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金屬纖維表面燃燒技術解析

2025年09月01日 11:31:43      來源：上海泛標紡織品檢測技術有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量：6

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金屬纖維表面燃燒技術解析

隨著我國“西氣東輸”工程的進展和人們環保意識的增強，氣體燃料在我國能源結構中比重將有顯著提高，預計天然氣占我國一次能源消費比重將從!""" 年的不足 %-增加到 !"!" 年的 )"-.)/。同時燃氣用戶的結構也將發生變化，目前 %"-的燃氣用于工業，("-是民用，但民用燃氣的增幅有限，因此要增加天然氣的消費量，潛力的用戶是工業，未來燃氣中預計 ("-用于工業，%"-是民用，和現在的用戶結構正好相反.!/。研究燃燒效率高，污染物排放低的燃氣燃燒技術，對于提高民用燃氣具的擋次，拓寬燃氣在工業領域的應用都有重要的意義。燃氣燃燒根據一次空氣和燃氣的混合情況可分為預混燃燒和擴散式燃燒（二次空氣占 )""-，通過鼓風獲得），預混燃燒又分大氣式燃燒（一次空氣占("-，通過燃氣引射獲得）和鼓風式燃燒（一次空氣占 )，由風機鼓風獲得）。大部分預混燃燒具有很薄的自由火焰（0122 03452），因為混合氣體的傳熱不充分，所以化學反應在一個很窄的區域內進行，燃燒 室 的 其 它 空 間 不 發 生 化 學 反 應 ， 所 以 燃 燼 度（671898: ;4<2）和污染物排放量較高。在燃燒區域內加入導熱系數和輻射率高的固體多孔介質材料可以改變這一缺陷，因此混合氣體通過多孔介質的燃燒方式得到了關注和研究.%=$/。和自由火焰燃燒相比，多孔介質燃燒具有燃燼度高，燃燒穩定性好等優點012。
預混氣體通過多孔介質燃燒后，火焰呈表面均勻分布的特征，因此也稱為表面燃燒。我國對陶瓷板表面燃燒進行過系統的研究03452，但其它形式的表面燃燒，如金屬纖維表面燃燒技術的重視是從歐洲等國超低污染排放的兩用機和鍋爐進入我國市場時才開始的，因此我國目前對金屬纖維表面燃燒技術的研究和應用是嚴重不足的。

工作原理和性能特點
表面燃燒是全預混（7889一次空氣）燃燒方式的一種，一次空氣的供給可以通過煤氣引射，也可通過風機強制鼓風。引射式結構簡單，成本低，但煤氣壓力波動對燃燒器的負荷及空燃比有較大的影響，而鼓風式的燃燒情況則不受煤氣壓力波動的影響。要想形成表面燃燒，除了空煤氣全預混以外，還要有多孔表面。金屬纖維表面燃燒技術就是由多孔介質材料——金屬纖維而得名。金屬纖維的主要成分是 ，還含有稀有金屬 =（釔），具體成分見表 7。該材料具有耐高溫（7 788 >）、抗氧化、機械強度高等優點。纖維表面均勻分布有很多氣孔，因此具有很好的透氣性。此外，該纖維的導熱系數和輻射率都很高，有利于預混氣體之間的傳熱，增加了燃燒化學反應的區域，使燃燒效率得以提高。

金屬纖維表面燃燒的工作原理是：預混好的空煤氣，進入燃燒器頭部空腔，通過分流板，均勻滲透到金屬纖維表面，火焰在金屬纖維表面上燃燒，以輻射和對流的形式向外傳熱。燃燒器頭部結構見圖 7。

（7）兩種燃燒狀態
該燃燒器燃燒時可產生兩種燃燒狀態：輻射狀態和藍焰狀態。當燃燒熱強度F588 GH I ,6 時，火焰為輻射狀態，燃燒在金屬纖維里面進行，火焰是橙黃色，此時傳熱以輻射為主；當燃燒熱強度J7 888 GH I,6 時，火焰呈藍焰狀態，燃燒在纖維表面上進行，傳熱以對流為主。利用不同的火焰狀態，金屬纖維燃燒器可以用在不同的領域。如在輻射狀態，可以應用于干燥、烘烤等領域。在藍焰狀態可以用于工業加熱和民用灶具、熱水器、兩用機、鍋爐等方面。
（6）超低 KLM 排放
表面燃燒的 KLM 排放比其它燃燒形式低得多（F68N78O1），其原因可以從影響 KLM 生成的三個主要因素來分析，即燃氣的燃燒溫度，過剩氧濃度和混合氣體在火焰區域停留的時間。
首先，金屬纖維表面燃燒的火焰峰值溫度較高，但在火焰面的后面，由于高溫的燃燒產物和金屬纖維存在強烈的對流換熱，煙氣溫度迅速下降。KLM 生成反應所需的活化能高于燃氣可燃成分與氧反應的活化能，故 KLM 的生成速度比燃燒反應的速度慢，而 KLM 的生成反應發生在火焰面的下游，但火焰面下游的溫度迅速下降，不能形成局部的高溫區，因此抑制了 KLM 的生成。
其次，由于采用全預混的燃燒方式，并且在不同調節比下空燃比可以控制，因此它可以在過剩空氣系數很小的情況下達到燃燒，燃燒產物中過剩氧的濃度很低，導致 KLM 的生成量降低。最后，由于全預混燃燒，并且金屬纖維有利于傳熱，所以可燃氣體的燃燒速度非常快，混合氣體在高溫區停留時間極為短暫，因此也導致了 KLM 生成量的降低。
（P）設計和操作的柔韌性
由于采用了金屬纖維作為燃燒器頭部，因此，燃燒器頭部可以做成圓盤形、圓柱形、球形等各種形狀；而且具有抗熱震穩定性好、抗機械沖擊能力強、無噪聲、熱惰性小、溫度控制精確、維護簡單等特點。
（Q）燃燒強度高
燃燒器的燃燒強度增加到一定程度時，氣體噴出速度會大于火焰傳播速度，此時發生脫火現象。但火焰的傳播速度和空、煤氣之間的質量傳遞關系密切。由于金屬纖維強化了空、煤氣之間的質量傳遞，其火焰傳播速度高于普通的大氣燃燒方式，所以它的燃燒強度大于大氣式燃燒方式。同時燃燒強度的
增加有利于設備的小型化和降低成本。此外，它還有負荷調節比大、燃氣的適應性強、燃燒效率高、!"排放低、燃燒穩定性好等特點。

