帶鋼涂層干燥用泡沫陶瓷紅外輻射裝置研究

許學成，陳元元，李本文，談晚平

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢430081)

帶鋼涂層干燥用泡沫陶瓷紅外輻射裝置研究

許學成，陳元元，李本文，談晚平

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢430081)

本文針對帶鋼涂層干燥工藝的要求，研制了大型泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置，單臺燃氣紅外輻射裝置有效輻射面積為360 mm×360 mm，為了保證板面溫度的均勻性，設計了專用的空燃氣混合器和雙層布風板.通過搭建燃燒實驗平臺對研制的燃燒裝置進行實驗，確定了穩定燃燒工況下相應的熱負荷以及當量比范圍，通過對實驗結果的分析找到了最優泡沫陶瓷參數組合，并對實驗過程中產生的燃燒不穩定現象以及實驗結果對現有理論模型的修正作用進行了討論.

帶鋼涂層干燥；泡沫陶瓷；燃氣紅外輻射裝置；實驗研究

對于硅鋼、鍍鋅等帶鋼涂鍍產品來說，表面涂層干燥或燒結質量直接關系到產品的表面質量，而表面質量是產品分檔與價格定位的關鍵因素[1].傳統帶鋼干燥爐中使用高速燒嘴和平焰燒嘴來完成干燥或燒結工藝，由于高速燒嘴和平焰燒嘴本身工作原理的限制，會導致以下三個方面的缺陷：第一，在工作過程中容易造成局部高溫，使得帶鋼表面受熱不均勻，從而對涂層的干燥或燒結質量造成影響；第二，傳統燃燒方式有明顯的燃燒火焰，且污染物排放較高，很難避免燃燒產物對被加熱物料表面的破壞和污染；第三，燃燒效率低，加熱效率較低.

泡沫陶瓷屬于多孔介質的一種特殊形式，預混氣體在多孔介質中的燃燒是一種新型潔凈的燃燒技術，具有燃燒效率高、加熱效率高、污染物排放低等優點[2-5]，世界各國越來越重視多孔介質燃燒器產品的研發，如德國的Promeos Gmbh-Burner公司，美國的Maxon-Honeywell公司，日本的Shoei-Burner公司已開發出以多孔介質燃燒技術為基礎的燃燒器，并在鋼鐵、有色、電力、化工、造紙工業等領域進行了應用[6-8].而國內多孔介質燃燒器產品還主要集中在瀝青路面修復、食品加工、民用燃氣設備等領域，面向中高溫工業的多孔介質燃燒器的研制仍不太理想，國內目前尚無相關的產品正式投入使用.

本文針對帶鋼涂層干燥工藝的要求，研制了單層和雙層大型泡沫陶瓷燃燒裝置，通過搭建燃燒實驗平臺對研制的燃燒裝置進行了實驗，確定了穩定燃燒工況下相應的熱負荷以及當量比范圍，通過對實驗結果的分析找到了最優泡沫陶瓷參數組合，并對實驗過程中產生的燃燒不穩定現象以及實驗結果對現有理論模型的指導作用進行了討論.

1 泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置系統組成

泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置系統由泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置本體、空燃氣混合器、供氣系統和檢測系統(溫度、流量、壓力)組成，如圖1所示.

1.1 泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置本體

泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置本體是燃燒系統的核心設備，泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置本體由泡沫陶瓷輻射板、布風板、冷卻腔體、進風口、耐火纖維墊片等組成；圖2a以雙層泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置為例示意出了其主要構造組成.燃燒器泡沫陶瓷輻射板尺寸為360 mm×360 mm方形結構，為保證預混氣體在正方形板面上能夠均勻地燃燒，沿進風方向布置有兩層布風板，泡沫陶瓷板用金屬殼體進行固定；為了保證金屬殼體的強度，金屬殼體設計為中空腔體的形式，腔體內部可以通風進行冷卻，金屬殼體與泡沫陶瓷輻射板之間填充有耐火纖維墊片，柔軟的耐火纖維墊片具有較低的導熱系數，一方面可以減弱多孔介質對金屬殼體的傳熱，防止殼體溫度過高，另一方面可以有效地吸收泡沫陶瓷板高溫下受熱膨脹引起的變形，有效避免泡沫陶瓷的破碎.泡沫陶瓷輻射板是燃燒裝置的核心部件，為保證燃燒裝置的流通性能，設計選取的孔隙率大于85%，材質有SiC、Al2O3、ZrO2三種.對于單層泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置，選用的泡沫陶瓷板孔密度分別為25 PPI和35 PPI(PPI表示每英寸上的孔數).對于雙層泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置，上游預熱區選用60 PPI 泡沫陶瓷板，下游燃燒區仍為25 PPI和35 PPI的泡沫陶瓷板.圖2b為根據設計圖制作而出的燃燒裝置實物圖.

