一种全预混燃烧器及其控制系统
技术领域
本发明涉及燃烧技术领域，具体涉及一种全预混燃烧器及其控制系统。
背景技术
传统的直流式扩散式燃烧器的特点是，空燃在燃烧前分别由不同的管道进入头部，事先不混合，空气与燃气在头部边混合边燃烧。由于空燃混合不均匀，燃气燃烧不完全，要降低不完全燃烧产物CO的量，必须通入大量空气，因此其过剩空气系数较高。除此之外，扩散式燃烧器空气需要量大，空燃在头部剧烈混合时会产生非常大的噪音。扩散式燃烧的优点在于空燃不事先混合，不会发生回火。
一般的全预混金属纤维燃烧器的头部结构都采用金属纤维外包打孔（缝）圆柱的形式，其特点是空燃混合物由打孔圆柱流出，穿过金属纤维结构，在金属纤维外表面点火燃烧，燃烧火焰朝四周喷出。而一般的工业炉窑只适应传统的直流式扩散式燃烧器，若改用全预混金属纤维燃烧器，必须对炉窑的进行结构改造，以适应横向出火的燃烧特点。除此之外，空燃混合物在金属纤维上的流通阻力很大，需要的风机压头也高；金属纤维网采用一种直径约20μm耐热金属丝编织而成，非常容易烧损。
发明内容
本发明的目的是：提供一种全预混燃烧器及其控制系统，采用由耐热钢制作条缝型结构，吸收了扩散式燃烧器直流出火的优点，避免了金属纤维的易烧损问题，同时极细的条缝也起到了防回火的作用。具有热效率高，低NOX排放等特点，这对保护环境、响应国家节能减排号召有重大意义。
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种全预混燃烧器，包括混合器、燃气电磁阀、控制器、风机、燃烧器头部点火器与火焰探测器，所述燃烧器头部点火器包括烧火砖和条缝圆柱，所述烧火砖连接着条缝圆柱，所述烧火砖和条缝圆柱之间装有固定法兰，所述条缝圆柱左侧连接有陶瓷纤维，所述陶瓷纤维四周设有支架，所述条缝圆柱和陶瓷纤维外套有外壳，所述外壳顶部装有后盖，所述外壳侧面设有风机连接口，所述风机连接口与风机相连接，所述风机连接着混合器，所述燃气电磁阀设置在混合器旁，所述火焰探测器设置在后盖中心，所述火焰探测器上侧装有观火孔，所述火焰探测器下侧装有点火针，所述火焰探测器、观火孔和点火针连接着烧火砖，所述控制器连接着燃气电磁阀。
进一步的，所述混合器包括混合器本体和内套，所述混合器本体一端设有混合器出口，另一端设有风机口，所述混合器出口处设有方形凸台，所述风机口处设有圆形凸台，所述内套内设有弧形混合器出口台，所述混合器本体上设有环形孔。
进一步的，所述控制器上设有状态指示屛，所述状态指示屛旁设有指示灯，所述指示灯左侧设有复位开关，所述复位开关旁设有火力调节旋钮和点火按钮。
进一步的，所述风机包括吸入口、叶轮、机壳、支承与传动装置。
进一步的，所述火焰探测器为EBI1P052F0040型。
本发明还提供了一种全预混燃烧器控制系统，还包括程序控制系统和燃气、空气压力开关；
程序控制器，对燃烧器各个部件实行监测和控制，确保系统各部件协同稳定运行；
燃气电磁阀，控制燃气流量的启闭，也起到稳定燃气压力和流量的作用；
风门调节器，调节燃气管道的流通面积，从而把空燃比控制在稳定的值附近；
风机，为空气燃气的流动提供压头，保证燃烧器的热负荷稳定；
点火器，接通电源后产生电火花，点燃空燃混合物；
火焰探测器，监测火焰是否生成或者存在；
燃气、空气压力开关，监测燃气、空气是否流动，确保燃烧器在稳定的空气、燃气流量下运行。
本发明的有益效果为：
1、吸收了扩散式燃烧器直流出火的优点，避免了金属纤维的易烧损问题，同时极细的条缝也起到了防回火的作用。
2、不会出现回火现象，并且适应了传统燃烧炉的燃烧形式，不用重新设计炉膛，解决了成本问题。由于条缝狭长的结构，混合气通过条缝时，阻力大，减缓了气流速度，有一定的防脱火的作用。
