高强度红外燃烧器的研究

1 概述

红外燃烧器通常以完全预混燃烧技术，使燃气在金属纤维网、陶瓷板等内燃烧，实现灼热介质将热量以一定波长的红外线二次向外辐射，具有低污染排放、高加热效率等特点，因火孔外火焰极短甚至无火焰，又称无焰燃烧器。具备在开放环境中定向加热的特性，在高密度小空间传热方面得到广泛应用。

传统红外燃烧器的热流密度较低，采用多孔陶瓷板的燃烧器热流密度一般为150～200 kW/m

，适用于低温炉、干燥工艺等

。近年来研制的金属纤维网燃烧器存在红外和蓝焰两种模式，在低负荷状态下热量能够以红外线进行辐射，热流密度可达500 kW/m

，应用于500 ℃以下的中温炉。随着负荷的增加，火焰逐渐浮于金属纤维网表面，转变为蓝色火焰

。钢厂、铸造厂等高热流密度定向加热领域，需要更高热流密度(2 500 kW/m

以上)、更宽负荷调节比的红外燃烧器。

多孔介质燃烧利用孔隙结构、导热及辐射特性达到稳定的红外燃烧状态，具备良好的发展前景。Gao等

以氧化铝小球、泡沫陶瓷及蜂窝陶瓷探究甲烷与空气的预混燃烧状况，发现燃烧器NO

的生成量均小于8 mg/m

。Liu等

研究多孔介质中稀释气态液化石油气和空气混合燃烧的特性，发现低热值气体在过剩空气系数为1.25时，火焰在燃气灶中最稳定。

多孔介质对材料有较高要求，需要具备长时间运行耐高温、热震性好的特性。Orenstein等

对铝土-莫来石材质的泡沫陶瓷进行实验表明，泡沫材料损坏并非单个孔洞内的温度梯度导致，而是温度梯度引起泡沫陶瓷整体结构的不同膨胀变化所致，且其抗热震性能随着孔径的增大而提高。

本文采用金属纤维网与泡沫陶瓷板组合的头部设计结构，以完全预混燃烧技术改善燃烧工况，设计了一款能够稳定燃烧的高强度红外燃烧器，通过高强度红外燃烧器的冷态实验，探究了燃烧器头部阻力的来源；以热态实验检测了过剩空气系数与污染物排放状况关系等，进一步佐证了设计的可靠性，为高强度红外燃烧器的设计提供一种可行的思路。

2 完全预混多孔介质红外燃烧技术

2.1 完全预混多孔介质燃烧

多孔介质燃烧

称为PMC(Porous Media Combustion)技术，预混燃气在多孔介质内燃烧，将多孔介质加热到一定温度(800～1 000 ℃)后，热量通过一定波长的红外线二次向外辐射。多孔介质的孔隙结构能够分割火焰、增加气流扰动、加快燃烧化学反应，较大的孔隙表面积强化燃烧区域的传热传质，使火焰面附近温度分布更加均匀，良好的导热和辐射特性能够利用自身蓄热，强化燃烧过程，使燃气空气混合物通过热力分解更加完全，降低污染物的排放。依据多孔介质是否参与燃烧反应可分为多孔介质催化燃烧和惰性多孔介质燃烧，依据火焰在多孔介质中稳定位置分为多孔介质浸没燃烧和表面燃烧

。

2.2 多孔介质材料

多孔介质按照结构分为颗粒堆积型、直孔网格型、纤维网格型和泡沫网格型；按照材料分为包括氧化铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅、陶瓷等的非金属材料和包括镍基合金、铁铬铝合金等的金属材料。

高强度红外燃烧器应该能够适应多角度定向加热的需求，而非传统意义自下而上的加热方式。颗粒堆积型材料分散性强、排列随机性大，束缚成型框架工艺要求高，不便于燃烧器头部的结构设计。

直孔网格型以堇青石、莫来石等材质的蜂窝陶瓷结构为代表，孔隙率20%～60%，比表面积大，流动阻力小，但抗热震性、抗膨胀性、抗热冲击性较低，堵塞后不利于更换，多用于烟气回收余热利用、尾气净化、民用表面燃烧领域。

