沼氣熱水器采用全預混燃燒系統的試驗研究

摘 要

摘要：結合沼氣燃燒特性，設計了適合沼氣熱水器的全預混燃燒系統。對采用全預混燃燒系統的沼氣熱水器性能進行了測試，燃燒效果良好，未出現熄火、脫火等現象，熱效率達88%，煙氣中C0和N
摘要：結合沼氣燃燒特性，設計了適合沼氣熱水器的全預混燃燒系統。對采用全預混燃燒系統的沼氣熱水器性能進行了測試，燃燒效果良好，未出現熄火、脫火等現象，熱效率達88%，煙氣中C0和N0x體積分數很低。
關鍵詞：沼氣；熱水器；全預混燃燒系統
Experimental Research of Biogas Water Heater with Pre-aerated Combustion System
LI Jianshe，FENG 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
    沼氣是有機物質在微生物的作用下隔絕空氣發酵產生的可燃氣體，屬可再生清潔能源。沼氣建設既能為農村提供大量的清潔能源，又能有效處理有機垃圾，既有利于改善農村生態環境，又有利于提高生物質資源利用率。發展沼氣對于推進農業循環經濟，保證農產品安全，推動農村經濟可持續發展具有重大意義。近年來，國家對沼氣建設的重視不斷提高，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》把以沼氣為主的生物質能源作為重點領域和優先發展主題。在國家政策大力支持下，沼氣建設在我國得到迅速發展。伴隨著農村沼氣建設的深入推進，農村居民的生活環境將會得到巨大改善，生活水平也相應得到提升，隨之而來的將是全國各地農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度低、火力弱、易熄火，對沼氣壓力要求高等缺點，很難長期穩定運行。目前，沼氣熱水器的產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行具體而深入的研究，選擇合理的燃燒系統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混燃燒系統進行試驗研究。
1 沼氣熱水器燃燒方式的確定
    燃氣燃燒方式主要為擴散式、大氣式和全預混式。擴散式燃燒火焰混濁、燃燒溫度低、熱效率低，不宜應用于家用熱水器。大氣式與擴散式相比火焰清晰有力，熱效率提高很多。市場上大多數大氣式燃氣熱水器都能達到GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》中規定的家用燃氣熱水器三級能效標準(熱效率不低于84%)，但當沼氣熱水器采用大氣式燃燒時，經常出現點火難，易產生脫火、黃焰以及水燒不熱等問題[2]。大氣式燃燒器對燃氣壓力要求高，而農村沼氣具有熱值、壓力波動大的特點。經過國內外技術人員的努力，改善和創新了沼氣應用技術，如采用脈沖式點火，解決沼氣點火難的問題，增加空氣擾流來促進沼氣與空氣的混合，但這些需要有穩定、足夠的沼氣供應壓力。而農村沼氣由于規模相對較小，沼氣供應壓力無法完全滿足要求。也有學者提出增加沼氣緩沖區以穩定沼氣壓力[3]，但這易造成熱水器體積增大，不符合熱水器向緊湊型發展的趨勢。
    全預混燃燒方式近年來得到了廣泛應用，這種燃燒方式是將燃燒所需空氣全部與燃氣混合再進行燃燒，過剩空氣系數較小，具有燃燒火焰短、燃燒容積熱強度高、化學不完全燃燒少、燃燒溫度高的優點。合理的設計可以實現在降低N0x排放的同時，保持較低水平的C0排放[4]。全預混燃燒的這些優點能夠彌補沼氣燃燒熱水器的一些不足。國內外研究機構和熱水器生產廠家在天然氣熱水器上采用全預混燃燒取得了良好的效果，因此我們設計了一套兼顧緊湊性和沼氣燃燒特性的采用全預混燃燒系統的沼氣熱水器。
2 沼氣熱水器全預混燃燒系統
    沼氣熱水器全預混燃燒系統由燃氣供給系統、燃燒系統、控制系統組成，實現空燃比在不同負荷以及沼氣壓力變化下保持一致，以保證燃燒穩定，不易出現脫火、熄火等現象。
   ① 燃氣供給系統
   燃氣供給系統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、零壓調壓器以及手動流量調節閥等功能，由于零壓閥薄膜上方空間與大氣相通，實現了沼氣出口為零壓(與大氣壓力一致)，克服沼氣壓力波動對空燃比的影響。脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，以下簡稱PWM)風機運行時入口處產生負壓，空氣與沼氣進入文丘里式混合器。一定的混合器幾何結構，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節閥可以實現空燃比的微調，以滿足全預混燃燒對燃氣熱值的要求。

