環保節能型醇基燃料小型燃燒器設計與應用

李全文 梁翔 周順 吳思楊

【摘 要】文章通過對燃燒器的聚熱板材質、控制系統、爐膛、熱反應蓋、自加熱氣化系統等方面進行優化試驗，設計了一種適合醇基燃料的小型燃燒器，綜合熱利用率達65%以上，可作為餐飲行業燃氣灶替代方案。

【關鍵詞】醇基;燃燒器;控制系統;氣化

【中圖分類號】TK411.71 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0052-03

目前，餐飲業廚房的普通炒灶很容易實現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燃燒器所需的燃料供給量范圍小，所以產生熱燃燒效率低等問題。我國醇基燃料事業起步于20世紀80年代末，在能源消耗行業中雖然起步晚，但是發展勢頭迅猛。醇基燃料主要集中應用于餐飲行業和環保型工業中，近幾年產品覆蓋面逐漸擴大，醇基燃料行業中企業之間的競爭越來越激烈。醇基燃料作為清潔能源推廣應用在餐飲業，除了能改善廚房的環境，實現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，改善能源結構，實現能源使用多樣化，也實現了真正意義的環保減排[1]。

1 醇基燃料燃燒器的分類

廣西區內從事該領域研究的主要是桂林市淦隆環保科技有限公司，該公司專注清潔醇基燃料的開發與應用，屬于醇基燃料行業產業鏈中游。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[2]（見表1）。

2 餐飲醇基燃燒器的設計

2.1 總體設計思路

設計的民用燃燒器如圖1所示，主要思路是利用碳化硅性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好的特點，通過在爐底座上設置由碳化硅壓制成型熱量集聚板，結合由碳化硅壓制成型的耐火圈，熱量傳導迅速，爐膛的溫度很快均勻，從而達到燃燒爐在剛開始工作時爐膛快速升溫的目的。碳化硅性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、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，可有效延長本新型燃燒爐的使用壽命，降低維護費用。在23 ℃室溫下進行實驗測試，燃燒爐點火開始的15 min，爐膛內的溫度達到680 ℃;使用30 min后，熄火，熄火1 h后測爐膛內的溫度為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，從而產生更多的熱量，提高熱效率，節省燃料，同時熄火后的爐膛具有更長的保溫時間。

2.2 燃燒控制系統設計

普通的液體燃料燃燒器、燃燒機等燃燒設備，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，沒有獲得最佳的燃燒效果，同時尾氣中的有害物質含量超出排放標準規定量[4]。本文通過控制系統實時控制鼓風機與電磁泵實現燃燒器內風和燃料的自動配比獲得最佳燃燒效果，減少廢棄物排放。智能化燃燒控制系統的核心部件包括風機控制模塊、電磁泵控制模塊、點火器模塊和MCU模塊幾個部分，MCU模塊與風機控制模塊、電磁泵控制模塊和點火器模塊電連接。MCU模塊可以分別控制風機控制模塊和電磁泵模塊，從而分別實時控制鼓風機的轉速與電磁泵的轉速，實現燃燒器內風和燃料的自動配比。通過實時控制鼓風機與電磁泵實現燃燒器內風和燃料的自動配比，促進燃料燃燒完全，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，有利于環境保護。燃燒控制系統設計思路如圖2所示。

燃燒控制系統包括風壓檢測模塊、燃料流量檢測模塊、輸入模塊、狀態顯示模塊、火焰離子檢測模塊和聲光報警模塊等輔助模塊。在燃燒的過程中，用戶可以通過按鍵輸入模塊實現按鍵控制燃燒火力的大小，整個過程中風與燃料根據過量空氣系數自動配比;狀態顯示模塊實時顯示系統狀態;當系統出現故障，可通過以太網通信接口模塊輸入或者輸出數據，維修人員通過通信接口模塊進行系統的調試與維修;風壓檢測則模塊實時檢測鼓風機風路中風的壓力;燃料流量檢測模塊實時檢測電磁泵內液體的流速;火焰離子檢測模塊檢測燃燒器內的火焰;聲光報警模塊可以通過MCU模塊的檢測結果發出聲光報警。

2.3 爐膛燃燒效率對比試驗

通過對成形爐膛和無成形爐膛的家用燃燒器進行自來水加熱（固定時間），計算2種爐膛的熱效率，測試環境溫度為25 ℃，測試對象為各加熱自來水3.0 kg，自來水的溫度為23 ℃。試驗結果表明：采用無成形爐膛加熱3.0 kg自來水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自來水114 s，消耗醇基燃料0.107 kg，熱利用效率為44%，通過對比試驗確定該家用醇基燃燒器采用成形爐膛結構。根據上述實驗結果，采用成形爐膛方式作為本設計的優選方案。爐膛熱利用效率對比見表2。

