全预混金属纤维燃烧器的研究

                        全预混金属纤维燃烧器的研究 
摘要：介绍了燃烧器的历史变革，分析对比了各种燃烧方式，探讨了以金属纤维毡为燃烧表面的全预混金属纤维燃烧器的机理和特点。
关键词：全预混式燃烧；金属纤维燃烧器；金属纤维毡；部分预混式燃烧
StudyonPre-aeratedMetalFiberBurner
WANGZhenxing，LIAOXiong，YANGJunjie
Abstract：Thehistoricevolutionofburnerisintroduced，andthedifierentcombustionmodesareanalyzedandcompared.Themechanismandcharacteristicsofpre-aeratedmetalfiberburnerusingmetalfiberfeltascombustionsurfacearediscussed.
Keywords：pre-aeratedcombustion；metalfiberburner；metalfiberfelt；partially-aeratedcombustion
1概述
    近年来，我国对节能减排的要求越来越高，而能耗的降低，不仅需要在生产过程中严格把控，更需要采用先进的节能技术和配套的节能设备。在各个行业，燃料化学能转化为热能的过程都离不开燃烧器，因此，各种高效燃烧器的开发成为关注的焦点。
    由于气体的导热性能和辐射性能较差，传统的以自由火焰为特征的燃烧，不可避免地具有温度分布不均、燃烧区域狭小、污染物排放过多等缺点。而多孔介质中的预混燃烧方式是一种燃烧途径完全不同、新颖而独特的燃烧技术，是气体混合物在耐高温、导热性能好的特殊多孔介质材料里燃烧的过程。预混燃烧方式在空气过剩系数较小的条件下，可达到完全燃烧，C0和N0x的排放量很小，并能均匀地以对流、辐射方式进行传热，热效率较高。
2燃烧器的历史变革
    1792年，苏格兰人默克多第一次把焦炉煤气用于照明，人们由此认识了扩散式燃烧；1855年，本生发明本生灯，大气式燃烧进入了人们的视野。经过100多年的发展，人们逐渐掌握了各种燃烧方式的特点，燃烧器在理论及结构上也都发生了深刻的革，很大程度上促进了工业的发展[1]。为满足不工艺的需求，人们通过控制燃气与空气的速度与向，得到各种形状的火焰，如平板型、碟型、长型、铅笔型。20世纪末期，大部分工业操作的灵活性热量需要得到了满足，燃烧器设计与发展的脚步乎要放慢了，但环保的要求又使人们开始了对N0x燃烧器的开发。目前国内外已采用的多种N0x燃烧器，其抑制原理大都是采用促进混合、分火焰、烟气再循环、阶段燃烧、浓淡燃烧以及它们组合形式。红外线辐射燃烧器则是另外一种在接正常比例或高火焰温度下，仍具有极低的N0x排性能的燃烧器。
3各种燃烧方式的特点
    ①扩散式燃烧
    这是一种最简单的燃烧方式。燃烧之前，燃不与空气混合，燃气自火孔流出后，靠扩散作用与气混合进行燃烧。该燃烧方式的优点是简单、容点火、不会回火、燃烧稳定及燃具结构简单。缺点对于空气需求量大的高热值燃气(天然气、液化油气)，靠层流扩散达不到完全燃烧；烟气中C0含量比较高，燃具体积比较大。因此，民用燃具大都淘汰了扩散式燃烧方式。但是，层流扩散式燃烧方式也有其不可忽视的优点，如稳定性较高，没有回火，不容易离焰。由于燃烧过程中温度不高，氧气浓度低，不具备产生N0x的条件，其燃烧产物中几乎没有N0x，但是在这种条件下，却容易产生C0，因此采用这种燃烧方式时，必须有足够的燃烧空间。目前我国还有不少地区使用低热值人工煤气，如果采用部分预混式燃烧方式，火焰不能达到稳定，可以考虑采用扩散式燃烧方式。
