預(yù)混燃燒灶具燃燒技術(shù)升級(jí)方向

　　隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的逐步升級(jí)，家用燃?xì)庠畹娜紵夹g(shù)也需同步不斷升級(jí)，需要在原來(lái)基礎(chǔ)上能效（熱效率）更高，同時(shí)廢氣排放量更少。各個(gè)燃?xì)饩呱a(chǎn)制造企業(yè)也在挖空心思，加大對(duì)燃?xì)馊紵鞯难兄疲粩嗟母倪M(jìn)和提升燃燒性能。鼓風(fēng)燃燒技術(shù)便是在此背景下誕生的，筆者就重點(diǎn)對(duì)鼓風(fēng)燃燒進(jìn)行分析，從整個(gè)鼓風(fēng)燃燒技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中我們不難分析出灶具燃燒技術(shù)升級(jí)的大勢(shì)所趨。

　　燃?xì)馐撬袣怏w燃料的總稱，燃?xì)獾娜紵枰齻€(gè)條件：燃?xì)庵械目扇細(xì)怏w必須和氧氣按照一定比例呈分子狀態(tài)混合，必須有需要激活反應(yīng)所需要的能量，必須有反應(yīng)所必須的時(shí)間。意即燃燒的第一條件是必須有助燃?xì)怏w，即空氣中的氧。對(duì)于燃燒來(lái)說(shuō)，按照其空氣來(lái)源，燃燒方式可以分為：擴(kuò)散燃燒、大氣式燃燒（部分預(yù)混式）、完全預(yù)混式燃燒（無(wú)焰燃燒）。

　　擴(kuò)散燃燒：預(yù)先不混入空氣，燃?xì)獗稽c(diǎn)燃瞬間靠分子的擴(kuò)散作用獲得穩(wěn)定燃燒所需要的全部空氣，此種燃燒方式叫擴(kuò)散式燃燒。此種火焰特點(diǎn)是火焰很長(zhǎng)，且不穩(wěn)定。

　　大氣式燃燒：預(yù)先混入燃燒所需要的部分空氣，火焰被點(diǎn)燃后再靠擴(kuò)散作用來(lái)獲得燃燒所需要的另外一部分空氣。這部分預(yù)先混入的空氣我們叫它一次空氣（一次空氣：再燃燒前，預(yù)先混入的那部分空氣統(tǒng)稱為一次空氣，一般為低壓燃?xì)庖涞目諝猓?，另外一部分叫二次空氣（二次空氣：靠火焰及分子的擴(kuò)散作用從外界獲得的那部分空氣，稱為二次空氣）。在控制好一次空氣的條件下，能具有一定范圍的不離焰不回火的穩(wěn)定火焰區(qū)，在此區(qū)內(nèi)可以調(diào)節(jié)負(fù)荷。這種燃燒方法，結(jié)合用燃?xì)庖淇諝獾囊湫托纬梢湫痛髿馐饺计骶?，在家用燃?xì)庥镁咧械玫綇V泛應(yīng)用。這是因?yàn)槠淙紵a(chǎn)物這CO較少，充分利用了燃?xì)獾谋旧韷毫εc空氣混合，燃具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用操作方便的結(jié)果。大氣式(部分預(yù)混空氣)燃燒方法也有不可避免的缺點(diǎn)。首先這種燃燒方法需要組織好二次空氣，為此需要足夠的二次空氣進(jìn)口面積。

　　完全預(yù)混式燃燒：預(yù)先混入燃燒所需要的全部空氣再進(jìn)行燃燒的一種燃燒方式。此種燃燒方法的特點(diǎn)是火焰短，附著于燃燒表面，看不到火焰，故稱無(wú)焰式燃燒方法，或稱其為完全預(yù)混式燃燒方法。這種燃燒方法的穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定燃燒的范圍較小，必須采用防止離焰與回火的穩(wěn)焰措施。目前家用燃?xì)庠町?dāng)中，紅外線燃燒在全預(yù)混方式中比較常見(jiàn)，主要有多孔陶瓷板，雙層金屬纖維，催化棉等。他們?cè)硪话愣紴橥ㄟ^(guò)加大腔體，小負(fù)荷來(lái)等同實(shí)現(xiàn)全預(yù)混，并通過(guò)上述結(jié)構(gòu)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

