全預混金屬纖維燃燒器的研究

摘 要

摘要：介紹了燃燒器的歷史變革，分析對比了各種燃燒方式，探討了以金屬纖維氈為燃燒表面的全預混金屬纖維燃燒器的機理和特點。關鍵詞：全預混式燃燒；金屬纖維燃燒器；金屬纖維氈；部分預
摘要：介紹了燃燒器的歷史變革，分析對比了各種燃燒方式，探討了以金屬纖維氈為燃燒表面的全預混金屬纖維燃燒器的機理和特點。
關鍵詞：全預混式燃燒；金屬纖維燃燒器；金屬纖維氈；部分預混式燃燒
Study on Pre-aerated Metal Fiber Burner
WANG Zhenxing，LIAO Xiong，YANG Junjie
Abstract：The historic evolution of burner is introduced，and the difierent combustion modes are analyzed and compared.The mechanism and characteristics of pre-aerated metal fiber burner using metal fiber felt as combustion surface are discussed.
Key words：pre-aerated combustion；metal fiber burner；metal fiber felt；partially-aerated combustion
1 概述
    近年來，我國對節(jié)能減排的要求越來越高，而能耗的降低，不僅需要在生產過程中嚴格把控，更需要采用先進的節(jié)能技術和配套的節(jié)能設備。在各個行業(yè)，燃料化學能轉化為熱能的過程都離不開燃燒器，因此，各種高效燃燒器的開發(fā)成為關注的焦點。
    由于氣體的導熱性能和輻射性能較差，傳統(tǒng)的以自由火焰為特征的燃燒，不可避免地具有溫度分布不均、燃燒區(qū)域狹小、污染物排放過多等缺點。而多孔介質中的預混燃燒方式是一種燃燒途徑完全不同、新穎而獨特的燃燒技術，是氣體混合物在耐高溫、導熱性能好的特殊多孔介質材料里燃燒的過程。預混燃燒方式在空氣過剩系數(shù)較小的條件下，可達到完全燃燒，C0和N0x的排放量很小，并能均勻地以對流、輻射方式進行傳熱，熱效率較高。
2 燃燒器的歷史變革
    1792年，蘇格蘭人默克多第一次把焦爐煤氣用于照明，人們由此認識了擴散式燃燒；1855年，本生發(fā)明本生燈，大氣式燃燒進入了人們的視野。經過100多年的發(fā)展，人們逐漸掌握了各種燃燒方式的特點，燃燒器在理論及結構上也都發(fā)生了深刻的革，很大程度上促進了工業(yè)的發(fā)展[1]。為滿足不工藝的需求，人們通過控制燃氣與空氣的速度與向，得到各種形狀的火焰，如平板型、碟型、長型、鉛筆型。20世紀末期，大部分工業(yè)操作的靈活性熱量需要得到了滿足，燃燒器設計與發(fā)展的腳步乎要放慢了，但環(huán)保的要求又使人們開始了對N0x燃燒器的開發(fā)。目前國內外已采用的多種N0x燃燒器，其抑制原理大都是采用促進混合、分火焰、煙氣再循環(huán)、階段燃燒、濃淡燃燒以及它們組合形式。紅外線輻射燃燒器則是另外一種在接正常比例或高火焰溫度下，仍具有極低的N0x排性能的燃燒器。
3 各種燃燒方式的特點
   ① 擴散式燃燒
   這是一種最簡單的燃燒方式。燃燒之前，燃不與空氣混合，燃氣自火孔流出后，靠擴散作用與氣混合進行燃燒。該燃燒方式的優(yōu)點是簡單、容點火、不會回火、燃燒穩(wěn)定及燃具結構簡單。缺點對于空氣需求量大的高熱值燃氣(天然氣、液化油氣)，靠層流擴散達不到完全燃燒；煙氣中C0含量比較高，燃具體積比較大。因此，民用燃具大都淘汰了擴散式燃燒方式。但是，層流擴散式燃燒方式也有其不可忽視的優(yōu)點，如穩(wěn)定性較高，沒有回火，不容易離焰。由于燃燒過程中溫度不高，氧氣濃度低，不具備產生N0x的條件，其燃燒產物中幾乎沒有N0x，但是在這種條件下，卻容易產生C0，因此采用這種燃燒方式時，必須有足夠的燃燒空間。目前我國還有不少地區(qū)使用低熱值人工煤氣，如果采用部分預混式燃燒方式，火焰不能達到穩(wěn)定，可以考慮采用擴散式燃燒方式。
