燃烧器用FeCrAl金属纤维的研究

2018-01-29石丹

世界有色金属 2018年16期

石丹

（西北有色金属研究院西部金属材料有限公司，陕西西安 710201）

近年来，环境污染问题和能源危机引起社会各界的注意，国家提出循环经济。因此，燃烧器的燃烧效率高、排放的污染物少更能满足新时期的社会发展需求。金属纤维燃烧器更满足了这样的需求。随着我国“西气东输”的工程进展和人们环保意识的增强，燃气在我国的应用范围不断扩大，但是燃气中依然存在对人体有危害的物质，比如排放物体中含有一定的NOx和CO等排放物。因此，能够减少NOx和CO等有害物质的洁净燃烧技术会受到人们的欢迎，这也是人们对于环保重视以后的必然追求。因此，金属纤维燃烧技术具有很好的市场前景，其具备很强的优势：既能降低NOx和CO的生成量，还能增加实现完全燃烧的可能性。

1 金属纤维燃烧器的构成

金属纤维燃烧器直径大约为40μm～50μm，属于预混气体表面燃烧，使用机械方法制成一种耐热合金钢纤维，预先混合均匀的燃气空气混合物流向燃烧器头部，在透气性均匀的金属纤维织物表面层进行燃烧。金属纤维燃烧器的特点是热强度高、调节范围大。金属纤维燃烧器的头部是由极细金属纤维制成的。金属纤维燃烧器的构成材料主要包含铁铬铝纤维，能够经得住高温，甚至高达1100℃，也能抗氧化，具有机械性高。由于使用情况的不同，金属纤维燃烧器主要包括两大类载体。

（1）金属纤维丝编成带有空隙的编织物，直径为1um～80um，形成刚性而多孔的板材。

（2）金属纤维烧结、加工的带小孔的板状物；这两中载体的表面都是均匀分布很多气孔，实现很好的透气功能。此种纤维还具有导热系数高和辐射率高，有利于敢于预混气体之间的传热和导热，扩大了燃烧中化学反应的空间区域，进而提升了燃烧效率[1]。

2 金属纤维燃烧器的工作原理

由于传统的燃烧方式中，混合气体中传热不能足够充分，所产生的化学反应不能在一个狭小的空间，导致物质燃烧烬度低，排放的污染物质比较多。因此，需要设计一种能够在燃烧区域内导热系数高和辐射率也较高的一种材料，改变传统燃烧方式存在的局限性。而金属纤维燃烧器就改变了这样的缺陷，预混气体通过中多空介质材料能够燃烧聚云，呈现燃烬度高、燃烧稳定性好的特征[2]。

金属纤维燃烧器的工作原理是预先混合均匀的燃气空气混合物流向燃烧器头部，预混好的气体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燃烧，在透气性均匀的金属纤维织物表面层进行燃烧，以辐射和对流的形式向外传热主要包括两种燃烧方式。

①红外热辐射方式，这种方式下可燃混合物在织物内部进行燃烧，金属纤维织物被加热至白炽状态，一部分热量以辐射方式释放。②蓝焰方式，这种方式下，可燃混合物在织物上方燃烧，火焰承蓝色浮在表面上，热量以对流方式释放。根据输出功率的大小不同，火焰有两个基本模式，在低功率输出时，燃烧器为红外辐射模式，在高功率输出时燃烧器是蓝火焰模式，调节功率输出时，火焰就在这两种模式之间变化[3]。

3 金属纤维燃烧器的特性与优势

金属纤维燃烧器有其特性，在燃烧模式中具有很大的优势。

①属于预混燃烧，促进燃烧更加充分，因此，排放物中CO、NOX含量低，这两种物质的排放非常低，是燃烧方式中最环保减排的[4]。②燃烧过程中噪音低，能够将其控制在60分贝以下，满足国家对二类环境设置的噪声标准。③燃烧过程中使用完全预混燃烧技术，能够减少热损失，提高热效率，降低了耗电量，也就是说更加节能环保的。④由于金属纤维燃烧的结构设计时扩大了燃烧表面积，所以燃烧出来的火温度高，火力强大。⑤热惰性小，能很快加热，很快冷却。⑥金属纤维燃烧器的介质材料使得其具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性，进而延长了其使用寿命。⑦气源适应范围更广：可使用天然气、液化气、煤气、沼气等气源。⑧金属纤维燃烧器具有抗热冲击性能，由于采用了100%的金属，金属纤维燃烧器甚至可以经受极限状态的热冲击。此外，金属纤维燃烧器还具有良好的抗机械冲击性能、逆火安全性能和快速冷却性能。并可根据客户产品特性和需求做成各种不同形状的燃烧器[5]。⑨燃烧器采用铁-铬-铝纤维作为燃烧表面基材，其使用的最高温度可达1300℃，由于其1000℃以上仍具有优良的抗氧化性能和热强度，所以金属纤维燃烧器除具有燃烧效率高外，还具有耐热冲击、低压降、安全无回火、反应迅速、热惯性小、冷却快、经久耐用、害气体释放少等优势。

