不銹鋼圓筒狀全預混燃燒器的設計與驗證

余浩倫 張錦梁

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

隨著國家環保、節能政策的發布實施，發展低碳經濟，在全社會積極實施節能減排措施已經成為我國經濟與社會發展的總目標之一。在燃氣具行業中，完全預混式燃燒具有燃燒速度快和單位容積熱強度高等特點，并在過?？諝庀禂递^低的情況下，燃燒后的污染物排放量都非常低，所以成為燃氣鍋爐中節能減排燃燒方式的發展趨勢。然而在歐洲市場中，已全面實行采用全預混冷凝式燃氣采暖熱水爐產品進行采暖的強制要求，當前我國也在大力推廣和實施低排放標準要求，并逐步引進全預混冷凝式燃氣采暖熱水爐產品在我國的使用，所以全預混燃燒產品也將成為國內市場的發展趨勢。本文介紹了全預混不銹鋼圓圓筒狀燃燒器的設計及測試效果。

1 完全預混式燃燒

燃氣全預混燃燒式指燃氣在燃燒前與足夠的空氣進行充分混合，在燃燒的過程中不再需要供給空氣的燃燒方式[1]，其火焰傳播速度極快，燃燒腔的容積熱強度也極高，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。而且采用全預混燃燒方式的火焰穩定性較差，非常容易產生回火現象，因此在設計全預混燃燒器時，必須優先考慮燃燒器其結構應盡可能使燃氣與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荷運行狀態下大于火焰的傳播速度[2]。所以設計適合的燃燒器頭部的燃燒火孔型式來穩焰是非常重要的。

2 完全預混式燃燒器

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

圖1 常見幾種完全預混式燃燒器

完全預混式燃燒器由混合裝置及頭部兩部分組成，燃氣與空氣在混合裝置內部進行混合均勻經噴頭被點燃后，在頭部表面進行燃燒。然而在壁掛爐的整體燃燒系統組成配件主要包括：全預混燃燒器、鼓風機、混合裝置和燃氣比例閥，如圖2 所示。

圖2 燃燒系統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，變頻鼓風式風機啟動，然后燃氣閥電磁閥打開，燃氣導通，燃氣與從混合器進入風機的空氣在混合器內部進行完全混合，并經過風機混合均勻后進入燃燒器的內部室腔，經室腔分配后從燃燒器的火孔流出，混合氣遇到點火探針的電弧火花點燃，進行全預混燃燒[3]。

3 完全預混式燃燒器的設計

3.1 火孔頭部的結構設計

進行完全預混式燃燒的條件是：第一，燃氣與空氣在著火前預先按化學當量比混合均勻。第二，設置專門的火道，使燃燒區內保持穩定的高溫。在以上條件下，因全預混燃燒的燃燒速度快，且火焰穩定性較差，所以需要設計一個穩焰結構。本文所介紹的是用金屬做成的頭部結構，由金屬板沖壓形成具有穩焰效果的一種設計，其火孔結構簡圖如圖3 所示：包括主火孔和穩焰孔，其均可噴出火焰。主火孔開設在凸槽上，穩焰孔則開設在凸槽兩側，可燃混合物經主火孔（圓形火孔）和穩焰孔流出燃燒，由于穩焰孔阻力損失較大，使其的流速低于主火孔，故不易脫火。穩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 火孔結構簡圖

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。熱負荷設計為30 kW，使用燃氣為天然氣，為提高燃燒器的燃燒能力，同時保證燃燒的穩定性，本文設計的燃燒器頭部尺寸如下：主火孔直徑為0.95 mm，穩焰孔縫隙尺寸（長×寬）為6 mm×0.1 mm，主火孔與穩焰孔均為440 個，合計有效火孔面積約為575.7 mm2。

按下式（1）計算火孔熱強度:

式中：

qp—火孔熱強度（kW/mm2）；

Q ——燃燒器熱負荷（kW）；

Fp—火孔總面積（mm2）。

可得本設計的燃燒器額定火孔熱強度為qp=52.11×10-3kW/mm2；

為保證達到穩定的火孔出口流速和火孔熱強度，燃氣—空氣混合物在頭部必須具有一定的靜壓力，本設計采用強制鼓風式結構，燃燒所需要的空氣依靠鼓風機提供，通過文丘里混合裝置將空氣與燃氣進行完全預混，一次空氣系數α′設計約為1.25 ～1.35。

