民用燃?xì)饩叨嗫捉橘|(zhì)燃燒器的常見問題探討

陳園園 顧玉強(qiáng) 孫穎楷

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

概述

多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)又稱為PMC （Porous Media Combustion）技術(shù)，燃?xì)庠诙嗫捉橘|(zhì)內(nèi)部燃燒過程中，可以利用多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱、輻射和對流等對上游氣體進(jìn)行預(yù)熱，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾母咝紵Ｆ渲饕獌?yōu)點(diǎn)有：①促進(jìn)可燃?xì)怏w與空氣的均勻混合，提高燃燒效率，降低CO 排放；②燃燒均勻，無局部高溫現(xiàn)象，避免了熱力型NOx 的產(chǎn)生；③傳熱以高溫固體輻射為主，無高溫?zé)煔廨椛涞摹邦l帶窗口”問題，加熱效率顯著提高。

黃杰等[1]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于中高溫加熱領(lǐng)域的多孔介質(zhì)燃燒器及其控制系統(tǒng)，針對多孔介質(zhì)燃燒的防回火結(jié)構(gòu)及火焰監(jiān)測進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)過程中，對比了不同多孔介質(zhì)材料的燃燒效果，結(jié)果表明，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同熱值氣體的清潔高效燃燒，但應(yīng)用不同多孔介質(zhì)材料的燃燒器在到達(dá)穩(wěn)定燃燒的所用時(shí)間，CO 和NOx 的排放水平等方面存在差異。劉慧等[2]通過二維數(shù)值仿真分析的方法，模擬分析了當(dāng)量比、多孔介質(zhì)的輻射衰減系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)對速度極限的影響。仿真分析發(fā)現(xiàn)，增大上游多孔介質(zhì)材料的輻射衰減系數(shù)并降低其導(dǎo)熱系數(shù)，可以有效的擴(kuò)大穩(wěn)定燃燒范圍，燃燒速度的極限比值大幅提高。該研究結(jié)果對優(yōu)化多孔介質(zhì)燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方向。談晚平[3]等通過仿真分析，研究了多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對多孔介質(zhì)燃燒的影響，對多孔介質(zhì)材料的優(yōu)化及多孔介質(zhì)燃燒器的選材提供了指導(dǎo)。朱茜茜[4,5]等利用紅外熱像儀研究了多孔介質(zhì)材料種類、孔徑大小和當(dāng)量比對預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)燃燒裝置內(nèi)的溫度分布與火焰面移動特性。研究結(jié)果顯示，火焰面移動速度與當(dāng)量比呈反比關(guān)系，且不同材料的多孔介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)駐定燃燒和自穩(wěn)定燃燒的當(dāng)量比范圍不同。該研究結(jié)果對于多孔介質(zhì)燃燒器的穩(wěn)定燃燒時(shí)的當(dāng)量比選擇提供了依據(jù)。

以上針對多孔介質(zhì)燃燒機(jī)理的研究是基于簡單實(shí)驗(yàn)裝置或工業(yè)型燃燒器原型機(jī)等實(shí)驗(yàn)載體。而有關(guān)民用多孔介質(zhì)燃燒器的開發(fā)及問題分析方面的研究較少。本文在多種形式的民用多孔介質(zhì)燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對一些共性問題進(jìn)行分析，通過對問題的梳理，以期為適用于民用燃?xì)饩叩亩嗫捉橘|(zhì)燃燒器的開發(fā)提供借鑒。

1 常見問題探討

常見的民用燃?xì)饩哂腥細(xì)鉄崴鳌⑷細(xì)庠睿趻鞝t，燃?xì)馊∨鞯龋@些燃?xì)饩邔儆谀陀孟M(fèi)品范疇，其燃燒器的使用年限要求長、使用條件苛刻且不易進(jìn)行定期上門維護(hù)，其使用特點(diǎn)是對多孔介質(zhì)燃燒器開發(fā)提出的主要挑戰(zhàn)。以燃?xì)鉄崴鳛槔壳吧鲜械娜細(xì)鉄崴鞯某鰪S標(biāo)注的限制使用年限為8 年，而家庭中使用超過8 年的燃?xì)鉄崴饕埠艹Ｒ姡@就要求燃?xì)饩弑旧砭哂泻芨叩陌踩院涂煽啃浴ａ槍σ陨鲜褂锰攸c(diǎn)，對民用多孔介質(zhì)燃燒器設(shè)計(jì)及測試中的主要問題做了系統(tǒng)總結(jié)。

