石运鑫，谢 敏，刘 宏，孙正路，王凤君，王 辉

(1.哈电发电设备国家工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨电气股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028;3.哈尔滨工业大学 能源与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

燃气燃烧器是将可燃气体转化成热能的工业设备，被广泛用于工业加热和用户供暖等方面。根据空气燃气预混方式可将燃烧器分为非预混燃烧器、部分预混燃烧器和全预混燃烧器。非预混燃烧也称为扩散燃烧，燃烧强度由氧分子的扩散效率决定，虽然有点火效果好、无回火现象和火焰稳定等优势，但也存在燃烧效率低和CO生成率高等缺点；部分预混燃烧是把部分空气与燃气混合，燃烧过程中继续补给氧化剂促进燃烧，一定程度上加强了燃烧强度并降低污染物排放，提高燃烧效率；全预混燃烧时，燃气空气在燃烧前充分混合，火焰更短、效率更高[1-3]，但存在易回火、火焰不稳定等缺点。

基于全预混燃烧器燃烧特性和缺陷，国内外学者对其进行了大量研究，由此多孔介质全预混燃烧器应运而生。Takeno和Sato等[4]通过理论分析得出结论：使火焰燃烧区集中于高导热系数多孔介质材料内时，可得到超绝热火焰，在提高燃烧温度、稳定燃烧火焰的同时，由于高温区气体停留时间很短，还可限制NOx生成，为多孔介质燃烧器的开发提供了理论依据。

金属纤维燃烧器属于多孔介质燃烧器，相比于传统多孔陶瓷燃烧器，具备高延展性、耐热振、高反应区温度、低NOx排量等优点，成为如今研究的热点。

国外在金属纤维材料性质、燃烧特性、污染物控制和燃烧器结构方面取得了相当的成果，国内对金属纤维燃烧器的研究开展起步较晚，目前尚处于实验验证阶段。

1 燃烧及换热机理

金属纤维燃烧器虽是多孔介质燃烧器的一种，但两者的工作原理不尽相同。相比于其它多孔介质，金属合金纤维网更薄、相对孔隙率更大。根据混气气流速度是否大于脱火极限速度可将燃烧方式分为浸没燃烧(辐射状态)和表面燃烧(蓝焰状态)[5]。其工作原理图如图1。金属纤维燃烧器可以用在不同的领域。如辐射状态，可以应用于干燥、烘烤等领域。在蓝焰状态可以用于工业加热和民用灶具、热水器、两用机、锅炉等方面。

当V

当V>VES时，火焰附着在金属纤维结构表面形成一层蓝色火焰薄膜，以热对流和辐射的方式同时换热，该燃烧方式叫做表面燃烧。由于燃烧发生在纤维结构外部，因此燃烧温度稍高于浸没燃烧，会产生稍多的NOx但有利于完全燃烧。

与传统扩散式燃气燃烧器相比，预混燃烧器在热效率、环境适应性和灵活性方面具备更强的优势[6]。随着公众节能意识的逐渐增强，纤维辐射燃烧器的应用逐渐广泛，作为研究基础的详细换热模型和相应测试方法被重点关注。

在20世纪50年代早期，Verschoor[7]和Rowley等[8]通过在真空下进行防护热板实验，证明了热辐射在纤维绝缘中的重要性。此后，人们对纤维材料的热辐射进行了多次分析[9-14]。在总结基于简单的传导和更精细的辐射方法预测纤维介质中辐射热传递的分析模型后[15]，当时普遍认为存在建立传递模型和根据传递模型确定材料的辐射特性是两大难题，因此有必要发展双通量模型和开发新型辐射特性测定方法。

