全預(yù)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(duì)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(yù)混金屬纖維燃燒器的機(jī)理和特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：全預(yù)混式燃燒；金屬纖維燃燒器；金屬纖維氈；部分預(yù)
摘要：介紹了燃燒器的歷史變革，分析對(duì)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(yù)混金屬纖維燃燒器的機(jī)理和特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：全預(yù)混式燃燒；金屬纖維燃燒器；金屬纖維氈；部分預(yù)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(lái)，我國(guó)對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，而能耗的降低，不僅需要在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格把控，更需要采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和配套的節(jié)能設(shè)備。在各個(gè)行業(yè)，燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程都離不開(kāi)燃燒器，因此，各種高效燃燒器的開(kāi)發(fā)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
    由于氣體的導(dǎo)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(guò)多等缺點(diǎn)。而多孔介質(zhì)中的預(yù)混燃燒方式是一種燃燒途徑完全不同、新穎而獨(dú)特的燃燒技術(shù)，是氣體混合物在耐高溫、導(dǎo)熱性能好的特殊多孔介質(zhì)材料里燃燒的過(guò)程。預(yù)混燃燒方式在空氣過(guò)剩系數(shù)較小的條件下，可達(dá)到完全燃燒，C0和N0x的排放量很小，并能均勻地以對(duì)流、輻射方式進(jìn)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?fàn)t煤氣用于照明，人們由此認(rèn)識(shí)了擴(kuò)散式燃燒；1855年，本生發(fā)明本生燈，大氣式燃燒進(jìn)入了人們的視野。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，人們逐漸掌握了各種燃燒方式的特點(diǎn)，燃燒器在理論及結(jié)構(gòu)上也都發(fā)生了深刻的革，很大程度上促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展[1]。為滿足不工藝的需求，人們通過(guò)控制燃?xì)馀c空氣的速度與向，得到各種形狀的火焰，如平板型、碟型、長(zhǎng)型、鉛筆型。20世紀(jì)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(shè)計(jì)與發(fā)展的腳步乎要放慢了，但環(huán)保的要求又使人們開(kāi)始了對(duì)N0x燃燒器的開(kāi)發(fā)。目前國(guó)內(nèi)外已采用的多種N0x燃燒器，其抑制原理大都是采用促進(jìn)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(diǎn)
   ① 擴(kuò)散式燃燒
   這是一種最簡(jiǎn)單的燃燒方式。燃燒之前，燃不與空氣混合，燃?xì)庾曰鹂琢鞒龊?，靠擴(kuò)散作用與氣混合進(jìn)行燃燒。該燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、容點(diǎn)火、不會(huì)回火、燃燒穩(wěn)定及燃具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)對(duì)于空氣需求量大的高熱值燃?xì)?天然氣、液化油氣)，靠層流擴(kuò)散達(dá)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(kuò)散式燃燒方式。但是，層流擴(kuò)散式燃燒方式也有其不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，如穩(wěn)定性較高，沒(méi)有回火，不容易離焰。由于燃燒過(guò)程中溫度不高，氧氣濃度低，不具備產(chǎn)生N0x的條件，其燃燒產(chǎn)物中幾乎沒(méi)有N0x，但是在這種條件下，卻容易產(chǎn)生C0，因此采用這種燃燒方式時(shí)，必須有足夠的燃燒空間。目前我國(guó)還有不少地區(qū)使用低熱值人工煤氣，如果采用部分預(yù)混式燃燒方式，火焰不能達(dá)到穩(wěn)定，可以考慮采用擴(kuò)散式燃燒方式。