3、具有热效率高，低NOX排放等特点，这对保护环境、响应国家节能减排号召有重大意义。
4、全预混燃烧温度均匀，不产生局部高温、全预混燃烧瞬时完成，烟气在高温区停留时间短、过剩空气系数控制合理。
附图说明
图1为本发明一种全预混燃烧器的结构示意图；
图2为本发明燃烧器头部点火器的结构示意图；
图3为本发明燃烧器头部点火器的剖视图；
图4为本发明混合器结构示意图；
图5为本发明混合器的剖视图；
图6为本发明控制器结构示意图；
图7为本发明一种全预混燃烧器控制系统结构示意图；
图8为本发明燃气电磁阀结构图；
图中：1、混合器；2、燃气电磁阀；3、控制器；4、风机；5、燃烧器头部点火器；6、火焰探测器；51、烧火砖；52、条缝圆柱；53、固定法兰；54、陶瓷纤维；55、支架；56、后盖；57、风机连接口；58、外壳；61、观火孔；62、点火针；11、混合器本体；12、内套；111、混合器出口；112、风机口；1111、方形凸台；1121、圆形凸台；121、弧形混合器出口台；13、环形孔；31、状态指示屛；32、指示灯；33、复位开关；34、火力调节旋钮；35、点火按钮；41吸入口；42、叶轮；43、机壳；44、支承；45、传动装置；7、主切断阀；71、运行阀；72、压力伺服阀；73、零压调节器；74、风机；75、零压调节器膜；76、零压调节器阀芯；77、伺服膜片；78、燃气喷嘴；79、燃气入口取压；80、燃气出口取压；81、空气取压管连接口；82过滤器；83、零压调节器出口燃气取压；84、空燃比调节阀；85、限流阀；86、旁通管路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图6所示，一种全预混燃烧器，包括混合器1、燃气电磁阀2、控制器3、风机4、燃烧器头部点火器5与火焰探测器6，所述燃烧器头部点火器5包括烧火砖51和条缝圆柱52，所述烧火砖51连接着条缝圆柱52，所述烧火砖51和条缝圆柱52之间装有固定法兰53，所述条缝圆柱52左侧连接有陶瓷纤维54，所述陶瓷纤维54四周设有支架55，所述条缝圆柱52和陶瓷纤维54外套有外壳55，所述外壳55顶部装有后盖56，所述外壳55侧面设有风机连接口57，所述风机连接口57与风机4相连接，所述风机4连接着混合器1，所述燃气电磁阀2设置在混合器1旁，所述火焰探测器6设置在后盖56中心，所述火焰探测器6上侧装有观火孔61，所述火焰探测器6下侧装有点火针62，所述火焰探测器6、观火孔61和点火针62连接着烧火砖51，所述控制器3连接着燃气电磁阀2。
所述混合器1包括混合器本体11和内套12，所述混合器本体11一端设有混合器出口111，另一端设有风机口112，所述混合器出口111处设有方形凸台1111，所述风机口112处设有圆形凸台1121，所述内套12内设有弧形混合器出口台121，所述混合器本体11上设有环形孔13。混合器1是燃气和空气初次接触剧烈混合的场所，也是燃气与空气最主要的混合场所，混合越充分，燃烧越完全，燃烧效率越高。本发明的燃烧形式为全预混燃烧，即在燃烧之前先将燃气与空气按照一定适当的比例进行混合，再进入燃烧室点火燃烧。流过管道的空气量远大于燃气量，空气为主流量，空气引射燃气。空气进入混合器1后，断面突然收缩，速度迅速增大，压力降低，从而将燃气引射进入混合器1。燃气从环状的缝隙的孔中喷出，缝隙宽度仅为2mm，所以燃气速度非常快，进入混合管后，空间突然增大，速度减慢，形成燃气与空气的强烈扰动混合，从而在短时间内完成混合。