——面积系数，0.78

3 高强度红外燃烧器

常规燃烧控制中燃气以高压电火花点火，对火焰施加电场，检测火焰离子电流进行熄火保护。由于红外燃烧器无明显火焰的燃烧特性，无法在泡沫陶瓷板表面进行火焰离子电流检测。燃烧器头部结构设计中，泡沫氧化锆板两侧区域采用金属纤维网，泡沫氧化锆板保证设备红外辐射正常工作，金属纤维网区域为火焰离子电流检测探针提供了安装位置。

3.1 高强度红外燃烧器头部

燃烧器头部结构见图1。内部设置均流板，实现燃气与空气混合物的均匀分布。采用铁铬铝合金纤维网(简称金属纤维网)和泡沫陶瓷板(此处采用泡沫氧化锆板)组合的方式，金属纤维网尺寸为410 mm×50 mm，泡沫氧化锆板共2块，单块尺寸为160 mm×50 mm×30 mm。完全预混的甲烷、空气混合物火焰燃烧速度快，在低负荷、过剩空气系数过小的工况下容易发生爆燃回火，为保证燃烧的稳定性，燃烧器头部选用具有较小孔径的金属纤维网。泡沫氧化锆板能够很好地适应高温，三维立体孔隙结构使火焰在泡沫氧化锆板中实现较高热流密度的稳定红外燃烧。

3.2 燃烧控制系统

高孟平要求，下一步各单位要着眼长远，系统性推进全员安全能力和企业安全文化建设，一是持续巩固“三种人”管理成效，抓实一线人员基本技能提升;二是深化安全教育培训，全面提升员工安全能力;三是严管厚爱，确保基本规章制度刚性执行;四是加强组织领导，系统性推进公司安全文化建设。

南北朝时期社会政治环境的变化引起文学观念的多样化，南北朝的乐府诗也得到迅速发展，由于地域差异，南北朝民歌呈现出不同的风格与内涵：北方质朴高亢，多表现社会动乱与人民生活；南方清绮缠绵，更多地展现劳动人民真挚细腻的感情生活。北朝文学较之南朝文学相对落后，但出现了北魏孝文帝等有战略眼光的少数民族统治者实行政治、经济、文化等改革，加快少数民族封建化进程，并与汉族贵族紧密结合，使得少数民族不同程度上受到汉文化传统的熏陶，其文学艺术得到发展，形成自己的特色。

3.3 点火装置及火焰检测

高强度红外燃烧器具有热流密度高、红外辐射的燃烧特性。燃烧器包括燃烧器头部、燃气和空气供应系统、燃烧器控制系统。燃烧器头部是保证燃烧的关键部件，涉及多孔介质的选材和组合方式、点火装置及控制逻辑设计、阀门和风机等，以达到过剩空气系数和负荷的准确调节。

4 高强度红外燃烧器的实验特性

4.1 冷态燃烧器头部压力降实验

由图3可知，高强度红外燃烧器CO的排放受过剩空气系数的影响，变化趋势呈现U形，结合图5进行分析，在过剩空气系数

≤1.5时，CO的生成主要受过剩空气系数的影响，随空气、燃气混合物中的含氧量增大，促进了燃烧反应中CO的转化；当

>1.5时，CO的排放主要受温度影响，随着过剩空气系数增大，引入了更多空气，降低燃烧温度，抑制了CO的转化效率。金属纤维网燃烧器在过剩空气系数为1.4～1.7时，CO质量浓度小于15 mg/m

，超出此过剩空气系数范围时，CO质量浓度增长加快。相对而言，高强度红外燃烧器在红外辐射状态、较大过剩空气系数范围内具备更低的CO排放。

——燃烧器头部出口截面积，即泡沫氧化锆板底部面积，m

4.2 排放特性研究

燃烧器在启动燃烧后的工作状态称为热态，燃烧器在热态下排放的污染物质量浓度决定了燃烧器合格与否。泡沫陶瓷板抗热震性随孔隙的增大而提高，选用10ppi的泡沫氧化锆板与金属纤维网组成的高强度红外燃烧器进行排放特性研究。金属纤维网燃烧器目前技术相对成熟，可与高强度红外燃烧器的污染物排放进行对比，以检验设计的合理性。另外，完全预混燃烧技术对过剩空气系数十分敏感，过剩空气系数对燃烧污染物的排放有重要影响，实验中通过调节VGU86.A0209组合式零压阀的调整螺丝改变燃气流量，从而控制过剩空气系数。以泄流法测量燃烧器头部入口处燃气、空气混合物的相对密度，得到过剩空气系数。将金属纤维网燃烧器和高强度红外燃烧器分别置于稳定烟道内(烟道相对压力为0)，使用Testo350烟气分析仪多次检测烟道中CO和NO

