沼氣熱水器采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

摘 要

摘要：結(jié)合沼氣燃燒特性，設(shè)計(jì)了適合沼氣熱水器的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)。對采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的沼氣熱水器性能進(jìn)行了測試，燃燒效果良好，未出現(xiàn)熄火、脫火等現(xiàn)象，熱效率達(dá)88%，煙氣中C0和N
摘要：結(jié)合沼氣燃燒特性，設(shè)計(jì)了適合沼氣熱水器的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)。對采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的沼氣熱水器性能進(jìn)行了測試，燃燒效果良好，未出現(xiàn)熄火、脫火等現(xiàn)象，熱效率達(dá)88%，煙氣中C0和N0x體積分?jǐn)?shù)很低。
關(guān)鍵詞：沼氣；熱水器；全預(yù)混燃燒系統(tǒng)
Experimental Research of Biogas Water Heater with Pre-aerated Combustion System
LI Jianshe，F(xiàn)ENG Liang，DONG Jinsong
Abstract：Based on the biogas combustion characteristics，the pre-aerated combustion system suitable for biogas water heater is designed.The performance of biogas water heater with the pre-aerated combustion system is tested.The combustion effect is good without flame extinction and flame lifting.The thermal efficiency is 88%，and the volume fi-actions of CO and N0x in flue gas are very low.
Key words：biogas；water heater；pre-aerated combustion system
    沼氣是有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下隔絕空氣發(fā)酵產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，屬可再生清潔能源。沼氣建設(shè)既能為農(nóng)村提供大量的清潔能源，又能有效處理有機(jī)垃圾，既有利于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，又有利于提高生物質(zhì)資源利用率。發(fā)展沼氣對于推進(jìn)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保證農(nóng)產(chǎn)品安全，推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。近年來，國家對沼氣建設(shè)的重視不斷提高，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》把以沼氣為主的生物質(zhì)能源作為重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先發(fā)展主題。在國家政策大力支持下，沼氣建設(shè)在我國得到迅速發(fā)展。伴隨著農(nóng)村沼氣建設(shè)的深入推進(jìn)，農(nóng)村居民的生活環(huán)境將會得到巨大改善，生活水平也相應(yīng)得到提升，隨之而來的將是全國各地農(nóng)村市場對沼氣熱水器需求量的增長。然而沼氣熱水器存在燃燒容積熱強(qiáng)度低、火力弱、易熄火，對沼氣壓力要求高等缺點(diǎn)，很難長期穩(wěn)定運(yùn)行。目前，沼氣熱水器的產(chǎn)銷量一直處于較低水平，只是沼氣灶具的10%左右[1]。因此有必要對沼氣熱水器進(jìn)行具體而深入的研究，選擇合理的燃燒系統(tǒng)來提高沼氣熱水器的熱效率，改善沼氣熱水器的性能。本文對沼氣熱水器采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。
1 沼氣熱水器燃燒方式的確定
