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金属纤维表面燃烧技术解析
日期：2015-07-11|作者：admin |人气：
随着我国“西气东输”工程的进展和人们环保意识的增强，气体燃料在我国能源结构中比重将有显著提高，预计天然气占我国一次能源消费比重将从!""" 年的不足 %-增加到 !"!" 年的 )"-.)/。同时燃气用户的结构也将发生变化，目前 %"-的燃气用于工业，("-是民用，但民用燃气的增幅有限，因此要增加天然气的消费量，有潜力的用户是工业，未来燃气中预计 ("-用于工业，%"-是民用，和现在的用户结构正好相反.!/。研究燃烧效率高，污染物排放低的燃气燃烧技术，对于提高民用燃气具的挡次，拓宽燃气在工业领域的应用都有重要的意义。燃气燃烧根据一次空气和燃气的混合情况可分为预混燃烧和扩散式燃烧（二次空气占 )""-，通过鼓风获得），预混燃烧又分大气式燃烧（一次空气占("-，通过燃气引射获得）和鼓风式燃烧（一次空气占 )，由风机鼓风获得）。大部分预混燃烧具有很薄的自由火焰（0122 03452），因为混合气体的传热不充分，所以化学反应在一个很窄的区域内进行，燃烧 室 的 其 它 空 间 不 发 生 化 学 反 应 ， 所 以 燃 烬 度（671898: ;4<2）和污染物排放量较高。在燃烧区域内加入导热系数和辐射率高的固体多孔介质材料可以改变这一缺陷，因此混合气体通过多孔介质的燃烧方式得到了关注和研究.%=$/。和自由火焰燃烧相比，多孔介质燃烧具有燃烬度高，燃烧稳定性好等优点012。预混气体通过多孔介质燃烧后，火焰呈表面均匀分布的特征，因此也称为表面燃烧。我国对陶瓷板表面燃烧进行过系统的研究03452，但其它形式的表面燃烧，如金属纤维表面燃烧技术的重视是从欧洲等国超低污染排放的两用机和锅炉进入我国市场时才开始的，因此我国目前对金属纤维表面燃烧技术的研究和应用是严重不足的。
工作原理和性能特点
表面燃烧是全预混（7889一次空气）燃烧方式的一种，一次空气的供给可以通过煤气引射，也可通过风机强制鼓风。引射式结构简单，成本低，但煤气压力波动对燃烧器的负荷及空燃比有较大的影响，而鼓风式的燃烧情况则不受煤气压力波动的影响。要想形成表面燃烧，除了空煤气全预混以外，还要有多孔表面。金属纤维表面燃烧技术就是由多孔介质材料——金属纤维而得名。金属纤维的主要成分是 ，还含有稀有金属 =（钇），具体成分见表 7。该材料具有耐高温（7 788 >）、抗氧化、机械强度高等优点。纤维表面均匀分布有很多气孔，因此具有很好的透气性。此外，该纤维的导热系数和辐射率都很高，有利于预混气体之间的传热，增加了燃烧化学反应的区域，使燃烧效率得以提高。
金属纤维表面燃烧的工作原理是：预混好的空煤气，进入燃烧器头部空腔，通过分流板，均匀渗透到金属纤维表面，火焰在金属纤维表面上燃烧，以辐射和对流的形式向外传热。燃烧器头部结构见图 7。
（7）两种燃烧状态
该燃烧器燃烧时可产生两种燃烧状态：辐射状态和蓝焰状态。当燃烧热强度F588 GH I ,6 时，火焰为辐射状态，燃烧在金属纤维里面进行，火焰是橙黄色，此时传热以辐射为主；当燃烧热强度J7 888 GH I,6 时，火焰呈蓝焰状态，燃烧在纤维表面上进行，传热以对流为主。利用不同的火焰状态，金属纤维燃烧器可以用在不同的领域。如在辐射状态，可以应用于干燥、烘烤等领域。在蓝焰状态可以用于工业加热和民用灶具、热水器、两用机、锅炉等方面。
（6）超低 KLM 排放
表面燃烧的 KLM 排放比其它燃烧形式低得多（F68N78O1），其原因可以从影响 KLM 生成的三个主要因素来分析，即燃气的燃烧温度，过剩氧浓度和混合气体在火焰区域停留的时间。
首先，金属纤维表面燃烧的火焰峰值温度较高，但在火焰面的后面，由于高温的燃烧产物和金属纤维存在强烈的对流换热，烟气温度迅速下降。KLM 生成反应所需的活化能高于燃气可燃成分与氧反应的活化能，故 KLM 的生成速度比燃烧反应的速度慢，而 KLM 的生成反应发生在火焰面的下游，但火焰面下游的温度迅速下降，不能形成局部的高温区，因此抑制了 KLM 的生成。
其次，由于采用全预混的燃烧方式，并且在不同调节比下空燃比可以控制，因此它可以在过剩空气系数很小的情况下达到完全燃烧，燃烧产物中过剩氧的浓度很低，导致 KLM 的生成量降低。后，由于全预混燃烧，并且金属纤维有利于传热，所以可燃气体的燃烧速度非常快，混合气体在高温区停留时间极为短暂，因此也导致了 KLM 生成量的降低。
（P）设计和操作的柔韧性
