低污染節(jié)能灶具燃燒器的研制

摘 要

摘要：介紹了一種節(jié)能環(huán)保型灶具燃燒器。該燃燒器采用條縫形斜向火孔、切向引射器、坡面火蓋等結構方式，使得火孔熱強度降低，一次空氣系數提高，火焰旋轉，達到減少N0x和CO污染物生
摘要：介紹了一種節(jié)能環(huán)保型灶具燃燒器。該燃燒器采用條縫形斜向火孔、切向引射器、坡面火蓋等結構方式，使得火孔熱強度降低，一次空氣系數提高，火焰旋轉，達到減少N0x和CO污染物生成量且火力集中強勁的效果。分析了影響N0x和CO污染物生成的因素及其抑制方法，探討了提高熱效率的措施。
關鍵詞：灶具燃燒器；切向引射器；旋轉火焰；條縫形火孔
Development of Cooking Appliance Burner with Low Pollution and Energy Saving
GAO Chunmei，LIAO Ruidong
Abstract：A cooking appliance burner with low pollution and energy saving is introduced.The burner adopts slotted ports，tangential injector，slope cap and so on.The structure enables the heat intensity ot port to be reduced，the primary air coefficient to be improved and the flame to be turned while reducing formation of N0x and CO and achieving centralized and strong flame.The factors affecting the formation of N0x and CO and their inhibition methods are analyzed，and some measures for improving the thermal efficiency are discussed.
Key words：cooking appliance burner；tangential injector；turned flame；slotted port
1 概述
    大氣式中餐燃氣炒菜灶熱效率偏低，造成能源浪費。因此，需要采用新技術提高中餐燃氣炒菜灶的熱效率，降低氮氧化物和一氧化碳的排放量。
    目前采用的節(jié)能技術主要有紅外線無焰燃燒器技術、內焰火技術等。紅外線無焰燃燒器具有熱效率高、污染小等特點。但由于溫度均勻，火力不集中強勁，不適合中餐炒菜的猛火爆炒，且大部分紅外線無焰燃燒器采用陶瓷板材料，容易損壞，壽命較短。內焰火技術主要是火孔位于燃燒器環(huán)狀空間的內側，使得火力集中，但導致燃燒器體積增大，熱負荷偏低。經過大量研究，筆者開發(fā)出一種節(jié)能環(huán)保型燃燒器，該燃燒器采用雙螺旋式結構，即引射器與火孔均旋轉，燃燒特點是火力集中、燃燒完全、污染小。
2 N0x污染控制方法
    N0x的生成條件是高溫、有氧，二者缺一不可。因此為抑制N0x的生成，在接近理論比情況下組織燃燒時，可采取措施，使氧一旦進入高溫區(qū)就很快被消耗掉，即降低高溫火焰面背后的氧含量，并設法減小燃燒高溫區(qū)厚度，縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間[1]。
    通過提高一次空氣系數，火焰的高溫區(qū)靠近內錐表面，外焰相對變薄，使氧氣在高溫區(qū)的停留時間相對縮短，N0x生成量減少。同時通過采用條縫形火孔，增加火焰穩(wěn)定性，增大火孔面積，降低火孔熱強度，火焰呈藍色短焰，溫度分布均勻，避免了局部高溫，抑制了N0x的生成，同時燃燒充分，生成的C0很少[2]。此外，限制二次空氣從火焰根部自由吸入，避免由于火焰根部負壓較大快速吸引大量空氣，而使少量二次空氣從火焰頂部供給，縮短了氧在高溫區(qū)的停留時間，抑制N0x的生成。N0x的污染控制應采取提高一次空氣系數和限制二次空氣相結合的方法。
3 節(jié)能措施與原理
    在燃燒器設計上通過采用凹面聚能設計和斜向內置式火孔，減少對流換熱損失和對外界的輻射換熱損失；采用切向旋轉式火孔，使得火力集中，燃燒更加充分，有利于熱效率的提高。
    中餐燃氣炒菜灶的節(jié)能不僅要從燃燒器方面考慮，還要結合整體灶具綜合分析(包括鍋架開口寬度、鍋架高度、爐膛大小等)并采取相應措施。因為大氣式燃燒器需要二次空氣，所以鍋架上要留有一定的開口，起到排煙和補充二次空氣的作用。開口大小影響熱效率，開口過大則對流換熱損失增大，開口過小則會使煙氣中的污染物含量提高，因此要確定合理的開口尺寸。鍋架高度影響到吊火高度，吊火高度過高會造成不必要的熱量損失，過低會影響燃燒效果，要在保證煙氣符合設計指標的前提下，盡量降低吊火高度。
4 技術方案的確定
    為突破節(jié)能關鍵技術，綜合多項技術，以進一步提高燃具的熱效率，力爭在燃燒方式、控制技術、燃燒器的結構等方面取得突破，減少C0、N0x等有害氣體及C02等溫室氣體的排放量。在保證N0x、CO低污染的同時，配合整體灶具采取措施，減少熱量損失，提高灶具整體的熱效率。
    通過采用條縫形火孔，增大火孔面積，同時引射器切向供氣，減小頭部和引射阻力，提高一次空氣系數，使燃燒更加完全，減小CO污染。條縫形火孔的火焰較薄且長度較短，火焰溫度分布均勻，減少局部高溫，使得火焰溫度相對降低，有利于溫度型N0的降低[3]。斜向內置式火孔既控制了火焰外圈二次空氣的供給量，使N0x生成量減少，又使火力集中，減少了熱損失，提高了灶具的熱效率。旋轉式火孔使得火力集中，強化燃燒，有利于熱效率的提高。
5 主要研究內容和關鍵技術
5.1 燃燒器與鍋架結構
采用內外雙圈燃燒器，結構見圖1，鍋架結構見圖2。降低鍋架高度，增大鍋架直徑，增大鍋的受熱面積，將側進風改為上進風，減少對流換熱損失。
 

