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燃气灶(燃烧器)技术现状面面观

导读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

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。

燃气灶(燃烧器)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 — 燃烧器上,因此燃气灶的发展史也是燃烧器的发展历程。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,但其所使用的燃烧器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,使燃烧器经常回火或者积碳。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器,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器)。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器。从上世纪40年代开始至今,这种燃烧器一直统治着燃气灶。

随着人们掌握了引射型大气式燃烧器的特点,同时也看到了这种燃烧器不可避免的缺点: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器。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。全预混空气的燃烧器的优点是: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器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器以克服大气式燃烧器的缺点。上世纪80年代英国开发了一种板式燃烧器,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器,一直到现在提出的金属纤维燃烧器,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。

燃烧方法的特点,决定了各自的使用范围。

扩散式燃烧方法:指燃气直接自燃烧器头部火孔喷出,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)相混合后自燃烧器头部喷出,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)的燃烧器头部直径需要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,这种燃烧器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,现在开发的燃烧器有陶瓷(或双金属网)红外线燃烧器、板式燃烧器及新型的金属纤维燃烧器。

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