1.1 回火問題

回火是指火焰向上游傳播直至進(jìn)入燃燒器噴嘴處進(jìn)行燃燒的一種非穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象[6]。多孔介質(zhì)燃燒器是浸沒式燃燒，其內(nèi)部存在無數(shù)分散的微型火焰，燃燒器始終處于高溫狀態(tài)，因此極容易出現(xiàn)回火的現(xiàn)象，影響燃燒器的安全性和穩(wěn)定性。回火問題的預(yù)防，首先應(yīng)保證混合氣體出口處的溫度不高于混合氣的燃點(diǎn)溫度，因此需要降低多孔介質(zhì)向上游混合氣體輻射熱量，可以在靠近混合氣體的上游布置小孔徑多孔介質(zhì)，來增大輻射衰減系數(shù)，減小熱量向上游氣體的輻射熱量，降低該處的溫升。其次，保證混合氣體流速是均勻的，且氣流速度大于火焰的傳播速度。為此，可以在混合氣體上游和多孔介質(zhì)之間設(shè)置堇青石材質(zhì)的微孔陶瓷板，以提升氣流速度，同時(shí)改善氣流分布的均勻性，最終實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)燃燒器的穩(wěn)定燃燒。

1.2 材料抗熱震性問題

多孔介質(zhì)燃燒器存在著多孔介質(zhì)材料的抗熱震性差的共性問題，采用泡沫浸漬燒結(jié)制備的泡沫陶瓷的強(qiáng)度不高。對燃燒器內(nèi)部多孔介質(zhì)的溫度分布進(jìn)行測試，測點(diǎn)布置示意圖如圖1 所示。測試發(fā)現(xiàn)，燃?xì)庥镁咴趩⑼Ｇ昂螅嗫捉橘|(zhì)整體溫度有1 000 ℃以上的溫差變化。在如此大的溫差下，多孔介質(zhì)材料非常容易熱震開裂。由圖2 和圖3 對比可以發(fā)現(xiàn)，工作中受氣流冷卻作用，多孔介質(zhì)溫度在氣流方向上具有分層分布的特征。靠近混合氣體上游的多孔介質(zhì)溫度偏低，下游多孔介質(zhì)的溫度高。從而形成多孔介質(zhì)始終處在梯度溫度狀態(tài)下工作。也對多孔介質(zhì)的抗熱震性提出了挑戰(zhàn)。對比同一高度處的左右兩個(gè)測點(diǎn)溫度，由于氣流分布的差異，造成多孔介質(zhì)材料在同一高度處的溫度的不均衡，該現(xiàn)象也會導(dǎo)致多孔介質(zhì)的破裂。

圖1 燃燒器內(nèi)部溫度監(jiān)測點(diǎn)

圖2 多孔介質(zhì)溫度變化

圖3 多孔介質(zhì)溫度變化

圖4 同一平面處的多孔介質(zhì)溫度

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過分層布置的方式，可以有效應(yīng)對單層多孔介質(zhì)厚度方向上的溫度梯度問題；而分塊布置則可以較容易的實(shí)現(xiàn)單塊多孔介質(zhì)的溫度均一性，且可以減輕多孔介質(zhì)內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。分層分塊布置多孔介質(zhì)材料的方式，不僅有助于改善燃燒器的使用壽命，也有助于實(shí)現(xiàn)駐定燃燒，促進(jìn)燃燒過程的穩(wěn)定。

