聚能燃燒技術

在資源日益匱乏的今天，能源危機的概念早已深入人心，溫室氣體排放量與日俱增，給世界環境構成極大威脅。聚能燃燒技術則能有效解決這一問題。

基本介紹

• 中文名：聚能燃燒技術

研發背景

在資源日益匱乏的今天，能源危機的概念早已深入人心，溫室氣體排放量與日俱增，給世界環境構成極大威脅。毋庸質疑，提倡“節能、環保”的低碳經濟時代已然來臨。作為資源消耗的大國，中國在1990-2007年間的溫室氣體排放量幾乎增加了兩倍。以目前的增長速度，到2030年中國的年溫室氣體排放量將是2007年水平的兩倍，占世界年排放量的29%。面對資源和氣候等危機帶來的巨大壓力，中國在“節能、減排”等方面做出的承諾和應承擔的社會責任，使得越來越多的企業在生產、製造過程中，尤為注重以技術創新的方式，生產低碳產品，來達到“節能、減排”的目的。

在燃氣灶具新國家標準中，台式燃氣灶的熱效率要求不低於55%，嵌入式燃氣灶的熱效率不低於50%。同時，新版國標中將熱效率由原來的推薦性條款（B）提升至強制性條款（A）。另一方面，根據2004年國家發改委發布的《節能中長期專項規劃》，到2010年，家用燃氣灶熱效率需達到60%-65%（台灶由現在的≥55%提高到≥65%，嵌入灶由現在的≥50%提高到≥60%），因此，大幅提升燃氣灶具熱效率也是國家政策對燃氣灶具行業提出的新要求。

燃氣灶具行業技術現狀

目前市場上銷售的燃氣灶從燃燒方式看，大都為部分預混大氣式燃燒，其換熱方式主要為對流換熱。對流換熱受換熱面積與換熱時間的影響較大，而傳統燃氣灶在使用過程中換熱面積是有限的；同時，為了使負荷調節範圍大、火焰穩定，大氣式燃燒的預混空氣量一般為理論空氣需要量的60%，為了使燃氣燃燒完全，需供給大量二次空氣，這就導致煙氣量大。由於上述種種原因，部分預混大氣式燃燒方式熱效率通常較低。

另一方面，大氣式燃燒形成的本生火焰，燃燒區溫度分布不均勻，存在局部高溫，不僅大量生成T-NO，還生成P-NO，故NOx排放較高。特別是在追求低CO指標時，NOx排放會更高。因此，就目前套用較廣泛的部分預混大氣式燃燒技術而言要同時實現提高熱效率、降低污染物NOx及CO的排放，是十分困難的。聚能燃燒技術則能有效解決這一問題。

聚能燃燒技術的主要特徵

作為一種全新的燃燒技術，聚能燃燒技術以全預混燃燒為基礎，通過對預混、燃燒結構的創新，提高了熱效率。同時，聚能燃燒技術採用三元催化技術，燃燒產生的煙氣中CO、HC（碳氫化合物）和NOx等的含量均大幅下降。另外，聚能燃燒採取以輻射換熱為主的換熱方式，利用拋物球聚能反射和低光輻射的原理減少熱損失，換熱效率高。

聚能燃燒技術的主要特徵如下：

3.1 全預混燃燒

全預混燃燒是通過引射作用將燃燒所需的空氣全部吸入燃燒器腔內，並與燃氣充分的混合後再進行燃燒的技術。

全預混燃燒與部分預混燃燒比較有以下特點：首先，全預混燃燒器的喉部較大，能引身較多的空氣；其次，具有超大腔體，各火孔前壓力均勻一致；第三是全預混器火孔熱強度特低，約0.25W/mm（其它大氣式燃燒器約為5.8～9.35W/mm），火孔總面積大，也使燃氣及空氣混合物流動的阻力減少，能自然引射更多空氣。這幾個因素構成全預混燃氣與空氣按照理論空氣量的105%-130%的混合比例充分預混，為完全預混燃燒準備了條件。

3.2 無焰燃燒

部分預混燃燒時，燃燒在火孔外進行，能見到內焰、外焰和高亮燃燒焰面；而聚能燃燒按照穩定的空—燃混合比在火道內瞬間完成，在火孔外只有已經過一次換熱的較高溫煙氣流向鍋底進行換熱，而沒有燃燒反應過程，故稱無焰燃燒。

