余浩倫 張錦梁

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

隨著國家環(huán)保、節(jié)能政策的發(fā)布實(shí)施，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，在全社會(huì)積極實(shí)施節(jié)能減排措施已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的總目標(biāo)之一。在燃?xì)饩咝袠I(yè)中，完全預(yù)混式燃燒具有燃燒速度快和單位容積熱強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并在過?？諝庀禂?shù)較低的情況下，燃燒后的污染物排放量都非常低，所以成為燃?xì)忮仩t中節(jié)能減排燃燒方式的發(fā)展趨勢。然而在歐洲市場中，已全面實(shí)行采用全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t產(chǎn)品進(jìn)行采暖的強(qiáng)制要求，當(dāng)前我國也在大力推廣和實(shí)施低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，并逐步引進(jìn)全預(yù)混冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t產(chǎn)品在我國的使用，所以全預(yù)混燃燒產(chǎn)品也將成為國內(nèi)市場的發(fā)展趨勢。本文介紹了全預(yù)混不銹鋼圓圓筒狀燃燒器的設(shè)計(jì)及測試效果。

1 完全預(yù)混式燃燒

燃?xì)馊A(yù)混燃燒式指燃?xì)庠谌紵芭c足夠的空氣進(jìn)行充分混合，在燃燒的過程中不再需要供給空氣的燃燒方式[1]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，燃燒腔的容積熱強(qiáng)度也極高，能在瞬間燃燒完畢，所以火焰很短甚至看不見，又稱無焰燃燒。而且采用全預(yù)混燃燒方式的火焰穩(wěn)定性較差，非常容易產(chǎn)生回火現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)全預(yù)混燃燒器時(shí)，必須優(yōu)先考慮燃燒器其結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能使燃?xì)馀c空氣均勻混合以及氣流速度場的均勻效果，并確保氣流速度在最低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下大于火焰的傳播速度[2]。所以設(shè)計(jì)適合的燃燒器頭部的燃燒火孔型式來穩(wěn)焰是非常重要的。

2 完全預(yù)混式燃燒器

目前，市場上的全預(yù)混冷凝式壁掛爐使用的全預(yù)混燃燒器均為鼓風(fēng)式全預(yù)混燃燒器，主要包括：平板形、半球形和圓柱形，其中圓柱形應(yīng)用居多。全預(yù)混燃燒器通常有不同的材料，包括：陶瓷板紅外線燃燒器，金屬纖維全預(yù)混燃燒器和金屬板（如不銹鋼）式全預(yù)混燃燒器[3]，如下圖1 所示。

圖1 常見幾種完全預(yù)混式燃燒器

完全預(yù)混式燃燒器由混合裝置及頭部兩部分組成，燃?xì)馀c空氣在混合裝置內(nèi)部進(jìn)行混合均勻經(jīng)噴頭被點(diǎn)燃后，在頭部表面進(jìn)行燃燒。然而在壁掛爐的整體燃燒系統(tǒng)組成配件主要包括：全預(yù)混燃燒器、鼓風(fēng)機(jī)、混合裝置和燃?xì)獗壤y，如圖2 所示。

圖2 燃燒系統(tǒng)組成配件及原理簡圖

其原理如下簡述：主控制器檢測有熱需求時(shí)，變頻鼓風(fēng)式風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，然后燃?xì)忾y電磁閥打開，燃?xì)鈱?dǎo)通，燃?xì)馀c從混合器進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣在混合器內(nèi)部進(jìn)行完全混合，并經(jīng)過風(fēng)機(jī)混合均勻后進(jìn)入燃燒器的內(nèi)部室腔，經(jīng)室腔分配后從燃燒器的火孔流出，混合氣遇到點(diǎn)火探針的電弧火花點(diǎn)燃，進(jìn)行全預(yù)混燃燒[3]。

3 完全預(yù)混式燃燒器的設(shè)計(jì)