圖1 泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置系統圖Fig.1 Diagram of porous ceramic gas infrared burner system

1.2 空燃氣混合器

混合器的作用是使燃氣與空氣均勻地混合，混合器空氣管路中心線與混合器中心線重合，空氣從中間通入；燃氣管路中心線與混氣器中心線垂直，燃氣從空氣管路和混合器壁面之間的環狀孔隙中噴出，與空氣進行混合.

1.3 供氣系統

供氣系統包括燃氣供給系統和空氣供給系統.燃氣供給系統主要設備包括有球閥、穩壓閥和電磁切斷閥.空氣供給系統包括有助燃空氣供給系統和冷卻空氣供給系統兩部分，主要設備主要有鼓風機和閥門，其中的助燃空氣供給系統主要提供預混用助燃空氣，冷卻空氣供給系統主要提供燃燒裝置金屬殼體冷卻用風.

1.4 溫度、流量和壓力檢測系統

溫度檢測系統包括有非接觸式紅外熱像儀(測面溫度)和接觸式熱電偶(測點溫度)兩部分；氣體流量的檢測通過渦輪流量計來完成；氣體壓力通過壓力計進行檢測.

2 實驗結果及分析

為便于對實驗結果進行分析，首先介紹當量比的概念.在化學計量中，當量比常被用來定量表示燃料-氧化劑混合物是富、貧或化學當量的，其定義式為：

式中：A表示空氣量，F表示燃料量.Φ>1， 富燃料混合物；Φ<1，貧燃料混合物；Φ=1， 化學當量混合物.

根據帶鋼涂層干燥工藝要求，設計輻射板表面溫度范圍為800～ 1 050 ℃，實驗圍繞這一目標參數展開，本文后續結果的分析都是在面板溫度處于該范圍之內穩定燃燒的前提下進行的.

另外，考慮工業應用安全性，燃燒裝置要確保不發生回火，因此，回火特性是本實驗的重要考察內容.縱觀國內外眾多關于多孔介質燃燒的實驗及數值分析文獻，對火焰穩定位置的定義都沒有考慮時間持續性這一內涵，文獻[9]通過數值計算認為火焰在多孔介質內可能存在兩個穩定位置，靠近下游的火焰穩定位置可以穩定足夠長的時間，然后會逐漸移向靠近上游的穩定位置.因此，本實驗認為，在特定工況下，當火焰在某個位置穩定燃燒超過10 min不回火時，才可以認為該工況下可以穩定燃燒.

2.1 泡沫陶瓷材質適用性對比

為考察材質的適用性，實驗首先對SiC、Al2O3、ZrO2三種材質的單層燃燒裝置進行長時間穩定燃燒，然后對其燃燒后強度進行考察，結果表明，材質為SiC和ZrO2的泡沫陶瓷板表現出優良的可穩定使用特性，而材質為Al2O3的泡沫陶瓷因在燃燒后強度大大降低，很容易破碎，不適合用做燃氣紅外輻射面板.因此，后續進一步實驗用泡沫陶瓷材質僅包含SiC和ZrO2兩種.