　　不同燃燒方式有各自不同的火焰特點(diǎn)，我們可以通過(guò)下面的圖示更為直觀了解三種燃燒方式的火焰特點(diǎn)：

　　注：燃燒均在理想狀態(tài)下進(jìn)行

　　如上圖可以很清晰的發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散燃燒的燃燒比較穩(wěn)定，不會(huì)回火，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但火焰很長(zhǎng)，燃燒強(qiáng)度低，燃燒溫度低。大氣式火焰形成兩個(gè)層面，一層為內(nèi)焰，一層為外焰，內(nèi)焰形成高溫區(qū)，最高溫在內(nèi)焰焰尖上部區(qū)域，內(nèi)焰區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃燒。比擴(kuò)散式燃燒火焰短，火力強(qiáng)，燃燒溫度高。但由于只預(yù)混了燃燒所需要的部分空氣，而不是全部所需要的空氣，故火孔熱強(qiáng)度，燃燒雖比擴(kuò)散式高，但仍然受限制，仍然不能滿足某些工藝的要求。完全預(yù)混式燃燒則完全實(shí)現(xiàn)完全燃燒，火焰很短甚至看不見(jiàn)，又稱無(wú)焰燃燒。無(wú)焰燃燒溫度較高，但極不穩(wěn)定，因火焰?zhèn)鞑ニ俣忍?，火焰燃燒極不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)回火等。

　　我們現(xiàn)在的灶具產(chǎn)品上通常采用的燃燒方式為大氣式燃燒，其工作原理是燃?xì)庠谠钋皦毫ο?，燃?xì)鈴膰娮旄咚賴姵?，并形成局部?fù)壓，并通過(guò)風(fēng)門(mén)處及噴嘴自身的引射孔，引射四周的靜止空氣（一次空氣）一起進(jìn)入引射器，在引射器內(nèi)燃?xì)馀c引射進(jìn)入的空氣實(shí)現(xiàn)混合，并經(jīng)減速擴(kuò)壓后進(jìn)入燃燒器頭部，可燃混氣從頭部火孔流出被點(diǎn)燃生成本生火焰。

　　這種燃燒過(guò)程的組織方式稱大氣燃燒或局部預(yù)混燃燒。大氣式燃燒器的主要優(yōu)點(diǎn)是燃燒工況易于調(diào)節(jié)，燃燒充分、溫度較度、一次空氣供給靠燃?xì)馍淞骶砦闹芸諝?，不需要外部?dòng)力，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，在燃?xì)庠罹呱蠎?yīng)用廣泛。在目前的民用灶具中，完全可以滿足普通消費(fèi)者的基本需求。

　　鼓風(fēng)燃燒技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)熱效率高，廢氣低排放的前提是燃?xì)馊紵耆紵郎囟雀?。但目前的擴(kuò)散式燃燒顯然是不具備的。大氣式燃燒的特點(diǎn)是根據(jù)高速燃?xì)饪控?fù)壓引射一次空氣，其引射的一次空氣不能提供燃燒所需要的全部空氣，必須有充足的二次空氣，意即必須有充足的二次空氣補(bǔ)充面積，這就需要大氣式燃燒器必須具備較大的二次空氣補(bǔ)充量，以致燃燒器本身比較笨重，這在民用燃?xì)庠顚?shí)現(xiàn)上是不現(xiàn)實(shí)的。同時(shí)，就目前世面上的紅外線全預(yù)混來(lái)看，僅僅是無(wú)限加大腔體，減少負(fù)荷來(lái)接近空燃的全預(yù)混狀態(tài)，一來(lái)大腔體比較廢料，比較笨重，二來(lái)熱負(fù)荷只能做的很低（目前紅外燃燒器熱負(fù)荷不超過(guò)3.5KW），不能滿足國(guó)人猛火爆炒的烹飪習(xí)性。