纤维燃烧内部传热模型必须考虑辐射和对流两方面过程。Golombok[16]建立了基于热传导、对流和辐射的辐射燃烧模型，阐述了热输入与稳定燃烧的关系。Flemming[17]等提出了一种在金属及陶瓷纤维燃烧器中传热的模型。该模型包含纤维导热及气体传热。用一个放热函数表征纤维内的燃烧，将辐射分量、气体和固体温度、多孔层表观黑度表征为功率、过量空气和位置的函数。另有学者[18]通过一维瞬态方程建立了非催化金属纤维燃烧器内甲烷的燃烧模型，详细描述了反应机理、多孔介质中的辐射、纵向传热和传质过程。

对于辐射模型测试方法，各学者专家采用的方式各异。Golombok[19]成功用激光闪光法测定了金属纤维材料的各向异性导热率；有学者分别以辐射热电偶、快速红外阵列光谱仪、150°视角辐射计对纤维表面温度、排气温度和辐射通量进行测量，用量热法测定总通量，进而计算辐射、对流和总效率[20]。还有人利用水冷辐射热流计、非接触式温度计和气体分析仪分别测量金属纤维垫式燃烧器的辐射热通量、表面温度和燃烧气体成分[21]；光谱仪和多测点热电偶也曾被用作主要测量仪器[22]。总而言之，对于辐射参数的测量必须考虑到两温度(排气温度及纤维表面温度)及辐射热通量，而量热法是对测量结果的有效验证。

辐射效率是辐射燃烧器最重要的热性能参数之一，计算辐射效率的方法是取燃烧器总辐射功率(Qe)与标准状态下理想燃烧的能量释放功率(Qchem)的比值[20]。尽管存在一些相关研究，但不同测试方法会获得不一致的结果。Mital等[23]开发了一种测试多孔介质辐射燃烧器辐射效率的标准测量程序，经量热法对比验证，可获得较好结果。对于甲烷-空气混合物，金属纤维燃烧器的辐射效率为20%～25%。若使用浸没燃烧，则会强化燃烧产物与纤维材料之间的热交换，从而提高辐射效率甚至达到40%[24]。若假定产物温度和多孔介质表面温度相等[25]，则辐射效率和燃烧功率负相关，与混气初始温度、当量比、氧浓度和黑度正相关，另与燃气种类和燃料火焰速度相关[5,26]

Osamu等[22]测量了反应区和内部的辐射特性和各种性能，实验发现金属纤维垫的辐射效率在化学计量条件下达到极值，与气流流速负相关。纤维垫法相区域内的温度场是流速和当量比的函数，如图2、图3，且热损失使得垫下游区域的反应被极大限制。

图2 不同流速下温度场分布

图3 不同当量比下温度分布

相比于单层金属纤维结构，双层金属纤维结构的辐射效率和总效率高5%，且火焰温度更高[20]。若使上游层孔隙率较小，则可提高辐射强度，并强化燃烧、提高防回火性能。但双层结构必需的高燃气背压可能使民用区域天然气配网出现问题[27]。

关于回火问题，现阶段认为是预热原料的反向辐射能通量导致的[27]。金属纤维燃烧器稳定燃烧时，在火焰面上，火焰传播速度和混气来流速度相等。当因某些因素(如纤维网变形等)导致火焰传播速度大于来流速度时，火焰面将回移缩向内网，发生回火。另外，燃烧产生的大量热量会通过辐射、对流和纤维导热等方式预热混气，如果燃烧器结构设计不合理，则可能使纤维网热量持续聚集，混气燃烧初始位置会连续前移产生回火。

2 金属纤维材料

燃烧器用金属纤维大多为铁铬铝(FeCrAl)合金，常规情况下均添加少量稀土元素以将常规使用温度从1 123 K提高到1 173 K。另外，NiAl、NiCrAl和Inconel-601等合金也被用于制造金属纤维[28]。用于金属纤维燃烧器的纤维制品种类不一，大致可分为针织物、机织物和烧结板三大类，根据纤维的加工工艺又可进行详细划分。

