環(huán)保節(jié)能型醇基燃料小型燃燒器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李全文 梁翔 周順 吳思楊

【摘 要】文章通過(guò)對(duì)燃燒器的聚熱板材質(zhì)、控制系統(tǒng)、爐膛、熱反應(yīng)蓋、自加熱氣化系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種適合醇基燃料的小型燃燒器，綜合熱利用率達(dá)65%以上，可作為餐飲行業(yè)燃?xì)庠钐娲桨浮?/p>

【關(guān)鍵詞】醇基;燃燒器;控制系統(tǒng);氣化

【中圖分類(lèi)號(hào)】TK411.71 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）01-0052-03

目前，餐飲業(yè)廚房的普通炒灶很容易實(shí)現(xiàn)采用醇基燃料加熱烹飪，但存在單頭小火爐、多頭煲仔爐由于其單個(gè)燃燒器所需的燃料供給量范圍小，所以產(chǎn)生熱燃燒效率低等問(wèn)題。我國(guó)醇基燃料事業(yè)起步于20世紀(jì)80年代末，在能源消耗行業(yè)中雖然起步晚，但是發(fā)展勢(shì)頭迅猛。醇基燃料主要集中應(yīng)用于餐飲行業(yè)和環(huán)保型工業(yè)中，近幾年產(chǎn)品覆蓋面逐漸擴(kuò)大，醇基燃料行業(yè)中企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。醇基燃料作為清潔能源推廣應(yīng)用在餐飲業(yè)，除了能改善廚房的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)清潔醇基燃料作為新能源替代化石燃料的使用，最大限度地提高能源供給能力，改善能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源使用多樣化，也實(shí)現(xiàn)了真正意義的環(huán)保減排[1]。

1 醇基燃料燃燒器的分類(lèi)

廣西區(qū)內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的主要是桂林市淦隆環(huán)?？萍加邢薰?，該公司專(zhuān)注清潔醇基燃料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，屬于醇基燃料行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中游。目前，醇基燃燒器主要有液面直燃式、打氣加壓式、氣體燒料加壓式、自增壓式4類(lèi)[2]（見(jiàn)表1）。

2 餐飲醇基燃燒器的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的民用燃燒器如圖1所示，主要思路是利用碳化硅性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好的特點(diǎn)，通過(guò)在爐底座上設(shè)置由碳化硅壓制成型熱量集聚板，結(jié)合由碳化硅壓制成型的耐火圈，熱量傳導(dǎo)迅速，爐膛的溫度很快均勻，從而達(dá)到燃燒爐在剛開(kāi)始工作時(shí)爐膛快速升溫的目的。碳化硅性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，用碳化硅壓制成型的爐底座、耐火圈，以不銹鋼制作燃燒器，可有效延長(zhǎng)本新型燃燒爐的使用壽命，降低維護(hù)費(fèi)用。在23 ℃室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，燃燒爐點(diǎn)火開(kāi)始的15 min，爐膛內(nèi)的溫度達(dá)到680 ℃;使用30 min后，熄火，熄火1 h后測(cè)爐膛內(nèi)的溫度為202.6 ℃。該燃燒器可快速升溫至1 200 ℃以上，高溫更加有利于醇基燃料完全分解燃燒，從而產(chǎn)生更多的熱量，提高熱效率，節(jié)省燃料，同時(shí)熄火后的爐膛具有更長(zhǎng)的保溫時(shí)間。

2.2 燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

普通的液體燃料燃燒器、燃燒機(jī)等燃燒設(shè)備，其燃燒工作原理是采取將液體燃料直接噴射出，霧化或者汽化后與空氣混合燃燒，沒(méi)有獲得最佳的燃燒效果，同時(shí)尾氣中的有害物質(zhì)含量超出排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定量[4]。本文通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制鼓風(fēng)機(jī)與電磁泵實(shí)現(xiàn)燃燒器內(nèi)風(fēng)和燃料的自動(dòng)配比獲得最佳燃燒效果，減少?gòu)U棄物排放。智能化燃燒控制系統(tǒng)的核心部件包括風(fēng)機(jī)控制模塊、電磁泵控制模塊、點(diǎn)火器模塊和MCU模塊幾個(gè)部分，MCU模塊與風(fēng)機(jī)控制模塊、電磁泵控制模塊和點(diǎn)火器模塊電連接。MCU模塊可以分別控制風(fēng)機(jī)控制模塊和電磁泵模塊，從而分別實(shí)時(shí)控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)燃燒器內(nèi)風(fēng)和燃料的自動(dòng)配比。通過(guò)實(shí)時(shí)控制鼓風(fēng)機(jī)與電磁泵實(shí)現(xiàn)燃燒器內(nèi)風(fēng)和燃料的自動(dòng)配比，促進(jìn)燃料燃燒完全，一方面降低燃料的消耗，另一方面減少燃燒尾氣中的有害氣體排放，有利于環(huán)境保護(hù)。燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

