低污染节能灶具燃烧器的研制

摘 要

摘要：介绍了一种节能环保型灶具燃烧器。该燃烧器采用条缝形斜向火孔、切向引射器、坡面火盖等结构方式，使得火孔热强度降低，一次空气系数提高，火焰旋转，达到减少N0x和CO污染物生
摘要：介绍了一种节能环保型灶具燃烧器。该燃烧器采用条缝形斜向火孔、切向引射器、坡面火盖等结构方式，使得火孔热强度降低，一次空气系数提高，火焰旋转，达到减少N0x和CO污染物生成量且火力集中强劲的效果。分析了影响N0x和CO污染物生成的因素及其抑制方法，探讨了提高热效率的措施。
关键词：灶具燃烧器；切向引射器；旋转火焰；条缝形火孔
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
    大气式中餐燃气炒菜灶热效率偏低，造成能源浪费。因此，需要采用新技术提高中餐燃气炒菜灶的热效率，降低氮氧化物和一氧化碳的排放量。
    目前采用的节能技术主要有红外线无焰燃烧器技术、内焰火技术等。红外线无焰燃烧器具有热效率高、污染小等特点。但由于温度均匀，火力不集中强劲，不适合中餐炒菜的猛火爆炒，且大部分红外线无焰燃烧器采用陶瓷板材料，容易损坏，寿命较短。内焰火技术主要是火孔位于燃烧器环状空间的内侧，使得火力集中，但导致燃烧器体积增大，热负荷偏低。经过大量研究，笔者开发出一种节能环保型燃烧器，该燃烧器采用双螺旋式结构，即引射器与火孔均旋转，燃烧特点是火力集中、燃烧完全、污染小。
2 N0x污染控制方法
    N0x的生成条件是高温、有氧，二者缺一不可。因此为抑制N0x的生成，在接近理论比情况下组织燃烧时，可采取措施，使氧一旦进入高温区就很快被消耗掉，即降低高温火焰面背后的氧含量，并设法减小燃烧高温区厚度，缩短烟气在高温区的停留时间[1]。
    通过提高一次空气系数，火焰的高温区靠近内锥表面，外焰相对变薄，使氧气在高温区的停留时间相对缩短，N0x生成量减少。同时通过采用条缝形火孔，增加火焰稳定性，增大火孔面积，降低火孔热强度，火焰呈蓝色短焰，温度分布均匀，避免了局部高温，抑制了N0x的生成，同时燃烧充分，生成的C0很少[2]。此外，限制二次空气从火焰根部自由吸入，避免由于火焰根部负压较大快速吸引大量空气，而使少量二次空气从火焰顶部供给，缩短了氧在高温区的停留时间，抑制N0x的生成。N0x的污染控制应采取提高一次空气系数和限制二次空气相结合的方法。
3 节能措施与原理
    在燃烧器设计上通过采用凹面聚能设计和斜向内置式火孔，减少对流换热损失和对外界的辐射换热损失；采用切向旋转式火孔，使得火力集中，燃烧更加充分，有利于热效率的提高。
    中餐燃气炒菜灶的节能不仅要从燃烧器方面考虑，还要结合整体灶具综合分析(包括锅架开口宽度、锅架高度、炉膛大小等)并采取相应措施。因为大气式燃烧器需要二次空气，所以锅架上要留有一定的开口，起到排烟和补充二次空气的作用。开口大小影响热效率，开口过大则对流换热损失增大，开口过小则会使烟气中的污染物含量提高，因此要确定合理的开口尺寸。锅架高度影响到吊火高度，吊火高度过高会造成不必要的热量损失，过低会影响燃烧效果，要在保证烟气符合设计指标的前提下，尽量降低吊火高度。
4 技术方案的确定
    为突破节能关键技术，综合多项技术，以进一步提高燃具的热效率，力争在燃烧方式、控制技术、燃烧器的结构等方面取得突破，减少C0、N0x等有害气体及C02等温室气体的排放量。在保证N0x、CO低污染的同时，配合整体灶具采取措施，减少热量损失，提高灶具整体的热效率。
    通过采用条缝形火孔，增大火孔面积，同时引射器切向供气，减小头部和引射阻力，提高一次空气系数，使燃烧更加完全，减小CO污染。条缝形火孔的火焰较薄且长度较短，火焰温度分布均匀，减少局部高温，使得火焰温度相对降低，有利于温度型N0的降低[3]。斜向内置式火孔既控制了火焰外圈二次空气的供给量，使N0x生成量减少，又使火力集中，减少了热损失，提高了灶具的热效率。旋转式火孔使得火力集中，强化燃烧，有利于热效率的提高。
5 主要研究内容和关键技术
5.1 燃烧器与锅架结构
采用内外双圈燃烧器，结构见图1，锅架结构见图2。降低锅架高度，增大锅架直径，增大锅的受热面积，将侧进风改为上进风，减少对流换热损失。
 

