同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 孟莉莉 馮 良 齊亞騰 王會詳

頂置式燃?xì)馊A(yù)混液槽加熱器的研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 孟莉莉 馮 良 齊亞騰 王會詳

針對目前國內(nèi)液槽加熱器的存在現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套頂置式的燃?xì)馊A(yù)混燃燒液槽加熱系統(tǒng)，將加熱浸管改造為可拆卸移動的箱狀吊裝入液槽內(nèi)，解決了改造老式液槽(特別是非金屬液槽)需在側(cè)面液位下方開孔的難題，優(yōu)化了燃?xì)庖翰奂訜崞鞯慕Y(jié)構(gòu)，保證了其更為便捷可移動的效果。對樣機(jī)進(jìn)行了測試，分析了在某功率不同過剩空氣系數(shù)下的CO和NOx排放量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)金屬纖維燃?xì)馊A(yù)混小功率液槽加熱系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。

液槽加熱 頂置式加熱器 全預(yù)混燃燒 金屬纖維燃燒器

0 前言

目前采用清潔能源燃?xì)獾囊翰奂訜崞髦鸩奖淮蟊娊邮?，較其它采用熱水、蒸汽、導(dǎo)熱油或電等二次能源的傳統(tǒng)液槽，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。燃?xì)庖翰奂訜崞骺芍苯永萌細(xì)馊紵蟮母邷責(zé)煔饧訜嵋翰壑械囊后w，減少熱媒介質(zhì)(熱水、蒸汽、導(dǎo)熱油)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)輸及換熱環(huán)節(jié)，降低能量損失，提高能源利用率。此外，燃?xì)庖翰奂訜崞鳠o需設(shè)置中央鍋爐、輸送管網(wǎng)、閥門附件、換熱裝置等，節(jié)省了空間資源，同時也降低了運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用。燃?xì)庖翰奂訜崞鞑捎萌細(xì)馊A(yù)混燃燒的方式，具有燃燒速度快、燃燒完全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在液槽加熱的應(yīng)用上可以達(dá)到熱效率高、加熱器結(jié)構(gòu)緊湊、污染物排放低等的良好效果。頂置式燃?xì)馊A(yù)混液槽加熱器不僅能發(fā)揮燃?xì)庖翰奂訜崞鞯膬?yōu)點(diǎn)，節(jié)省空間資源、提高能源利用率，降低污染物排放，解決了改造老式液槽(特別是非金屬液槽)需在側(cè)面液位下方開孔的難題，優(yōu)化了燃?xì)庖翰奂訜崞鞯慕Y(jié)構(gòu)，保證了其更為便捷可移動的效果，填補(bǔ)國內(nèi)對此類小功率燃?xì)馊A(yù)混液槽加熱器研究的空白。

1 頂置式燃?xì)馊A(yù)混液槽加熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

目前國內(nèi)市場上存在的液槽燃燒器較少，其原因在于加熱浸管的存在使燃燒室的燃燒背壓較高，傳統(tǒng)燃燒方式使排放性能較差等技術(shù)問題的困擾。全預(yù)混燃燒具有燃燒速度快、燃燒完全性好、污染物排放較低等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選擇燃?xì)馊A(yù)混燃燒器。

頂置式燃?xì)馊A(yù)混液槽加熱器系統(tǒng)包括燃燒器、液槽加熱器、控制系統(tǒng)等組成部分。其工作原理見圖1。

圖1 燃?xì)庖翰奂訜崞髟?/p>

燃?xì)夂涂諝獍凑找欢ū壤诨旌掀髦谢旌暇鶆?，預(yù)混后的空氣和燃?xì)膺M(jìn)入金屬纖維燃燒器頭部，并被點(diǎn)火針點(diǎn)燃，在燃燒室燃燒后的高溫?zé)煔馔ㄟ^煙道與液槽里的液體進(jìn)行熱交換，獲得高溫液體，燃燒器頭部有離子火焰探測器對火焰進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，如果燃燒器未點(diǎn)燃或者熄火時自動關(guān)閉燃?xì)忾y，進(jìn)行熄火后吹掃，并報警，確保燃燒安全。

1.2 燃燒器

燃燒器部分包括燃燒器頭部、混合器、燃?xì)怆姶砰y、助燃風(fēng)機(jī)、燃燒器控制器、點(diǎn)火器、點(diǎn)火針及離子火焰探測器等。

(1)燃燒器頭部(見圖2)，采用金屬纖維多孔介質(zhì)，利于燃?xì)狻⒖諝獾幕旌蠚怏w均勻分布在金屬纖維表面進(jìn)行穩(wěn)定、完全的燃燒。離子火焰探測器實(shí)時監(jiān)控火焰的存在，如果燃燒器沒有火焰或者燃燒過程中發(fā)生熄火，則自動關(guān)閉燃?xì)忾y，進(jìn)行后吹掃，并報警。

