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1、全预混空气燃烧方法的技术条件燃气燃烧方法发展趋势 人们是从扩散燃烧现象发现气体燃料（天然气）的。开始人们还以为是神火而顶礼膜拜， 形成所谓“拜火教”。我国是世界公认的利用天然气最早的国家。早在公元前 250 年我们 的祖先在四川就知道用天然气的扩散燃烧方法煮盐。后来过了2000 多年，被称为“燃气工 业之父” 的苏格兰工程师默克多才用焦炉气的扩散火焰来照明。当时在 1813 年新年除夕 之夜，在英国的惠斯顿大桥上两排燃气灯一起照明，结束了靠蜡烛、油灯照明的日子。这也 是当时科技界辉煌的成就。燃气灯照明的好景并不常，当爱笛生发明了电白炽灯后，燃气灯 几经全力与电竞争照明市场。结果无论在技术上，还
2、是在经济上都竞争不过电白炽灯。在市 场经济规律的驱使下，燃气灯不得不让出绝大部分的照明市场。后来还 是大气式燃烧的本 生火焰为燃气指出了向热能方向发展的道路。由于大气式燃烧方法使燃气燃烧比较完全，易 点火，污染少，使用简单，来源充足，价格便宜，运送方便，结果逐步代替了煤，成为城市 三大能源之一。随着技术的发展与人们对环境的要求越来越高，人们发现大气式燃烧方法有 许多不可避免的缺点，国内外燃气工作者开始进一步研究全一次空气预混燃烧方法及适应这 种燃烧方法的燃具。本文目的在介绍各种燃烧方法的特点的基础上，重点论述全预混空气燃 烧方法主要特点及这种燃烧设备所需的技术条件。扩散式燃烧方法这是一种最简单
3、的燃烧方法。在燃烧以前，燃气与空气不混合，燃气自火孔流出后，靠 扩散与空气混合燃烧。这种燃烧方法有简单，容易点火，不会回火，燃烧稳定，燃具结构简 单等优点。但是对于需要空气多的高热值燃气（天然气、液化石油气），靠层流扩散是达不到 完全燃烧的要求的，具体的缺点是烟气中CO含量比较高，燃具的体积比较大。为此所有的 民用燃具大部分淘汰了扩散式燃烧方法。但是，层流扩散式燃烧方法也有其不可忽视的优点。 例如这种燃烧方法的稳定性比较高，没有回火，不容易离焰。由于在燃烧过程中温度不高， 氧气浓度低，所以没有产生NOx的条件，其燃烧产物中几乎没有NOx。相反在这种条件下， CO 却容易产生。为此在采用这种燃烧
4、方法时必须充分考虑有足够的燃烧空间。目前我国还 有不少使用低热值人工燃气的地区，如果采用大气式燃烧方法火焰达不到稳定时，可以考虑 采用扩散式燃烧方法。强制鼓风扩散燃烧方法多用于工业炉上的工业燃烧器。采用这种燃烧方法需要合理地组 织空气与燃气混合，避免产生大量的NOx与CO。部分预混空气（大气式）燃烧方法 预先混入部分空气的大气式燃烧方法与扩散式燃烧方法相比有燃烧完全、火焰短、热强 度大的优点。但是这种燃烧方法有回火的可能，也会离焰与脱火。在控制好一次空气的条件 下，能具有一定范围的不离焰不回火的稳定火焰区，在此区内可以调节负荷。这种燃烧方法， 结合用燃气引射空气的引射型形成引射型大气式燃器具，
5、在民用燃气用具中得到广泛应用。 这是因为其燃烧产物这CO较少，充分利用了燃气的本身压力与空气混合，燃具结构简单， 使用操作方便的结果。引射型大气式燃具用于工业时，会遇到困难。因为工业要求负荷大，结果造成引射器的 体积庞大，在安装与维护方面都会发生问题，所以大工业炉一般不采用此种形式的燃 具。大气式（部分预混空气）燃烧方法最大的优点就是改善了层流扩散燃烧的燃烧不完全的缺 点。民用燃具的热负荷不高， 靠燃气压力利用引射器完全可以吸入足够的部分空气达到大 气式燃烧。同时还可以用调节燃气压力的方法调节热负荷，并且在不同的热负荷下，一次空 气系数变化不大。这就是引射型大气式燃烧器百余年来广泛用于民用燃具