5.2 关键技术与特性
    采用双螺旋式结构，即火孔旋转、引射空气与燃气的混合气在腔体内旋转，增加了引射一次空气的能力，燃烧完全，火焰旋转且强劲有力，燃烧产生的污染物少，热效率高。
   ① 旋转火焰
   火孔为切向旋转开孔，使得火焰旋转，火力集中，燃烧充分，火焰强劲。
   ② 条缝形火孔
   条缝形火孔稳焰效果好，可以增大火孔总面积，降低火孔热强度，减小头部阻力，提高一次空气系数，使燃烧更加充分，有利于降低C0的排放。条缝形火孔也使火焰变薄，火焰温度降低，有利于减少N0x的生成[4]。
   ③ 切向引射
   引射器与燃烧器腔体切向连接，减小引射一次空气的阻力，提高一次空气系数，燃烧充分，减小污染。一次空气系数的提高，减少了二次空气从火焰顶部的供给，缩短了氧在高温区的停留时间，有利于减少N0x的生成[4]。
    引射器将一次空气切向引入，在燃烧器的混合腔体内旋转，旋转方向与条缝形火孔的旋转方向一致，增加了火焰的旋转度。
   ④ 倾斜式火孔
   内外圈火孔与燃烧器中心呈一定夹角坡向中心，使得火力集中，减少向周围的辐射与对流换热损失，提高热效率。
    传统的大气式燃烧器火孔竖直向上，当火焰接触到锅底后，火焰会沿着锅底向外分散至锅沿。而该节能环保型燃烧器，其火焰以一定夹角向中心倾斜，火力集中而且焰短，火焰不会沿着锅底分散至锅沿，减少了热量损失。同时，坡向中心的火焰产生的辐射热也向中心集中，减少了向周围的辐射热损失。
    ⑤ 火孔与火盖有一定的夹角
    由于火孔与火盖有一定的夹角，杂质不易掉入火孔而堵塞，便于清理。
5.3 试验条件与试验内容
    为研究负荷、锅架相对高度(锅架顶部距外圈燃烧器顶部的距离)、锅架开口宽度对热效率及烟气的影响，笔者在采用节能环保型燃烧器基础上，进行了一系列试验研究。试验用气源为天然气，压力为2kPa。以三眼中餐炒菜灶作为试验灶具，其单个燃烧器负荷为30kW，采用尖底炒菜锅。试验系统见图3。

5.4 实验结论
    测试得到负荷、锅架相对高度、锅架开口宽度对灶具整体热效率、烟气中C0、02、N0x含量的影响结果，见表1。
表1 灶具整体热效率及烟气的测试结果
负荷/kW
锅架相对高度/mm
锅架开口宽度/mm
灶具整体热效率/%
烟气中C0的体积分数
02的体积分数/%
烟气中N0x的体积分数
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可以得到以下结论：
    ① 锅架相对高度对热效率和烟气的影响
    随着锅架相对高度的减小，热效率得到提高。由于该节能环保型燃烧器燃烧完全，火孔高度低，因此锅架高度要相应降低。
    ② 锅架开口宽度对热效率和烟气的影响
    随着锅架开口宽度的减小，热效率得到提高，且在一定范围内，烟气中的污染物较少。传统炒菜灶的锅架有两个对开开口，宽度均为240mm。该节能环保型燃烧器由于燃烧完全，需要的二次空气量相对较少，如使用传统的锅架会损失热量，降低热效率，因此不适合使用传统锅架。
    ③ 负荷对热效率和烟气的影响
    随着负荷的增大，热效率降低。因此，在保证负荷满足要求的情况下，以开锅时间为界定，尽量降低负荷，否则过大的负荷会影响热效率的提高。
6 结语
    笔者研制的节能环保型燃烧器各项指标均优于现行国家标准。烟气中的C0含量不大于500×10-6，N0x含量不大于30×10-6。热效率不小于25%，节气率不小于30%。
    该研究成果在中直机关、武警支队等多家单位使用，受到用户的好评。该成果与同类产品存在较大的差异，具备良好的节能效果和实用性能，已获得了实用新型国家专利[5]。
参考文献：
[1] 高春梅.低N0x浓淡火焰对冲燃烧技术及装置的研究[J].城市管理与科技，2000，2(3)：41-44.
[2] 徐鹏，傅忠诚.燃气全预混燃烧N0x排放的影响因素[J].煤气与热力，2006，26(4)：26-30.
[3] 徐鹏，傅忠诚.条缝式火孔预混燃烧稳定性的实验研究[J].工业加热，2002，31(6)：21-24.
[4] 高春梅.低N0x燃烧器的研制[J].煤气与热力，2002，22(1)：23-27.
[5] 高春梅.节能环保型燃烧器：中国，ZL 2009 2 0301410.4[P].2009-12-30.
 
(本文作者：高春梅 寮瑞东 北京市公用事业科学研究所 北京 100011)