    強制鼓風擴散燃燒方式多用于工業(yè)爐中的工業(yè)燃燒器。采用這種燃燒方式需要合理地組織空氣與燃氣混合，避免產生大量的N0x與C0。
   ② 部分預混式燃燒
   部分預混式燃燒習慣上又稱大氣式燃燒。與擴散式燃燒相比，部分預混式燃燒具有燃燒完全、火焰短、熱強度大的優(yōu)點，但是這種燃燒方式呵能產生回火、離焰與脫火，在控制好一次空氣的條件下，能具有一定范圍的不離焰、不回火的穩(wěn)定火焰區(qū)，在此區(qū)內可以調節(jié)熱負荷。部分預混式燃燒在民用燃具中得到了廣泛應用，這是由于其燃燒產物中C0較少，充分利用了燃氣自身的壓力與空氣混合，燃具結構簡單，操作方便。
    引射型大氣式燃燒器用于工業(yè)時，由于工業(yè)要求熱負荷大，所以引射器的體積也比較龐大，在安裝與維護方面都會產生問題，因此大工業(yè)爐一般不采用此種形式的燃燒器。
    部分預混式燃燒最大的優(yōu)點是改善了層流擴散燃燒方式燃燒不完全的特點。民用燃具的熱負荷不高，完全可以靠燃氣壓力通過引射器吸入足夠的部分空氣進行大氣式燃燒。同時可以通過調節(jié)燃氣壓力來調節(jié)熱負荷，并且在不同的熱負荷下，一次空氣系數(shù)變化不大。因此，引射型大氣式燃燒器能夠廣泛應用于民用燃具。
    部分預混式燃燒也有以下缺點：a.需要組織好二次空氣，需要足夠的二次空氣進口面積及必要的爐膛高度，所以很難減小燃燒設備的體積。b.燃燒產物中N0x含量較高，采取措施后，N0x含量降低，而C0含量升高，很難達到C0與N0x含量都降低的效果。
   ③ 全預混式燃燒
   將燃燒所需空氣全部混入燃氣再進行燃燒的全預混式燃燒，其特點是火焰短，附著于燃燒表面，甚至看不到火焰，故也稱作無焰式燃燒[2]。這種燃燒方式的穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定燃燒的范圍較小，必須采用防止離焰與回火的穩(wěn)焰措施。民用燃具中的紅外線輻射器和灶具就是采用多孔陶瓷板或雙金屬網作為穩(wěn)焰載體，達到穩(wěn)焰的效果。工業(yè)燃具中，熱負荷小的燃具與民用燃具相同，采用多孔陶瓷板，熱負荷大的燃具則多采用單火道及多火道進行穩(wěn)焰。
    全預混式燃燒的優(yōu)點：燃燒強度大，火焰短，可以降低爐膛高度；不需要二次空氣，省去了二次空氣的入口面積；具有較大的面積熱強度與體積熱強度，可縮小燃燒設備體積；火焰面可以靠近熱交換器，增大傳熱系數(shù)；燃燒產物中C0及N0x含量都比較低。
    全預混式燃燒的缺點及特殊的技術要求：當熱負荷較大時，無法利用燃氣自身壓力通過引射器吸入空氣，需要有保證燃氣與空氣混合比例的裝置，并且維持此比例不受熱負荷變化的影響；應有可靠的避免離焰、回火的穩(wěn)焰措施，必要時需要冷卻頭部，防止回火。
4 全預混金屬纖維燃燒器
    ① 全預混燃燒器的發(fā)展史
    基于全預混燃燒器燃燒特性的優(yōu)勢，很多科研人員對全預混燃燒器進行了廣泛的研究。燃燒器的燃燒表面目前主要有兩種結構形式：多孔陶瓷板和雙金屬網，二者也可聯(lián)合應用。
    1996年德國人開始采用耐熱抗高溫氧化的合金絲網和纖維氈作為燃燒器表面進行試驗，采用添加稀土的合金，抗氧化和耐熱溫度可達1200℃。經過幾年的研究，一種以金屬纖維材料作為燃燒表面的全預混燃燒器成功面世。
   ② 主要研究成果
   全預混金屬纖維燃燒器憑借其較大的優(yōu)越性，已經在國外得到應用，近年來國內也有人研究將其應用于中餐灶，但如何將其應用于工業(yè)燃燒器目前還未有人涉及。
