燃燒器用FeCrAl金屬纖維的研究

石 丹

（西北有色金屬研究院西部金屬材料有限公司，陜西 西安 710201）

近年來，環(huán)境污染問題和能源危機引起社會各界的注意，國家提出循環(huán)經(jīng)濟(jì)。因此，燃燒器的燃燒效率高、排放的污染物少更能滿足新時期的社會發(fā)展需求。金屬纖維燃燒器更滿足了這樣的需求。隨著我國“西氣東輸”的工程進(jìn)展和人們環(huán)保意識的增強，燃?xì)庠谖覈膽?yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但是燃?xì)庵幸廊淮嬖趯θ梭w有危害的物質(zhì)，比如排放物體中含有一定的NOx和CO等排放物。因此，能夠減少NOx和CO等有害物質(zhì)的潔凈燃燒技術(shù)會受到人們的歡迎，這也是人們對于環(huán)保重視以后的必然追求。因此，金屬纖維燃燒技術(shù)具有很好的市場前景，其具備很強的優(yōu)勢：既能降低NOx和CO的生成量，還能增加實現(xiàn)完全燃燒的可能性。

1 金屬纖維燃燒器的構(gòu)成

金屬纖維燃燒器直徑大約為40μm～50μm，屬于預(yù)混氣體表面燃燒，使用機械方法制成一種耐熱合金鋼纖維，預(yù)先混合均勻的燃?xì)饪諝饣旌衔锪飨蛉紵黝^部，在透氣性均勻的金屬纖維織物表面層進(jìn)行燃燒。金屬纖維燃燒器的特點是熱強度高、調(diào)節(jié)范圍大。金屬纖維燃燒器的頭部是由極細(xì)金屬纖維制成的。金屬纖維燃燒器的構(gòu)成材料主要包含鐵鉻鋁纖維，能夠經(jīng)得住高溫，甚至高達(dá)1100℃，也能抗氧化，具有機械性高。由于使用情況的不同，金屬纖維燃燒器主要包括兩大類載體。

（1）金屬纖維絲編成帶有空隙的編織物，直徑為1um～80um，形成剛性而多孔的板材。

（2）金屬纖維燒結(jié)、加工的帶小孔的板狀物；這兩中載體的表面都是均勻分布很多氣孔，實現(xiàn)很好的透氣功能。此種纖維還具有導(dǎo)熱系數(shù)高和輻射率高，有利于敢于預(yù)混氣體之間的傳熱和導(dǎo)熱，擴(kuò)大了燃燒中化學(xué)反應(yīng)的空間區(qū)域，進(jìn)而提升了燃燒效率[1]。

2 金屬纖維燃燒器的工作原理

由于傳統(tǒng)的燃燒方式中，混合氣體中傳熱不能足夠充分，所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)不能在一個狹小的空間，導(dǎo)致物質(zhì)燃燒燼度低，排放的污染物質(zhì)比較多。因此，需要設(shè)計一種能夠在燃燒區(qū)域內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高和輻射率也較高的一種材料，改變傳統(tǒng)燃燒方式存在的局限性。而金屬纖維燃燒器就改變了這樣的缺陷，預(yù)混氣體通過中多空介質(zhì)材料能夠燃燒聚云，呈現(xiàn)燃燼度高、燃燒穩(wěn)定性好的特征[2]。

金屬纖維燃燒器的工作原理是預(yù)先混合均勻的燃?xì)饪諝饣旌衔锪飨蛉紵黝^部，預(yù)混好的氣體進(jìn)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燃燒，在透氣性均勻的金屬纖維織物表面層進(jìn)行燃燒，以輻射和對流的形式向外傳熱主要包括兩種燃燒方式。

①紅外熱輻射方式，這種方式下可燃混合物在織物內(nèi)部進(jìn)行燃燒，金屬纖維織物被加熱至白熾狀態(tài)，一部分熱量以輻射方式釋放。②藍(lán)焰方式，這種方式下，可燃混合物在織物上方燃燒，火焰承藍(lán)色浮在表面上，熱量以對流方式釋放。根據(jù)輸出功率的大小不同，火焰有兩個基本模式，在低功率輸出時，燃燒器為紅外輻射模式，在高功率輸出時燃燒器是藍(lán)火焰模式，調(diào)節(jié)功率輸出時，火焰就在這兩種模式之間變化[3]。