6、的原因。大气式（部分预混空气）燃烧方法也有不可避免的缺点。首先这种燃烧方法需要组织好二 次空气，为此需要足够的二次空气进口面积及必要的炉膛高度。所以很难减小燃烧设备的体 积。其次大气式燃烧方法的燃烧产物中NOx含量较高，采取措施后，NOx含量低了，CO 含量却高了，很难达到CO与NOx含量都低的效果。全预混空气（无焰式）燃烧方法将燃烧所需空气全部混入燃气再进行燃烧的全预混空气燃烧方法的特点是火焰短，附着 于燃烧表面，看不到火焰，故称无焰式燃烧方法，或称其为全一次预混空气燃烧方法。这种 燃烧方法的稳定性较差，稳定燃烧的范围较小，必须采用防止离焰与回火的稳焰措施。民用 燃具中的红外线辐射器和灶具就
7、是采用多孔陶瓷板或双金属网作为稳焰载体，达到稳焰效 果。工业燃具中，负荷小的与民用相同，采用多孔陶瓷板，负荷大的则多采用单火道及多火 道稳焰。民用燃具负荷小，可以考虑用利用燃气压力引射空气，工业燃具负荷大，如果利用 燃气引射空气会使引射器的体积过于庞大，不得不采用强制鼓风的方法。全预混空气（无焰式）燃烧方法，最大的优点是：燃烧强度大，火焰短，可以降低炉膛高度；不需要二次空气，省去了二次空气的入口的面积； 具有较大的面积热强度与体积热强度，可缩小燃烧设备体积； 火焰面可以靠近热交换器，加大传热系数。提高热效率； 燃烧产物可以在火焰面的下方流出，使热流向下，有利于冷凝式热水器，有利于向下辐 射的工
8、艺要求；在全预混空气燃烧的条件下，燃烧产物中CO及NOx含量都比较低；这种燃烧方法，在稳定的燃气与空气的混合比例下，可以使热效率随着负荷降低而增加。 大大提高了燃气燃烧设备的年热效率。尤其对于大负荷热水器在低于额定负荷下能维持高效 率，是很有现实节能意义的。全预混空气（无焰式）燃烧方法也有以下不利的因素与特殊的技术要求： 当负荷较大时，无法利用燃气本身压力靠引射器吸取空气，只能强制鼓风； 需要有保证燃气与空气混合比例的装置，并且维持此比例不受热负荷变化的影响； 应有可靠的避免离焰、回火的稳焰措施，必要时需要冷却头部，防止回火。设计时要尽 可能地提高燃烧稳定范围。图1 是一种具有板式火孔的全预混
9、燃烧器的稳定曲线图。由图可见，01线稳定范围最大，热强度可由5W/mm2降至1W/mm2,其相应的一次 空气系数在1.21.3之间。02线有可能因头部温度高而回火的可能。03线则会因一次 空气系数过大而离焰。依靠过去的技术，在民用燃具中，除了红外线辐射器外，其他大负荷燃烧设备（如热水 器）难以实现以上要求，为此限制了此种燃烧方法的应用。目前燃气燃烧设备的发展趋势社会要求：燃气燃烧设备首先的任务是安全。因为燃气事业本身是造福于人类的，但是， 一旦发生了事故，对受害者是百分之百的“造害”。另一方面，安全问题解决不好燃气事业 不能发展。市场需要：随着社会的发展与技术的进步，首先是人民生活水平不断提高
10、，对燃气设备 提出更高的要求。目前家庭的厨房设备越来越高档，因此要求燃气设备外形漂亮，体积巧小， 并且与周围家具及环境协调。除了美观以外还要求使用方便，负荷大、功能多、价格廉等。安装条件：根据我国民用建筑的现况，除了带有独立烟道的别墅住宅及二、三层建筑和 少数带有符合规范的专用烟道的高楼以外，绝大部分建筑基本上没有条件安装靠热压头的自 然烟道排烟的热水器或其他燃烧设备。为此生产厂家开发了靠风机排烟或鼓风的燃气燃烧设 备。目前燃气燃烧设备技术水平：早在60 年代末70 年代初我国就开发了全预混燃烧的红 外线辐射器。90 年代开始了引射型红外线民用灶具的批量生产。近年来，在热水器方面我 国生产厂家