2.2 單層泡沫陶瓷穩定燃燒結果及分析

表1為單層泡沫陶瓷構造的燃氣紅外輻射裝置穩定工況的實驗結果，可以看出，對于單層泡沫陶瓷板燃燒裝置，熱負荷大于280 kW/m2時，所有穩定的工況均在當量比大于1的情況下獲得，也就是說可燃氣體一部分在泡沫陶瓷面板內燃燒，另外一部分在泡沫陶瓷面板外燃燒.在實驗過程中，當保持熱負荷不變的情況下，調小當量比時，會發生回火現象，降低熱負荷并調小當量比時同樣發生回火現象.這說明采用單層結構時，火焰穩定范圍較小，當量比或熱負荷發生較小變化時，都有可能發生回火.在以固體紅外輻射為主要加熱方式的情況下，當量比大于1的工況無疑造成了能源的浪費.因此，工業應用的燃燒裝置不宜采用單層結構，且穩定燃燒工況的當量比應當接近于1，燃燒反應盡量在泡沫陶瓷內完成.且根據泡沫陶瓷構造分析，上游宜采用小孔介質，下游宜采用大孔介質.

2.3 雙層泡沫陶瓷穩定燃燒結果及分析

為了獲得當量比接近于1的穩定燃燒工況，采用了雙層泡沫陶瓷構造并考察其回火特性，基于泡沫陶瓷構造原理分析，上游小孔區選用60 PPI 多孔介質，下游大孔區選用25 PPI多孔介質.

表2為雙層泡沫陶瓷構造的燃氣紅外輻射裝置穩定工況的實驗結果.可以看出，對于雙層泡沫陶瓷燃燒裝置，在熱負荷為135和144 kW/m2時，可以調節當量比到接近于1的工況.此時的泡沫陶瓷板板面溫度仍在干燥工藝要求的范圍內，理論上增加熱負荷，可以進一步提高板面溫度.但實驗發現，增加熱負荷時，穩定燃燒的工況對應的當量比均大于1；這種情況下，燃氣一部分在多孔介質內部燃燒，另一部分在多孔介質面板進行表面燃燒.這說明，對于任意的熱負荷情況，在多孔介質內部單位體積內的熱負荷存在極限值，高于該極限值將會發生回火.因此，對于某一特定構造的泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置，存在一個最優的熱負荷和板面溫度值組合，并非單純的依靠提高熱負荷來調節板面溫度.

表1 單層構造穩定燃燒工況組合

表2 雙層構造穩定燃燒工況組合

另外，對比表1和表2，可以看出，在相同大孔泡沫陶瓷板規格參數下，雙層燃燒裝置的負荷調節范圍有所增大，這是由于上游小孔介質的存在，下游燃燒區的熱量可以通過導熱和輻射的作用傳遞到上游，有效預熱了氣體，燃燒強度增大，從而負荷調節范圍也增大.

2.4 板面均勻性與板面最高溫度

板面溫度均勻性是燃燒裝置工業應用中的重要因素，板面溫差過大將嚴重縮短其使用壽命.為了考察板面溫度均勻性，采用熱像儀對穩定工況的板面溫度分布進行了測定.在熱像儀測溫過程中需要對黑度進行設定，本文黑度的確定方法為：首先查閱相關資料獲得大概的黑度值并進行預設定，然后啟動燃燒器和熱像儀，在多孔介質面板選取特定的點，分別用熱像儀和接觸式熱電偶測溫，通過比較二者溫差修正熱像儀黑度值.圖3所示是280 kW熱負荷、當量比1.44時單層燃燒裝置穩定工況下板面溫度分布圖，材質為SiC，孔徑35 PPI，厚度35 mm.

從圖3中可以看出，板面溫度分布均勻，通過4個設置點所測得的板面溫差范圍為為23 ℃，板面最高溫度為928 ℃.

圖4所示是140 kW熱負荷、當量比0.9時雙層燃燒裝置穩定工況下板面溫度分布圖，材質構造為：小孔SiC，孔徑60 PPI，厚度25 mm；大孔ZrO2，孔徑25 PPI，厚度35mm.

可以看出，無論是雙層結構還是單層結構，所設計的燃燒器板面溫度均勻性均滿足要求，表明了本設計在氣流均布方面是合理的.

圖3 SiC輻射板溫度分布圖Fig.3 Temperature profiles of SiC radiation plate

圖4 雙層構造 ZrO2輻射板溫度分布圖 Fig.4 Temperature profiles of ZrO2 radiation plate of double layer structure

2.5 燃燒不穩定性實驗與分析

實驗中出現的不穩定現象主要表現為燃燒出現回火趨勢、燃燒不均勻等.