2.4 熱反應蓋優選試驗

熱反應蓋的設計思路是提供高溫的環境，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碳化硅爐膛座加熱，防止敞口式的耐火圈導致少部分來不及分解燃燒的醇基燃料被甩到爐膛外。本文初步優選了5種市場上常見的熱反應蓋進行燃燒試驗，通過對空白照組無熱反應蓋進行綜合對比后確定最佳的熱反應蓋類型。試驗環境條件如下（見表3）：實驗室空氣溫度為26 ℃，加熱的自來水量為3 kg，水溫為22 ℃。實驗結果表明，5號底部有8個凹槽中心無孔的熱反應蓋結構類型為當前最佳的醇基燃料熱反應蓋，3 kg自來水從22 ℃升溫到100 ℃僅需103 s，熱利用效率達44.12%，也無燒焦鍋底現象。

2.5 醇基燃料自加熱汽化系統設計

目前，國內的液體醇基燃料以醇基燃料為主，它是公認的清潔燃料。醇基燃料的密度為0.791，熔點為-97.8 ℃，沸點為64.7 ℃，燃點為475 ℃，比熱容為2.51 kJ/kg·K，蒸發熱為35.32 kJ/mol。利用醇基燃料沸點低、容易加熱汽化的特點，設計一種小型醇基燃料自加熱汽化燃燒系統，利用醇基燃料汽化燃燒產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，同時保護自加熱汽化裝置免受高溫氧化，延長自加熱汽化裝置的使用壽命，其核心思路是根據醇基燃料的特性，通過溫度傳感探針設定內膽中的安全點火溫度T 1=65～75 ℃、加速點火溫度T 2=160～170 ℃和運行溫度T 3=250～280 ℃之間的轉換和控制來調整。

如圖3所示，首先智能化燃燒控制器1通過電磁泵控制線18控制電磁泵16工作，同時通過分閥輸出控制線25控制供油分配閥17的點火通道即連接點火油管2的第一個出口打開，將油箱15中的液體醇基燃料通過點火油管2送到下錐室6側壁外表面的上部并被擴大展薄。然后智能化燃燒控制器1通過點火控制線21控制脈沖發生器22工作，并通過點火針23對下錐室6側壁外表面上擴大展薄的液體醇基燃料進行點火。點火成功后，智能化燃燒控制器1通過分閥輸出控制線25控制供油分配閥17的點火通道關閉，汽化通道即連接汽化油管3的第二個出口打開，將油箱15中的液體醇基燃料通過汽化油管3送到自加熱汽化裝置的上環形管4中并被點火過程產生的熱量第一次加熱汽化，氣液混合態的醇基燃料在上環形管4中經過渡管5進入下錐形室6中，在下錐形室6中再被點火過程產生的熱量第二次加熱汽化，保證醇基燃料完全汽化以促進燃燒。完全汽化的醇基燃料從下錐形室6側壁上的氣孔7中噴出燃燒，實現正常運行。在此之后，通過汽化油管3送到自加熱汽化裝置中的液體醇基燃料，在上環形管4和下錐形室6中分別被燃燒過程產生的熱量進行兩次加熱汽化。小油量輸入時避免油管中混入空氣，點火油管2和汽化油管3優先采用不銹鋼毛細管（內徑≤1.5 mm），耐高溫氧化、防腐蝕，延長使用壽命。

3 結果與討論

（1）該新型醇基燃料旋流霧化燃燒器應用于廚房小灶中，委托廣西壯族自治區分析測試研究中心檢驗（檢驗報告編號：WL1501165A），其尾氣排放濃度均符合《醇基民用燃料灶具》（NY312—1997）要求，詳細結果見表4。

（2）該小型醇基燃料自加熱汽化燃燒裝置應用于火鍋灶中，2020年委托桂林市產品質量檢驗所檢驗該智能醇基燃料灶的技術要求，最終檢驗結果為熱效率達67%（檢測報告編號：J20-WW0019）。

綜上所述，通過自主研發的醇基燃料燃燒器，獲得高燃燒效率及轉變成有效熱利用率，應用于餐飲業灶具和爐具中，既為用戶節約了成本，又達到了減排效果。

參 考 文 獻

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

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

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

[4]胡艷花，何宏舟，侯懿寧.醇基燃料燃燒器優化設計概述[J].能源與環境，2020（4）：35-38.