预混燃烧灶具燃烧技术升级方向

　　随着国家节能减排政策的逐步升级，家用燃气灶的燃烧技术也需同步不断升级，需要在原来基础上能效（热效率）更高，同时废气排放量更少。各个燃气具生产制造企业也在挖空心思，加大对燃气燃烧器的研制，不断的改进和提升燃烧性能。鼓风燃烧技术便是在此背景下诞生的，笔者就重点对鼓风燃烧进行分析，从整个鼓风燃烧技术的发展过程中我们不难分析出灶具燃烧技术升级的大势所趋。

　　燃气是所有气体燃料的总称，燃气的燃烧需要三个条件：燃气中的可燃气体必须和氧气按照一定比例呈分子状态混合，必须有需要激活反应所需要的能量，必须有反应所必须的时间。意即燃烧的第一条件是必须有助燃气体，即空气中的氧。对于燃烧来说，按照其空气来源，燃烧方式可以分为：扩散燃烧、大气式燃烧（部分预混式）、完全预混式燃烧（无焰燃烧）。

　　扩散燃烧：预先不混入空气，燃气被点燃瞬间靠分子的扩散作用获得稳定燃烧所需要的全部空气，此种燃烧方式叫扩散式燃烧。此种火焰特点是火焰很长，且不稳定。

　　大气式燃烧：预先混入燃烧所需要的部分空气，火焰被点燃后再靠扩散作用来获得燃烧所需要的另外一部分空气。这部分预先混入的空气我们叫它一次空气（一次空气：再燃烧前，预先混入的那部分空气统称为一次空气，一般为低压燃气引射的空气），另外一部分叫二次空气（二次空气：靠火焰及分子的扩散作用从外界获得的那部分空气，称为二次空气）。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，在家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。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。

　　完全预混式燃烧：预先混入燃烧所需要的全部空气再进行燃烧的一种燃烧方式。此种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，或称其为完全预混式燃烧方法。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。目前家用燃气灶当中，红外线燃烧在全预混方式中比较常见，主要有多孔陶瓷板，双层金属纤维，催化棉等。他们原理一般都为通过加大腔体，小负荷来等同实现全预混，并通过上述结构装置来实现稳定燃烧。

　　不同燃烧方式有各自不同的火焰特点，我们可以通过下面的图示更为直观了解三种燃烧方式的火焰特点：

　　注：燃烧均在理想状态下进行

　　如上图可以很清晰的发现，扩散燃烧的燃烧比较稳定，不会回火，结构简单。但火焰很长，燃烧强度低，燃烧温度低。大气式火焰形成两个层面，一层为内焰，一层为外焰，内焰形成高温区，最高温在内焰焰尖上部区域，内焰区内实现完全燃烧。比扩散式燃烧火焰短，火力强，燃烧温度高。但由于只预混了燃烧所需要的部分空气，而不是全部所需要的空气，故火孔热强度，燃烧虽比扩散式高，但仍然受限制，仍然不能满足某些工艺的要求。完全预混式燃烧则完全实现完全燃烧，火焰很短甚至看不见，又称无焰燃烧。无焰燃烧温度较高，但极不稳定，因火焰传播速度太快，火焰燃烧极不稳定，很容易出现回火等。

　　我们现在的灶具产品上通常采用的燃烧方式为大气式燃烧，其工作原理是燃气在灶前压力下，燃气从喷嘴高速喷出，并形成局部负压，并通过风门处及喷嘴自身的引射孔，引射四周的静止空气（一次空气）一起进入引射器，在引射器内燃气与引射进入的空气实现混合，并经减速扩压后进入燃烧器头部，可燃混气从头部火孔流出被点燃生成本生火焰。

　　这种燃烧过程的组织方式称大气燃烧或局部预混燃烧。大气式燃烧器的主要优点是燃烧工况易于调节，燃烧充分、温度较度、一次空气供给靠燃气射流卷吸四周空气，不需要外部动力，因而结构简单，制作方便，在燃气灶具上应用广泛。在目前的民用灶具中，完全可以满足普通消费者的基本需求。

　　鼓风燃烧技术

　　实现热效率高，废气低排放的前提是燃气燃烧完全，燃烧温度高。但目前的扩散式燃烧显然是不具备的。大气式燃烧的特点是根据高速燃气靠负压引射一次空气，其引射的一次空气不能提供燃烧所需要的全部空气，必须有充足的二次空气，意即必须有充足的二次空气补充面积，这就需要大气式燃烧器必须具备较大的二次空气补充量，以致燃烧器本身比较笨重，这在民用燃气灶实现上是不现实的。同时，就目前世面上的红外线全预混来看，仅仅是无限加大腔体，减少负荷来接近空燃的全预混状态，一来大腔体比较废料，比较笨重，二来热负荷只能做的很低（目前红外燃烧器热负荷不超过3.5KW），不能满足国人猛火爆炒的烹饪习性。

