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，國家提出循環經濟。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”的工程進展和人們環保意識的增強，燃氣在我國的應用范圍不斷擴大，但是燃氣中依然存在對人體有危害的物質，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等有害物質的潔凈燃燒技術會受到人們的歡迎，這也是人們對于環保重視以后的必然追求。因此，金屬纖維燃燒技術具有很好的市場前景，其具備很強的優勢：既能降低NOx和CO的生成量，還能增加實現完全燃燒的可能性。

1 金屬纖維燃燒器的構成

金屬纖維燃燒器直徑大約為40μm～50μm，屬于預混氣體表面燃燒，使用機械方法制成一種耐熱合金鋼纖維，預先混合均勻的燃氣空氣混合物流向燃燒器頭部，在透氣性均勻的金屬纖維織物表面層進行燃燒。金屬纖維燃燒器的特點是熱強度高、調節范圍大。金屬纖維燃燒器的頭部是由極細金屬纖維制成的。金屬纖維燃燒器的構成材料主要包含鐵鉻鋁纖維，能夠經得住高溫，甚至高達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、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，實現很好的透氣功能。此種纖維還具有導熱系數高和輻射率高，有利于敢于預混氣體之間的傳熱和導熱，擴大了燃燒中化學反應的空間區域，進而提升了燃燒效率[1]。

2 金屬纖維燃燒器的工作原理

由于傳統的燃燒方式中，混合氣體中傳熱不能足夠充分，所產生的化學反應不能在一個狹小的空間，導致物質燃燒燼度低，排放的污染物質比較多。因此，需要設計一種能夠在燃燒區域內導熱系數高和輻射率也較高的一種材料，改變傳統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，預混氣體通過中多空介質材料能夠燃燒聚云，呈現燃燼度高、燃燒穩定性好的特征[2]。

金屬纖維燃燒器的工作原理是預先混合均勻的燃氣空氣混合物流向燃燒器頭部，預混好的氣體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燃燒，在透氣性均勻的金屬纖維織物表面層進行燃燒，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部進行燃燒，金屬纖維織物被加熱至白熾狀態，一部分熱量以輻射方式釋放。②藍焰方式，這種方式下，可燃混合物在織物上方燃燒，火焰承藍色浮在表面上，熱量以對流方式釋放。根據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火焰模式，調節功率輸出時，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勢

金屬纖維燃燒器有其特性，在燃燒模式中具有很大的優勢。

①屬于預混燃燒，促進燃燒更加充分，因此，排放物中CO、NOX含量低，這兩種物質的排放非常低，是燃燒方式中最環保減排的[4]。②燃燒過程中噪音低，能夠將其控制在60分貝以下，滿足國家對二類環境設置的噪聲標準。③燃燒過程中使用完全預混燃燒技術，能夠減少熱損失，提高熱效率，降低了耗電量，也就是說更加節能環保的。④由于金屬纖維燃燒的結構設計時擴大了燃燒表面積，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材料使得其具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性，進而延長了其使用壽命。⑦氣源適應范圍更廣：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受極限狀態的熱沖擊。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。并可根據客戶產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1300℃，由于其1000℃以上仍具有優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、反應迅速、熱慣性小、冷卻快、經久耐用、害氣體釋放少等優勢。

目前我國擁有小型鍋爐的臺數多，大約5.5×105～6.0×105臺，排放物污染物質多，能源消耗大。假設全國中餐燃氣炒菜灶都采用金屬纖維燃燒技術，全國城鎮人口4億，平均每100人擁有1臺中餐燃氣炒菜灶，中餐燃氣炒菜灶的平均功率為28KW，每天使用4h，則中餐燃氣炒菜灶每年的能耗為5.887×1011MJ，每年總的節能量為3.1977×1011MJ。由于國外環保工業起步較早，當前環保要求完善、嚴格，且制定了一系列相關標準，使環保設備準入門檻大大提高，限制了環保設備的出口及環保工程的國際競標。因此，加大金屬纖維燃燒器用高溫合金纖維的研發生產非常有必要。

4 金屬纖維燃燒器的廣泛應用領域

金屬纖維燃燒器的應用領域廣泛，包括家庭應用、工業鍋爐與熱水器、印染行業、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、可燃氣體無害化、食品藥品機械、瀝青路面熱再生、烘烤設備等。

（1）家庭應用。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備。

（2）工業鍋爐與熱水器。越來越多的國家己限制商業與工業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提供了針對這些要求的有效的方法。

（3）印染行業。在連續軋染工藝中，為了防止因染料分子發生泳移而造成的顏色不均，布匹在干燥前需要進行預烘打底。預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秒鐘內由800℃以上的高溫降低到接近常溫，因此，它可以有效地預防因意外停電造成的火災事故，非常適合于對織物的加熱。

（4）茶葉殺青。將全預混燃燒的金屬纖維燃燒器應用于茶葉殺青設備，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，并且能有效地節約燃氣消耗。根據用戶測算，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出的紅外線可以對高大空間進行采暖。由于紅外線不被空氣吸收，能夠直接對設備和人體進行加熱，因此不需要對整個空間進行加熱，這不僅避免了大空間采暖的垂直失調，采暖效果好，而且節約了能源。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部存在較大的熱應力，很容易導致破損，如果用金屬纖維燃燒器進行快速加熱然后冷卻退火，就可以消除熱應力，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，即點火后能在數秒內其溫度由常溫升到工作溫度，同樣，在停止工作后，也能在數秒內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，提高了生產效率，與常規的熱風方式相比，達到了30%。

（9）觀賞型火炬。本火炬燃用氣體燃料，采用特殊結構設計，火焰明亮飽滿且呈旋轉跳躍狀，并可人工調節火焰效果，觀賞性極強；外罩耐熱玻璃管，能防風防雨，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）可燃氣體無害化。金屬纖維燃燒器可以用于可燃氣體的無害化處理，即采用焚燒的方式將可燃氣體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混燃燒方式，空氣過量系數小，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，可以變傳統的敞開系統為封閉系統，能最大限度地提高熱效率。

（12）瀝青路面。熱再生、烘烤設備等。

5 結語

總而言之，在循環經濟時代，人們的環保意識不斷增強，金屬纖維表面燃燒技術既能節約能源，也能減少環境污染，更能體現節能環保的趨勢，也是未來燃燒技術發展的重點研究與發展方向。