3 金屬纖維燃燒器的特性與優(yōu)勢

金屬纖維燃燒器有其特性，在燃燒模式中具有很大的優(yōu)勢。

①屬于預(yù)混燃燒，促進(jìn)燃燒更加充分，因此，排放物中CO、NOX含量低，這兩種物質(zhì)的排放非常低，是燃燒方式中最環(huán)保減排的[4]。②燃燒過程中噪音低，能夠?qū)⑵淇刂圃?0分貝以下，滿足國家對二類環(huán)境設(shè)置的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。③燃燒過程中使用完全預(yù)混燃燒技術(shù)，能夠減少熱損失，提高熱效率，降低了耗電量，也就是說更加節(jié)能環(huán)保的。④由于金屬纖維燃燒的結(jié)構(gòu)設(shè)計時擴(kuò)大了燃燒表面積，所以燃燒出來的火溫度高，火力強大。⑤熱惰性小，能很快加熱，很快冷卻。⑥金屬纖維燃燒器的介質(zhì)材料使得其具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性，進(jìn)而延長了其使用壽命。⑦氣源適應(yīng)范圍更廣：可使用天然氣、液化氣、煤氣、沼氣等氣源。⑧金屬纖維燃燒器具有抗熱沖擊性能，由于采用了100%的金屬，金屬纖維燃燒器甚至可以經(jīng)受極限狀態(tài)的熱沖擊。此外，金屬纖維燃燒器還具有良好的抗機械沖擊性能、逆火安全性能和快速冷卻性能。并可根據(jù)客戶產(chǎn)品特性和需求做成各種不同形狀的燃燒器[5]。⑨燃燒器采用鐵-鉻-鋁纖維作為燃燒表面基材，其使用的最高溫度可達(dá)1300℃，由于其1000℃以上仍具有優(yōu)良的抗氧化性能和熱強度，所以金屬纖維燃燒器除具有燃燒效率高外，還具有耐熱沖擊、低壓降、安全無回火、反應(yīng)迅速、熱慣性小、冷卻快、經(jīng)久耐用、害氣體釋放少等優(yōu)勢。

目前我國擁有小型鍋爐的臺數(shù)多，大約5.5×105～6.0×105臺，排放物污染物質(zhì)多，能源消耗大。假設(shè)全國中餐燃?xì)獬床嗽疃疾捎媒饘倮w維燃燒技術(shù)，全國城鎮(zhèn)人口4億，平均每100人擁有1臺中餐燃?xì)獬床嗽?，中餐燃?xì)獬床嗽畹钠骄β蕿?8KW，每天使用4h，則中餐燃?xì)獬床嗽蠲磕甑哪芎臑?.887×1011MJ，每年總的節(jié)能量為3.1977×1011MJ。由于國外環(huán)保工業(yè)起步較早，當(dāng)前環(huán)保要求完善、嚴(yán)格，且制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使環(huán)保設(shè)備準(zhǔn)入門檻大大提高，限制了環(huán)保設(shè)備的出口及環(huán)保工程的國際競標(biāo)。因此，加大金屬纖維燃燒器用高溫合金纖維的研發(fā)生產(chǎn)非常有必要。

4 金屬纖維燃燒器的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域

金屬纖維燃燒器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括家庭應(yīng)用、工業(yè)鍋爐與熱水器、印染行業(yè)、茶葉殺青、紅外線采暖、金屬和玻璃材料的退火、物料的干燥、涂層固化、觀賞型火炬、可燃?xì)怏w無害化、食品藥品機械、瀝青路面熱再生、烘烤設(shè)備等。

（1）家庭應(yīng)用。金屬纖維燃燒器很潔凈，不會釋放出任何有損健康的生成物，因此常被用于廚房設(shè)備。

（2）工業(yè)鍋爐與熱水器。越來越多的國家己限制商業(yè)與工業(yè)鍋爐與熱水器的氮氧化物和-氧化碳排放量．金屬纖維燃燒器技術(shù)提供了針對這些要求的有效的方法。