燃燒控制系統(tǒng)包括風(fēng)壓檢測(cè)模塊、燃料流量檢測(cè)模塊、輸入模塊、狀態(tài)顯示模塊、火焰離子檢測(cè)模塊和聲光報(bào)警模塊等輔助模塊。在燃燒的過(guò)程中，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵輸入模塊實(shí)現(xiàn)按鍵控制燃燒火力的大小，整個(gè)過(guò)程中風(fēng)與燃料根據(jù)過(guò)量空氣系數(shù)自動(dòng)配比;狀態(tài)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可通過(guò)以太網(wǎng)通信接口模塊輸入或者輸出數(shù)據(jù)，維修人員通過(guò)通信接口模塊進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試與維修;風(fēng)壓檢測(cè)則模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)路中風(fēng)的壓力;燃料流量檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁泵內(nèi)液體的流速;火焰離子檢測(cè)模塊檢測(cè)燃燒器內(nèi)的火焰;聲光報(bào)警模塊可以通過(guò)MCU模塊的檢測(cè)結(jié)果發(fā)出聲光報(bào)警。

2.3 爐膛燃燒效率對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)成形爐膛和無(wú)成形爐膛的家用燃燒器進(jìn)行自來(lái)水加熱（固定時(shí)間），計(jì)算2種爐膛的熱效率，測(cè)試環(huán)境溫度為25 ℃，測(cè)試對(duì)象為各加熱自來(lái)水3.0 kg，自來(lái)水的溫度為23 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用無(wú)成形爐膛加熱3.0 kg自來(lái)水116 s，消耗醇基燃料0.145 kg，熱利用效率為38%;采用成形爐膛加熱3.0 kg自來(lái)水114 s，消耗醇基燃料0.107 kg，熱利用效率為44%，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定該家用醇基燃燒器采用成形爐膛結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用成形爐膛方式作為本設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。爐膛熱利用效率對(duì)比見(jiàn)表2。

2.4 熱反應(yīng)蓋優(yōu)選試驗(yàn)

熱反應(yīng)蓋的設(shè)計(jì)思路是提供高溫的環(huán)境，醇基燃料按最佳的分解方式燃燒，從而提升燃燒率和熱利用率，能充分保證螺旋狀火焰對(duì)碳化硅爐膛座加熱，防止敞口式的耐火圈導(dǎo)致少部分來(lái)不及分解燃燒的醇基燃料被甩到爐膛外。本文初步優(yōu)選了5種市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱反應(yīng)蓋進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)空白照組無(wú)熱反應(yīng)蓋進(jìn)行綜合對(duì)比后確定最佳的熱反應(yīng)蓋類(lèi)型。試驗(yàn)環(huán)境條件如下（見(jiàn)表3）：實(shí)驗(yàn)室空氣溫度為26 ℃，加熱的自來(lái)水量為3 kg，水溫為22 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5號(hào)底部有8個(gè)凹槽中心無(wú)孔的熱反應(yīng)蓋結(jié)構(gòu)類(lèi)型為當(dāng)前最佳的醇基燃料熱反應(yīng)蓋，3 kg自來(lái)水從22 ℃升溫到100 ℃僅需103 s，熱利用效率達(dá)44.12%，也無(wú)燒焦鍋底現(xiàn)象。

2.5 醇基燃料自加熱汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)的液體醇基燃料以醇基燃料為主，它是公認(rèn)的清潔燃料。醇基燃料的密度為0.791，熔點(diǎn)為-97.8 ℃，沸點(diǎn)為64.7 ℃，燃點(diǎn)為475 ℃，比熱容為2.51 kJ/kg·K，蒸發(fā)熱為35.32 kJ/mol。利用醇基燃料沸點(diǎn)低、容易加熱汽化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種小型醇基燃料自加熱汽化燃燒系統(tǒng)，利用醇基燃料汽化燃燒產(chǎn)生的熱量加熱液體醇基燃料獲得汽化輸出，不需要另外的醇基燃料汽化熱源。自加熱汽化裝置安裝于火焰根部，即利用內(nèi)焰加熱自加熱汽化裝置，保證了液體醇基燃料汽化輸出效果，同時(shí)保護(hù)自加熱汽化裝置免受高溫氧化，延長(zhǎng)自加熱汽化裝置的使用壽命，其核心思路是根據(jù)醇基燃料的特性，通過(guò)溫度傳感探針設(shè)定內(nèi)膽中的安全點(diǎn)火溫度T 1=65～75 ℃、加速點(diǎn)火溫度T 2=160～170 ℃和運(yùn)行溫度T 3=250～280 ℃之間的轉(zhuǎn)換和控制來(lái)調(diào)整。

