顶置式燃气全预混液槽加热器的研究

同济大学机械与能源工程学院 孟莉莉 冯 良 齐亚腾 王会详

顶置式燃气全预混液槽加热器的研究

同济大学机械与能源工程学院 孟莉莉 冯 良 齐亚腾 王会详

针对目前国内液槽加热器的存在现状，设计了一套顶置式的燃气全预混燃烧液槽加热系统，将加热浸管改造为可拆卸移动的箱状吊装入液槽内，解决了改造老式液槽(特别是非金属液槽)需在侧面液位下方开孔的难题，优化了燃气液槽加热器的结构，保证了其更为便捷可移动的效果。对样机进行了测试，分析了在某功率不同过剩空气系数下的CO和NOx排放量等实验数据，为进一步研究和设计金属纤维燃气全预混小功率液槽加热系统打下良好基础。

液槽加热 顶置式加热器 全预混燃烧 金属纤维燃烧器

0 前言

目前采用清洁能源燃气的液槽加热器逐步被大众接受，较其它采用热水、蒸汽、导热油或电等二次能源的传统液槽，具有独特的优势。燃气液槽加热器可直接利用燃气燃烧后的高温烟气加热液槽中的液体，减少热媒介质(热水、蒸汽、导热油)的生产、转输及换热环节，降低能量损失，提高能源利用率。此外，燃气液槽加热器无需设置中央锅炉、输送管网、阀门附件、换热装置等，节省了空间资源，同时也降低了运行维护的费用。燃气液槽加热器采用燃气全预混燃烧的方式，具有燃烧速度快、燃烧完全性好等优点，因此在液槽加热的应用上可以达到热效率高、加热器结构紧凑、污染物排放低等的良好效果。顶置式燃气全预混液槽加热器不仅能发挥燃气液槽加热器的优点，节省空间资源、提高能源利用率，降低污染物排放，解决了改造老式液槽(特别是非金属液槽)需在侧面液位下方开孔的难题，优化了燃气液槽加热器的结构，保证了其更为便捷可移动的效果，填补国内对此类小功率燃气全预混液槽加热器研究的空白。

1 顶置式燃气全预混液槽加热器系统设计

1.1 系统组成及工作原理

目前国内市场上存在的液槽燃烧器较少，其原因在于加热浸管的存在使燃烧室的燃烧背压较高，传统燃烧方式使排放性能较差等技术问题的困扰。全预混燃烧具有燃烧速度快、燃烧完全性好、污染物排放较低等优点，因此本设计选择燃气全预混燃烧器。

顶置式燃气全预混液槽加热器系统包括燃烧器、液槽加热器、控制系统等组成部分。其工作原理见图1。

图1 燃气液槽加热器原理

燃气和空气按照一定比例在混合器中混合均匀，预混后的空气和燃气进入金属纤维燃烧器头部，并被点火针点燃，在燃烧室燃烧后的高温烟气通过烟道与液槽里的液体进行热交换，获得高温液体，燃烧器头部有离子火焰探测器对火焰进行实时监控，如果燃烧器未点燃或者熄火时自动关闭燃气阀，进行熄火后吹扫，并报警，确保燃烧安全。

1.2 燃烧器

燃烧器部分包括燃烧器头部、混合器、燃气电磁阀、助燃风机、燃烧器控制器、点火器、点火针及离子火焰探测器等。

(1)燃烧器头部(见图2)，采用金属纤维多孔介质，利于燃气、空气的混合气体均匀分布在金属纤维表面进行稳定、完全的燃烧。离子火焰探测器实时监控火焰的存在，如果燃烧器没有火焰或者燃烧过程中发生熄火，则自动关闭燃气阀，进行后吹扫，并报警。

图2 燃烧器头部结构示意

(2)混合器，选用文丘里式混合器，利于空气和燃气混合均匀。

(3)燃气电磁阀，选用西门子VGU82组合式燃气伺服阀，保证空燃比恒定。

(4)助燃风机，选用上海梅帝燃气设备有限公司生产的型号RG128/1300—3612的脉宽可调型直流无刷风机，该风机占空比PWM的调节范围为30%~99%，可通过改变燃烧过程中的空气量，引射不同燃气量，从而实现对负荷的控制。

