燃氣熱水器用多孔介質燃燒器的結構設計與實驗研究

施 敏 丁 敏 盧偉健 伍建樺 鄒建華

（廣東順德西安交通大學研究院 佛山 528000）

引言

目前我國煤炭年消耗量接近我國一次能源消費的三分之二[1]，污染物的持續排放使得我國環境日益惡劣。

多孔介質材料具有導熱性能好、耐高溫等優點，其燃燒主要在多孔材料內部完成，而且是無焰燃燒[2]，是經濟上和技術上高效處理低熱值燃氣并降低污染物排放的有效方法[3]，這與燃氣熱水器的技術發展趨勢相契合。將多孔介質燃燒技術應用于燃氣熱水器上將有良好的發展前景，而分析與掌握多孔介質燃燒的特點是解決其在熱水器上應用的關鍵因素。

目前國內外在多孔介質的燃燒技術上取得了大量成果，目前在一些歐美國家，多孔介質燃燒技術已經在冶金、機械、化工、陶瓷等行業內得到應用[4]。在國內也已被應用于制氫、照明、熱電轉換或燃氣輪機等諸多領域[5]。寶鋼研究院于2010 年8 月將多孔介質燃燒技術成功應用在加熱爐上，填補了國內空白[6]。

然而多孔介質燃燒應用于民用燃氣具領域處于研究與探索階段。郭健洪等研究了多孔介質燃氣熱水器性能實驗分析[7]，孫穎楷等對燃氣熱水器用全預混多孔介質燃燒器如何快速進入無焰燃燒進行了實驗研究[8]，謝芳芳等設計了一種螺旋管式多孔介質燃氣熱水器，通過改變燃氣流量和水流量改變燃氣強度、水流速以及改變當量比，研究水溫的變化趨勢、溫升速率以及熱水器熱效率的變化[9]。目前在防回火問題上還沒有具體的實施方案。

本文設計了一款防回火的變截面多孔介質燃燒器，搭建了多孔介質燃燒器基礎實驗臺，首先對該多孔介質進行了仿真，還對燃燒器進行了燃燒實驗。針對燃燒過程的影響因素進行了研究總結，研究了多孔介質燃燒器的燃燒特性，同時對燃燒器防回火效果進行了驗證，為后續多孔介質燃燒器在家用熱水器的應用提供新的思路。

1 熱水器用多孔介質燃燒裝置結構的設計

1.1 全預混多孔介質燃燒裝置結構

如圖1 所示，為多孔介質燃燒裝置剖面結構示意圖。該燃燒裝置采用全預混燃燒方式，主要由全預混風機、燃燒器和換熱器三部分組成。其中燃燒器由堇青石穿孔板、雙層變截面多孔介質、降溫水管、燈火針及隔熱材料構成。燃氣、空氣在全預混風機作用下按固定比例值一起進入混合器，然后氣體通過防回火裝置通入多孔介質內部進行燃燒，最后在通過換熱器完成水加熱。該混合器采用喇叭口的結構設計，一方面為了讓燃氣和空氣有足夠的空間充分混合，另一方面為了重新分配氣體流速，起到防回火的作用[10]。防回火裝置由錯層分布的水管組成，其作用是改變混合氣體的流向，使混合氣體在進入多孔介質燃燒器前分布更加均勻，多孔介質主要材料為碳化硅和氧化鋁，采用了雙層變截面的結構設計，有利于多孔介質充分均勻燃燒，避免局部高溫的產生[11]。為更好的保護多孔介質，在燃燒器周圍設計了三層水管與換熱器相連，用于吸收燃燒后的側向輻射熱，同時可以起到預熱水的作用。