所述控制器3上设有状态指示屛31，所述状态指示屛31旁设有指示灯32，所述指示灯32左侧设有复位开关33，所述复位开关33旁设有火力调节旋钮34和点火按钮35。控制器盒体上有状态指示31、火力显示、点火、复位开关33、火力调节旋钮34等指示灯32及按钮，状态指示31灯为绿色时表示一切正常，可进行后续操作，且指示灯每三秒亮一次，表示目前为待机状态。当指示灯32为红色时表示有故障，必须排除故障后方可进行后续操作。金属纤维表面装有点火电极及火焰探测针，按下点火开关后，点火电极放出电火花，一段时间后，若无火焰产生，或火焰不稳定，火焰探测针无法探测到稳定火焰，控制装置会自动报警熄火，风机不再鼓入可燃混合物，并进行后吹扫，指示灯32显示为红色，表示有故障发生，并锁定点火开关，无法再点火。排除故障后再次启动时，需手动按下复位开关33，指示灯32显示为绿色后，方可按下点火开关。火焰探测针为离子火焰监测，可探测到稳定火焰的原理在于，通电后，离子棒上的电流为交流电，若有稳定火焰存在，即可将交流电整流为直流电，若检测到直流电，表明一切正常，可继续燃烧，若检测不到直流电，控制装置立即报警，无法继续燃烧。
所述风机4包括吸入口41、叶轮42、机壳43、支承44与传动装置45。风机4是空气与燃气流动和混合的重要装置，其主要作用是为流体流动提供动力，风机叶片通过旋转，将空气与燃气的混合物从侧面吸入风机4，在风机4内部旋转混合，经风机出口吹出至燃烧器头部。通过控制器3可以调节风机4的转速，可以获得不同的空气燃气流量，调节燃烧器的热负荷大小。
所述火焰探测器6为EBI1P052F0040型。火焰探测器6的功能在于对燃烧工况进行监测，一旦点火失败或发生熄火现象，火焰探测器6即刻将信号反馈给控制器，两秒内切断燃气阀，并进行后吹扫，保证燃烧器运行安全可靠。
一种全预混燃烧器控制系统，包括权利要求1-5中任一项所述的全预混燃烧器，还包括程序控制系统和燃气、空气压力开关；
程序控制器，对燃烧器各个部件实行监测和控制，确保系统各部件协同稳定运行；
燃气电磁阀，控制燃气流量的启闭，也起到稳定燃气压力和流量的作用；
风门调节器，调节燃气管道的流通面积，从而把空燃比控制在稳定的值附近；
风机，为空气燃气的流动提供压头，保证燃烧器的热负荷稳定；
点火器，接通电源后产生电火花，点燃空燃混合物；
火焰探测器，监测火焰是否生成或者存在；
燃气、空气压力开关，监测燃气、空气是否流动，确保燃烧器在稳定的空气、燃气流量下运行。
如图7燃烧器控制流程，本发明燃烧控制系统的功能应当有：燃烧器自动启动停止、预吹扫、自动点火、点火失败保护、熄火保护、后吹扫、燃气压力高低超限保护、预防燃气泄漏、空气压力不足保护、断电保护等。
（1）燃烧器自动启动停止
按下点火开关后，燃烧器自动开启，控制系统检测各部件运行工况正确，各部件可依次运转，最终点火燃烧；否则，燃烧器停止工作，控制系统发出警报。燃烧器运行期间，一旦控制系统监测到任何故障，燃烧器即刻停止工作。
（2）预吹扫
燃烧器点火前，必须有一段时间的预吹扫，其作用在于吹扫管道及设备中可能留有的可燃气体，保证管道及设备中可燃气体浓度不在爆炸极限范围之内，防止爆炸事故的发生。
（3）自动点火、点火失败保护与熄火保护
燃气燃烧器采用高压点火变压器产生的电弧点火，并接通燃气。为了保证点火成功率，一般要求点火电压大于3.5kV、电流大于15mA。点火时间一般为2~5s。燃烧工况由火焰探测器进行监控，一旦点火失败、点火成功后火焰不稳定、或发生熄火现象，火焰探测器无法感应到稳定的火焰信号，火焰探测器即把此信号反馈到控制器，在1~2s内切断燃气阀，并进行后吹扫。
（4）后吹扫
点火失败与熄火现象发生后，燃气阀被切断，此时风机进行后吹扫。同前吹扫一样，后吹扫的作用同样在于吹扫管道及设备中可能留有的可燃气体，预防燃烧器再一次工作时可能发生的爆炸事故。
（5）燃气压力高低超限保护与预防燃气泄露
限定燃气高低压的目的是为了获得恒定的空燃比，确保火焰稳定性(不脱火、不熄火、不回火)，同时控制燃气压力，限定燃烧器的热负荷范围，确保燃烧器进行稳定燃烧，排放指标符合标准等。
