引言
20世纪七十年代，英国学者Weinberg提出了超焓绝热燃烧的概念，其分析指出该燃烧工况的实现依赖于能否将产物的热量通过燃烧系统传输到冷的反应物流中，形成总体上热量“零损失”的燃烧过程。随后多孔介质燃烧的研究进入实质性阶段，国内外学者进行了材料特性、阻力特性、换热特性、燃烧稳定性、燃烧速率、辐射输出与污染物排放等方面的研究。 与此同时，新的多孔介质材料金属纤维在燃烧领域的应用，将多孔介质燃烧技术与表面燃烧技术相结合，开始广泛进入国内外燃烧器研究范围。金属纤维燃烧器相比一般的陶瓷材料多孔介质燃烧器在工作原理上具有一致性，但在燃烧特性上又具有一些差别，诸多国内外研究表明，其独特的快速反应性、快速冷却性、形状可变性、热膨胀的可控性、红外线辐射、热效率、氮化物排放量方面具备更强的适应性。该类型燃烧器的出现，对食品烘干、纸张干燥、沥青路面加热、纺织以及大锅灶、热水器等行业具有巨大推动作用，存在广阔的市场前景。 金属纤维燃烧器工作原理 预混好的燃气空气混合物流经分流板，遇到金属纤维下表面后渗透进入。当气流达到着火温度后进行燃烧反应，火焰锚定于金属纤维表面或内部，从而以辐射和对流换热方式向外传热。若燃气和空气混合得比较好，燃烧将在金属纤维内部稳定进行，来流气体对金属纤维下表面不断冲刷起到冷却作用，并与传播速率达到平衡。 燃烧器可根据需要调节成两种不同的工作状态：纤维内部进行的红外辐射方式、纤维表面上进行的蓝焰燃烧方式。火焰存于纤维内部时，纤维被加热到白炽状态，热量主要以辐射方式释放到外界环境；当来气速率较高，在脱火极限内，将火焰推至纤维表面时，火焰变为蓝色，呈波浪形浮于纤维表面，此时热量主要以对流换热方式进行释放。 金属纤维燃烧器优势 1 两种燃烧状态 低负载时，燃烧在金属纤维内产生，对外传热以辐射为主。高负载下，火焰会浮在在金属纤维表面上，对外传热转为以对流为主。由于不同工况下有着不同的燃烧状态，金属纤维表面燃烧器可以应用于不同行业领域。 2 超低NOx排放 一般来说，天然气燃烧过程中主要生成的是热力型氮氧化物。而为了降低热力型NOx排放量，可以从三个方面着手：减小炉膛内的局部高温区、降低炉膛内的过剩氧气系数以及缩短混合气体在炉膛内的停留时间。 首先，由于金属纤维燃烧头的均流作用，炉膛内火焰分布非常均匀。同时燃烧后烟气与金属纤维存在着强烈的对流换热，出口烟气温度迅速下降，炉膛中不存在局部高温区。因此热力型氮氧化物的生成被极大地抑制。其次，由于表面燃烧器采用全预混的燃烧方式，并且在不同负载下空燃比可以随之调整，所以整个过程中过剩空气系数非常低，快速型氮氧化物的生成得到了抑制。最后，由于全预混表面燃烧燃烧速度快，混合气体在炉膛停留时间极为短暂，这也导致了氮氧化物生成量的减少。 3 机身结构紧凑 预混气体在多孔介质孔隙中完成燃烧，火焰高度较扩散式燃烧而言极短，整体炉膛尺寸较小。同时金属纤维燃烧头可以配合工程需要加工成各类形状，进一步使得机身结构紧凑化。 4 燃烧强度高 普通燃气燃烧器的负载增加到一定程度，气体喷出速度会超过火焰速度，发生脱火现象。而由于金属纤维对于气体的扰流作用，强化了空气与燃气的质量传递，造成其火焰传播速度远远超过传统扩散式燃烧，燃烧强度大大提高。高燃烧强度有利于减小设备体积与使用成本。 金属纤维燃烧器排放和燃烧稳定性研究 安文旗等人研究了烟气再循环对金属纤维表面燃烧器燃烧稳定性的影响 如图2所示，随烟气再循环率逐渐增大，金属纤维表面燃烧器周围火焰由蓝焰逐渐变为底部蓝焰上部黄焰的状态，黄焰的长度增加且出现波动，最终火焰出现振幅较大的波动型震动，进而炉膛震动，火焰吹熄。在图3中，随着负荷的增大，出现炉膛震动的烟气再循环率极限值逐渐提高。负荷46%时，烟气再循环率增加至9%即开始出现炉膛震动，炉膛内火焰抖动，不完全燃烧加剧，检测到烟气中CO质量浓度急剧增大。高负荷时，表面金属纤维面积热强度更大，提高了火焰温度，有助于稳定火焰。烟气再循环使得助燃气体氧含量降低影响了燃烧稳定性。此外，本实验中发现，外部烟气再循环通过外部管道将炉膛内的压力波动传递给了助燃空气，加剧了燃烧器火焰的波动，进而造成燃烧不稳定。