由于采用了金属纤维作为燃烧器头部，因此，燃烧器头部可以做成圆盘形、圆柱形、球形等各种形状；而且具有抗热震稳定性好、抗机械冲击能力强、无噪声、热惰性小、温度控制精确、维护简单等特点。
（Q）燃烧强度高
燃烧器的燃烧强度增加到一定程度时，气体喷出速度会大于火焰传播速度，此时发生脱火现象。但火焰的传播速度和空、煤气之间的质量传递关系密切。由于金属纤维强化了空、煤气之间的质量传递，其火焰传播速度高于普通的大气燃烧方式，所以它的燃烧强度大于大气式燃烧方式。同时燃烧强度的
增加有利于设备的小型化和降低成本。此外，它还有负荷调节比大、燃气的适应性强、燃烧效率高、!"排放低、燃烧稳定性好等特点。
关键技术研究
金属纤维表面燃烧技术具有超低污染物排放等优点，在欧洲等环保要求高的国家已进入实际应用阶段。但它们的燃烧器采用的是 $%&’(%) 的燃烧器头部，*+, 的风机，-&.(/(00 的比例阀，成本很高。如何结合中国的实际情况，在保证燃烧性能的条件下，采用国内的技术产品，降低成本，是研究中碰到的主要问题。关键技术的研究包括下述三个方面。
燃烧器头部的表面是金属纤维，里面是分流板，分流板的孔径和分布对燃烧器的阻力、燃烧强度和均匀性等有很大的影响，只有把头部的特性研究清楚，才能提出对风机的要求以及完成不同负荷燃烧器的设计。
图 1 是燃烧器系统性能特性曲线。图中环状平行的曲线是风机的性能曲线，表示风机叶轮在不同转速（电机的不同输入电压）下，风机风压和风量之间的关系。与风机特性曲线相交的是燃烧器头部的阻力特性曲线，表示在不同的分流板（孔径不同）下，头部风压和风量之间的关系。从图 1 可以看出，不同的头部，其阻力特性相差较大，也就是说，不同头部的燃烧强度相差很大。头部特性曲线和风机特性曲线的交点是燃烧器的工作点。根据工作点对应的风量，由空燃比计算出燃气量，再根据阀门的特性，确定开阀电流，可以完成对空燃比的控制。
大气式燃烧是通过煤气引射空气，金属纤维燃烧器是通过空气引射煤气，而且混气管还有两种放置方式，见图 #。一种是放在风机的前面（图 #2），另一种是放在风机的后面 （图 #3）。前置式的混气方
式，空、煤气在混气管中混合后进入风机，风机叶轮的旋转使空、煤气进一步混合，因此，空、煤气混合充分，同时前置式混气管的结构也较为简单。后置式混气方式，空、煤气的混合仅在混气管中进行，因此对混气管的设计要求较高。
空燃比的大小直接影响燃烧效率及污染物排放，因此控制空燃比是控制燃烧的关键。很多燃烧器在燃烧时空气量和煤气量保持不变，即燃烧器的负荷不变，或称一段火。调节性能好的为三段火，即该类燃烧器能保证在大、中、小三种负荷下的空燃比稳定。但金属纤维燃烧器能在负荷调节范围内无级调节。
大气式燃烧器负荷调节是通过调节煤气量来控制引射的空气量，而金属纤维燃烧器是通过调节空气量来控制煤气量。金属纤维燃烧器在负荷调节时，控制煤气量的比例阀有两种（图 4），一种是气动比例阀，另一种是电动比例阀。
金属纤维燃烧器的风机使用直流无刷电机，转速可在 ! 之间无级调节，当电机的输入电压发生变化时，叶轮的转速变化，风机的风量变化，相应的风压也发生变化，风压的变化通过压力传感器传到气动比例阀，气动比例阀根据风压变化确定阀门的开度，完成在不同负荷下空燃比的控制（图 *+）。电动比例阀在负荷调节时，空燃比的控制需要在控制系统的单片机上设置控制程序，程序包括电机输入电压和风量的关系 （由系统特性实验获得），煤气比例阀开阀电流与流量的关系，空燃比的设定值等。空燃比控制的输入项为电机电压，输出项为开阀电流（图 *,）。由此可见：气动比例阀的空燃比控制过程简单，但成本较高，电动比例阀与它相反。
应 用
鉴于我国商用中餐燃气炒菜灶的热效率低和污染物排放量高的问题，结合中餐燃气炒菜灶的特点，本文把金属纤维燃烧技术应用于中餐燃气炒菜灶，上海市燃气具检测中心对本文研制的整机进行了检测，检测的主要结果见表 -，为了便于比较，普通的中餐炒菜灶的数据也列在表 - 中。
结 论
金属纤维表面燃烧技术符合节能和环保的要求，是燃气燃烧的发展方向。
全预混和表面多孔材料是实现表面燃烧的两个先决条件。
燃烧器系统特性、混气装置和空燃比的控制是金属纤维表面燃烧的关键技术。
金属纤维燃烧技术应用在中餐炒菜灶上，可以把灶具的热效率从 -"4提高到 *!4，主要污染物的排放减少 :"4以上，燃烧无噪音，负荷调节比大，并能无级调节。
金属纤维燃烧技术不仅可以用在民用燃气具上，它更有应用于干燥、烘烤和工业加热等领域的优势。
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