(5)燃烧控制器，选用上海梅帝燃气设备技术有限公司的DFC-1控制器。

(6)温度控制器，选用日本SHIMAX公司的MAC50D温度控制器。

1.3 液槽

实验液槽尺寸为860×300×545mm，结构如图3所示。图3所示空间为放置加热浸管箱体部分。此设计利于加热浸管直接吊装入液槽，无需在液槽下方设计加热空间，且便于拆卸移动，节省维修管理费用。

图3 液槽结构示意

1.4 加热浸管

加热浸管部分包括燃烧室、烟道和尾箱，其结构如图4所示。预混充分的燃气和空气从燃烧器头部流出并被点火针点燃，在加热浸管的燃烧室燃烧，燃烧产生的高温烟气在烟道中受迫流动，降低烟气温度，最终低温烟气经尾箱排出。燃烧室浸没在液体中，起到了冷却作用。烟道是整个液槽加热系统中最主要的热交换场所，为增大换热效果，烟管需直径小，但增大了流动阻力。由于液槽内液体温度较低，烟管传热充分，高温烟气中的水蒸气遇到较冷的烟管壁面发生冷凝，析出水分，因此为解决冷凝水排放问题，在尾箱收集冷凝水，并通过在尾箱下部的一根冷凝水排放管排出冷凝水，尾箱底部冷凝水入口高度越高于液槽底部冷凝水出口高度，越利于冷凝水的收集。尾箱不仅利于冷凝水的收集和排放，还起到消声减震、延长烟气停留时间、增强换热的作用。加热浸管的管径和长度受燃烧功率的影响，燃烧功率越大，所需加热浸管的管径相对增大，长度增长，反之亦然。

图4 加热浸管结构示意

表1 顶置式液槽加热器结构尺寸

1.5 控制系统

为实现自动化控制，本液槽加热器选用上海梅帝燃气设备技术有限公司研发的一套综合全预混燃烧控制系统。主要的设备有燃烧器控制器、丹佛斯点火变压器052F0040点火器、点火针、离子火焰探测器等。燃烧器的运行模式可分为ON-OFF模式和功率调节模式两种。

2 燃烧性能测试及分析

本实验中采用的天然气：表压力为2 KPa、低热值为34.2 MJ/m3、相对密度为0.594。设定液槽加热器样机燃烧功率为6 kW时，在不同过剩空气系数下进行测试，测试结果见表2。

测试数据反应出，此小功率加热器的燃烧性能卓越，烟气排放中的有害气体成分CO、NOx浓度较低，在过剩空气系数1.22以上，污染物浓度均在35×10-6以下，完全符合低污染物排放标准。此加热器的最大燃烧功率为7 kW，负荷调节比相对较小，适用于小型液槽加热。

表2 顶置式液槽加热器实验数据

3 结语

(1)此液槽加热器采用燃气全预混金属纤维燃烧器，具备全预混燃烧的优点，燃烧速度快，燃烧完全，能适应液槽加热器狭小燃烧空间等特点。

(2)采用烟气加热液槽内液体的方式，减少热媒介质的生产、输送等环节，降低热损失，提高了能源利用率，同时节省空间资源，降低维护管理费用。

(3)在传统燃气液槽加热器的基础上进行了结构改进，使加热浸管能吊装入液槽，节省在液槽下部设计燃烧换热的空间，且方便拆卸移动，维修保养更加便捷。

(4)本设计的燃烧器率小，适用于小型液槽加热。如果条件允许，可生产稍大功率的顶置式燃气全预混液槽加热器。

Research on Overhead Heater of Liquor Tank with Fully Pre-mixed Gas Combustion

School of Mechanical and Engineering Tongji University
Meng Lili Feng Liang Qi Yateng Wang Huixiang

Based on the current situation of heating liquor tank in China, a heating system of overhead liquor tank with fully pre-mixed gas combustion has been designed. The prototype has been tested and the experimental datum of CO and NOXat different excess air ratio have been analyzed., which lays a good foundation for advanced study and design for the small power heating system of liquor tank with fully pre-mixed metal fiber burner.

heating liquor tank, overhead heater, fully pre-mixed combustion, metal fiber burner