    强制鼓风扩散燃烧方式多用于工业炉中的工业燃烧器。采用这种燃烧方式需要合理地组织空气与燃气混合，避免产生大量的N0x与C0。
    ②部分预混式燃烧
    部分预混式燃烧习惯上又称大气式燃烧。与扩散式燃烧相比，部分预混式燃烧具有燃烧完全、火焰短、热强度大的优点，但是这种燃烧方式呵能产生回火、离焰与脱火，在控制好一次空气的条件下，能具有一定范围的不离焰、不回火的稳定火焰区，在此区内可以调节热负荷。部分预混式燃烧在民用燃具中得到了广泛应用，这是由于其燃烧产物中C0较少，充分利用了燃气自身的压力与空气混合，燃具结构简单，操作方便。
     引射型大气式燃烧器用于工业时，由于工业要求热负荷大，所以引射器的体积也比较庞大，在安装与维护方面都会产生问题，因此大工业炉一般不采用此种形式的燃烧器。
    部分预混式燃烧最大的优点是改善了层流扩散燃烧方式燃烧不完全的特点。民用燃具的热负荷不高，完全可以靠燃气压力通过引射器吸入足够的部分空气进行大气式燃烧。同时可以通过调节燃气压力来调节热负荷，并且在不同的热负荷下，一次空气系数变化不大。因此，引射型大气式燃烧器能够广泛应用于民用燃具。
     部分预混式燃烧也有以下缺点：a.需要组织好二次空气，需要足够的二次空气进口面积及必要的炉膛高度，所以很难减小燃烧设备的体积。b.燃烧产物中N0x含量较高，采取措施后，N0x含量降低，而C0含量升高，很难达到C0与N0x含量都降低的效果。
     ③全预混式燃烧
    将燃烧所需空气全部混入燃气再进行燃烧的全预混式燃烧，其特点是火焰短，附着于燃烧表面，甚至看不到火焰，故也称作无焰式燃烧[2]。这种燃烧方式的稳定性较差，稳定燃烧的范围较小，必须采用防止离焰与回火的稳焰措施。民用燃具中的红外线辐射器和灶具就是采用多孔陶瓷板或双金属网作为稳焰载体，达到稳焰的效果。工业燃具中，热负荷小的燃具与民用燃具相同，采用多孔陶瓷板，热负荷大的燃具则多采用单火道及多火道进行稳焰。
    全预混式燃烧的优点：燃烧强度大，火焰短，可以降低炉膛高度；不需要二次空气，省去了二次空气的入口面积；具有较大的面积热强度与体积热强度，可缩小燃烧设备体积；火焰面可以靠近热交换器，增大传热系数；燃烧产物中C0及N0x含量都比较低。
    全预混式燃烧的缺点及特殊的技术要求：当热负荷较大时，无法利用燃气自身压力通过引射器吸入空气，需要有保证燃气与空气混合比例的装置，并且维持此比例不受热负荷变化的影响；应有可靠的避免离焰、回火的稳焰措施，必要时需要冷却头部，防止回火。
    4全预混金属纤维燃烧器
    ①全预混燃烧器的发展史
    基于全预混燃烧器燃烧特性的优势，很多科研人员对全预混燃烧器进行了广泛的研究。燃烧器的燃烧表面目前主要有两种结构形式：多孔陶瓷板和双金属网，二者也可联合应用。
    1996年德国人开始采用耐热抗高温氧化的合金丝网和纤维毡作为燃烧器表面进行试验，采用添加稀土的合金，抗氧化和耐热温度可达1200℃。经过几年的研究，一种以金属纤维材料作为燃烧表面的全预混燃烧器成功面世。
     ②主要研究成果
    全预混金属纤维燃烧器凭借其较大的优越性，已经在国外得到应用，近年来国内也有人研究将其应用于中餐灶，但如何将其应用于工业燃烧器目前还未有人涉及。
