沼气热水器采用全预混燃烧系统的试验研究

摘 要

摘要：结合沼气燃烧特性，设计了适合沼气热水器的全预混燃烧系统。对采用全预混燃烧系统的沼气热水器性能进行了测试，燃烧效果良好，未出现熄火、脱火等现象，热效率达88%，烟气中C0和N
摘要：结合沼气燃烧特性，设计了适合沼气热水器的全预混燃烧系统。对采用全预混燃烧系统的沼气热水器性能进行了测试，燃烧效果良好，未出现熄火、脱火等现象，热效率达88%，烟气中C0和N0x体积分数很低。
关键词：沼气；热水器；全预混燃烧系统
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
    沼气是有机物质在微生物的作用下隔绝空气发酵产生的可燃气体，属可再生清洁能源。沼气建设既能为农村提供大量的清洁能源，又能有效处理有机垃圾，既有利于改善农村生态环境，又有利于提高生物质资源利用率。发展沼气对于推进农业循环经济，保证农产品安全，推动农村经济可持续发展具有重大意义。近年来，国家对沼气建设的重视不断提高，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》把以沼气为主的生物质能源作为重点领域和优先发展主题。在国家政策大力支持下，沼气建设在我国得到迅速发展。伴随着农村沼气建设的深入推进，农村居民的生活环境将会得到巨大改善，生活水平也相应得到提升，随之而来的将是全国各地农村市场对沼气热水器需求量的增长。然而沼气热水器存在燃烧容积热强度低、火力弱、易熄火，对沼气压力要求高等缺点，很难长期稳定运行。目前，沼气热水器的产销量一直处于较低水平，只是沼气灶具的10%左右[1]。因此有必要对沼气热水器进行具体而深入的研究，选择合理的燃烧系统来提高沼气热水器的热效率，改善沼气热水器的性能。本文对沼气热水器采用全预混燃烧系统进行试验研究。
1 沼气热水器燃烧方式的确定
    燃气燃烧方式主要为扩散式、大气式和全预混式。扩散式燃烧火焰混浊、燃烧温度低、热效率低，不宜应用于家用热水器。大气式与扩散式相比火焰清晰有力，热效率提高很多。市场上大多数大气式燃气热水器都能达到GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》中规定的家用燃气热水器三级能效标准(热效率不低于84%)，但当沼气热水器采用大气式燃烧时，经常出现点火难，易产生脱火、黄焰以及水烧不热等问题[2]。大气式燃烧器对燃气压力要求高，而农村沼气具有热值、压力波动大的特点。经过国内外技术人员的努力，改善和创新了沼气应用技术，如采用脉冲式点火，解决沼气点火难的问题，增加空气扰流来促进沼气与空气的混合，但这些需要有稳定、足够的沼气供应压力。而农村沼气由于规模相对较小，沼气供应压力无法完全满足要求。也有学者提出增加沼气缓冲区以稳定沼气压力[3]，但这易造成热水器体积增大，不符合热水器向紧凑型发展的趋势。
    全预混燃烧方式近年来得到了广泛应用，这种燃烧方式是将燃烧所需空气全部与燃气混合再进行燃烧，过剩空气系数较小，具有燃烧火焰短、燃烧容积热强度高、化学不完全燃烧少、燃烧温度高的优点。合理的设计可以实现在降低N0x排放的同时，保持较低水平的C0排放[4]。全预混燃烧的这些优点能够弥补沼气燃烧热水器的一些不足。国内外研究机构和热水器生产厂家在天然气热水器上采用全预混燃烧取得了良好的效果，因此我们设计了一套兼顾紧凑性和沼气燃烧特性的采用全预混燃烧系统的沼气热水器。
2 沼气热水器全预混燃烧系统
    沼气热水器全预混燃烧系统由燃气供给系统、燃烧系统、控制系统组成，实现空燃比在不同负荷以及沼气压力变化下保持一致，以保证燃烧稳定，不易出现脱火、熄火等现象。
   ① 燃气供给系统
   燃气供给系统由文丘里式混合器与零压阀组成(见图1)，保证热水器在不同负荷及沼气压力下空燃比一致。零压阀集成了过滤器、双电磁阀、零压调压器以及手动流量调节阀等功能，由于零压阀薄膜上方空间与大气相通，实现了沼气出口为零压(与大气压力一致)，克服沼气压力波动对空燃比的影响。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，以下简称PWM)风机运行时入口处产生负压，空气与沼气进入文丘里式混合器。一定的混合器几何结构，可以保持不同工况下空燃比一致，而零压阀上的手动流量调节阀可以实现空燃比的微调，以满足全预混燃烧对燃气热值的要求。