在燃氣流量一定時，慢慢增加空氣流量，燃燒越來越均勻，面板溫度越來越高，但到達某個值后再增加時，面板火焰面亮度突然變暗，判斷為火焰面迅速向上游移動，出現回火趨勢.表3所列舉的是雙層燃燒裝置中SiC作為大孔材質時不同操作參數下所觀察到的典型燃燒現象(由于雙層結構所有的小孔材質全部為SiC，故此處及后續僅給出大孔區材質).

從表3中可以看出，在當量比接近1時很容易產生回火趨勢，當量比大于1.37時燃燒容易穩定，說明欠氧燃燒可以有效地防止燃燒火焰面的移動，實現穩定.原因是當量比接近1時，燃氣燃燒會釋放出最大的反應熱，反應區域的氣體溫度迅速升高，并通過對流方式加熱反應區的多孔介質，溫度較高的多孔介質通過輻射和導熱作用迅速將熱量向上游和下游傳遞，使得預混氣體得到了更有效的預熱，輻射面板溫度亦升高.然而預熱的預混氣體溫度升高到一定程度，更易使預混氣體在交界面靠近上游位置處達到著火點溫度而燃燒，導致火焰面向上游傳遞，出現回火趨勢.因此，為避免回火，一方面保持微欠氧燃燒，另一方面需要降低燃燒裝置的熱負荷.

表3 典型的燃燒現象

圖5所示的是雙層燃燒裝置中SiC作為大孔材質時預混氣體在相同的操作參數下(燃氣流量為3.75 m3/h，當量比為1.53)輻射面板所呈現的兩種明顯不同的燃燒情況.圖5b是圖5a輻射面溫度分布圖.5a圖輻射面板表面溫度分布很均勻，區域的最高溫度達到912 ℃；但5c圖卻出現了燃燒不均勻的現象，表現為燃氣只在靠下方的一塊小圓形區域中燃燒.這是由于不合理的操作參數，造成泡沫陶瓷內部產生裂縫或破碎，使得多孔介質孔隙結構發生突變，出現燃燒不均勻現象.因此泡沫陶瓷材料內部骨架的高溫強度應是材料開發及選用的關鍵參數.

圖5 SiC在燃氣流量3.75 m3/h，當量比1.53時兩種燃燒情況 Fig.5 The two combustion conditions of SiC radiation plate at Qfuel=3.75 m3/h and Φ =1.53 (a)—均勻燃燒； (b)—均勻燃燒溫度分布； (c)—不均勻燃燒

2.6 實驗結果對理論模型的驗證和修正

文獻[9]通過數值計算認為火焰在多孔介質內可能存在兩個穩定位置，靠近下游的火焰穩定位置可以穩定足夠長的時間，然后會逐漸移向靠近上游的穩定位置.本實驗發現，某種工況下(如單層ZrO2結構，280 kW熱負荷，當量比0.9)，火焰在前期能穩定在靠近下游位置一定時間(9 min)，然后會向上游移動發生回火，這也間接驗證了文獻[9]的結論，也是本實驗將火焰在某個位置穩定燃燒超過10 min不回火認為該工況下可以穩定燃燒的原因.

眾多研究者通過理論研究認為，多孔介質孔密度大于50 PPI時，由于多孔介質的猝熄效應，火焰在多孔介質內部將無法燃燒.為了驗證這一結論，選用單層60 PPI的多孔介質進行燃燒，通過調節空氣和燃氣流量，出現如圖6所示現象，表面變暗，火焰下移，在多孔介質內部形成火焰.經分析，主要有以下可能：(1)多孔介質孔密度不符合要求；(2)多孔介質在燃燒過程中，內部孔隙結構被破壞，使得火焰能夠在多孔介質內部形成；(3)多孔介質密度大于50 PPI時，仍有可能發生燃燒反應，當前的多孔介質數學表述需要進一步完善.如果不考慮第一條可能，對于當前的多孔介質內的燃燒傳熱模擬，需要做以下改進：(1)數學模型中引入多孔介質材料的強度模型和孔隙失效模型，以更好地與實際工業應用相符合；(2)完善多孔介質微觀孔隙結構的數學描述，并通過實驗驗證其準確性.