　　據(jù)此推理，靠自然引風(fēng)的引射能力（燃?xì)忸~定壓力已經(jīng)固定）不能達(dá)到燃燒完全，燃燒溫度高，換熱能力強(qiáng)的燃燒狀況，必須靠外界助氧來(lái)補(bǔ)充或彌補(bǔ)燃燒所需要的全部空氣。此種條件下，便誕生了鼓風(fēng)燃燒。

　　鼓風(fēng)燃燒的實(shí)現(xiàn)方式。如需靠外界助氧，渦輪增壓（鼓風(fēng)助氧）是最直接也是最實(shí)際的方式。但就空氣補(bǔ)充來(lái)講，又分為兩種補(bǔ)充方式，即鼓風(fēng)一次空氣和鼓風(fēng)二次空氣兩種鼓風(fēng)方式。

　　第一種方式：鼓風(fēng)（氧）一次空氣。

　　如下圖：

　　圖示為典型的鼓風(fēng)一次空氣燃燒系統(tǒng)，空氣采用機(jī)械送風(fēng)，燃?xì)馀c空氣兩股氣流或平行，或同心，或環(huán)繞，或斜交的噴出口混合燃燒。高壓壓縮空氣由噴嘴噴出，用其噴射所需具有的能量引射低壓燃?xì)猓?jīng)混合管混合后，再送火孔燃燒。在燃?xì)馀c和空氣的混合裝置中，使用煤氣管三通接頭，混合管幾乎都用煤氣管制作，壓縮空氣從噴嘴噴出時(shí)引射燃?xì)?，這樣，進(jìn)入混合管里的燃?xì)?，遠(yuǎn)比靠煤氣本身壓力流出的要多。

　　對(duì)于這種方式來(lái)說(shuō)，利用高壓空氣引射或混摻燃?xì)?，基本上達(dá)到或靠近全預(yù)混狀態(tài)，這樣的狀態(tài)燃燒溫度更高，鍋架到鍋底的距離更低，燃燒效率更高。提高熱效率實(shí)質(zhì)為有效提高火焰與鍋底換熱及鍋底與盛水換熱強(qiáng)度，這種結(jié)構(gòu)火焰與鍋底的換熱方式基本為熱輻射。

　　對(duì)家用燃?xì)庠顏?lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)上述燃燒結(jié)構(gòu)并產(chǎn)業(yè)化，筆者認(rèn)為在技術(shù)上有以下幾個(gè)需要注意的地方：

　　燃燒的穩(wěn)定性較差，調(diào)節(jié)范圍較小，出火需采用穩(wěn)焰裝置及腔體內(nèi)過(guò)壓保護(hù)裝置；

　　預(yù)混系統(tǒng)的電控和操作系統(tǒng)的整體思路設(shè)計(jì)。如什么時(shí)候風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，什么時(shí)候靠傳感器去制動(dòng)等；

　　風(fēng)機(jī)預(yù)混系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度；

　　風(fēng)機(jī)參數(shù)的設(shè)定。風(fēng)速，風(fēng)量和燃?xì)膺M(jìn)氣量的有效匹配，避免過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大或過(guò)小，通過(guò)調(diào)整風(fēng)速及風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)可以確定全負(fù)荷時(shí)最佳空氣量；

　　需考慮風(fēng)速變化的滯后性對(duì)燃燒工況帶來(lái)的影響。比如：燃燒灶由大火調(diào)節(jié)至小火時(shí)，小火需要的空氣不多，但風(fēng)機(jī)風(fēng)速的變化不是瞬間完成，帶有一定的滯后性，極易使小火發(fā)生回火或離焰，甚至感應(yīng)針感應(yīng)不到火焰造成熄火，影響消費(fèi)者的使用；