11、分别开发了强制排烟、机力鼓风、强制给排气型的热水器，在安全、控制技术方 面已趋成熟（要重视批量生产的质量稳定性），有的厂家引进国外技术开发了近似全预混的燃 烧器，为了防止回火，利用进水冷却燃烧器头部。这就说明我国已具备了采用全预混燃烧方 法的条件。发展全预混空气燃烧方法所需要的技术条件 发展全预混空气燃烧方法需要如下技术条件： 首先要解决空气鼓风，目前我国不少厂家已经开发了强排、强制给排气的热水器，因此 参照一些国外经验，强制鼓风燃烧的技术可以顺利解决。第二步要解决的问题是燃烧器头部的燃烧火孔或稳焰载体的选择。采用常规的双金属网 或者多孔陶瓷板的可以满足面积热强度要求低的地方，如红外线辐射器常
12、采用多孔陶瓷板作 为稳焰载体。对于面积热强度要求大的地方就需要采用其他的火孔型式及相适应的稳焰措 施。在这方面，我国高校和生产厂家都做了一些工作，欧洲的生产厂家业也提供了不少的型 式，尤其是碳纤维与金属纤维燃烧载体的出现，更进一步促进了全预混空气燃烧方法的发展。 但是，无论采用哪种火孔型式或哪种稳焰载体，都需要把燃烧设备的稳定工作曲线（如图 1） 做出来 。此曲线受燃气性质、燃气压力、燃烧火孔的型式、稳焰载体性能、燃烧设备的炉 膛及热交换器的构造等因素的影响，不能盲目采用国外或其他不是自己做出来的曲线。下一步就要解决燃气与空气的混合问题了。最节能最方便的方法是利用燃气压力靠引射 器吸空气。目前
13、的红外线辐射器就是采用这种方法。以天然气为例，燃气引射空气的引射比 需要达到1 比10至1比 11，对于液化石油气引射比需要高达1 比35 之多。要达到如此大 的引射比，在目前陶瓷板的阻力和液化石油气的额定压力（2800 帕）条件下，要达到足够的 引射比，必须保证喷嘴与文吐利严格对中，文吐利管内壁光滑。否则也是不容易达到的。就 是可以达到也会因负荷加大使引射器体积过分庞大，而不能使用。现在的形势是,已经有了 空气鼓风，完全可以甩开燃气引射空气的引射器，利用空气与燃气的压力机力混合。很明显 在这种条件下，空气引射燃气将会大大地降低引射比，同时也会减小引射器的体积。图2 带文吐利燼气空气比例阀/J
14、*|1.风机3.扩张管5.热交换器7.摊气孑Lg.控制器 H.进水13.燃气2. 燃气空气比例控制器4.稳焰载体6.冷凝水管.3. 进气孔10.外墙12.热水关于燃气与空气的比例混合器国外厂家已有产品进入我国市场，例如霍尼韦尔(Ho neywell)与西特(Sit)两家公司都推出自己的产品。但是，国外的产品一般把执行机构与 控制电路合为一体，图 2 就是这种带文吐利管的燃气空气比例阀的示意图。当需要提高燃 烧设备的负荷时，可加大风机压力，提高空气流量，同时在文吐利与调节器的作用下，燃气 流量也随之加大，并保持原来与空气流量的比例。同理，在小负荷条件下，也可以保持燃气 与空气的比例不变。一般来说，国外产品性能稳定，但价格比较贵。有时国外的控制技术不 一定符合国情。所以最好的办法是根据国情自己设计。有关燃气与空气比例混合的技术问题 另文详述。根据以上论述，我国发展全预混空气燃烧技术的条件已经成熟。首先在强制给排气的热 水器的基础上，加以改进就可成为先进的节约能源（以低热值计的热效率可达 100），保护 环境（CO与NQ含量都低）的冷凝式热水器（见图2）。