   ② 燃燒系統
   由于全預混燃燒容易出現回火且熱水器燃燒空間有限，因此選取具有很強的外形適應性且節能環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，采用風機上游混合式燃燒系統，見圖2。當風機運行時，沼氣與空氣在負壓作用下進入沼氣-空氣混合器，混合后進入風機。在風機內氣流的強烈湍動作用下，空氣、沼氣得到進一步混合，然后進入殼體，在殼體內大部分動壓轉變為靜壓。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行。
 

   ③ 控制系統
   控制系統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吹掃、點火、火焰探測、熄火保護、后吹掃、過熱保護等常規功能，水溫控制分為手動控制和自動恒溫控制兩種功能。
    燃燒系統采用PWM風機，因此控制器通過調節PWM輸出信號調節風機轉速，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，沼氣的流量隨著風機PWM信號的調節而相應等比例地改變，從而控制燃燒器的負荷，最終實現了沼氣熱水器的水溫控制。
    當采用手動控制時，控制器接收手動控制信號，輸出相應的PWM信號控制風機轉速，從而調節水溫。當采用自動恒溫控制時，選配的PID溫度控制模塊根據實測水溫與設定水溫的偏差，經PID計算后輸出4～20mA信號給控制器，控制器將4～20mA轉化為PWM信號后控制風機轉速。
3 熱水器的性能測試及分析
   根據GB/T 13611—2006《城鎮燃氣分類及基本特性》，配置沼氣的試驗氣，組成為：CH4的體積分數為53.4%，N2(代替其他氣體)的體積分數為46.6%。沼氣試驗氣的低熱值為20.40MJ/m3，相對密度為0.76，燃料特性系數為0.95，沼氣試驗氣的壓力比較穩定，但有所波動。
   在采用全預混燃燒系統的沼氣熱水器上進行性能測試，沼氣熱水器額定熱負荷為21kW，與額定熱負荷為20kW的國內某品牌天然氣熱水器(燃用上海“西氣”)的測試結果進行對比。對于采用全預混燃燒系統的沼氣熱水器，當過剩空氣系數α=1.5左右時，燃燒工況為最佳，因此在保證過剩空氣系數為α=1.5的基礎上，對沼氣熱水器進行測試。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α在2左右。測試時，保證兩臺熱水器在同一個實驗室、同一測試平臺上進行測試，進水溫度和水壓也相同。測試結果見表1。為便于依據GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》評價熱水器煙氣中C0、N0x的排放指標，將測試結果中C0、N0x的體積分數折算成過剩空氣系數α=1情況下的體積分數。
表1 測試結果
熱水器
熱負荷/kW
熱效率/%
C0體積分數(α=1)
N0x體積分數(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到88%，這與天然氣熱水器實測熱效率87.4%很接近，二者都超過了GB 20665—2006規定的三級能效標準。而且沼氣熱水器的C0、N0x排放指標遠優于天然氣熱水器，特別是N0x的排放指標低于GB 6932—2001規定的N0x第5級排放標準。測試結果表明，沼氣壓力的波動并沒有產生不良影響，測試過程中沼氣燃燒效果良好，沒有出現脫火、熄火和黃焰現象，這也證實了沼氣熱水器采用全預混燃燒系統的可行性。
4 結論
    ① 采用全預混燃燒系統，可保證在不同負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，沼氣全預混燃燒熱水器在額定熱負荷下，熱效率高達88%，完全達到家用燃氣熱水器三級能效標準。煙氣中C0體積分數(α=1)為16×10-6，N0x體積分數(α=1)為7×10-6，比一般的燃氣熱水器優勢明顯。
參考文獻：
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[2] 郭年東，陽作鋒，許獻洲.沼氣熱水器常見問題處理[J].可再生能源，2005(6)：55-56.
[3] 林杜，邵震宇，郝彥瓊.沼氣燃燒特性與沼氣快速熱水器[J].公用科技，1993，9(2)：10-15.
[4] 徐鵬，傅忠誠.燃氣全預混燃燒污染物排放的研究[J].煤氣與熱力，2005，25(12)：15-17.
 
(本文作者：李建設 馮良 董勁松 同濟大學 機械工程學院 暖通空調及燃氣研究所 上海 201804)