   ② 燃烧系统
   由于全预混燃烧容易出现回火且热水器燃烧空间有限，因此选取具有很强的外形适应性且节能环保的金属纤维作为沼气热水器燃烧器头部材料。受热水器体积限制，采用风机上游混合式燃烧系统，见图2。当风机运行时，沼气与空气在负压作用下进入沼气-空气混合器，混合后进入风机。在风机内气流的强烈湍动作用下，空气、沼气得到进一步混合，然后进入壳体，在壳体内大部分动压转变为静压。金属纤维与多孔支撑板具有均流作用，保证沼气与空气的混合气在金属纤维表面分布均匀，燃烧在金属纤维表面上进行。
 

   ③ 控制系统
   控制系统分为燃烧安全控制和水温控制两部分。燃烧安全控制包括预吹扫、点火、火焰探测、熄火保护、后吹扫、过热保护等常规功能，水温控制分为手动控制和自动恒温控制两种功能。
    燃烧系统采用PWM风机，因此控制器通过调节PWM输出信号调节风机转速，从而控制空气流量。并在零压阀、文丘里式混合器的比例控制下，沼气的流量随着风机PWM信号的调节而相应等比例地改变，从而控制燃烧器的负荷，最终实现了沼气热水器的水温控制。
    当采用手动控制时，控制器接收手动控制信号，输出相应的PWM信号控制风机转速，从而调节水温。当采用自动恒温控制时，选配的PID温度控制模块根据实测水温与设定水温的偏差，经PID计算后输出4～20mA信号给控制器，控制器将4～20mA转化为PWM信号后控制风机转速。
3 热水器的性能测试及分析
   根据GB/T 13611—2006《城镇燃气分类及基本特性》，配置沼气的试验气，组成为：CH4的体积分数为53.4%，N2(代替其他气体)的体积分数为46.6%。沼气试验气的低热值为20.40MJ/m3，相对密度为0.76，燃料特性系数为0.95，沼气试验气的压力比较稳定，但有所波动。
   在采用全预混燃烧系统的沼气热水器上进行性能测试，沼气热水器额定热负荷为21kW，与额定热负荷为20kW的国内某品牌天然气热水器(燃用上海“西气”)的测试结果进行对比。对于采用全预混燃烧系统的沼气热水器，当过剩空气系数α=1.5左右时，燃烧工况为最佳，因此在保证过剩空气系数为α=1.5的基础上，对沼气热水器进行测试。对于天然气热水器，采用大气式燃烧，大气式燃烧需要有二次空气，过剩空气系数α在2左右。测试时，保证两台热水器在同一个实验室、同一测试平台上进行测试，进水温度和水压也相同。测试结果见表1。为便于依据GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》评价热水器烟气中C0、N0x的排放指标，将测试结果中C0、N0x的体积分数折算成过剩空气系数α=1情况下的体积分数。
表1 测试结果
热水器
热负荷/kW
热效率/%
C0体积分数(α=1)
N0x体积分数(α=1)
沼气热水器
20.80
88.0
16×10-6
7×10-6
天然气热水器
20.98
87.4
300×10-6
74×10-6
    由表1可知，沼气热水器的热效率可以达到88%，这与天然气热水器实测热效率87.4%很接近，二者都超过了GB 20665—2006规定的三级能效标准。而且沼气热水器的C0、N0x排放指标远优于天然气热水器，特别是N0x的排放指标低于GB 6932—2001规定的N0x第5级排放标准。测试结果表明，沼气压力的波动并没有产生不良影响，测试过程中沼气燃烧效果良好，没有出现脱火、熄火和黄焰现象，这也证实了沼气热水器采用全预混燃烧系统的可行性。
4 结论
    ① 采用全预混燃烧系统，可保证在不同负荷和沼气压力波动下空燃比一致，使得沼气热水器可克服脱火、熄火、水烧不热等问题。
    ② 通过测试，沼气全预混燃烧热水器在额定热负荷下，热效率高达88%，完全达到家用燃气热水器三级能效标准。烟气中C0体积分数(α=1)为16×10-6，N0x体积分数(α=1)为7×10-6，比一般的燃气热水器优势明显。
参考文献：
[1] 利锋，刘文昌，李寿奇，等.客家农村沼气使用现状、问题、对策[J].中国沼气，2004，22(4)：40-43.
[2] 郭年东，阳作锋，许献洲.沼气热水器常见问题处理[J].可再生能源，2005(6)：55-56.
[3] 林杜，邵震宇，郝彦琼.沼气燃烧特性与沼气快速热水器[J].公用科技，1993，9(2)：10-15.
[4] 徐鹏，傅忠诚.燃气全预混燃烧污染物排放的研究[J].煤气与热力，2005，25(12)：15-17.
 
(本文作者：李建设 冯良 董劲松 同济大学 机械工程学院 暖通空调及燃气研究所 上海 201804)