5.2 關鍵技術與特性
    采用雙螺旋式結構，即火孔旋轉、引射空氣與燃氣的混合氣在腔體內旋轉，增加了引射一次空氣的能力，燃燒完全，火焰旋轉且強勁有力，燃燒產生的污染物少，熱效率高。
   ① 旋轉火焰
   火孔為切向旋轉開孔，使得火焰旋轉，火力集中，燃燒充分，火焰強勁。
   ② 條縫形火孔
   條縫形火孔穩(wěn)焰效果好，可以增大火孔總面積，降低火孔熱強度，減小頭部阻力，提高一次空氣系數，使燃燒更加充分，有利于降低C0的排放。條縫形火孔也使火焰變薄，火焰溫度降低，有利于減少N0x的生成[4]。
   ③ 切向引射
   引射器與燃燒器腔體切向連接，減小引射一次空氣的阻力，提高一次空氣系數，燃燒充分，減小污染。一次空氣系數的提高，減少了二次空氣從火焰頂部的供給，縮短了氧在高溫區(qū)的停留時間，有利于減少N0x的生成[4]。
    引射器將一次空氣切向引入，在燃燒器的混合腔體內旋轉，旋轉方向與條縫形火孔的旋轉方向一致，增加了火焰的旋轉度。
   ④ 傾斜式火孔
   內外圈火孔與燃燒器中心呈一定夾角坡向中心，使得火力集中，減少向周圍的輻射與對流換熱損失，提高熱效率。
    傳統(tǒng)的大氣式燃燒器火孔豎直向上，當火焰接觸到鍋底后，火焰會沿著鍋底向外分散至鍋沿。而該節(jié)能環(huán)保型燃燒器，其火焰以一定夾角向中心傾斜，火力集中而且焰短，火焰不會沿著鍋底分散至鍋沿，減少了熱量損失。同時，坡向中心的火焰產生的輻射熱也向中心集中，減少了向周圍的輻射熱損失。
    ⑤ 火孔與火蓋有一定的夾角
    由于火孔與火蓋有一定的夾角，雜質不易掉入火孔而堵塞，便于清理。
5.3 試驗條件與試驗內容
    為研究負荷、鍋架相對高度(鍋架頂部距外圈燃燒器頂部的距離)、鍋架開口寬度對熱效率及煙氣的影響，筆者在采用節(jié)能環(huán)保型燃燒器基礎上，進行了一系列試驗研究。試驗用氣源為天然氣，壓力為2kPa。以三眼中餐炒菜灶作為試驗灶具，其單個燃燒器負荷為30kW，采用尖底炒菜鍋。試驗系統(tǒng)見圖3。

