响。另外也证明了脱火的极限值也可用刘易斯的边界速度的参数来表示。 

 

● 防止回火—控制燃烧机头部的温度 

 

全预混空气燃烧机首先要防止冷回火。这可以利用控制流速与燃烧孔的缝隙尺寸来解决。热回火是关键问题。如果燃烧机头部温度过高,不仅要烧坏燃烧机,同时还会发生回火现象。根据实验表明:火孔热强度、隔板厚度与火孔深度以及燃气的性质对头部温度都有一定的影响。 

此种板式燃烧机可以做成方形,火焰向上也可向下。为了适应工艺需要也可做成圆筒形,从而降低了燃烧设备的尺寸,充分利用了空间。 

 

● 全预混空气燃烧机稳定工作曲线 

 

图2为此燃烧机的工作曲线。由图2可见,当火孔热强度在2W/mm2以下时,一次空气系数α在1.05-1.2之间会发生头部过热并回火现象。而当α>1.2时会降低头部温度,出现蓝色本生火焰,再增加α值后又会发生脱火。在火孔热强度大于2W/mm2时,火焰稳定性随着α的减小而降低。这是气流效应与温度效应的综合结果。设该燃烧机的工作点为0(火孔热负荷为5W/mm2,α=1.2),控制α可以得到不同的调节热负荷范围,由于在5 W/mm2的热负荷条件下采用引射器的混空气方法已属很困难,一般可用空气鼓风及利用改变燃气空气比例方法控制α值。由图2也可看出合适的变化比例(由α=1.2至1.3)可以得到较大的负荷调节范围0-1。

 

图2:全预混空气燃烧机工作曲线

 

◆ 陶瓷板红外线燃烧机 

 

因为双金属网红外线燃烧机比较少,这里主要讨论陶瓷板燃烧机。早在60年代,我国就开始研究开发陶瓷板红外线燃烧机。当时典型的资料是:陶瓷板的尺寸为 :65×45×12mm,在上面打上千个小孔;对焦炉气Φ0.9约1300个;对天然气Φ1.2-1.3mm约800个 ;对液化石油气Φ1.1-1.2mm约780个。 

 

辐射板面热强度为0.14-0.19W/mm2。陶瓷板的导热系数λ<0.58W/mk。为了保证燃烧完全,α=1.05-1.15。上世纪80年代开始,我国生产不少引射型民用红外线灶。陶瓷板用四方孔提高了开孔率,适当地提高一点辐射板面热强度,但没有突破性发展。市场上的这种燃烧机主要问题是引射吸入空气量不足而引起的烟气中CO含量超标。这多数是由于加工不良造成的。 

 

这种燃烧机属全预混空气型,但需 指出的是它的热强度比较低,折算其火孔热强度只有0.50W/mm2左右,远低于大气式燃烧机的火孔热强度,而其辐射板面热强度也小于大气式燃烧机的头部面积热强度。因此市面上的红外线灶头直径约Φ140mm,比大气式燃烧机头部大,但由于可以降低支架高度,故热效率可以提高。其次,由于其一次空气系数α很大,就是在吸入空气不足的条件下,其α值也比大气式燃烧机大,远离黄焰区,所以虽然其CO超标也不会产生黄焰和积炭现象。而CO超标一般人是看不出来的。 

 

由于陶瓷板热阻大,表面温度达800-1000℃时,不会回火,但它也难达到蓝焰工况。 

 

◆ 金属纤维燃烧机 

 

● 金属纤维燃烧机的结构 

 

1、头部:有两种, 一为纤维板;另一为纤维编织物。纤维板是利用金属纤维烧结而成的带有孔隙的金属纤维板(在此板上也可钻细孔)作为头部。纤维编织物是利用金属纤维纺成细纱并编织厚度为2-5mm的编织毯作为头部。头部可以做成任意形状,也可做成立体的半圆形,有必要时在纤维层下加设骨架(见图3)。 

2、混合装置:有两种, 一为引射型;另一为鼓风型。均要求α=1.1-1.3。

 

图3:金属纤维燃烧机的结构示意图

 

● 火焰及热工性能 

 

燃气与空气完全混合,经过头部后点燃。当表面面积热强度0.1-0.8W/mm2时,火焰主要在表面燃烧,将金属纤维烧红至800-1000℃。并发生红外热射线。当热强度达到0.9W/mm2时,火焰变成兰色并浮在表面以上。表面热强度可以达到5W/mm2而不脱火,正是由于金属纤维的特性使这种全预混燃烧机在低表面热强度下有红外线辐射燃烧机的功能,当热强度加大后,也可过渡到类似板式燃烧机那样的对流加热功能。 

 

● 金属纤维环保节能燃烧机的特点 

 

由于金属纤维的特性,它能在表面温度达800-1000℃下不回火,具有辐射传热功能。同时还能在大热强度下出现蓝焰转变为对流传热,此外其烟气中NOX与CO也比较少,综合起来,优点如下:表面热强度范围大,增加灶具的调节范围;可采用较大的表面热强度,从而减小燃烧设备的体积;燃烧头部可做成各种形状与方向以满足工艺要求;结构牢固,不易损伤,不怕冷水击,也不易高温氧化;噪声小;烟气中CO与NOX较低;热惰性小,参瞬加热也能很快冷却;水力阻力小。 

 

随着当前我国经济和社会的高速发展,同时带来了能源的高消耗,因此节能将成为国家能源政策的主要导向。相信在不久的将来,燃气灶这类产品将会以新型、高效率、低污染、小体积等特点出现在用户家中。


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点击次数:  更新时间:2017-01-08 22:01:13  【打印此页】  【关闭