按下式（2）計算火孔出口氣流速度:

式中：

vp—火孔出口氣流速度（Nm/s）；

Hl—燃氣低熱值（kJ/Nm3）；

a′—一次空氣系數；

qp—火孔熱強度（kW/mm2）；

Q —燃燒器熱負荷（kW）；

Fp—火孔總面積（mm2）。

可得本設計的燃燒器火孔出口氣流速度為vp=20.49 Nm/s。

3.2 燃燒過程強化設計

為進一步充分混合燃氣與空氣，在燃燒器（圖4）進氣端設置有導向葉片（圖5），導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。通過導向葉片引導氣流，產生徑向和沿葉片夾角方向的多股氣流旋轉（圖6）進入燃燒器腔體，旋轉運動導致徑向和軸向壓力梯度的產生，它們反過來又影響流場，在燃燒器墻體內產生回流區，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 導向葉片

圖6 ANSYS矢量分析

4 實驗驗證

以下通過實驗驗證設計的合理性，將全預混燃燒器安裝在我司某款型號冷凝式壁掛爐內，測試燃氣采用標準氣CH4，供氣壓力2 kPa。通過整機調節，對燃氣比例閥在最高、最低負荷下進行空燃比調節，在全負荷段的運行狀態下火焰呈藍色短火焰，并在冷態點火及高、低負荷運行中未出現回火和脫火現象，運行效果良好，如圖7 所示。

圖7 最大、小負荷燃燒火焰

點火成功后，火焰能在1 s 內傳遍整個燃燒器，并火焰分布均勻，層次清晰，點火期間無爆燃現象，全負荷段燃燒過程中沒有發生回火、熄火和離焰等現象。點火穩定無噪音,各負荷段的燃燒穩定并無燃燒噪音。在測試樣機的配置下，最小負荷底達3.3 kW，最大負荷高達30.9 kW，可實現負荷比為1：9 以上。NOX含量在最大額定熱負荷約為12.9 mg/（kW·h），測試數值遠低于測試要求目標值30 mg/（kW·h）。CO 含量在最大額定熱負荷為（40～60）ppm，測試數值只有測試要求目標值100 ppm 的一半，總體燃燒性能指標參數符合預期的設計目標。

具體測試數據可見表1。

表1 試驗測試數據表

經過連續的燃燒測試，發現主火孔并無高溫燃燒腐蝕現象，但由于手板燃燒器樣件的加工工藝問題，導致尺寸存在一定的誤差，部分穩焰孔的尺寸有偏大的現象，并出現高溫氧化腐蝕痕跡，尺寸達標處痕跡微小或無，見圖8 所示。此現象證明主火孔和穩焰孔尺寸設計是合理的。

圖8 燃燒器高溫腐蝕

由表1 數據可知：最小負荷3.3 kW 時，按式（1）可得火孔熱強度為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。

經測試驗證，該全預混燃燒器能在理論設計的負荷范圍內穩定燃燒，因此頭部設計是合理的。

5 結論

1）通過現有一些全預混燃燒器外型結構的參考，對全預混燃燒器的關鍵尺寸進行了重新理論設計計算和結構仿真分析，提供一個符合設計要求的全預混燃燒器用于壁掛爐的實驗研究。此全預混燃燒器通過理論計算設計的火孔出口氣流速度和熱強度，能在額定要求的工況下，形成了穩定的完全預混式燃燒效果，該全預混燃燒器的性能表現優異，壁掛爐整機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象出現，為了能進一步實現更好的效果，延長燃燒器的壽命，消除火焰對燃燒器的影響。需適當調整火孔直徑尺寸，并需調整結構，在生產工藝要求可行下，保證各尺寸偏差在符合要求的范圍內。

3）對于減低燃燒溫度的方法，另外還可以嘗試在燃燒器內部增加冷卻結構，對燃燒器頭部進行一定的溫度下降，此冷卻結構不僅能冷卻燃燒器頭部還能預熱未燃燒的混合氣體，此結構技術要求較高，但可以進行手板件的試驗研究。

另外，合理的燃燒器頭部設計能夠保證燃燒器在較大的負荷比范圍內（本設計負荷比為1:9）穩定工作，匹配可調速鼓風機能大大提高燃燒器的適應性。常規大氣式燃燒器由于額定火孔熱強度設計較低，在小負荷時容易回火，大負荷時容易離焰，負荷比只能做到1 ∶3.3左右，大大限制了其適應性。