（3）印染行業(yè)。在連續(xù)軋染工藝中，為了防止因染料分子發(fā)生泳移而造成的顏色不均，布匹在干燥前需要進(jìn)行預(yù)烘打底。預(yù)烘打底采用電紅外方式中使用電的成本比較高，電的容量也是會有一定的限制。由于金屬纖維的熱慣性非常小，停止工作后其表面溫度可以在5秒鐘內(nèi)由800℃以上的高溫降低到接近常溫，因此，它可以有效地預(yù)防因意外停電造成的火災(zāi)事故，非常適合于對織物的加熱。

（4）茶葉殺青。將全預(yù)混燃燒的金屬纖維燃燒器應(yīng)用于茶葉殺青設(shè)備，具有升溫迅速、滾筒溫度均勻性好的特點，不僅能夠提高殺青效果、提升茶葉品質(zhì)，并且能有效地節(jié)約燃?xì)庀?。根?jù)用戶測算，一瓶15kg裝的液化氣，使用火排燃燒器時能炒400斤～450斤茶青，使用金屬纖維燃燒器可炒500斤～550斤茶青，節(jié)能率20%～25%。

（5）紅外線采暖。利用金屬纖維燃燒器的紅外線燃燒方式所發(fā)出的紅外線可以對高大空間進(jìn)行采暖。由于紅外線不被空氣吸收，能夠直接對設(shè)備和人體進(jìn)行加熱，因此不需要對整個空間進(jìn)行加熱，這不僅避免了大空間采暖的垂直失調(diào)，采暖效果好，而且節(jié)約了能源。利用紅外線的定向輻射性，還可以用于室外采暖，即在環(huán)境溫度較低的情況下，紅外線輻射于人體，保持一個局部的實感溫度高的小環(huán)境，類似于冬天曬太陽的感覺

（6）金屬和玻璃材料的退火。利用金屬纖維燃燒器的快速加熱的特點，可以對金屬材料進(jìn)行退火，相對于其它退火方式而言，這種方式更為快捷，而且投資少，受場地的限制較小。玻璃器具在成型后其內(nèi)部存在較大的熱應(yīng)力，很容易導(dǎo)致破損，如果用金屬纖維燃燒器進(jìn)行快速加熱然后冷卻退火，就可以消除熱應(yīng)力，提高成品率，一般說來，廢品率可以降低10%以上。

（7）物料的干燥。金屬纖維燃燒器具有獨特的優(yōu)點：由于金屬纖維材料的熱慣性小，因此它能快速升溫和降溫，即點火后能在數(shù)秒內(nèi)其溫度由常溫升到工作溫度，同樣，在停止工作后，也能在數(shù)秒內(nèi)由工作溫度冷卻至常溫，這對于防止物料因過度升溫而損壞非常有利，特別是可以徹底避免易燃物品如紙張、織物在遭遇停電等非常事故時因過熱而著火燃燒。

（8）涂層固化。金屬纖維燃燒器產(chǎn)生的紅外線特別容易被涂層吸收，從而可以促使其快速固化，提高了生產(chǎn)效率，與常規(guī)的熱風(fēng)方式相比，達(dá)到了30%。

（9）觀賞型火炬。本火炬燃用氣體燃料，采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，火焰明亮飽滿且呈旋轉(zhuǎn)跳躍狀，并可人工調(diào)節(jié)火焰效果，觀賞性極強；外罩耐熱玻璃管，能防風(fēng)防雨，玻璃管外表溫度低，并能有效克服不充分燃燒時的煙苔沉積。

（10）可燃?xì)怏w無害化。金屬纖維燃燒器可以用于可燃?xì)怏w的無害化處理，即采用焚燒的方式將可燃?xì)怏w徹底燃燒變成無害的二氧化碳和水。

（11）食品藥品機械。金屬纖維燃燒器采用全預(yù)混燃燒方式，空氣過量系數(shù)小，燃燒充分，并且排放的有害物少；將金屬纖維燃燒器用于食品和藥品機械，可以變傳統(tǒng)的敞開系統(tǒng)為封閉系統(tǒng)，能最大限度地提高熱效率。

（12）瀝青路面。熱再生、烘烤設(shè)備等。

5 結(jié)語

總而言之，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)時代，人們的環(huán)保意識不斷增強，金屬纖維表面燃燒技術(shù)既能節(jié)約能源，也能減少環(huán)境污染，更能體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的趨勢，也是未來燃燒技術(shù)發(fā)展的重點研究與發(fā)展方向。