燃烧器通过气体压力开关感测压力，并输出开关量信号，一旦压力超出设定范围，则通过燃烧控制器控制安全切断阀，切断燃烧器的燃气阀，停止燃气供应。
（6）空气压力不足保护
燃气燃烧器多采用鼓风机鼓风。风机发生故障停转或转速不正常时，会造成空气供应中断或空气供应量不足，会产生不完全燃烧，甚至会发生爆燃或回火等现象，所以应立即切断燃气供应。
一般用气体压力开关感测空气压力信号，并输出开关量信号，通过燃烧控制器切断燃烧器的燃气阀。
（7）断电保护
燃烧器在工作过程中如果突然发生断电事故，必须立即切断燃气供应，以保护设备安全。因此燃气控制阀必须是常闭型的，一旦断电，自动切断燃气供应。
所述燃烧器控制系统的运行：开启风机后，按下控制器开关时，点火针产生高压电火花，为了保证安全，延时7s后再由点火控制器控制燃气阀打开，并通过火焰监测判断点火是否成功，若有火焰信号则停止点火，同时启动反馈监测功能。整个过程能有效避免出现燃气阀打开而点火不成功的现象，大大提高了点火的安全性和可靠性。燃烧过程中由控制器输出控制信号触发点火控制电路和火焰监测反馈电路，通过火焰监测反馈电路监测火焰，并将监测的结果反馈至控制器，控制器可根据输入的火焰信号控制电磁阀的开闭，从而保证了燃烧器在发生意外熄火或者回火时，控制系统能及时关闭电磁阀，关断燃气通路，避免了因熄火引发的安全事故。当再次点火时，点火之前将有一段预吹扫的时间，吹扫之后才能启动点火开关，同样关断断路器之后也有一段后吹扫的时间。
本发明的一种实施案例：
头部安装要求：头部外壳设计为喇叭口形，内部为1mm金属圆环厚度堆叠而成的条缝形出火口，安装时金属圆环之间应用1mm厚的垫片隔开，保证缝隙厚度为1mm。圆环之间应堆叠整齐，避免错位，厚度不均等问题。环形柱体前端与外壳的出火口固定，后部与设计的支架固定，支架嵌在外壳后盖的圆环内。支架内部应有陶瓷纤维板做隔热，从而避免头部燃烧的高温烧坏后壳。
本发明的头部为侧向进气，空燃混合物从外壳侧面进入燃烧器头部内，因而点火针和火焰探测器可以安装在燃烧器头部的后方，直接伸入到头部内部点火，避免外部碰撞和运输不便的问题。
燃烧器整体安装要求：
（1）燃气与空气的混合物为危险的爆炸气体，燃烧器各部分的连接必须紧密，如混合器1和燃气电磁阀2的连接处、混合器1和风机4入口的连接处、风机4出口和头部的连接处，要有可靠地密封圈密封，不能出现漏气的情况。风机4是燃气和空气剧烈混合的场所，必须密封良好。
（2）在安装完成后的调试阶段，调整各部件的位置、改变风机转速以及更改控制系统参数时必须先切断燃烧器的电源，防止燃烧器不正常运转以及触电事故的发生。
如图8所示电磁阀工作原理：伺服空燃比调节阀通电后，主切断阀和运行阀会自动打开。天然气由比例阀入口流入内部，首先经过滤器。由于主切断阀打开，天然气由腔室q0流进腔室q1，再从运行阀的阀口K2流进腔室q3内形成一定压力P3。随着天然气的流进，腔室q3的压力P3不断上升，直到其压力能够推动阀芯向上运动打开连通腔室q1与腔室q2的阀口K1。然后天然气由腔室q1从阀口K1降压进入腔室q2形成压力Pg。最后天然气从腔室q2经过空燃比调节阀流向比例阀出口。P3与Pg的压力差作用驱动阀口K1产生不同的阀口开度以获得不同的出口燃气压力。燃气比例阀的空燃比控制功能得以开启。当比例阀断电时，主切断阀和运行阀的阀芯立即在弹簧力的作用下向下运动关闭阀口，天然气供应通路被切断。同时阀门还具有稳压功能，能在某一温度的空气燃气工况下保证恒定的空燃比系数。
上述实施例用于对本发明作进一步的说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应理解为在本发明的保护范围之内。