合金加工成纤维的方式对纤维表面形貌、尺寸和理化特性有很大影响。现有主流加工工艺包括[28-29]：单丝拉拔法、集束拉拔法、卷材刮削法、振动切削法和熔抽法。其中拉拔法可获得丝径微米级别的纤维丝，且表面形貌最为光滑，基本可用于制备各种金属纤维制品；卷材刮削法无法得到常规截面为圆形的金属纤维(截面呈长方形)，可用于机织物和短纤维针织物；而振动切削法和熔抽法仅能得到长度较短的短纤维，常用于制备短纤维织物或烧结纤维板。

图4给出了常用金属纤维制品形貌[30]。目前认为，集束拉拔长纤维织物比较适合制造燃烧器金属纤维燃烧头[31-32]。针织物孔隙分布更加规则，可使燃气空气均匀混合以提高燃烧稳定性；但短纤维织物在长时间使用后，会因抱合力不足出现纤维脱落的情况，因此发展长金属纤维织物燃烧头更具优势。

图4 常用金属纤维制品形貌

Schiro等[33]对比了钢制无纤维、针织纤维和机织纤维燃烧器的燃烧性能，如图5。结果表明金属纤维的存在可有效提高低氮排放性能、空燃比例灵活性和火焰稳定性，但编织方式的不同在各方面表现并不突出。

图5 燃烧器爆炸视图

通过催化剂的催化作用，可降低燃气燃烧的活化能，即在相对较低的温度下即可完成燃烧反应。将催化技术与金属纤维燃烧技术结合，可使得燃烧辐射率有效增加，获得更低的CO、HC、NOx排放量，实现大幅降低过量空气系数，提高金属纤维因硫化物导致的钝化作用，对于提高理化稳定性作用明显。

Bizzi等[27]分析了催化型和非催化型预混金属纤维燃烧器的稳定性和回火性能。假设存在一个由催化剂活性维持的非均相燃烧体系模拟催化反应性。认为催化剂的存在，以降低稳定性为代价提高了系统性能，但可通过完善孔隙率，发射率，导热率，纤维直径等参数设计补偿稳定性。

合适的催化剂应在873～1 473 K温度范围内具有良好的燃料燃烧活性和高热稳定性。催化剂越活跃，稳定燃烧的比例就越高。此外，如果催化剂的热发射率高于载体基体，则可以实现更强的热扩散，从而降低燃烧器内的火焰温度和NOx排放。不同种类催化剂对性能的影响各异，有些甚至会产生负效应，因此合理选择催化剂的种类十分重要。目前金属纤维用催化剂主要包括钙钛型结构、贵金属Pt和Pd、过渡族金属氧化物及活性水滑石Ni(Mn)/Mg/Al等[34-35]。

利用H2PtCl6·6H2O溶液将贵金属催化剂负载到saffil CG纤维垫上，可使得燃烧器纤维温度有效升高，燃烧热中的辐射能占比达70%以上[45]，有效提高了燃烧效率和辐射转化率。

近十几年来，有专家探究了共用多类型催化剂的复合效果。意大利学者Specchia[46]测试了应用于FeCrAl纤维燃烧器中，贵金属Pd和LaMnO3-2ZrO2催化剂的复合作用。发现氧化锆可充当结构促进剂，能够有效促进贵金属/钙钛型矿物的协同作用，提高燃烧器的性能，降低燃料起燃温度，减少烟气CO排放量，但会导致NO排放量增加[47]。

为了防止煤气、天然气等无臭燃气泄露产生爆炸，须向其注入加臭剂。加臭剂往往含硫，目前国际上广泛使用的加臭剂为四氢噻吩THT(C4H8S)，燃烧后产生的二氧化硫很容易使金属纤维产生老化、中毒现象。有学者针对这一问题，在纤维表面搭载贵金属/钙钛型矿物催化剂后，有效缓解了纤维硫化现象[48]。在25倍意大利燃气管网硫浓度天然气燃烧实验中，搭载催化剂的燃烧器可长期稳定运行。