    燃?xì)馊紵绞街饕獮閿U(kuò)散式、大氣式和全預(yù)混式。擴(kuò)散式燃燒火焰混濁、燃燒溫度低、熱效率低，不宜應(yīng)用于家用熱水器。大氣式與擴(kuò)散式相比火焰清晰有力，熱效率提高很多。市場上大多數(shù)大氣式燃?xì)鉄崴鞫寄苓_(dá)到GB 20665—2006《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級》中規(guī)定的家用燃?xì)鉄崴魅壞苄?biāo)準(zhǔn)(熱效率不低于84%)，但當(dāng)沼氣熱水器采用大氣式燃燒時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)點(diǎn)火難，易產(chǎn)生脫火、黃焰以及水燒不熱等問題[2]。大氣式燃燒器對燃?xì)鈮毫σ蟾撸r(nóng)村沼氣具有熱值、壓力波動大的特點(diǎn)。經(jīng)過國內(nèi)外技術(shù)人員的努力，改善和創(chuàng)新了沼氣應(yīng)用技術(shù)，如采用脈沖式點(diǎn)火，解決沼氣點(diǎn)火難的問題，增加空氣擾流來促進(jìn)沼氣與空氣的混合，但這些需要有穩(wěn)定、足夠的沼氣供應(yīng)壓力。而農(nóng)村沼氣由于規(guī)模相對較小，沼氣供應(yīng)壓力無法完全滿足要求。也有學(xué)者提出增加沼氣緩沖區(qū)以穩(wěn)定沼氣壓力[3]，但這易造成熱水器體積增大，不符合熱水器向緊湊型發(fā)展的趨勢。
    全預(yù)混燃燒方式近年來得到了廣泛應(yīng)用，這種燃燒方式是將燃燒所需空氣全部與燃?xì)饣旌显龠M(jìn)行燃燒，過剩空氣系數(shù)較小，具有燃燒火焰短、燃燒容積熱強(qiáng)度高、化學(xué)不完全燃燒少、燃燒溫度高的優(yōu)點(diǎn)。合理的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在降低N0x排放的同時(shí)，保持較低水平的C0排放[4]。全預(yù)混燃燒的這些優(yōu)點(diǎn)能夠彌補(bǔ)沼氣燃燒熱水器的一些不足。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和熱水器生產(chǎn)廠家在天然氣熱水器上采用全預(yù)混燃燒取得了良好的效果，因此我們設(shè)計(jì)了一套兼顧緊湊性和沼氣燃燒特性的采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的沼氣熱水器。
2 沼氣熱水器全預(yù)混燃燒系統(tǒng)
    沼氣熱水器全預(yù)混燃燒系統(tǒng)由燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)空燃比在不同負(fù)荷以及沼氣壓力變化下保持一致，以保證燃燒穩(wěn)定，不易出現(xiàn)脫火、熄火等現(xiàn)象。
   ① 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)
   燃?xì)夤┙o系統(tǒng)由文丘里式混合器與零壓閥組成(見圖1)，保證熱水器在不同負(fù)荷及沼氣壓力下空燃比一致。零壓閥集成了過濾器、雙電磁閥、零壓調(diào)壓器以及手動流量調(diào)節(jié)閥等功能，由于零壓閥薄膜上方空間與大氣相通，實(shí)現(xiàn)了沼氣出口為零壓(與大氣壓力一致)，克服沼氣壓力波動對空燃比的影響。脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，以下簡稱PWM)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)入口處產(chǎn)生負(fù)壓，空氣與沼氣進(jìn)入文丘里式混合器。一定的混合器幾何結(jié)構(gòu)，可以保持不同工況下空燃比一致，而零壓閥上的手動流量調(diào)節(jié)閥可以實(shí)現(xiàn)空燃比的微調(diào)，以滿足全預(yù)混燃燒對燃?xì)鉄嶂档囊蟆?/span>

   ② 燃燒系統(tǒng)
   由于全預(yù)混燃燒容易出現(xiàn)回火且熱水器燃燒空間有限，因此選取具有很強(qiáng)的外形適應(yīng)性且節(jié)能環(huán)保的金屬纖維作為沼氣熱水器燃燒器頭部材料。受熱水器體積限制，采用風(fēng)機(jī)上游混合式燃燒系統(tǒng)，見圖2。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，沼氣與空氣在負(fù)壓作用下進(jìn)入沼氣-空氣混合器，混合后進(jìn)入風(fēng)機(jī)。在風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流的強(qiáng)烈湍動作用下，空氣、沼氣得到進(jìn)一步混合，然后進(jìn)入殼體，在殼體內(nèi)大部分動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓。金屬纖維與多孔支撐板具有均流作用，保證沼氣與空氣的混合氣在金屬纖維表面分布均勻，燃燒在金屬纖維表面上進(jìn)行。
 

   ③ 控制系統(tǒng)
   控制系統(tǒng)分為燃燒安全控制和水溫控制兩部分。燃燒安全控制包括預(yù)吹掃、點(diǎn)火、火焰探測、熄火保護(hù)、后吹掃、過熱保護(hù)等常規(guī)功能，水溫控制分為手動控制和自動恒溫控制兩種功能。