    強(qiáng)制鼓風(fēng)擴(kuò)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?xì)饣旌希苊猱a(chǎn)生大量的N0x與C0。
   ② 部分預(yù)混式燃燒
   部分預(yù)混式燃燒習(xí)慣上又稱大氣式燃燒。與擴(kuò)散式燃燒相比，部分預(yù)混式燃燒具有燃燒完全、火焰短、熱強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，但是這種燃燒方式呵能產(chǎn)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(nèi)可以調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。部分預(yù)混式燃燒在民用燃具中得到了廣泛應(yīng)用，這是由于其燃燒產(chǎn)物中C0較少，充分利用了燃?xì)庾陨淼膲毫εc空氣混合，燃具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
    引射型大氣式燃燒器用于工業(yè)時(shí)，由于工業(yè)要求熱負(fù)荷大，所以引射器的體積也比較龐大，在安裝與維護(hù)方面都會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，因此大工業(yè)爐一般不采用此種形式的燃燒器。
    部分預(yù)混式燃燒最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了層流擴(kuò)散燃燒方式燃燒不完全的特點(diǎn)。民用燃具的熱負(fù)荷不高，完全可以靠燃?xì)鈮毫νㄟ^(guò)引射器吸入足夠的部分空氣進(jìn)行大氣式燃燒。同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫?lái)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，并且在不同的熱負(fù)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(yīng)用于民用燃具。
    部分預(yù)混式燃燒也有以下缺點(diǎn)：a.需要組織好二次空氣，需要足夠的二次空氣進(jìn)口面積及必要的爐膛高度，所以很難減小燃燒設(shè)備的體積。b.燃燒產(chǎn)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(dá)到C0與N0x含量都降低的效果。
   ③ 全預(yù)混式燃燒
   將燃燒所需空氣全部混入燃?xì)庠龠M(jìn)行燃燒的全預(yù)混式燃燒，其特點(diǎn)是火焰短，附著于燃燒表面，甚至看不到火焰，故也稱作無(wú)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(wǎng)作為穩(wěn)焰載體，達(dá)到穩(wěn)焰的效果。工業(yè)燃具中，熱負(fù)荷小的燃具與民用燃具相同，采用多孔陶瓷板，熱負(fù)荷大的燃具則多采用單火道及多火道進(jìn)行穩(wěn)焰。
    全預(yù)混式燃燒的優(yōu)點(diǎn)：燃燒強(qiáng)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(qiáng)度與體積熱強(qiáng)度，可縮小燃燒設(shè)備體積；火焰面可以靠近熱交換器，增大傳熱系數(shù)；燃燒產(chǎn)物中C0及N0x含量都比較低。
    全預(yù)混式燃燒的缺點(diǎn)及特殊的技術(shù)要求：當(dāng)熱負(fù)荷較大時(shí)，無(wú)法利用燃?xì)庾陨韷毫νㄟ^(guò)引射器吸入空氣，需要有保證燃?xì)馀c空氣混合比例的裝置，并且維持此比例不受熱負(fù)荷變化的影響；應(yīng)有可靠的避免離焰、回火的穩(wěn)焰措施，必要時(shí)需要冷卻頭部，防止回火。
4 全預(yù)混金屬纖維燃燒器
    ① 全預(yù)混燃燒器的發(fā)展史
    基于全預(yù)混燃燒器燃燒特性的優(yōu)勢(shì)，很多科研人員對(duì)全預(yù)混燃燒器進(jìn)行了廣泛的研究。燃燒器的燃燒表面目前主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：多孔陶瓷板和雙金屬網(wǎng)，二者也可聯(lián)合應(yīng)用。
    1996年德國(guó)人開(kāi)始采用耐熱抗高溫氧化的合金絲網(wǎng)和纖維氈作為燃燒器表面進(jìn)行試驗(yàn)，采用添加稀土的合金，抗氧化和耐熱溫度可達(dá)1200℃。經(jīng)過(guò)幾年的研究，一種以金屬纖維材料作為燃燒表面的全預(yù)混燃燒器成功面世。
   ② 主要研究成果
   全預(yù)混金屬纖維燃燒器憑借其較大的優(yōu)越性，已經(jīng)在國(guó)外得到應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有人研究將其應(yīng)用于中餐灶，但如何將其應(yīng)用于工業(yè)燃燒器目前還未有人涉及。
    隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有國(guó)內(nèi)企業(yè)可以生產(chǎn)專用于燃燒的金屬纖維氈。全預(yù)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(lèi)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(jī)械強(qiáng)度。金屬纖維氈的孔隙直徑遠(yuǎn)小于燃?xì)獾南ɑ鹁嚯x，且編織時(shí)其長(zhǎng)纖維位于同一平面，因此橫向熱傳導(dǎo)性好，燃燒器工作時(shí)表面容易燒紅；另一方面，金屬纖維氈在垂直方向上是長(zhǎng)纖維的點(diǎn)接觸，因此在氣流方向上以長(zhǎng)纖維的接觸傳熱為主，熱導(dǎo)率相對(duì)較小，即使金屬纖維氈表面溫度達(dá)到近1000℃時(shí)，未燃?xì)怏w側(cè)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(zhì)材料[3]。同時(shí)由于燃燒表面的纖維結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)焰性能遠(yuǎn)高于其他材料，因此可以實(shí)現(xiàn)燃燒以兩種方式進(jìn)行：紅外輻射方式和藍(lán)焰方式[4]。藍(lán)焰方式是可燃?xì)怏w混合物在金屬纖維氈上方燃燒，火焰呈藍(lán)色浮在表面上，熱量以對(duì)流方式釋放。
    雖然金屬纖維氈解決了全預(yù)混燃燒方式易回火、燃燒不穩(wěn)定的問(wèn)題，但由于材料本身的柔軟特性，在燃燒時(shí)強(qiáng)度不夠，容易產(chǎn)生塌陷。因此必須給燃燒表面設(shè)計(jì)必要的支撐結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)不能對(duì)燃燒頭部的阻力、燃燒強(qiáng)度和均勻性產(chǎn)生影響。由于金屬纖維氈未燃?xì)怏w側(cè)溫度較低，支撐結(jié)構(gòu)位于此側(cè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較高溫度，壽命較長(zhǎng)。
    金屬纖維氈的結(jié)構(gòu)主要以纖維絲為主，支撐結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)材料，從安全的角度考慮，必須要完成二者的密封結(jié)合，防止氣體泄漏。傳統(tǒng)的機(jī)械密封方式和氬弧焊、C02保護(hù)焊均不能實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)得知，使用滾壓焊可以實(shí)現(xiàn)二者的密封結(jié)合。
    燃燒頭部的混氣裝置選用工頻離心風(fēng)機(jī)將空氣送入混氣管中，空氣與燃?xì)獾幕旌蠚馔ㄟ^(guò)旋流片進(jìn)入燃燒頭。
    為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，選用比例閥控制及燃燒控制系統(tǒng)，使其具備預(yù)吹掃、自動(dòng)點(diǎn)火、火焰檢測(cè)、熄火保護(hù)報(bào)警、燃?xì)飧叩蛪罕Ｗo(hù)、風(fēng)機(jī)故障保護(hù)、負(fù)荷可調(diào)等功能。燃燒器的工作原理見(jiàn)圖1。
 

5 全預(yù)混金屬纖維燃燒器的應(yīng)用和特點(diǎn)
    全預(yù)混金屬纖維燃燒器可廣泛用于餅干、蔬菜、鰻魚(yú)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(shè)備，紅外線灶具，冷凝鍋爐，熱水器等行業(yè)[5]。全預(yù)混金屬纖維燃燒器具有以下特點(diǎn)[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(chǎn)物的排放濃度低。由于全預(yù)混燃燒的過(guò)量空氣系數(shù)小，燃燒釋放的熱量通過(guò)輻射與對(duì)流方式被迅速帶走，降低了火焰溫度，所以相對(duì)于其他燃燒器，金屬纖維燃燒器具有更低的N0x排放量。全預(yù)混和多孔介質(zhì)的表面燃燒方式保證了小過(guò)量空氣系數(shù)下的完全燃燒，C0等不完全燃燒產(chǎn)物的排放濃度低。
    ② 節(jié)能。金屬纖維燃燒器的全預(yù)混燃燒方式燃燒完全，燃燒器效率高；金屬纖維燃燒器的過(guò)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(zhì)孔隙的細(xì)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(qiáng)，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(jī)械強(qiáng)度。
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(本文作者：王振興 廖雄 楊俊杰 新奧能源服務(wù)有限公司 河北廊坊 065001)