3.1 火孔頭部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行完全預(yù)混式燃燒的條件是：第一，燃?xì)馀c空氣在著火前預(yù)先按化學(xué)當(dāng)量比混合均勻。第二，設(shè)置專門的火道，使燃燒區(qū)內(nèi)保持穩(wěn)定的高溫。在以上條件下，因全預(yù)混燃燒的燃燒速度快，且火焰穩(wěn)定性較差，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)。本文所介紹的是用金屬做成的頭部結(jié)構(gòu)，由金屬板沖壓形成具有穩(wěn)焰效果的一種設(shè)計(jì)，其火孔結(jié)構(gòu)簡圖如圖3 所示：包括主火孔和穩(wěn)焰孔，其均可噴出火焰。主火孔開設(shè)在凸槽上，穩(wěn)焰孔則開設(shè)在凸槽兩側(cè)，可燃混合物經(jīng)主火孔（圓形火孔）和穩(wěn)焰孔流出燃燒，由于穩(wěn)焰孔阻力損失較大，使其的流速低于主火孔，故不易脫火。穩(wěn)焰孔的火焰加熱了主火焰根部，提高了主火焰防止脫火的能力。

圖3 火孔結(jié)構(gòu)簡圖

本文介紹的燃燒器是采用0.8 mm 厚度的不銹鋼薄板加工制成，具有良好的耐高溫，耐腐蝕和加工性能。熱負(fù)荷設(shè)計(jì)為30 kW，使用燃?xì)鉃樘烊粴?，為提高燃燒器的燃燒能力，同時(shí)保證燃燒的穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)的燃燒器頭部尺寸如下：主火孔直徑為0.95 mm，穩(wěn)焰孔縫隙尺寸（長×寬）為6 mm×0.1 mm，主火孔與穩(wěn)焰孔均為440 個(gè)，合計(jì)有效火孔面積約為575.7 mm2。

按下式（1）計(jì)算火孔熱強(qiáng)度:

式中：

qp—火孔熱強(qiáng)度（kW/mm2）；

Q ——燃燒器熱負(fù)荷（kW）；

Fp—火孔總面積（mm2）。

可得本設(shè)計(jì)的燃燒器額定火孔熱強(qiáng)度為qp=52.11×10-3kW/mm2；

為保證達(dá)到穩(wěn)定的火孔出口流速和火孔熱強(qiáng)度，燃?xì)狻諝饣旌衔镌陬^部必須具有一定的靜壓力，本設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制鼓風(fēng)式結(jié)構(gòu)，燃燒所需要的空氣依靠鼓風(fēng)機(jī)提供，通過文丘里混合裝置將空氣與燃?xì)膺M(jìn)行完全預(yù)混，一次空氣系數(shù)α′設(shè)計(jì)約為1.25 ～1.35。

按下式（2）計(jì)算火孔出口氣流速度:

式中：

vp—火孔出口氣流速度（Nm/s）；

Hl—燃?xì)獾蜔嶂担╧J/Nm3）；

a′—一次空氣系數(shù)；

qp—火孔熱強(qiáng)度（kW/mm2）；

Q —燃燒器熱負(fù)荷（kW）；

Fp—火孔總面積（mm2）。

可得本設(shè)計(jì)的燃燒器火孔出口氣流速度為vp=20.49 Nm/s。

3.2 燃燒過程強(qiáng)化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步充分混合燃?xì)馀c空氣，在燃燒器（圖4）進(jìn)氣端設(shè)置有導(dǎo)向葉片（圖5），導(dǎo)向葉片固定在燃燒器頭部軸向上，沿軸心垂直方向均布葉片與水平方向的夾角在30 度至55 度，中間有一圓形通孔，直徑可為12～17 mm。通過導(dǎo)向葉片引導(dǎo)氣流，產(chǎn)生徑向和沿葉片夾角方向的多股氣流旋轉(zhuǎn)（圖6）進(jìn)入燃燒器腔體，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致徑向和軸向壓力梯度的產(chǎn)生，它們反過來又影響流場，在燃燒器墻體內(nèi)產(chǎn)生回流區(qū)，形成充分的紊流場，大大改善了混合過程，提高了混合效果。

圖4 燃燒器

圖5 導(dǎo)向葉片

圖6 ANSYS矢量分析

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以下通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，將全預(yù)混燃燒器安裝在我司某款型號(hào)冷凝式壁掛爐內(nèi)，測試燃?xì)獠捎脴?biāo)準(zhǔn)氣CH4，供氣壓力2 kPa。通過整機(jī)調(diào)節(jié)，對(duì)燃?xì)獗壤y在最高、最低負(fù)荷下進(jìn)行空燃比調(diào)節(jié)，在全負(fù)荷段的運(yùn)行狀態(tài)下火焰呈藍(lán)色短火焰，并在冷態(tài)點(diǎn)火及高、低負(fù)荷運(yùn)行中未出現(xiàn)回火和脫火現(xiàn)象，運(yùn)行效果良好，如圖7 所示。