5.4 實驗結論
    測試得到負荷、鍋架相對高度、鍋架開口寬度對灶具整體熱效率、煙氣中C0、02、N0x含量的影響結果，見表1。
表1 灶具整體熱效率及煙氣的測試結果
負荷/kW
鍋架相對高度/mm
鍋架開口寬度/mm
灶具整體熱效率/%
煙氣中C0的體積分數
02的體積分數/%
煙氣中N0x的體積分數
29.6
150
480
15.0
7×10-6
12.3
—
29.0
150
260
20.7
60×10-6
11.8
29×10-6
29.0
120
280
21.7
110×1-6
12.9
—
30.0
60
200
29.1
400×10-6
12.2
11×10-6
32.5
120
280
23.7
240×10-6
12.1
—
33.0
90
220
24.7
38×10-6
9.7
27×10-6
由表1可以得到以下結論：
    ① 鍋架相對高度對熱效率和煙氣的影響
    隨著鍋架相對高度的減小，熱效率得到提高。由于該節(jié)能環(huán)保型燃燒器燃燒完全，火孔高度低，因此鍋架高度要相應降低。
    ② 鍋架開口寬度對熱效率和煙氣的影響
    隨著鍋架開口寬度的減小，熱效率得到提高，且在一定范圍內，煙氣中的污染物較少。傳統(tǒng)炒菜灶的鍋架有兩個對開開口，寬度均為240mm。該節(jié)能環(huán)保型燃燒器由于燃燒完全，需要的二次空氣量相對較少，如使用傳統(tǒng)的鍋架會損失熱量，降低熱效率，因此不適合使用傳統(tǒng)鍋架。
    ③ 負荷對熱效率和煙氣的影響
    隨著負荷的增大，熱效率降低。因此，在保證負荷滿足要求的情況下，以開鍋時間為界定，盡量降低負荷，否則過大的負荷會影響熱效率的提高。
6 結語
    筆者研制的節(jié)能環(huán)保型燃燒器各項指標均優(yōu)于現(xiàn)行國家標準。煙氣中的C0含量不大于500×10-6，N0x含量不大于30×10-6。熱效率不小于25%，節(jié)氣率不小于30%。
    該研究成果在中直機關、武警支隊等多家單位使用，受到用戶的好評。該成果與同類產品存在較大的差異，具備良好的節(jié)能效果和實用性能，已獲得了實用新型國家專利[5]。
參考文獻：
[1] 高春梅.低N0x濃淡火焰對沖燃燒技術及裝置的研究[J].城市管理與科技，2000，2(3)：41-44.
[2] 徐鵬，傅忠誠.燃氣全預混燃燒N0x排放的影響因素[J].煤氣與熱力，2006，26(4)：26-30.
[3] 徐鵬，傅忠誠.條縫式火孔預混燃燒穩(wěn)定性的實驗研究[J].工業(yè)加熱，2002，31(6)：21-24.
[4] 高春梅.低N0x燃燒器的研制[J].煤氣與熱力，2002，22(1)：23-27.
[5] 高春梅.節(jié)能環(huán)保型燃燒器：中國，ZL 2009 2 0301410.4[P].2009-12-30.
 
(本文作者：高春梅 寮瑞東 北京市公用事業(yè)科學研究所 北京 100011)