3.3 低過剩空氣係數

部分預混燃燒時，一次空氣係數為0.6左右，在一次火焰外仍需補充大量空氣進行二次燃燒，為保證燃燒充分，過剩空氣係數較高（通常ɑ=1.6～2），高溫煙氣量較多，通過煙氣帶走大量的熱量，造成能量損失；而全預混燃燒在燃燒反應發生前已引射足夠量的助燃空氣，並充分混合均勻，能在較低過剩空氣係數（通常ɑ=1.05～1.3）下達到完全燃燒，由於其高溫煙氣量少，燃燒時由煙氣帶走的熱量也少，因此熱效率高。

3.4 催化燃燒

聚能燃燒技術採用催化燃燒的方式，燃氣在燃燒前和所需空氣充分預混，燃氣燃燒充分。同時，催化劑將燃燒產生的CO、HC（碳氫化合物）和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣(由於這種催化可同時將廢氣中的三種主要有害物質轉化為無害物質，故稱三元)。

3.5 低NOx排放燃燒

燃燒過程中生成的NOx有三種：熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。家用燃氣灶具燃燒時煙氣中的NOx主要是熱力型NOx。

熱力型NOx的生成與溫度、壓力、N2濃度、O2濃度以及停留時間有關，其中燃氣的燃燒溫度、過剩空氣係數和混合氣體在火焰區域滯留的時間對熱力型NOx的生成有決定性的影響。

聚能燃燒技術NOx排放量低的原因有：

（1） 焰面後區域溫度較低。雖然火焰的峰值溫度較高，但在火焰面的後部，由於高溫的燃燒產物與金屬發熱體孔壁之間存在強烈的對流換熱，煙氣的溫度迅速下降。NOx生成反應所需要的活化能高於燃氣可燃成分與氧反應的活化能，故溫度型NOx的生成速度遠遠低於燃燒速度；NOx的生成反應發生在火焰面的下游，而火焰面的下游溫度迅速下降，不能形成局部高溫區，因此NOx的生成量較少。

（2） 火焰面後部過剩氧濃度低。聚能燃燒技術採用完全預混的燃燒方式，過剩空氣係數很小，約為1.03~1.06，並在過剩空氣係數很小的情況下達到完全燃燒，燃燒產物中剩餘的氧氣濃度很低，故亦導致NOx生成量降低。

（3） 煙氣在火焰區滯留的時間短。由於是全一次預混燃燒，又是預熱火焰，燃燒速度非常快，火焰很短，以致肉眼看不到，而不像大氣式燃燒有一個很長的燃燒區域.在這個極短的火焰區域內，燃燒產物的滯留時間也極為短暫，因此NOx的生成量較低。

3.6 拋物球聚能反射

聚能燃燒器火孔面的組合形式為拋物球面（即凹面鏡形狀），與尖底炒鍋的弧度大致相等。拋物球面向上輻射熱量時，其輻射方向為該球面的球心點，因而可以減少向周圍方向輻射傳熱，有效聚焦熱量，具有明顯的節能效果。

3.7 輻射換熱

輻射換熱是一種高效的傳熱方式，比對流和導熱等傳熱方式快得多，它是兩個溫度不同的物體，以電磁波輻射的方式交換熱量的過程。

聚能燃燒由於是完全一次預混燃燒，又是預熱火焰，燃燒速度非常快，火焰很短，聚能燃燒器的燃燒完全在金屬發熱體的內部進行，高溫的燃燒產物與金屬發熱體孔壁之間進行強烈的對流換熱，將金屬發熱體迅速加熱到850℃～950℃，激發高能紅外線，向鍋體輻射。由於燃燒器火道表面積大，一次換熱量較高，通過金屬蜂窩體過度對鍋的輻射熱量占總換熱量的55-60%。

3.8 低可見光損失

家用燃氣灶具燃燒時火焰發射的光主要有可見光、紅外光，其中紅外光的頻率和常見固體的固有頻率相仿，更容易激發固體分子引起共振，所以紅外光熱效應最強烈。

普通大氣式燃燒器燃燒時火焰發射的光中可見光占的比例較大，而聚能燃燒是完全預混的無焰燃燒，很少能量轉化為可見光，燃燒產生的能量大多都轉化為具備強烈熱效應、鍋具可迅速吸收的紅外光。因而聚能燃燒技術可見光損失很小。

