全预混燃烧技术在燃气具中的应用原理

随着世界经济的高速发展,能源问题日益突出,高效节能环保是当今全球都非常关心的主题和家电产业的发展方向。全预混燃烧技术是一种燃烧效率高,具有效高燃烧热强度的燃烧方式,同时在燃烧过程中产生的CO和NOX效低。因此,将全预混燃烧技术应用与燃气热水器中,充分发挥全预混燃烧技术的优点,开发出高效节能的全预混燃气具是大势所趋。

什么是全预混燃烧技术?

大家都知道,燃气需要空气中的氧气作为助燃物才能燃烧,而在燃气具上通常将供给燃气燃烧的空气量V分作两部分提供,一是燃气着火前(与燃气一起进入燃烧器并与燃气完全混合形成可燃混气)为V1,二是着火后(空气从火焰四周进入使燃气燃尽)为V2, V=V1+V2 两端除以理论空气量V0,得 V/V0=V1/V0+V2/V0   α=α1+α2式中  α1-------(α1= V1/V0)燃烧器的一次空气系数

一次空气系数α1是燃烧器的一个重要特征值,在分析火焰特性时十分重要,可由此区分其燃烧方式,见下表:

完全预混燃烧与扩散燃烧、局部预混相比,在燃烧器和控制方式上有很大的区别。

全预混燃烧器有几种不同的结构形式,常用的一为多孔陶瓷板,一为双金属网,还有金属纤维的燃烧器。陶瓷板燃料器具有导热系数小、质地均匀、成本低等特点,陶瓷材料的低导热系数有助于保持火焰的稳定,燃烧器火孔采用蜂窝状排列,能有效地避免离焰和回火,增大热负荷调节比。

双金属网是由一种由耐高温不锈钢制成的圆柱形燃烧器,它是专门为采用高效率/冷凝技术的家用采暖及热水设备使用,适用于带有圆形燃烧室的燃气热水器。此种燃烧器产品具有宽广的产品范围,适用于各种不同尺寸需求的燃气热水器,可以达到非常低的烟气排放水平以及超高的功率调节范围。

金属纤维燃烧器以特种金属纤维作为燃烧表面,燃烧强度可以达到2500kw/m2,其使用的最高温度可达1300℃,由于其1000℃以上仍具有优良的抗氧化性能和热强度,所以金属纤维燃烧器除具有燃烧效率高外,还具有耐热冲击、低压降、安全无回火、反应迅速、热惯性小、冷却快、经久耐用、有害气体释放少等优势。这种燃烧技术是近几年才逐渐推广应用新型燃烧技术,被广泛应用不同的领域。

对于鼓风式全预混燃烧器,在燃烧过程中,特别是在负荷变化过程中必须始终保证燃气与空气的混合比例恒定,是保证稳定、高效、低排放燃烧的先决条件。因此,有一个精确可靠的燃气/空气比例调节系统是非常重要的。

对于普通的大气是燃气燃烧器,由于引射器在一定范围内具有自动调节能力,即当燃气喷嘴的流量发生变化时,被引射进入的一次空气量也会随之发生相应的变化。这在一定程度上保证了燃气/空气比例的恒定。而在鼓风式全预混燃烧器中,由于燃气与空气的混合方式不同,燃气流量与空气流量失去了在大气式燃烧器中所具有的相互关联。因此需要使用调节装置来实现对燃气/空气比例的控制。实现这一功能的技术通常有两种:电子式燃气/空气等比例控制技术和机械式燃气/空气等比例控制技术。前者是利用流量传感器检测空气流量信号,控制器根据该信号经相应的运算后控制燃气比例调节阀,以维持燃气与空气流量比例的恒定。这种控制方法被较多地应用于大型的燃烧系统,特别是非线性系统,但由于目前技术条件的限制,应用与燃气热水器这样的小型燃烧系统上,其控制精度不够理想。因此,目前在燃气热水器中较多使用的第二种控制技术,即利用风压变化自动调节燃气流量的机械式燃气/空气等比例控制技术,如下图所示。

由于完全预混式燃烧在着火前燃气与空气预先进行均匀混合,在瞬间完成燃烧,其火焰很短甚至看不见,所以又称无焰燃烧,完全预混燃烧的火孔热强度很高,并且能在很少的过剩空气系数下达到完全燃烧,几乎不存在化学不完全燃烧现象,因此燃烧温度很高,同时热损失少,热效率高。

全预混燃烧方式能有效降低污染物排放,这里所说的污染物主要是指燃气燃烧后存在于烟气中的CO和NOX,特别是NOX,虽然其总体排放浓度较CO低,但其毒性却比CO高几十倍。

根据NOX生产机理不同,可将矿物燃料燃烧生成的NOX分为三类:F-NO(燃料型氮氧化物)、P-NO(快速型氮氧化物)和T-NO(热力型氮氧化物)。

由于F-NO是以化合物形式存在于燃料中的氮原子被氧化而生成的。一般供工业及民用的气体燃料中氮的化学物含量很少,且F-NO的生成温度在600-900℃,而全预混燃烧的稳定一般都远于高于此值,因此可以认为全预混燃烧不产生F-NO。

P-NO是富碳化氢类燃料燃烧特有的现象,只有部分预混火焰的内锥表面才会生成。而全预混燃烧时一次空气系数α1≥ 1,所以只要保证燃气与空气混合均匀,燃烧区域空气处处过剩,就不会产生P-NO。

而对于T-NO,通过适当控制过剩空气系数,全预混燃烧可大大的减少其生成。由此可知,全预混燃烧能有效降低NOX的排放。

那燃烧后烟气中的CO含量呢?实验证明,在火焰温度下,如果有充分的氧气和停留时间,CO的浓度就会在反应之后降至很低的程度。由于全预混燃烧在燃烧前已完成了燃气与过剩空气的均匀混合,可以在很大程度上保证每一个燃气分子周围都有充足的氧气分子存在。因此,即使较短的停留时间也可以保证CO的充分氧化,并最终降低烟气CO的排放。

在欧洲等发达国家,近年来运用全预混燃烧技开发的燃气热水/采暖两用炉,在短短数年时间内已迅速达到40%的销售份额,国内的燃气具行业全预混燃烧技还处于初级基础研发阶段,已有个别企业研发出可实际运用的产品,如华帝、万和,在国家大力发展低碳经济的背景下,具有高效节能、低NOX排放的全预混燃烧技的运用将是国内燃气具行业新的经济增长点。