關鍵技術研究
金屬纖維表面燃燒技術具有超低污染物排放等優點，在歐洲等環保要求高的國家已進入實際應用階段。但它們的燃燒器采用的是 $%&’(%) 的燃燒器頭部，*+, 的風機，-&.(/(00 的比例閥，成本很高。如何結合中國的實際情況，在保證燃燒性能的條件下，采用國內的技術產品，降低成本，是研究中碰到的主要問題。關鍵技術的研究包括下述三個方面。
燃燒器頭部的表面是金屬纖維，里面是分流板，分流板的孔徑和分布對燃燒器的阻力、燃燒強度和均勻性等有很大的影響，只有把頭部的特性研究清楚，才能提出對風機的要求以及完成不同負荷燃燒器的設計。
圖 1 是燃燒器系統性能特性曲線。圖中環狀平行的曲線是風機的性能曲線，表示風機葉輪在不同轉速（電機的不同輸入電壓）下，風機風壓和風量之間的關系。與風機特性曲線相交的是燃燒器頭部的阻力特性曲線，表示在不同的分流板（孔徑不同）下，頭部風壓和風量之間的關系。從圖 1 可以看出，不同的頭部，其阻力特性相差較大，也就是說，不同頭部的燃燒強度相差很大。頭部特性曲線和風機特性曲線的交點是燃燒器的工作點。根據工作點對應的風量，由空燃比計算出燃氣量，再根據閥門的特性，確定開閥電流，可以完成對空燃比的控制。

大氣式燃燒是通過煤氣引射空氣，金屬纖維燃燒器是通過空氣引射煤氣，而且混氣管還有兩種放置方式，見圖 #。一種是放在風機的前面（圖 #2），另一種是放在風機的后面 （圖 #3）。前置式的混氣方

式，空、煤氣在混氣管中混合后進入風機，風機葉輪的旋轉使空、煤氣進一步混合，因此，空、煤氣混合充分，同時前置式混氣管的結構也較為簡單。后置式混氣方式，空、煤氣的混合僅在混氣管中進行，因此對混氣管的設計要求較高。
空燃比的大小直接影響燃燒效率及污染物排放，因此控制空燃比是控制燃燒的關鍵。很多燃燒器在燃燒時空氣量和煤氣量保持不變，即燃燒器的負荷不變，或稱一段火。調節性能好的為三段火，即該類燃燒器能保證在大、中、小三種負荷下的空燃比穩定。但金屬纖維燃燒器能在負荷調節范圍內無級調節。
大氣式燃燒器負荷調節是通過調節煤氣量來控制引射的空氣量，而金屬纖維燃燒器是通過調節空氣量來控制煤氣量。金屬纖維燃燒器在負荷調節時，控制煤氣量的比例閥有兩種（圖 4），一種是氣動比例閥，另一種是電動比例閥。

金屬纖維燃燒器的風機使用直流無刷電機，轉速可在 ! 之間無級調節，當電機的輸入電壓發生變化時，葉輪的轉速變化，風機的風量變化，相應的風壓也發生變化，風壓的變化通過壓力傳感器傳到氣動比例閥，氣動比例閥根據風壓變化確定閥門的開度，完成在不同負荷下空燃比的控制（圖 *+）。電動比例閥在負荷調節時，空燃比的控制需要在控制系統的單片機上設置控制程序，程序包括電機輸入電壓和風量的關系 （由系統特性實驗獲得），煤氣比例閥開閥電流與流量的關系，空燃比的設定值等。空燃比控制的輸入項為電機電壓，輸出項為開閥電流（圖 *,）。由此可見：氣動比例閥的空燃比控制過程簡單，但成本較高，電動比例閥與它相反。

 應 用
鑒于我國商用中餐燃氣炒菜灶的熱效率低和污染物排放量高的問題，結合中餐燃氣炒菜灶的特點，本文把金屬纖維燃燒技術應用于中餐燃氣炒菜灶，上海市燃氣具檢測中心對本文研制的整機進行了檢測，檢測的主要結果見表 -，為了便于比較，普通的中餐炒菜灶的數據也列在表 - 中。


結 論
金屬纖維表面燃燒技術符合節能和環保的要求，是燃氣燃燒的發展方向。
全預混和表面多孔材料是實現表面燃燒的兩個先決條件。
燃燒器系統特性、混氣裝置和空燃比的控制是金屬纖維表面燃燒的關鍵技術。
金屬纖維燃燒技術應用在中餐炒菜灶上，可以把灶具的熱效率從 -"4提高到 *!4，主要污染物的排放減少 :"4以上，燃燒無噪音，負荷調節比大，并能無級調節。
金屬纖維燃燒技術不僅可以用在民用燃氣具上，它更有應用于干燥、烘烤和工業加熱等領域的優勢。





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