聚能燃燒技術的優勢

通過對燃燒和換熱領域的創新，聚能燃燒技術在熱效率、排放指標方面達到了全新的技術高度，在業內擁有著無與倫比的技術領先優勢。

優勢一：熱效率高

經國家權威機構檢測，套用聚能燃燒技術的燃氣灶的熱效率高達68.5%（樣機可達73%），而普通燃氣灶的熱效率為52%左右，聚能燃氣灶相比普通燃氣灶節能31.7%。

優勢二：有害物質排放低

聚能燃燒技術能使CO和NO_x排放量遠低於國家標準。以燃氣灶為例，套用聚能燃燒技術的燃氣灶，經國家權威機構檢測：

1.乾煙氣中CO始終保持在一個很低的水平，其濃度為0.005%，只相當於國家標準的十分之一（國家標準為≤0.05%）；

2.乾煙氣中NO_x濃度為0.003%，比國家規定的最高等級（五級）還低0.001%（國家標準最高等級為5級0.004%）。

社會經濟意義及套用前景

5.1 社會經濟意義

以聚能燃燒技術套用於燃氣灶具為例：

若我國所有家庭均使用聚能燃氣灶，則全國每年可節約21.3億立方米天然氣和257.8萬噸液化氣，每年可減少1143.4萬噸二氧化碳排放。全國每年節約的資源合計相當於54.4億立方米天然氣，約為西氣東輸一線工程年輸氣的45.3%。

推算過程：

根據《2008年中國統計年鑑》生活用能源數據顯示2007年的天然氣與液化氣消費總量分別為133億立方米和1608萬噸。按生活能源年消費量增長10%推算，2010年我國天然氣年消費量為177億立方米；液化氣年消費量為2140.3萬噸。

表1 能源消費量

能源種類	2007年消費量	2010年消費量（推算）
天然氣	133億立方米	177億立方米
液化氣	1608萬噸（56.28億立方米）	2140.3萬噸

若以50%生活能源消耗在燃氣灶上計算，2010年用於燃氣灶的天然氣、液化氣消耗量如表2所述。

表2 用於燃氣灶的能源消費量

能源種類	用於燃氣灶的消耗量
天然氣	88.5億立方米（177*50%）
液化氣	1070.2萬噸（2140.3*50%）

若居民全部都使用聚能燃氣灶，則每年可節省的天然氣與液化氣量如表3所述。

表3 可節約能源數量

能源種類	可節約能源數量
天然氣	21.3億立方米（88.5-88.5*52/68.5）
液化氣	257.8萬噸（1070.2-1070.2*52/68.5）

標準狀態下，液化氣的密度約為2.18千克/立方米，1立方米液化氣燃燒產生的熱量相當於2.8立方米天然氣燃燒產生的熱量。因而，每年可節約液化氣257.8萬噸相當於節約天然氣33.1億立方米。全國每年可節約的資源合計相當於54.4億立方米天然氣（21.3+33.1），約為西氣東輸一線工程年輸氣的45.3%（西氣東輸一線工程年供氣能力約為120億立方米）。

根據燃燒方程，每1噸天然氣燃燒將產生約2.55噸二氧化碳；每1噸液化氣燃燒將產生約2.92噸二氧化碳(據了解，液化氣的主要成分是丙烷C₃H₈和丁烷C₄H₁₀，兩者所占比例分別約為75%和25%。根據燃燒方程，每1噸丙烷燃燒將產生2.94噸二氧化碳，每1噸丁烷燃燒將產生約2.9噸二氧化碳)。

根據上述數據計算，若我國所有家庭均使用聚能燃燒技術，則我國每年可減少約1143.4萬噸二氧化碳排放。

表4 可減少二氧化碳排放數量

節約能源數量	減少二氧化碳排放數量
天然氣21.3億立方米	390.6萬噸
液化氣257.8萬噸	752.8萬噸
總計	1143.4萬噸

聚能燃燒技術的套用前景

聚能燃燒技術不僅可以套用在燃氣灶、燃氣熱水器、家用採暖等家用燃氣具產品與設備上，同時，還可以套用於在工業製造中的工業燃燒加熱工序，如：鍋爐制暖系統、紅外線熱水系統、陶瓷窯爐、熔鋁爐、固鹼爐、工業鍋爐等燃燒加熱設備。

聚能燃燒技術相較於傳統擴散式或大氣式等後混燃燒方式而言，燃燒速度快、效率高、燃燒完全、廢棄物少，相比於工程浩大的餘熱回收系統、隔熱保溫系統等，利用預混燃燒系統進行改造，項目投資較小，節能效益更顯著，如：

套用在有色金屬熔化工藝，可節能17.6%，效率提升27.2%；

套用在陶瓷燒制工藝，可節能26.82%；

套用在化工固鹼提煉工藝，可節能11.38%，效率提升14.26%，產量增加17.44%。