　　熱負(fù)荷在調(diào)節(jié)過(guò)程中，變化后的系統(tǒng)伺風(fēng)量的準(zhǔn)確性。一般灶具均為火力無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中，系統(tǒng)的伺風(fēng)量也必須跟著變大或變小，甚至是很細(xì)微的變化。最好的處理方式是采用預(yù)混后經(jīng)精密空-燃比例閥實(shí)行再分配，關(guān)于燃?xì)馀c空氣的比例混合器國(guó)外廠家已有產(chǎn)品進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，例如霍尼韋爾(Honeywell)與西特(Sit)兩家公司都推出自己的產(chǎn)品。但是，國(guó)外的產(chǎn)品一般把執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制電路合為一體。當(dāng)需要提高燃燒設(shè)備的負(fù)荷時(shí)，可加大風(fēng)機(jī)壓力，提高空氣流量，同時(shí)在文吐利與調(diào)節(jié)器的作用下，燃?xì)饬髁恳搽S之加大，并保持原來(lái)與空氣流量的比例。同理，在小負(fù)荷條件下，也可以保持燃?xì)馀c空氣的比例不變。一般來(lái)說(shuō)，國(guó)外產(chǎn)品性能穩(wěn)定，但價(jià)格比較貴。

　　第二種方式，鼓風(fēng)（氧）二次空氣。

　　和鼓風(fēng)一次空氣不同，鼓風(fēng)燃燒也可以通過(guò)強(qiáng)力補(bǔ)充二次空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。家用燃?xì)鉄崴饔玫谋闶沁@種方式，先讓其自燃引風(fēng)燃燒，再鼓風(fēng)，最后達(dá)到好的混合條件和燃燒狀況。和前者不同，本種給風(fēng)方式火焰清晰可見(jiàn)，鼓風(fēng)后火焰降低，高溫燃燒氣流及煙氣高速被噴向鍋具，傳熱過(guò)程為高速對(duì)流換熱加熱速度快，大幅度提高燃?xì)庠罹叩臒嵝剩鄬?duì)于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有大幅度的提高。

　　技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于，家用燃?xì)庠畹娜紵h(huán)境是敞開(kāi)的，和鼓一次空氣不同，強(qiáng)制供給二次空氣時(shí)，火焰可能會(huì)被吹斜，畢竟鼓風(fēng)的風(fēng)速度肯定大于分子擴(kuò)散造成的氣流流速。另外，鼓風(fēng)時(shí)有可能會(huì)造成空氣對(duì)火焰散熱，造成熱效率下降。當(dāng)然，在鼓風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性上，本種方式類同鼓一次空氣。

　　為避免以上弊端，在鼓二次空氣時(shí)，燃燒器周圍最好加上圍護(hù)結(jié)構(gòu)，例如爐架加圈，或者燃燒器做成內(nèi)置結(jié)構(gòu)，以減少散熱。

　　技術(shù)層面，對(duì)于鼓風(fēng)燃燒，總的來(lái)講，不管采用何種方式，鼓風(fēng)燃燒會(huì)帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：可以有效提高火焰溫度和氣流速度，且火力猛且集中；可以有效降低碳排放；可降低NOX 排放量；由于風(fēng)量可調(diào)，燃燒過(guò)程中氧氣濃度可控制到最小需求值。即過(guò)?？諝庀禂?shù)盡可能接近1；根據(jù)NOX生成機(jī)理，煙氣在高溫區(qū)域停留時(shí)間短，可以抑制快速型NOX產(chǎn)生，且對(duì)流換熱后自身溫度降低，可抑制高溫型NOX產(chǎn)生，再加上完全燃燒后的貧氧，直接切斷了NOX的鏈反應(yīng)路徑。

　　隨著國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)的持續(xù)深入，環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境，灶具的燃燒技術(shù)升級(jí)勢(shì)在必行，鼓風(fēng)燃燒的時(shí)代即將來(lái)臨。

　?。ㄘ?zé)編 白洋）