如圖3所示，首先智能化燃燒控制器1通過(guò)電磁泵控制線(xiàn)18控制電磁泵16工作，同時(shí)通過(guò)分閥輸出控制線(xiàn)25控制供油分配閥17的點(diǎn)火通道即連接點(diǎn)火油管2的第一個(gè)出口打開(kāi)，將油箱15中的液體醇基燃料通過(guò)點(diǎn)火油管2送到下錐室6側(cè)壁外表面的上部并被擴(kuò)大展薄。然后智能化燃燒控制器1通過(guò)點(diǎn)火控制線(xiàn)21控制脈沖發(fā)生器22工作，并通過(guò)點(diǎn)火針23對(duì)下錐室6側(cè)壁外表面上擴(kuò)大展薄的液體醇基燃料進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后，智能化燃燒控制器1通過(guò)分閥輸出控制線(xiàn)25控制供油分配閥17的點(diǎn)火通道關(guān)閉，汽化通道即連接汽化油管3的第二個(gè)出口打開(kāi)，將油箱15中的液體醇基燃料通過(guò)汽化油管3送到自加熱汽化裝置的上環(huán)形管4中并被點(diǎn)火過(guò)程產(chǎn)生的熱量第一次加熱汽化，氣液混合態(tài)的醇基燃料在上環(huán)形管4中經(jīng)過(guò)渡管5進(jìn)入下錐形室6中，在下錐形室6中再被點(diǎn)火過(guò)程產(chǎn)生的熱量第二次加熱汽化，保證醇基燃料完全汽化以促進(jìn)燃燒。完全汽化的醇基燃料從下錐形室6側(cè)壁上的氣孔7中噴出燃燒，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。在此之后，通過(guò)汽化油管3送到自加熱汽化裝置中的液體醇基燃料，在上環(huán)形管4和下錐形室6中分別被燃燒過(guò)程產(chǎn)生的熱量進(jìn)行兩次加熱汽化。小油量輸入時(shí)避免油管中混入空氣，點(diǎn)火油管2和汽化油管3優(yōu)先采用不銹鋼毛細(xì)管（內(nèi)徑≤1.5 mm），耐高溫氧化、防腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。

3 結(jié)果與討論

（1）該新型醇基燃料旋流霧化燃燒器應(yīng)用于廚房小灶中，委托廣西壯族自治區(qū)分析測(cè)試研究中心檢驗(yàn)（檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)：WL1501165A），其尾氣排放濃度均符合《醇基民用燃料灶具》（NY312—1997）要求，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表4。

（2）該小型醇基燃料自加熱汽化燃燒裝置應(yīng)用于火鍋灶中，2020年委托桂林市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所檢驗(yàn)該智能醇基燃料灶的技術(shù)要求，最終檢驗(yàn)結(jié)果為熱效率達(dá)67%（檢測(cè)報(bào)告編號(hào)：J20-WW0019）。

綜上所述，通過(guò)自主研發(fā)的醇基燃料燃燒器，獲得高燃燒效率及轉(zhuǎn)變成有效熱利用率，應(yīng)用于餐飲業(yè)灶具和爐具中，既為用戶(hù)節(jié)約了成本，又達(dá)到了減排效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]莫敏，粟健林，梁翔，等.清潔醇基燃料微流量供給安全系統(tǒng)在餐飲業(yè)小火爐的應(yīng)用[J].大眾科技，2019（6）：43-44.

[2]黃篤之，許朝暉，蔣紹堅(jiān).醇基燃料燃燒器技術(shù)進(jìn)展概述[J].能源工程，2003（5）：53-55.

[3]任剛毅，任可明.醇基燃料技術(shù)及其市場(chǎng)研究[J].新能源，1999（5）：36-45.

[4]胡艷花，何宏舟，侯懿寧.醇基燃料燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)概述[J].能源與環(huán)境，2020（4）：35-38.