民用燃气具多孔介质燃烧器的常见问题探讨

陈园园 顾玉强 孙颖楷

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

概述

多孔介质燃烧技术又称为PMC （Porous Media Combustion）技术，燃气在多孔介质内部燃烧过程中，可以利用多孔介质的导热、辐射和对流等对上游气体进行预热，从而实现燃气的高效燃烧。其主要优点有：①促进可燃气体与空气的均匀混合，提高燃烧效率，降低CO 排放；②燃烧均匀，无局部高温现象，避免了热力型NOx 的产生；③传热以高温固体辐射为主，无高温烟气辐射的“频带窗口”问题，加热效率显著提高。

黄杰等[1]设计了一种应用于中高温加热领域的多孔介质燃烧器及其控制系统，针对多孔介质燃烧的防回火结构及火焰监测进行了创新设计。在实验过程中，对比了不同多孔介质材料的燃烧效果，结果表明，多孔介质燃烧技术可以实现不同热值气体的清洁高效燃烧，但应用不同多孔介质材料的燃烧器在到达稳定燃烧的所用时间，CO 和NOx 的排放水平等方面存在差异。刘慧等[2]通过二维数值仿真分析的方法，模拟分析了当量比、多孔介质的辐射衰减系数及导热系数对速度极限的影响。仿真分析发现，增大上游多孔介质材料的辐射衰减系数并降低其导热系数，可以有效的扩大稳定燃烧范围，燃烧速度的极限比值大幅提高。该研究结果对优化多孔介质燃烧器的结构设计提供了方向。谈晚平[3]等通过仿真分析，研究了多孔介质的微观结构参数对多孔介质燃烧的影响，对多孔介质材料的优化及多孔介质燃烧器的选材提供了指导。朱茜茜[4,5]等利用红外热像仪研究了多孔介质材料种类、孔径大小和当量比对预混气体在多孔介质燃烧装置内的温度分布与火焰面移动特性。研究结果显示，火焰面移动速度与当量比呈反比关系，且不同材料的多孔介质，实现驻定燃烧和自稳定燃烧的当量比范围不同。该研究结果对于多孔介质燃烧器的稳定燃烧时的当量比选择提供了依据。

以上针对多孔介质燃烧机理的研究是基于简单实验装置或工业型燃烧器原型机等实验载体。而有关民用多孔介质燃烧器的开发及问题分析方面的研究较少。本文在多种形式的民用多孔介质燃烧器的结构设计及大量实验的基础上，重点对一些共性问题进行分析，通过对问题的梳理，以期为适用于民用燃气具的多孔介质燃烧器的开发提供借鉴。

1 常见问题探讨

常见的民用燃气具有燃气热水器、燃气灶，壁挂炉，燃气取暖器等，这些燃气具属于耐用消费品范畴，其燃烧器的使用年限要求长、使用条件苛刻且不易进行定期上门维护，其使用特点是对多孔介质燃烧器开发提出的主要挑战。以燃气热水器为例，目前上市的燃气热水器的出厂标注的限制使用年限为8 年，而家庭中使用超过8 年的燃气热水器也很常见，这就要求燃气具本身具有很高的安全性和可靠性。针对以上使用特点，对民用多孔介质燃烧器设计及测试中的主要问题做了系统总结。

1.1 回火问题

回火是指火焰向上游传播直至进入燃烧器喷嘴处进行燃烧的一种非稳定燃烧现象[6]。多孔介质燃烧器是浸没式燃烧，其内部存在无数分散的微型火焰，燃烧器始终处于高温状态，因此极容易出现回火的现象，影响燃烧器的安全性和稳定性。回火问题的预防，首先应保证混合气体出口处的温度不高于混合气的燃点温度，因此需要降低多孔介质向上游混合气体辐射热量，可以在靠近混合气体的上游布置小孔径多孔介质，来增大辐射衰减系数，减小热量向上游气体的辐射热量，降低该处的温升。其次，保证混合气体流速是均匀的，且气流速度大于火焰的传播速度。为此，可以在混合气体上游和多孔介质之间设置堇青石材质的微孔陶瓷板，以提升气流速度，同时改善气流分布的均匀性，最终实现多孔介质燃烧器的稳定燃烧。