圖1 變截面多孔介質燃燒裝置剖面結構示意圖

1.2 雙層變截面多孔介質結構設計及流體仿真結果分析

多孔介質燃燒器中的長方體型多孔陶瓷以部分穩定的氧化鋁、碳化硅為材料，本設計采用了兩段不同孔徑的多孔介質組成。雙層非均勻多孔介質燃燒器模型圖如圖2 所示。實驗用的多孔介質分上下兩層，第一層介質的孔隙密度為（50～60）PPI，放置在燃燒器的下游部分作為燃燒器的預熱段，第二層介質的孔隙密度為（10～30）PPI，放置在燃燒器的上游作為燃燒器的反應段。多孔陶瓷外部包有陶瓷絕熱纖維。PPI 即每英寸長度上的孔數。每英寸長度上的孔數的越大，其孔徑越小；反之，每英寸長度上的孔數的越小，其孔徑越大[12]。采用下層孔徑大上層孔徑小的結構可以增加多孔介質本體的熱量回流，使火焰的傳播速度得到提升，進而對回火起到一定的抑制作用。

圖2 雙層非均勻多孔介質燃燒器模型圖

本次設計還在多孔介質的外觀結構上做了創新，針對平板的多孔介質和上下表面為波浪狀的變截面多孔介質分別做了流場分析[13]。如圖3 所示，為變截面多孔介質結構及流場氣壓圖、如圖4 所示，為平板多孔介質結構及流場氣壓圖。對比圖可以看出，變截面的多孔介質，在波浪周期長度內，多孔介質內部和上下游流場，都形成了周期性的速度分布，依靠周期性的低速流場火焰得以穩定，此結構下中心區域與邊沿區域的流速差也比較小，燃燒較為均勻。與之對應的平板多孔介質：壓力圖是完全平的。同區域的速度圖如下：其各處速度一樣，無法起到駐定火焰的作用，導致火焰面彎曲時，處于隨機平衡的狀態，在多種可能的火焰面之間反復變化。因此變截面多孔介質較好的消除了大平板多孔介質結構，火焰面不穩的弊端。

圖3 變截面多孔介質結構流場氣壓圖

圖4 平板多孔介質結構及流場氣壓圖

1.3 防回火燃燒器結構設計

如圖5 所示，為防回火燃燒器結構3D 圖。在多孔介質的下方設計兩排平行水管，水管間錯層交叉設置，當混合氣體通過預混腔進入燃燒室后，通過水管間隙進行二次分流，保證氣體可以均勻的通過多孔介質底部，同時燃燒區域的可燃氣體的流動速率低于混合腔室，也能夠避免可燃燒氣體回流而造成回火現象。水管斜45 °錯層的布局可以對下半部多孔介質燃燒形成的火焰起阻擋作用，防止回火。待燃燒完成后，多孔介質仍有大量余熱聚集，此時向管內通水后可以快速吸收多孔介質燃燒形成的輻射熱，保證預混腔始終維持常溫狀態，水管的出口與上方換熱器相連，完成熱交換的水還可以起到預熱的作用。

圖5 防回火燃燒器結構3D 圖

2 多孔介質燃燒器實驗系統總體設計

由于多孔介質在燃燒器的內部燃燒，材料本體燃燒狀態很難監測，為了研究其燃燒特性，利用煙氣分析儀、數據采集器、熱電偶等工具儀器，結合燃燒樣機，搭建了多孔介質燃燒器實驗平臺，如圖6 所示。根據實驗的測試需求，將實驗平臺分成原料供給平臺、燃燒平臺、溫度測量平臺、煙氣采集平臺四個子平臺。本文設計的燃燒器是運用在熱水器中，因此實驗所用燃氣選擇天然氣，壓縮空氣則由儲氣罐提供，氣體先通過比例閥調節后進入預混腔。混合氣在進入多孔介質前還需經過防回火裝置進行分流，已保證混合氣在進入多孔介質內部前流速均勻。為更好研究多孔介質燃燒特性，在其上中下位置均布置熱電偶實時監測材料燃燒的溫度變化，最后在煙道口設置煙氣分析儀，測量煙氣成分。