圖2 燃燒器頭部結(jié)構(gòu)示意

(2)混合器，選用文丘里式混合器，利于空氣和燃?xì)饣旌暇鶆颉?/p>

(3)燃?xì)怆姶砰y，選用西門子VGU82組合式燃?xì)馑欧y，保證空燃比恒定。

(4)助燃風(fēng)機(jī)，選用上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號RG128/1300—3612的脈寬可調(diào)型直流無刷風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)占空比PWM的調(diào)節(jié)范圍為30%~99%，可通過改變?nèi)紵^程中的空氣量，引射不同燃?xì)饬?，從而?shí)現(xiàn)對負(fù)荷的控制。

(5)燃燒控制器，選用上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)有限公司的DFC-1控制器。

(6)溫度控制器，選用日本SHIMAX公司的MAC50D溫度控制器。

1.3 液槽

實(shí)驗(yàn)液槽尺寸為860×300×545mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3所示空間為放置加熱浸管箱體部分。此設(shè)計(jì)利于加熱浸管直接吊裝入液槽，無需在液槽下方設(shè)計(jì)加熱空間，且便于拆卸移動，節(jié)省維修管理費(fèi)用。

圖3 液槽結(jié)構(gòu)示意

1.4 加熱浸管

加熱浸管部分包括燃燒室、煙道和尾箱，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。預(yù)混充分的燃?xì)夂涂諝鈴娜紵黝^部流出并被點(diǎn)火針點(diǎn)燃，在加熱浸管的燃燒室燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跓煹乐惺芷攘鲃?，降低煙氣溫度，最終低溫?zé)煔饨?jīng)尾箱排出。燃燒室浸沒在液體中，起到了冷卻作用。煙道是整個液槽加熱系統(tǒng)中最主要的熱交換場所，為增大換熱效果，煙管需直徑小，但增大了流動阻力。由于液槽內(nèi)液體溫度較低，煙管傳熱充分，高溫?zé)煔庵械乃魵庥龅捷^冷的煙管壁面發(fā)生冷凝，析出水分，因此為解決冷凝水排放問題，在尾箱收集冷凝水，并通過在尾箱下部的一根冷凝水排放管排出冷凝水，尾箱底部冷凝水入口高度越高于液槽底部冷凝水出口高度，越利于冷凝水的收集。尾箱不僅利于冷凝水的收集和排放，還起到消聲減震、延長煙氣停留時間、增強(qiáng)換熱的作用。加熱浸管的管徑和長度受燃燒功率的影響，燃燒功率越大，所需加熱浸管的管徑相對增大，長度增長，反之亦然。

圖4 加熱浸管結(jié)構(gòu)示意

表1 頂置式液槽加熱器結(jié)構(gòu)尺寸

1.5 控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)自動化控制，本液槽加熱器選用上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)有限公司研發(fā)的一套綜合全預(yù)混燃燒控制系統(tǒng)。主要的設(shè)備有燃燒器控制器、丹佛斯點(diǎn)火變壓器052F0040點(diǎn)火器、點(diǎn)火針、離子火焰探測器等。燃燒器的運(yùn)行模式可分為ON-OFF模式和功率調(diào)節(jié)模式兩種。

2 燃燒性能測試及分析

本實(shí)驗(yàn)中采用的天然氣：表壓力為2 KPa、低熱值為34.2 MJ/m3、相對密度為0.594。設(shè)定液槽加熱器樣機(jī)燃燒功率為6 kW時，在不同過?？諝庀禂?shù)下進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

測試數(shù)據(jù)反應(yīng)出，此小功率加熱器的燃燒性能卓越，煙氣排放中的有害氣體成分CO、NOx濃度較低，在過?？諝庀禂?shù)1.22以上，污染物濃度均在35×10-6以下，完全符合低污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。此加熱器的最大燃燒功率為7 kW，負(fù)荷調(diào)節(jié)比相對較小，適用于小型液槽加熱。

表2 頂置式液槽加熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

(1)此液槽加熱器采用燃?xì)馊A(yù)混金屬纖維燃燒器，具備全預(yù)混燃燒的優(yōu)點(diǎn)，燃燒速度快，燃燒完全，能適應(yīng)液槽加熱器狹小燃燒空間等特點(diǎn)。

(2)采用煙氣加熱液槽內(nèi)液體的方式，減少熱媒介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送等環(huán)節(jié)，降低熱損失，提高了能源利用率，同時節(jié)省空間資源，降低維護(hù)管理費(fèi)用。

(3)在傳統(tǒng)燃?xì)庖翰奂訜崞鞯幕A(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使加熱浸管能吊裝入液槽，節(jié)省在液槽下部設(shè)計(jì)燃燒換熱的空間，且方便拆卸移動，維修保養(yǎng)更加便捷。

(4)本設(shè)計(jì)的燃燒器率小，適用于小型液槽加熱。如果條件允許，可生產(chǎn)稍大功率的頂置式燃?xì)馊A(yù)混液槽加熱器。

Research on Overhead Heater of Liquor Tank with Fully Pre-mixed Gas Combustion

School of Mechanical and Engineering Tongji University
Meng Lili Feng Liang Qi Yateng Wang Huixiang

Based on the current situation of heating liquor tank in China, a heating system of overhead liquor tank with fully pre-mixed gas combustion has been designed. The prototype has been tested and the experimental datum of CO and NOXat different excess air ratio have been analyzed., which lays a good foundation for advanced study and design for the small power heating system of liquor tank with fully pre-mixed metal fiber burner.

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