    随着技术的发展，已经有国内企业可以生产专用于燃烧的金属纤维毡。全预混金属纤维燃烧器采用这种耐热的金属纤维毡作为燃烧辐射表面，这种金属纤维毡类似粗麻布一样柔软，可以自由加工成各种形状的辐射面，具有很高的机械强度。金属纤维毡的孔隙直径远小于燃气的熄火距离，且编织时其长纤维位于同一平面，因此横向热传导性好，燃烧器工作时表面容易烧红；另一方面，金属纤维毡在垂直方向上是长纤维的点接触，因此在气流方向上以长纤维的接触传热为主，热导率相对较小，即使金属纤维毡表面温度达到近1000℃时，未燃气体侧的温度与混合气温度仍然很接近，能有效防止回火，因而金属纤维毡是一种非常理想的表面燃烧介质材料[3]。同时由于燃烧表面的纤维结构，其稳焰性能远高于其他材料，因此可以实现燃烧以两种方式进行：红外辐射方式和蓝焰方式[4]。蓝焰方式是可燃气体混合物在金属纤维毡上方燃烧，火焰呈蓝色浮在表面上，热量以对流方式释放。
    虽然金属纤维毡解决了全预混燃烧方式易回火、燃烧不稳定的问题，但由于材料本身的柔软特性，在燃烧时强度不够，容易产生塌陷。因此必须给燃烧表面设计必要的支撑结构，且该结构不能对燃烧头部的阻力、燃烧强度和均匀性产生影响。由于金属纤维毡未燃气体侧温度较低，支撑结构位于此侧时不会产生较高温度，寿命较长。
    金属纤维毡的结构主要以纤维丝为主，支撑结构为钢质材料，从安全的角度考虑，必须要完成二者的密封结合，防止气体泄漏。传统的机械密封方式和氩弧焊、C02保护焊均不能实现二者的结合，经过大量的试验得知，使用滚压焊可以实现二者的密封结合。
     燃烧头部的混气装置选用工频离心风机将空气送入混气管中，空气与燃气的混合气通过旋流片进入燃烧头。
     为了满足实际应用的需要，选用比例阀控制及燃烧控制系统，使其具备预吹扫、自动点火、火焰检测、熄火保护报警、燃气高低压保护、风机故障保护、负荷可调等功能。燃烧器的工作原理见图1。


5全预混金属纤维燃烧器的应用和特点
    全预混金属纤维燃烧器可广泛用于饼干、蔬菜、鳗鱼等食品干燥，物料解冻，采暖保温，玻璃及金属材料的退火，织物纸张的干燥，涂料固化，沥青路面热再生，烘烤设备，红外线灶具，冷凝锅炉，热水器等行业[5]。全预混金属纤维燃烧器具有以下特点[6]：
    ①污染物排放低。金属纤维燃烧器的N0x、C0等不完全燃烧产物的排放浓度低。由于全预混燃烧的过量空气系数小，燃烧释放的热量通过辐射与对流方式被迅速带走，降低了火焰温度，所以相对于其他燃烧器，金属纤维燃烧器具有更低的N0x排放量。全预混和多孔介质的表面燃烧方式保证了小过量空气系数下的完全燃烧，C0等不完全燃烧产物的排放浓度低。
    ②节能。金属纤维燃烧器的全预混燃烧方式燃烧完全，燃烧器效率高；金属纤维燃烧器的过量空气系数小，在同样的排烟温度下，排烟损失小。
    ③安全性高。金属纤维介质孔隙的细密性决定了金属纤维燃烧器的回火倾向性极低。另外，金属纤维的抗腐蚀性强，抗热冲击性能高，热惰性小，能被很快地加热和冷却。金属纤维载体比多孔陶瓷板牢固，不怕冷水，有一定的机械强度。
参考文献：
[1]张冬霞，冯良燃烧器发展简史[J].工业加热，2007，36(2)：41-44.
[2]黄志甲，张旭，胡国祥.金属纤维表面燃烧技术的研究与应用[J].工业加热，2002(2)：16-19.
[3]冯良，逯红梅，谭建新，等.大型金属纤维燃气红外辐射板的研究[J].上海煤气，2004(3)：11-16.
[4]要大荣，傅忠诚，潘树源，等.金属纤维燃烧器的燃烧特性研究[J].煤气与热力，2005，25(10)：1-3.
[5]仇中柱，李艽.金属纤维燃气红外线燃烧器在热水锅炉上的应用[J].上海电力学院学报，2006，22(2)：209-212.
[6]仇中柱，李苋.金属纤维燃烧器及其头部阻力特性分析[J].同济大学学报：自然科学版，2005，33(2)：217-220.