3 结构设计

按照燃空掺混器(燃气空气掺混器)在全预混表面燃烧器系统内的安装位置，可将燃烧器分为前混式和后混式，如图6。前混式燃气和空气的掺混在风机之前的掺混器中进行，利用风机内强烈的扰流运动促使掺混均匀；后混式则把掺混器布置在风机以后，在掺混器内设置相应结构增加扰流促使掺混均匀。掺混器前置布置的优点在于，免去了复杂的掺混结构，紧凑化燃烧器系统和较高的燃气压力适应力。但要求风机绝对密封，燃气空气掺混较早对系统安全性要求较高。后混式全预混燃烧器则不够紧凑，需要提供较高的燃气压力，但安全性更高。

图6 燃烧器1-风机;2-掺混器;3-金属纤维网;4-多孔固定板

掺混器和分配器是全预混金属纤维燃烧器不可缺少的部分，作用为促进预混燃气均匀性。关于掺混器和分配器设计，现在掺混器主流方案是文丘里结构、网状结构、多孔分流板和复合式混风结构。

文丘里主要结构如图7、图8。燃气通过渐缩喷嘴增速，在喷嘴出口处形成低压区域，并产生夹带作用，吸入助燃空气。优点在于过量空气系数低，燃气引射空气，对风压的要求较低，因此可采用普通风机。该结构的设计和性能已被广泛研究[49-53]，取得了很大进展。文丘里掺混器已逐步产业化，被应用于商业燃烧器当中。

图7 低污染家用燃烧器[54]

图8 完全预混燃气燃烧器[55]

网状结构更加简单，单纯在燃空混合区域布置一定厚度的网状结构(泡沫陶瓷、金属纤维等)。可以分多层布置，也可在其上负载催化活性剂。优点是结构简单，便于拆装修理维护。网状结构布置在混合部分内使得预混燃气在整个流动横截面上得以延伸，促进边缘部分流动的混合[56]。但由于单层结构较差的掺混性和多层结构导致的较大阻力，因此现有研究较少。另外多孔分流板与网状结构较为相似，但很少单独使用，往往与其它掺混技术联用以保证预混燃气更加均匀供给到燃烧头表面，经实验测试有一定稳然效果[57-58]。

混风结构是目前商业化最成功的掺混结构。该结构是现有全预混燃烧的掺混技术联用的有机组合。实验与流场仿真充分表明，单一掺混结构与混风结构的掺混性能差距明显[58]，多掺混结构的组合利用(旋流叶片[59-60]、文丘里[55]、纺锤体[52]、网状结构[56]、多孔板[58]、分散管喷头[61]等)才是今后发展的主流。尽管混风结构已经历了长期发展与测试，但截至今日，掺混效果与系统阻力之间的矛盾尚未解决，仍有研发的必要。相比之下，分散管喷头式掺混器似乎更受青睐，包括IC、北京节能技术监测中心、上海华之邦、安阳方快锅炉等均采用了相似技术。另外，以钝体结构为核心的混风结构也得到了一定的应用[62]，是未来发展的前沿结构之一。

图9 分散管喷头式混风结构[59]

图10 钝体混风结构[62]

对于分配结构，现如今最成功的技术就是多孔支撑板(筒)。为提高多孔支撑板分流均匀效果，支撑板可布置多层；从形状来说，多孔板可制作成板式[66]、圆柱筒式[63-64]和圆锥式[65]，具体如图11。板式支撑板主要应用于平面式换热器，圆柱式和圆锥式则没有这种限制。对比来看，圆锥式支撑筒服务于非传统圆锥式金属纤维燃烧头，该结构的最大优势在于，能有效避免燃烧器在使用期间内部压力分布不均造成的混气分配不均，从而保证燃烧头表面的火焰均匀稳定[65]。分配结构的存在十分必要，能大幅提高燃烧的稳定性和火焰均匀度。