    隨著技術的發(fā)展，已經有國內企業(yè)可以生產專用于燃燒的金屬纖維氈。全預混金屬纖維燃燒器采用這種耐熱的金屬纖維氈作為燃燒輻射表面，這種金屬纖維氈類似粗麻布一樣柔軟，可以自由加工成各種形狀的輻射面，具有很高的機械強度。金屬纖維氈的孔隙直徑遠小于燃氣的熄火距離，且編織時其長纖維位于同一平面，因此橫向熱傳導性好，燃燒器工作時表面容易燒紅；另一方面，金屬纖維氈在垂直方向上是長纖維的點接觸，因此在氣流方向上以長纖維的接觸傳熱為主，熱導率相對較小，即使金屬纖維氈表面溫度達到近1000℃時，未燃氣體側的溫度與混合氣溫度仍然很接近，能有效防止回火，因而金屬纖維氈是一種非常理想的表面燃燒介質材料[3]。同時由于燃燒表面的纖維結構，其穩(wěn)焰性能遠高于其他材料，因此可以實現(xiàn)燃燒以兩種方式進行：紅外輻射方式和藍焰方式[4]。藍焰方式是可燃氣體混合物在金屬纖維氈上方燃燒，火焰呈藍色浮在表面上，熱量以對流方式釋放。
    雖然金屬纖維氈解決了全預混燃燒方式易回火、燃燒不穩(wěn)定的問題，但由于材料本身的柔軟特性，在燃燒時強度不夠，容易產生塌陷。因此必須給燃燒表面設計必要的支撐結構，且該結構不能對燃燒頭部的阻力、燃燒強度和均勻性產生影響。由于金屬纖維氈未燃氣體側溫度較低，支撐結構位于此側時不會產生較高溫度，壽命較長。
    金屬纖維氈的結構主要以纖維絲為主，支撐結構為鋼質材料，從安全的角度考慮，必須要完成二者的密封結合，防止氣體泄漏。傳統(tǒng)的機械密封方式和氬弧焊、C02保護焊均不能實現(xiàn)二者的結合，經過大量的試驗得知，使用滾壓焊可以實現(xiàn)二者的密封結合。
    燃燒頭部的混氣裝置選用工頻離心風機將空氣送入混氣管中，空氣與燃氣的混合氣通過旋流片進入燃燒頭。
    為了滿足實際應用的需要，選用比例閥控制及燃燒控制系統(tǒng)，使其具備預吹掃、自動點火、火焰檢測、熄火保護報警、燃氣高低壓保護、風機故障保護、負荷可調等功能。燃燒器的工作原理見圖1。
 

5 全預混金屬纖維燃燒器的應用和特點
    全預混金屬纖維燃燒器可廣泛用于餅干、蔬菜、鰻魚等食品干燥，物料解凍，采暖保溫，玻璃及金屬材料的退火，織物紙張的干燥，涂料固化，瀝青路面熱再生，烘烤設備，紅外線灶具，冷凝鍋爐，熱水器等行業(yè)[5]。全預混金屬纖維燃燒器具有以下特點[6]：
    ① 污染物排放低。金屬纖維燃燒器的N0x、C0等不完全燃燒產物的排放濃度低。由于全預混燃燒的過量空氣系數(shù)小，燃燒釋放的熱量通過輻射與對流方式被迅速帶走，降低了火焰溫度，所以相對于其他燃燒器，金屬纖維燃燒器具有更低的N0x排放量。全預混和多孔介質的表面燃燒方式保證了小過量空氣系數(shù)下的完全燃燒，C0等不完全燃燒產物的排放濃度低。
    ② 節(jié)能。金屬纖維燃燒器的全預混燃燒方式燃燒完全，燃燒器效率高；金屬纖維燃燒器的過量空氣系數(shù)小，在同樣的排煙溫度下，排煙損失小。
    ③ 安全性高。金屬纖維介質孔隙的細密性決定了金屬纖維燃燒器的回火傾向性極低。另外，金屬纖維的抗腐蝕性強，抗熱沖擊性能高，熱惰性小，能被很快地加熱和冷卻。金屬纖維載體比多孔陶瓷板牢固，不怕冷水，有一定的機械強度。
參考文獻：
[1] 張冬霞，馮良燃燒器發(fā)展簡史[J].工業(yè)加熱，2007，36(2)：41-44.
[2] 黃志甲，張旭，胡國祥.金屬纖維表面燃燒技術的研究與應用[J].工業(yè)加熱，2002(2)：16-19.
[3] 馮良，逯紅梅，譚建新，等.大型金屬纖維燃氣紅外輻射板的研究[J].上海煤氣，2004(3)：11-16.
[4] 要大榮，傅忠誠，潘樹源，等.金屬纖維燃燒器的燃燒特性研究[J].煤氣與熱力，2005，25(10)：1-3.
[5] 仇中柱，李艽.金屬纖維燃氣紅外線燃燒器在熱水鍋爐上的應用[J].上海電力學院學報，2006，22(2)：209-212.
[6] 仇中柱，李莧.金屬纖維燃燒器及其頭部阻力特性分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2005，33(2)：217-220.
 
(本文作者：王振興 廖雄 楊俊杰 新奧能源服務有限公司 河北廊坊 065001)