    燃燒系統(tǒng)采用PWM風(fēng)機(jī)，因此控制器通過調(diào)節(jié)PWM輸出信號調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制空氣流量。并在零壓閥、文丘里式混合器的比例控制下，沼氣的流量隨著風(fēng)機(jī)PWM信號的調(diào)節(jié)而相應(yīng)等比例地改變，從而控制燃燒器的負(fù)荷，最終實(shí)現(xiàn)了沼氣熱水器的水溫控制。
    當(dāng)采用手動控制時(shí)，控制器接收手動控制信號，輸出相應(yīng)的PWM信號控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水溫。當(dāng)采用自動恒溫控制時(shí)，選配的PID溫度控制模塊根據(jù)實(shí)測水溫與設(shè)定水溫的偏差，經(jīng)PID計(jì)算后輸出4～20mA信號給控制器，控制器將4～20mA轉(zhuǎn)化為PWM信號后控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
3 熱水器的性能測試及分析
   根據(jù)GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惣盎咎匦浴?，配置沼氣的試?yàn)氣，組成為：CH4的體積分?jǐn)?shù)為53.4%，N2(代替其他氣體)的體積分?jǐn)?shù)為46.6%。沼氣試驗(yàn)氣的低熱值為20.40MJ/m3，相對密度為0.76，燃料特性系數(shù)為0.95，沼氣試驗(yàn)氣的壓力比較穩(wěn)定，但有所波動。
   在采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的沼氣熱水器上進(jìn)行性能測試，沼氣熱水器額定熱負(fù)荷為21kW，與額定熱負(fù)荷為20kW的國內(nèi)某品牌天然氣熱水器(燃用上海“西氣”)的測試結(jié)果進(jìn)行對比。對于采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的沼氣熱水器，當(dāng)過剩空氣系數(shù)α=1.5左右時(shí)，燃燒工況為最佳，因此在保證過剩空氣系數(shù)為α=1.5的基礎(chǔ)上，對沼氣熱水器進(jìn)行測試。對于天然氣熱水器，采用大氣式燃燒，大氣式燃燒需要有二次空氣，過剩空氣系數(shù)α在2左右。測試時(shí)，保證兩臺熱水器在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室、同一測試平臺上進(jìn)行測試，進(jìn)水溫度和水壓也相同。測試結(jié)果見表1。為便于依據(jù)GB 6932—2001《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌吩u價(jià)熱水器煙氣中C0、N0x的排放指標(biāo)，將測試結(jié)果中C0、N0x的體積分?jǐn)?shù)折算成過?？諝庀禂?shù)α=1情況下的體積分?jǐn)?shù)。
表1 測試結(jié)果
熱水器
熱負(fù)荷/kW
熱效率/%
C0體積分?jǐn)?shù)(α=1)
N0x體積分?jǐn)?shù)(α=1)
沼氣熱水器
20.80
88.0
16×10-6
7×10-6
天然氣熱水器
20.98
87.4
300×10-6
74×10-6
    由表1可知，沼氣熱水器的熱效率可以達(dá)到88%，這與天然氣熱水器實(shí)測熱效率87.4%很接近，二者都超過了GB 20665—2006規(guī)定的三級能效標(biāo)準(zhǔn)。而且沼氣熱水器的C0、N0x排放指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于天然氣熱水器，特別是N0x的排放指標(biāo)低于GB 6932—2001規(guī)定的N0x第5級排放標(biāo)準(zhǔn)。測試結(jié)果表明，沼氣壓力的波動并沒有產(chǎn)生不良影響，測試過程中沼氣燃燒效果良好，沒有出現(xiàn)脫火、熄火和黃焰現(xiàn)象，這也證實(shí)了沼氣熱水器采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的可行性。
4 結(jié)論
    ① 采用全預(yù)混燃燒系統(tǒng)，可保證在不同負(fù)荷和沼氣壓力波動下空燃比一致，使得沼氣熱水器可克服脫火、熄火、水燒不熱等問題。
    ② 通過測試，沼氣全預(yù)混燃燒熱水器在額定熱負(fù)荷下，熱效率高達(dá)88%，完全達(dá)到家用燃?xì)鉄崴魅壞苄?biāo)準(zhǔn)。煙氣中C0體積分?jǐn)?shù)(α=1)為16×10-6，N0x體積分?jǐn)?shù)(α=1)為7×10-6，比一般的燃?xì)鉄崴鲀?yōu)勢明顯。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：李建設(shè) 馮良 董勁松 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?上海 201804)