　　据此推理，靠自然引风的引射能力（燃气额定压力已经固定）不能达到燃烧完全，燃烧温度高，换热能力强的燃烧状况，必须靠外界助氧来补充或弥补燃烧所需要的全部空气。此种条件下，便诞生了鼓风燃烧。

　　鼓风燃烧的实现方式。如需靠外界助氧，涡轮增压（鼓风助氧）是最直接也是最实际的方式。但就空气补充来讲，又分为两种补充方式，即鼓风一次空气和鼓风二次空气两种鼓风方式。

　　第一种方式：鼓风（氧）一次空气。

　　如下图：

　　图示为典型的鼓风一次空气燃烧系统，空气采用机械送风，燃气与空气两股气流或平行，或同心，或环绕，或斜交的喷出口混合燃烧。高压压缩空气由喷嘴喷出，用其喷射所需具有的能量引射低压燃气，经混合管混合后，再送火孔燃烧。在燃气与和空气的混合装置中，使用煤气管三通接头，混合管几乎都用煤气管制作，压缩空气从喷嘴喷出时引射燃气，这样，进入混合管里的燃气，远比靠煤气本身压力流出的要多。

　　对于这种方式来说，利用高压空气引射或混掺燃气，基本上达到或靠近全预混状态，这样的状态燃烧温度更高，锅架到锅底的距离更低，燃烧效率更高。提高热效率实质为有效提高火焰与锅底换热及锅底与盛水换热强度，这种结构火焰与锅底的换热方式基本为热辐射。

　　对家用燃气灶来说，要想实现上述燃烧结构并产业化，笔者认为在技术上有以下几个需要注意的地方：

　　燃烧的稳定性较差，调节范围较小，出火需采用稳焰装置及腔体内过压保护装置；

　　预混系统的电控和操作系统的整体思路设计。如什么时候风机启动，什么时候靠传感器去制动等；

　　风机预混系统的稳定性和可靠度；

　　风机参数的设定。风速，风量和燃气进气量的有效匹配，避免过剩空气系数过大或过小，通过调整风速及风机风门可以确定全负荷时最佳空气量；

　　需考虑风速变化的滞后性对燃烧工况带来的影响。比如：燃烧灶由大火调节至小火时，小火需要的空气不多，但风机风速的变化不是瞬间完成，带有一定的滞后性，极易使小火发生回火或离焰，甚至感应针感应不到火焰造成熄火，影响消费者的使用；

　　热负荷在调节过程中，变化后的系统伺风量的准确性。一般灶具均为火力无级调节，调节过程中，系统的伺风量也必须跟着变大或变小，甚至是很细微的变化。最好的处理方式是采用预混后经精密空-燃比例阀实行再分配，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(Honeywell)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。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。

　　第二种方式，鼓风（氧）二次空气。

　　和鼓风一次空气不同，鼓风燃烧也可以通过强力补充二次空气来实现。家用燃气热水器用的便是这种方式，先让其自燃引风燃烧，再鼓风，最后达到好的混合条件和燃烧状况。和前者不同，本种给风方式火焰清晰可见，鼓风后火焰降低，高温燃烧气流及烟气高速被喷向锅具，传热过程为高速对流换热加热速度快，大幅度提高燃气灶具的热效率，相对于现行国家标准应有大幅度的提高。

　　技术上实现难点在于，家用燃气灶的燃烧环境是敞开的，和鼓一次空气不同，强制供给二次空气时，火焰可能会被吹斜，毕竟鼓风的风速度肯定大于分子扩散造成的气流流速。另外，鼓风时有可能会造成空气对火焰散热，造成热效率下降。当然，在鼓风系统的整体设计和系统稳定性上，本种方式类同鼓一次空气。

　　为避免以上弊端，在鼓二次空气时，燃烧器周围最好加上围护结构，例如炉架加圈，或者燃烧器做成内置结构，以减少散热。

　　技术层面，对于鼓风燃烧，总的来讲，不管采用何种方式，鼓风燃烧会带来以下优势：可以有效提高火焰温度和气流速度，且火力猛且集中；可以有效降低碳排放；可降低NOX 排放量；由于风量可调，燃烧过程中氧气浓度可控制到最小需求值。即过剩空气系数尽可能接近1；根据NOX生成机理，烟气在高温区域停留时间短，可以抑制快速型NOX产生，且对流换热后自身温度降低，可抑制高温型NOX产生，再加上完全燃烧后的贫氧，直接切断了NOX的链反应路径。

　　随着国家低碳经济的持续深入，环保节能的大环境，灶具的燃烧技术升级势在必行，鼓风燃烧的时代即将来临。

　　（责编 白洋）