1.3 燃燒器殼體隔熱問題

在目前選定的當(dāng)量比下，全預(yù)混燃燒器中多孔介質(zhì)材料的溫度在1 000 ℃以上，必須對多孔介質(zhì)材料進(jìn)行隔熱處理，否則將引發(fā)安全事故，影響正常使用。在測試過程中，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的隔熱效果，有效防止燃燒器殼體溫度超溫，選用了硅酸鋁、氧化鋁纖維板隔熱材料進(jìn)行試驗(yàn)，以氧化鋁纖維板表現(xiàn)最好，熱導(dǎo)率低，可接觸明火，殼體的溫升速度最慢且不會出現(xiàn)隔熱材料燒蝕現(xiàn)象。盡管如此，當(dāng)燃燒時(shí)間超過30 min 后，燃燒器殼體便明顯溫度升高，熱鍍鋅板材料的殼體出現(xiàn)變色。鑒于單純的依靠隔熱材料來防止殼體溫升，在現(xiàn)有燃燒器尺寸及功率下不可實(shí)現(xiàn)，特考慮采用水冷方式，在多孔介質(zhì)燃燒器殼體周圍加設(shè)冷水盤管，利用冷水來帶走殼體外散的熱量，既起到了冷卻殼體的目的，又減小了散熱損失，提升了熱效率。普通殼體與水冷燃燒器殼體的溫度測試圖見圖5。通過測試得知，在水流持續(xù)帶走殼體熱量的情況下，殼體溫度可以穩(wěn)定在50 ℃以下。

圖5 普通殼體與水冷殼體的溫度測試

1.4 多孔介質(zhì)阻力與進(jìn)氣系統(tǒng)的匹配問題

在測試過程中發(fā)現(xiàn)，采用全預(yù)混燃燒風(fēng)機(jī)，當(dāng)燃燒器的功率下降到一定程度后，測得的煙氣中氧含量會突然出現(xiàn)嚴(yán)重偏離。然而，該全預(yù)混進(jìn)氣系統(tǒng)搭配筒狀不銹鋼燃燒器時(shí)，在（3～30）kW 范圍內(nèi)，氧氣含量都是較為穩(wěn)定的。其對比圖如圖6 所示。表明采用了多孔介質(zhì)燃燒器以后，由于燃燒器的改變導(dǎo)致全預(yù)混風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍出現(xiàn)了變動。對于全預(yù)混燃燒系統(tǒng)而言，氧含量下降，將導(dǎo)致燃燒溫度升高，而多孔介質(zhì)材料、隔熱材料等有一定的耐溫范圍，因此，需要嚴(yán)格控制煙氣中的氧含量，防止多孔介質(zhì)材料超溫出現(xiàn)燒蝕甚至燒融。全預(yù)混進(jìn)氣系統(tǒng)與多孔介質(zhì)燃燒器的適配是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要綜合預(yù)混器、風(fēng)機(jī)、比例閥等進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，從而保證多孔介質(zhì)燃燒器在整個(gè)燃燒范圍內(nèi)都能保持氧氣含量的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)安全燃燒。

圖6 氧含量變化對比圖

2 結(jié)論

本文分析了民用燃?xì)饩叩氖褂锰攸c(diǎn)，并對民用多孔介質(zhì)燃燒器的防回火、抗熱震性能提升、燃燒器殼體溫升控制以及燃燒器與進(jìn)氣系統(tǒng)的匹配問題做了詳細(xì)的分析。得到以下結(jié)論：

1）減小熱量向上游輻射，提高氣流分布均勻性，適當(dāng)增大上游氣體速度，是防止發(fā)生回火的有效措施。

2）分塊布置及分層布置多孔介質(zhì)材料，有利于提高多孔介質(zhì)材料的抗熱震性，延長多孔介質(zhì)燃燒器的使用壽命。

3）由于多孔介質(zhì)材料燃燒溫度高，單純采用隔熱的方式來降低燃燒器殼體溫升已然不可行，采用水冷盤管是一種有效可靠的降溫方式。

4）全預(yù)混進(jìn)氣系統(tǒng)與多孔介質(zhì)燃燒器的匹配是一個(gè)系統(tǒng)問題，需要對預(yù)混器、風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行綜合調(diào)試，以達(dá)到穩(wěn)定工作的要求。