圖6 多孔介質燃燒器實驗平臺示意圖

3 燃燒實驗

3.1 防回火實驗

由于實驗燃燒裝置是封閉燃燒，無法直接觀察到燃燒器內多孔介質的火焰狀態，只能通過監測多孔介質的上中下游的溫度變化來判斷燃燒器有無回火。如果燃燒器發生回火，火焰會集中在多孔介質的下部，那么中上部分的溫度必然會同時下降，下游的溫度出現上升，預混腔的溫度也會隨著時間推移逐漸升高。因此根據此特征即可判斷燃燒器有無回火。在功率相同情況下，結合多孔介質其材料的特性，燃燒初期的預熱階段通常是明火燃燒，此時火焰集中在上游段，上游的溫度高，待達到一定溫度后，隨著過量空氣系數增加，火焰慢慢向下傳播并逐漸消失，預混氣會在其內部穩定的無焰燃燒，上中下游溫度也趨于一致，此時過量空氣系數再繼續增加，會出現下游溫度增加，中上游溫度降低即發生回火。

本次針對有無防回火裝置的兩款燃燒器分別進行測試了實驗，在不同功率和過量空氣系數下分別觀察有無回火、脫火現象。其結果如表1、2 所示。

表1 無防回火裝置燃燒器實驗結果

表2 有防回火裝置燃燒器實驗結果

實驗結果表明，本文燃燒器在（1.6～5）kW，過量空氣系數1.4～1.6 下都能實現穩定燃燒，且隨著功率的提高，燃燒愈加穩定，穩燃范圍變寬，即存在合適的過量空氣系數，保證燃燒器能穩定燃燒。有換熱裝置的燃燒器的防回火的效果明顯。水管錯層交叉結構設計不僅有效的阻擋了下半部多孔介質的火焰蔓延，同時水管中通冷水后快速吸收多了孔介質燃燒形成的輻射熱，使預混腔的溫度一直保持常溫狀態，有效的預防了回火。

3.2 不同當量比下多孔介質污染物排放特性實驗

隨著國家對碳排放的要求越來越高，以及先進技術的發展，對熱水器的煙氣污染物排放標準必定會更嚴格[14]。本次實驗選用煙氣分析儀(TESTO 350)測量煙氣成分，研究了功率一定時不同當量比對污染物排放的影響，同時監測了實際含氧量，并與理論值進行對比。針對于甲烷這一燃氣組分，引入當量比進行分析，當燃氣-空氣混合物中燃氣與空氣的比值等于化學計量比，則定義當量比φ=1，其計算公式（1）為：

式中：

VCH4—甲烷體積流量；

Vair—空氣的體積流量；

（VCH4/Vair）real—實際工況下比值；

（VCH4/Vair）sto—化學當量比下的比值。

為了細化分析燃燒器在不同當量比下的燃燒特性，以尋找最適合穩定燃燒及污染物排放最低的工況點，總結了試驗數據，燃燒器在5 kW 的功率下含氧量及CO、NOx 排放量實驗結果如圖7 所示，CO 排放量隨著當量比的提高先增加后降低，在當量比0.67 工況下達到峰值32 ppm，隨后又下降至22 ppm，考慮到當量比增加可能使得空氣量減少，燃燒不充分導致，導致CO 排放量持續上升，待燃燒狀態穩定后，CO 排放量降低。理論殘余氧量與實際殘余氧量十分接近，插值在1 %以內，說明氧氣和燃氣混合均勻并且氧氣被充分反應和消耗，NOx 含高約為14 ppm，其排放水平明顯低于燃氣熱水器的國家標準，這得益于燃燒器溫度均勻，沒有出現局部高溫。

圖7 5 kW 下含氧量及CO、NOx 排放量實驗結果

4 結論

研究了變截面多孔介質燃燒特性，在驗證了防回火裝置的效果的同時研究了過量空氣系數對燃燒的影響，檢測了燃燒污染物的排放，最終得到以下結論：

1）雙層變截面多孔介質比平板型多孔介質更有效駐定火焰使燃燒更穩定。

2）在（1.6～5）kW 工況下，過量空氣系數1.4～1.6下都能實現穩定燃燒，存在一個過量空氣系數使得多孔介質燃燒器能穩定燃燒。

3）通過在預混腔與多孔介質中間錯層分布水管的結構可以有效的防止燃燒器回火。

4）多孔介質穩定燃燒產生的CO 和NOx 的排放量明顯低于燃氣熱水器的國家標準。