图11 多孔板

4 优势及创新性研究

现有研究结果充分表明：全预混燃烧是提高燃烧器燃烧效率、降低CO和NOx排放的最有效方案之一。以金属纤维网为多孔介质材料的燃烧器同样能有效改善燃烧状态，故全预混金属纤维燃烧器具备更好的燃烧特性。具体优势如下：

(1)表面热强度范围广，处于0.1～10 W/mm2之间。既可适应小功率燃烧设备，也可以为大型燃烧机器节省空间，相比于同为多孔介质的多孔陶瓷，具备更高的热强度。

(2)热适应能力强。金属纤维具有极高的抗热冲击性和抗氧化性，即使在未添加催化剂的情况下，也能够适应较为频繁的启炉停炉带来的急速升温降温。

(3)污染物产量低。金属纤维结构的均流作用促进炉膛火焰均匀分布，燃烧产生的热量可被金属纤维迅速传递出去，抑制了高温区的生成，使得含量最多的热力型NOx被抑制。另外，良好的掺混分配性能使得燃烧更加完全，不完全燃烧产物CO排放量极低。

(4)安全性高。研究发现，金属纤维网的空隙直径远低于混合燃气的临界熄火孔径，pecklet准数Pe大于临界值65，使得该结构具备阻火性能，可有效抑制回火现象的发生。

(5)外形适应性强。金属纤维网由于良好的结构特性，能够被加工成各种形状。有利于燃烧器开发，且能适用于各类场合。

(6)噪声低。金属纤维网制造工艺可分为烧结式、编织式和编织烧结式三种，无论何种制造工艺，其均具备均匀分流的特点，流量均匀使得燃烧噪声极低。

目前国内外研究人员针对金属纤维燃烧器进行了大量传新性研究，获得了一系列高价值研究结论，主要体现在设计理念，燃料适应性和系统仿真等方面将表面燃烧技术应用于家用炊具，可有效优化燃烧器的调节比、污染物排放和温度分布，避免温度受冷边界影响从而适应不同尺寸炊具的使用[69]。冯良等[70]描述了引射式表面红外燃烧器关键参数的计算公式，包括辐射面面积、燃气喷嘴尺寸，头部容积和引射管尺寸，并设计出相应燃烧器，具备较高性能，为后续此类燃烧器的开发提供了设计基础。烟气循环和金属纤维燃烧技术联用有助于降低过量空气系数并轻微提高热负荷，但可能导致燃烧不稳定现象[71]。

目前发现，华白数(Wobbe index)可用于反映金属纤维燃烧器的燃气适应性，计算公式为：W=H/s0.5，与燃气热负荷大致符合正相关规律[72]。虽然燃气互换可能带来不完全燃烧、局部超温、污染物超标、效率降低、缩短寿命等一系列问题[73]，但如果控制互换燃气华白数变化率10%以内，则可基本保证稳定运行[74]。

关于数值计算方面，由于金属纤维的复杂结构，直接求解燃烧工况并不现实需要进行大量简化，因此往往将金属纤维结构看作具备各向同性的多孔介质。对于纤维内部的流动，目前存在两种观点，及层流及湍流两种流动方式[52,75-79]。对比仿真结果发现，层流方式似乎更加合理，这也印证了Rees对多孔层流动的分析[80]。

5 结论

金属纤维燃烧具备极高的燃烧效率和辐射效率，可满足于需要供热、产汽、烘干等需求的众多行业，同时由于超低的污染物排放量，所受重视日益加深。纵观金属纤维燃烧技术的应用不难发现，国内对催化剂应用和金属纤维制造等尖端技术开发研究相对较少，多集中于结构改良和技术应用。由于基础性研究成果尚不成体系，因而制约了行业的发展。此现状在行业内已经引起重视，对多孔金属纤维材料的开发正在稳步进行，通过基础学科探究燃烧特性的相关研究也已见成果。相信核心技术的掌控是推动金属纤维燃烧行业发展的最大助力。