圖6 單層60 PPI泡沫陶瓷內部產生火焰情況 Fig.6 Flame inside 60 PPI foam ceramic of single layer structure

3 結 語

針對帶鋼涂層干燥工藝的要求，通過對不同材質和規格下的單層和雙層大型泡沫陶瓷燃氣紅外輻射裝置進行研究，可得出以下結論：

(1)相比于Al2O3，SiC和ZrO2均表現出優良的可穩定使用特性.在相同的規格參數下，雙層燃燒裝置表現更優，具有較大的負荷調節范圍.

(2)實驗測得了若干種穩定燃燒工況，穩定燃燒工況下板面溫度分布較為均勻，實際應用中的操作參數在穩定燃燒工況附近可獲得安全穩定的燃燒.

(3)不同構造的燃燒裝置，存在一個合理的熱負荷及當量比范圍.對于單層多孔介質結構，所有穩定的工況均在當量比大于1的情況下獲得.對于雙層多孔介質結構，在熱負荷為135和144 kW/m2時，可以調節當量比到接近于1的工況，此時的泡沫陶瓷板板面溫度仍在干燥工藝要求的范圍內.對于熱負荷在280 kW/m2及以上的燃燒工況，當量比接近1時很容易產生回火趨勢，當量比大于1.37時燃燒容易穩定，說明欠氧燃燒可以有效地防止燃燒火焰面的移動，實現穩定.

(4)通過實驗證明，對于當前多孔介質內的燃燒傳熱模擬，建議在數學模型中引入多孔介質材料的強度模型和孔隙失效模型，建議完善多孔介質微觀孔隙結構的數學描述.

綜上，本實驗設計的燃燒裝置可基本滿足工業應用.然而，為了獲得更好的工業應用效果，還需在以下方面做進一步的研究，如：不同多孔介質材料高溫使用壽命問題，爐內高溫環境下多孔介質表面溫度分布情況，不同多孔介質排布方式下爐內傳熱與流動問題等.這些問題的解決需要一系列的實驗研究和理論研究，希望本文的研究能在推動工業爐窯的技術升級和節能改造方面起到拋磚引玉的效果.

[1]楊曉東. 三種加熱裝置在帶鋼涂層中的應用[J]. 工業加熱, 2010, 39(6): 51-54. (Yang Xiaodong. Application of three heating devices in coating of strip steel[J]. Industrial Heating, 2010, 39(6): 51-54.)

[2]Susie Wood, Andrew T Harris. Porous burners for lean-burn applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34(5): 667-684.

[3]Kamal M M, Mohamad A A. Combustion in porous media[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2006, 220(5): 487-508.

[4]Amanda J Barra, Guillaume Diepvens, Janet L Ellzey,etal. Numerical study of the effects of material properties on flame stabilization in a porous burner[J]. Combustion and Flame, 2003, 134: 369-379.

[5]Wood S, Harris AT. Porous burners for lean-burn applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34:667-684.

[6]Promeos Gmbh- Burner, Germany [EB/OL]: http://www.promeos.com/cms/front_content.php?idcat=149.

[7]Maxon-Honeywell, American [EB/OL]: https: //maxoncorp.com/products/lownoxburners/radmax-ultra-low-nox-radiant-line-burners/?back=product.

[8]Shoei-Burner, Japan [EB/OL]: http://jp.shoei.com/.

[9]Zhdanok S A , Dobrego K V, Futko S I. Flame localization inside axis-symmetric cylindrical and spherical porous media burners [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1998, 41:3647-3655.

Study on foam ceramic infrared radiation device for steel strip coating drying

Xu Xuecheng, Chen Yuanyuan, Li Benwen, Tan Wanping

(State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081,China)

A large foam ceramic infrared radiation device for the steel strip coating drying process was developed. The effective radiation area of the device was 360 mm×360 mm. A special gas mixer and a double layer air distributor were designed to ensure the temperature uniformity. Experiments were carried out to determine the heat load and corresponding equivalence ratio range under stable combustion condition. Based on the analysis of experimental results, some optimum parameters were obtained, Compared with the theoretical models the combustion instability and the experimental results were discussed.

strip coating drying; foam ceramic; infrared radiation device; experimental study

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.03.014

TK 223.23

：A

：1671-6620(2017)03-0232-07