圖7 最大、小負(fù)荷燃燒火焰

點(diǎn)火成功后，火焰能在1 s 內(nèi)傳遍整個(gè)燃燒器，并火焰分布均勻，層次清晰，點(diǎn)火期間無爆燃現(xiàn)象，全負(fù)荷段燃燒過程中沒有發(fā)生回火、熄火和離焰等現(xiàn)象。點(diǎn)火穩(wěn)定無噪音,各負(fù)荷段的燃燒穩(wěn)定并無燃燒噪音。在測試樣機(jī)的配置下，最小負(fù)荷底達(dá)3.3 kW，最大負(fù)荷高達(dá)30.9 kW，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷比為1：9 以上。NOX含量在最大額定熱負(fù)荷約為12.9 mg/（kW·h），測試數(shù)值遠(yuǎn)低于測試要求目標(biāo)值30 mg/（kW·h）。CO 含量在最大額定熱負(fù)荷為（40～60）ppm，測試數(shù)值只有測試要求目標(biāo)值100 ppm 的一半，總體燃燒性能指標(biāo)參數(shù)符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

具體測試數(shù)據(jù)可見表1。

表1 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)表

經(jīng)過連續(xù)的燃燒測試，發(fā)現(xiàn)主火孔并無高溫燃燒腐蝕現(xiàn)象，但由于手板燃燒器樣件的加工工藝問題，導(dǎo)致尺寸存在一定的誤差，部分穩(wěn)焰孔的尺寸有偏大的現(xiàn)象，并出現(xiàn)高溫氧化腐蝕痕跡，尺寸達(dá)標(biāo)處痕跡微小或無，見圖8 所示。此現(xiàn)象證明主火孔和穩(wěn)焰孔尺寸設(shè)計(jì)是合理的。

圖8 燃燒器高溫腐蝕

由表1 數(shù)據(jù)可知：最小負(fù)荷3.3 kW 時(shí)，按式（1）可得火孔熱強(qiáng)度為5.73×10-3kW/mm2，按式（2）可得燃燒器火孔出口氣流速度為2.25 Nm/s。

經(jīng)測試驗(yàn)證，該全預(yù)混燃燒器能在理論設(shè)計(jì)的負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒，因此頭部設(shè)計(jì)是合理的。

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)有一些全預(yù)混燃燒器外型結(jié)構(gòu)的參考，對(duì)全預(yù)混燃燒器的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了重新理論設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)仿真分析，提供一個(gè)符合設(shè)計(jì)要求的全預(yù)混燃燒器用于壁掛爐的實(shí)驗(yàn)研究。此全預(yù)混燃燒器通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)的火孔出口氣流速度和熱強(qiáng)度，能在額定要求的工況下，形成了穩(wěn)定的完全預(yù)混式燃燒效果，該全預(yù)混燃燒器的性能表現(xiàn)優(yōu)異，壁掛爐整機(jī)測試的污染物排放量較低。

2）在長期燃燒的情況下，有部分高溫燃燒腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，為了能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更好的效果，延長燃燒器的壽命，消除火焰對(duì)燃燒器的影響。需適當(dāng)調(diào)整火孔直徑尺寸，并需調(diào)整結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)工藝要求可行下，保證各尺寸偏差在符合要求的范圍內(nèi)。

3）對(duì)于減低燃燒溫度的方法，另外還可以嘗試在燃燒器內(nèi)部增加冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)燃燒器頭部進(jìn)行一定的溫度下降，此冷卻結(jié)構(gòu)不僅能冷卻燃燒器頭部還能預(yù)熱未燃燒的混合氣體，此結(jié)構(gòu)技術(shù)要求較高，但可以進(jìn)行手板件的試驗(yàn)研究。

另外，合理的燃燒器頭部設(shè)計(jì)能夠保證燃燒器在較大的負(fù)荷比范圍內(nèi)（本設(shè)計(jì)負(fù)荷比為1:9）穩(wěn)定工作，匹配可調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)能大大提高燃燒器的適應(yīng)性。常規(guī)大氣式燃燒器由于額定火孔熱強(qiáng)度設(shè)計(jì)較低，在小負(fù)荷時(shí)容易回火，大負(fù)荷時(shí)容易離焰，負(fù)荷比只能做到1 ∶3.3左右，大大限制了其適應(yīng)性。