20世紀七十(shi)年代(dai),英(ying)國學(xue)者Weinberg提(ti)出了(le)超焓絕熱燃燒(shao)(shao)(shao)的概(gai)念,其分(fen)析指(zhi)出該燃燒(shao)(shao)(shao)工況的實(shi)現(xian)依賴于(yu)能否將(jiang)產物的熱量通過燃燒(shao)(shao)(shao)系統(tong)傳(chuan)輸(shu)到冷(leng)的反(fan)應物流(liu)中(zhong),形成總(zong)體上熱量“零損失(shi)”的燃燒(shao)(shao)(shao)過程。隨后多孔(kong)介質燃燒(shao)(shao)(shao)的研究進入實(shi)質性(xing)(xing)階段,國內(nei)外學(xue)者進行了(le)材料特(te)性(xing)(xing)、阻力特(te)性(xing)(xing)、換熱特(te)性(xing)(xing)、燃燒(shao)(shao)(shao)穩(wen)定性(xing)(xing)、燃燒(shao)(shao)(shao)速(su)率(lv)、輻(fu)射輸(shu)出與污染物排放等(deng)方面的研究。
與此同(tong)時(shi),新的(de)(de)多孔介質(zhi)材(cai)料金屬(shu)纖維(wei)在燃燒(shao)領域的(de)(de)應(ying)用(yong),將多孔介質(zhi)燃燒(shao)技術(shu)(shu)與表面燃燒(shao)技術(shu)(shu)相(xiang)(xiang)結合(he),開(kai)始廣泛進入國內外燃燒(shao)器(qi)(qi)研究范圍(wei)。金屬(shu)纖維(wei)燃燒(shao)器(qi)(qi)相(xiang)(xiang)比一般的(de)(de)陶(tao)瓷材(cai)料多孔介質(zhi)燃燒(shao)器(qi)(qi)在工(gong)作原理(li)上具有(you)一致性,但(dan)在燃燒(shao)特性上又具有(you)一些差別,諸多國內外研究表明,其(qi)獨特的(de)(de)快(kuai)速(su)反應(ying)性、快(kuai)速(su)冷(leng)卻性、形狀可(ke)變性、熱(re)膨(peng)脹的(de)(de)可(ke)控性、紅外線輻射、熱(re)效(xiao)率、氮化物排放量方(fang)面具備更(geng)強(qiang)的(de)(de)適(shi)應(ying)性。該類型燃燒(shao)器(qi)(qi)的(de)(de)出現,對食(shi)品烘干、紙張干燥、瀝(li)青路(lu)面加熱(re)、紡織以及大(da)鍋灶、熱(re)水器(qi)(qi)等行業(ye)具有(you)巨大(da)推動作用(yong),存(cun)在廣闊(kuo)的(de)(de)市場前景。
金屬纖維燃燒器工作原理
預混好的(de)燃(ran)氣(qi)空(kong)氣(qi)混合物(wu)流(liu)(liu)(liu)經分流(liu)(liu)(liu)板,遇到金(jin)屬纖(xian)(xian)維下表(biao)面后滲(shen)透進(jin)(jin)入。當氣(qi)流(liu)(liu)(liu)達到著火(huo)溫度后進(jin)(jin)行(xing)燃(ran)燒(shao)反應,火(huo)焰錨定(ding)于金(jin)屬纖(xian)(xian)維表(biao)面或(huo)內(nei)部,從(cong)而以輻射和對流(liu)(liu)(liu)換熱方式向外傳(chuan)熱。若(ruo)燃(ran)氣(qi)和空(kong)氣(qi)混合得(de)比(bi)較好,燃(ran)燒(shao)將在金(jin)屬纖(xian)(xian)維內(nei)部穩定(ding)進(jin)(jin)行(xing),來流(liu)(liu)(liu)氣(qi)體對金(jin)屬纖(xian)(xian)維下表(biao)面不斷沖刷起到冷卻作用,并與傳(chuan)播速率達到平衡。
燃燒器可根據需要調節成兩種不同的工作狀態:纖維內部進行的紅外輻射方式、纖維表面上進行的藍焰燃燒方式。火焰存于纖維內部時,纖維被加熱到白熾狀態,熱量主要以輻射方式釋放到外界環境;當來氣速率較高,在脫火極限內,將火焰推至纖維表面時,火焰變為藍色,呈波浪形浮于纖維表面,此時熱量主要以對流換熱方式進行釋放。
兩種燃燒狀態
低負載時,燃(ran)燒(shao)在金屬(shu)纖維內產生,對(dui)外傳熱(re)以輻射為(wei)主。高(gao)負載下(xia),火焰會浮在在金屬(shu)纖維表面上,對(dui)外傳熱(re)轉為(wei)以對(dui)流為(wei)主。由(you)于不同工(gong)況下(xia)有(you)著不同的燃(ran)燒(shao)狀態,金屬(shu)纖維表面燃(ran)燒(shao)器(qi)可以應用(yong)于不同行業領(ling)域。
超低NOx排放
一般來說,天(tian)然(ran)氣燃燒過程中主要生成(cheng)的(de)是熱(re)力型(xing)氮氧化物。而為了降低熱(re)力型(xing)NOx排放量,可以(yi)從三個方(fang)面著手(shou):減小爐膛內(nei)的(de)局部高溫區、降低爐膛內(nei)的(de)過剩氧氣系(xi)數以(yi)及縮短(duan)混合氣體在爐膛內(nei)的(de)停留時間。