1.2 材料抗热震性问题

多孔介质燃烧器存在着多孔介质材料的抗热震性差的共性问题，采用泡沫浸渍烧结制备的泡沫陶瓷的强度不高。对燃烧器内部多孔介质的温度分布进行测试，测点布置示意图如图1 所示。测试发现，燃气用具在启停前后，多孔介质整体温度有1 000 ℃以上的温差变化。在如此大的温差下，多孔介质材料非常容易热震开裂。由图2 和图3 对比可以发现，工作中受气流冷却作用，多孔介质温度在气流方向上具有分层分布的特征。靠近混合气体上游的多孔介质温度偏低，下游多孔介质的温度高。从而形成多孔介质始终处在梯度温度状态下工作。也对多孔介质的抗热震性提出了挑战。对比同一高度处的左右两个测点温度，由于气流分布的差异，造成多孔介质材料在同一高度处的温度的不均衡，该现象也会导致多孔介质的破裂。

图1 燃烧器内部温度监测点

图2 多孔介质温度变化

图3 多孔介质温度变化

图4 同一平面处的多孔介质温度

实验发现通过分层布置的方式，可以有效应对单层多孔介质厚度方向上的温度梯度问题；而分块布置则可以较容易的实现单块多孔介质的温度均一性，且可以减轻多孔介质内部的应力集中现象。分层分块布置多孔介质材料的方式，不仅有助于改善燃烧器的使用寿命，也有助于实现驻定燃烧，促进燃烧过程的稳定。

1.3 燃烧器壳体隔热问题

在目前选定的当量比下，全预混燃烧器中多孔介质材料的温度在1 000 ℃以上，必须对多孔介质材料进行隔热处理，否则将引发安全事故，影响正常使用。在测试过程中，为了实现优良的隔热效果，有效防止燃烧器壳体温度超温，选用了硅酸铝、氧化铝纤维板隔热材料进行试验，以氧化铝纤维板表现最好，热导率低，可接触明火，壳体的温升速度最慢且不会出现隔热材料烧蚀现象。尽管如此，当燃烧时间超过30 min 后，燃烧器壳体便明显温度升高，热镀锌板材料的壳体出现变色。鉴于单纯的依靠隔热材料来防止壳体温升，在现有燃烧器尺寸及功率下不可实现，特考虑采用水冷方式，在多孔介质燃烧器壳体周围加设冷水盘管，利用冷水来带走壳体外散的热量，既起到了冷却壳体的目的，又减小了散热损失，提升了热效率。普通壳体与水冷燃烧器壳体的温度测试图见图5。通过测试得知，在水流持续带走壳体热量的情况下，壳体温度可以稳定在50 ℃以下。

图5 普通壳体与水冷壳体的温度测试

1.4 多孔介质阻力与进气系统的匹配问题

在测试过程中发现，采用全预混燃烧风机，当燃烧器的功率下降到一定程度后，测得的烟气中氧含量会突然出现严重偏离。然而，该全预混进气系统搭配筒状不锈钢燃烧器时，在（3～30）kW 范围内，氧气含量都是较为稳定的。其对比图如图6 所示。表明采用了多孔介质燃烧器以后，由于燃烧器的改变导致全预混风机系统的稳定运行范围出现了变动。对于全预混燃烧系统而言，氧含量下降，将导致燃烧温度升高，而多孔介质材料、隔热材料等有一定的耐温范围，因此，需要严格控制烟气中的氧含量，防止多孔介质材料超温出现烧蚀甚至烧融。全预混进气系统与多孔介质燃烧器的适配是一个系统工程，需要综合预混器、风机、比例阀等进行综合调节，从而保证多孔介质燃烧器在整个燃烧范围内都能保持氧气含量的稳定，实现安全燃烧。

图6 氧含量变化对比图

2 结论

本文分析了民用燃气具的使用特点，并对民用多孔介质燃烧器的防回火、抗热震性能提升、燃烧器壳体温升控制以及燃烧器与进气系统的匹配问题做了详细的分析。得到以下结论：

1）减小热量向上游辐射，提高气流分布均匀性，适当增大上游气体速度，是防止发生回火的有效措施。

2）分块布置及分层布置多孔介质材料，有利于提高多孔介质材料的抗热震性，延长多孔介质燃烧器的使用寿命。

3）由于多孔介质材料燃烧温度高，单纯采用隔热的方式来降低燃烧器壳体温升已然不可行，采用水冷盘管是一种有效可靠的降温方式。

4）全预混进气系统与多孔介质燃烧器的匹配是一个系统问题，需要对预混器、风机性能进行综合调试，以达到稳定工作的要求。