目前我国拥有小型锅炉的台数多，大约5.5×105～6.0×105台，排放物污染物质多，能源消耗大。假设全国中餐燃气炒菜灶都采用金属纤维燃烧技术，全国城镇人口4亿，平均每100人拥有1台中餐燃气炒菜灶，中餐燃气炒菜灶的平均功率为28KW，每天使用4h，则中餐燃气炒菜灶每年的能耗为5.887×1011MJ，每年总的节能量为3.1977×1011MJ。由于国外环保工业起步较早，当前环保要求完善、严格，且制定了一系列相关标准，使环保设备准入门槛大大提高，限制了环保设备的出口及环保工程的国际竞标。因此，加大金属纤维燃烧器用高温合金纤维的研发生产非常有必要。

4 金属纤维燃烧器的广泛应用领域

金属纤维燃烧器的应用领域广泛，包括家庭应用、工业锅炉与热水器、印染行业、茶叶杀青、红外线采暖、金属和玻璃材料的退火、物料的干燥、涂层固化、观赏型火炬、可燃气体无害化、食品药品机械、沥青路面热再生、烘烤设备等。

（1）家庭应用。金属纤维燃烧器很洁净，不会释放出任何有损健康的生成物，因此常被用于厨房设备。

（2）工业锅炉与热水器。越来越多的国家己限制商业与工业锅炉与热水器的氮氧化物和-氧化碳排放量．金属纤维燃烧器技术提供了针对这些要求的有效的方法。

（3）印染行业。在连续轧染工艺中，为了防止因染料分子发生泳移而造成的颜色不均，布匹在干燥前需要进行预烘打底。预烘打底采用电红外方式中使用电的成本比较高，电的容量也是会有一定的限制。由于金属纤维的热惯性非常小，停止工作后其表面温度可以在5秒钟内由800℃以上的高温降低到接近常温，因此，它可以有效地预防因意外停电造成的火灾事故，非常适合于对织物的加热。

（4）茶叶杀青。将全预混燃烧的金属纤维燃烧器应用于茶叶杀青设备，具有升温迅速、滚筒温度均匀性好的特点，不仅能够提高杀青效果、提升茶叶品质，并且能有效地节约燃气消耗。根据用户测算，一瓶15kg装的液化气，使用火排燃烧器时能炒400斤～450斤茶青，使用金属纤维燃烧器可炒500斤～550斤茶青，节能率20%～25%。

（5）红外线采暖。利用金属纤维燃烧器的红外线燃烧方式所发出的红外线可以对高大空间进行采暖。由于红外线不被空气吸收，能够直接对设备和人体进行加热，因此不需要对整个空间进行加热，这不仅避免了大空间采暖的垂直失调，采暖效果好，而且节约了能源。利用红外线的定向辐射性，还可以用于室外采暖，即在环境温度较低的情况下，红外线辐射于人体，保持一个局部的实感温度高的小环境，类似于冬天晒太阳的感觉

（6）金属和玻璃材料的退火。利用金属纤维燃烧器的快速加热的特点，可以对金属材料进行退火，相对于其它退火方式而言，这种方式更为快捷，而且投资少，受场地的限制较小。玻璃器具在成型后其内部存在较大的热应力，很容易导致破损，如果用金属纤维燃烧器进行快速加热然后冷却退火，就可以消除热应力，提高成品率，一般说来，废品率可以降低10%以上。

（7）物料的干燥。金属纤维燃烧器具有独特的优点：由于金属纤维材料的热惯性小，因此它能快速升温和降温，即点火后能在数秒内其温度由常温升到工作温度，同样，在停止工作后，也能在数秒内由工作温度冷却至常温，这对于防止物料因过度升温而损坏非常有利，特别是可以彻底避免易燃物品如纸张、织物在遭遇停电等非常事故时因过热而着火燃烧。

（8）涂层固化。金属纤维燃烧器产生的红外线特别容易被涂层吸收，从而可以促使其快速固化，提高了生产效率，与常规的热风方式相比，达到了30%。

（9）观赏型火炬。本火炬燃用气体燃料，采用特殊结构设计，火焰明亮饱满且呈旋转跳跃状，并可人工调节火焰效果，观赏性极强；外罩耐热玻璃管，能防风防雨，玻璃管外表温度低，并能有效克服不充分燃烧时的烟苔沉积。

（10）可燃气体无害化。金属纤维燃烧器可以用于可燃气体的无害化处理，即采用焚烧的方式将可燃气体彻底燃烧变成无害的二氧化碳和水。

（11）食品药品机械。金属纤维燃烧器采用全预混燃烧方式，空气过量系数小，燃烧充分，并且排放的有害物少；将金属纤维燃烧器用于食品和药品机械，可以变传统的敞开系统为封闭系统，能最大限度地提高热效率。

（12）沥青路面。热再生、烘烤设备等。