首先,由于金屬纖維燃燒頭的均流作用,爐膛內火焰分布非常均勻。同時燃燒后煙氣與金屬纖維存在著強烈的對流換熱,出口煙氣溫度迅速下降,爐膛中不存在局部高溫區。因此熱力型氮氧化物的生成被極大地抑制。其次,由于表面燃燒器采用全預混的燃燒方式,并且在不同負載下空燃比可以隨之調整,所以整個過程中過剩空氣系數非常低,快速型氮氧化物的生成得到了抑制。最后,由于(yu)全預混(hun)表面燃燒(shao)燃燒(shao)速度快,混(hun)合氣(qi)體在爐(lu)膛停留時(shi)間(jian)極(ji)為短暫,這也導致了氮氧(yang)化物生(sheng)成(cheng)量的(de)減少。
機身結構緊湊
預混(hun)氣(qi)體在(zai)多孔介質孔隙中(zhong)完成燃(ran)燒(shao),火焰(yan)高(gao)度較(jiao)擴散式燃(ran)燒(shao)而言極短(duan),整體爐(lu)膛尺(chi)寸較(jiao)小。同時金屬纖(xian)維燃(ran)燒(shao)頭(tou)可(ke)以配合工(gong)程需要加(jia)工(gong)成各類形狀,進(jin)一步使得機身結構緊湊化。
燃燒強度高
普通燃(ran)氣燃(ran)燒(shao)器的負載(zai)增加到一定程度,氣體(ti)噴出速(su)度會超過火焰速(su)度,發生脫火現象(xiang)。而由于(yu)金屬纖維對于(yu)氣體(ti)的擾流作用,強化了空(kong)氣與(yu)燃(ran)氣的質量傳(chuan)(chuan)遞,造成其(qi)火焰傳(chuan)(chuan)播速(su)度遠遠超過傳(chuan)(chuan)統(tong)擴(kuo)散式燃(ran)燒(shao),燃(ran)燒(shao)強度大大提高。高燃(ran)燒(shao)強度有利于(yu)減小設備體(ti)積與(yu)使用成本。
安文旗等人研究了煙氣再循環對金屬纖維表面燃燒器燃燒穩定性的影響
如圖2所示,隨(sui)煙(yan)氣(qi)(qi)再(zai)循環(huan)(huan)率(lv)逐(zhu)(zhu)漸增大(da)(da)(da),金(jin)屬纖維(wei)表(biao)(biao)面(mian)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)器(qi)周(zhou)圍火(huo)焰(yan)(yan)由藍焰(yan)(yan)逐(zhu)(zhu)漸變(bian)為底部(bu)(bu)藍焰(yan)(yan)上(shang)部(bu)(bu)黃(huang)焰(yan)(yan)的狀(zhuang)態,黃(huang)焰(yan)(yan)的長(chang)度增加且出現(xian)波動,最終火(huo)焰(yan)(yan)出現(xian)振(zhen)幅較大(da)(da)(da)的波動型震(zhen)動,進而爐(lu)膛(tang)震(zhen)動,火(huo)焰(yan)(yan)吹熄。在圖3中(zhong)(zhong),隨(sui)著負(fu)(fu)荷(he)的增大(da)(da)(da),出現(xian)爐(lu)膛(tang)震(zhen)動的煙(yan)氣(qi)(qi)再(zai)循環(huan)(huan)率(lv)極限值逐(zhu)(zhu)漸提(ti)高。負(fu)(fu)荷(he)46%時,煙(yan)氣(qi)(qi)再(zai)循環(huan)(huan)率(lv)增加至9%即開始(shi)出現(xian)爐(lu)膛(tang)震(zhen)動,爐(lu)膛(tang)內火(huo)焰(yan)(yan)抖動,不完(wan)全燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)加劇(ju),檢測到煙(yan)氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)CO質量(liang)濃度急劇(ju)增大(da)(da)(da)。高負(fu)(fu)荷(he)時,表(biao)(biao)面(mian)金(jin)屬纖維(wei)面(mian)積熱(re)強(qiang)度更大(da)(da)(da),提(ti)高了火(huo)焰(yan)(yan)溫度,有助(zhu)(zhu)于(yu)穩定(ding)火(huo)焰(yan)(yan)。煙(yan)氣(qi)(qi)再(zai)循環(huan)(huan)使得助(zhu)(zhu)燃(ran)(ran)(ran)氣(qi)(qi)體(ti)氧(yang)含量(liang)降低(di)影響(xiang)了燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)穩定(ding)性。此外(wai),本實驗中(zhong)(zhong)發(fa)現(xian),外(wai)部(bu)(bu)煙(yan)氣(qi)(qi)再(zai)循環(huan)(huan)通過外(wai)部(bu)(bu)管道將爐(lu)膛(tang)內的壓力波動傳遞給了助(zhu)(zhu)燃(ran)(ran)(ran)空氣(qi)(qi),加劇(ju)了燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)器(qi)火(huo)焰(yan)(yan)的波動,進而造(zao)成燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)不穩定(ding)。