排放值，经均值运算后折算到烟气中氧体积分数为3.5%的排放量，结果见图3、4。

完全预混燃烧器控制包括燃烧启动过程中的系统安全自检和自动点火控制，燃烧过程中的安全检测控制、燃烧负荷控制、过剩空气系数控制，以及燃烧结束后的后吹扫控制

。系统安全自检主要检测风机风压、燃气压力等；自动点火控制是控制风机启动、阀门开启、及时采用连续电脉冲完成点火；安全检测控制防止风机、阀门等损坏造成突然熄火，能及时切断燃气阀门；燃气经空气引射在混合器内与空气进行混合，控制器通过脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)信号改变风机转速以调节风压，实现燃烧负荷变化；过剩空气系数控制采用VGU86.A0209组合式零压阀

，在燃烧负荷改变时，过剩空气系数基本维持不变；后吹扫控制确保在燃烧结束或多次点火失败时，炉膛内燃气含量低，避免再次点火时发出爆鸣声。

最后谈一些自己的感想，我觉得在工作中的沟通与在生活中的沟通类似，很多人都只擅长与熟悉的人或者在轻松的环境下沟通，但通过学习哈佛管理课我意识到，所有沟通都是类似的，只要在沟通中做到与他人产生共情效应，即让对方感受到你是充分理解他并且是有意愿帮助他的，才能产生最有效的沟通。

金属纤维网燃烧器存在蓝焰和红外两种燃烧状态，只有低负荷时才能实现在较宽的过剩空气系数下保持红外燃烧状态的调节。而高强度红外燃烧器达到红外辐射状态后，在较宽的负荷和过剩空气系数调节范围内，始终能够保持红外燃烧状态。为了排除低负荷时高强度红外燃烧器底层金属纤维网对排放的影响，设定金属纤维网燃烧器负荷为8 kW，高强度红外燃烧器负荷为20 kW。

在泡沫氧化锆板中设置6处测温点，在燃烧器达到红外辐射状态后，得到泡沫氧化锆板的平均温度。计算得到不同过剩空气系数下的燃气理论燃烧温度

与泡沫氧化锆板的平均温度见图5。

金属纤维网和泡沫陶瓷板为高强度红外燃烧器头部的主要阻力部件，头部阻力过大，不仅造成风机的能源浪费，更影响着燃烧器的启动燃烧过程。在金属纤维网不进行更换的条件下，负荷及泡沫氧化锆板的孔隙密度决定头部阻力。选用孔隙密度(2.54 cm长度上的平均孔数)为10或20 (记为10ppi或20ppi)的泡沫氧化锆板，在燃烧器未启动燃烧的状态(称为冷态)下，进行头部阻力测试实验。在不供应燃气的条件下，调节风机转速，改变燃烧器头部入口处空气的流速，模拟负荷变化，空气流速从0.2 m/s逐渐增加至2.6 m/s，使用数字微压计测量燃烧器头部压力降，见图2。

NO

主要为热力型，由图4、5可知，其排放特性主要受温度影响，随过剩空气系数增加，NO

的排放逐渐降低。高强度红外燃烧器在过剩空气系数

≤1.3时，火焰面移动到泡沫氧化锆板底部，泡沫氧化锆板具有的三维立体孔隙结构便于热量的传导，使得火焰温度更低，氮氧化物的生成受到抑制，NO

排放低于金属纤维网燃烧器；当过剩空气系数

>1.3时，火焰面移动到泡沫氧化锆板的中上部，泡沫氧化锆板的辐射特性影响强于导热特性，自身具备一定的蓄热特性，相比于金属纤维网燃烧器，促进了热力型NO

的生成。两种燃烧器在过剩空气系数大于1.5时，NO

质量浓度均小于20 mg/m

。

4.3 高强度红外燃烧器热流密度计算

燃烧器排放实验已证明，在过剩空气系数为1.5时，高强度红外燃烧器具有较低的CO和NO

排放。在此过剩空气系数下，逐渐增大燃烧器负荷，测试燃烧器达到稳定红外燃烧能够适应的燃烧热流密度。高强度红外燃烧器红外燃烧的热量来源为通过泡沫氧化锆板的预混燃气空气混合物，两侧金属纤维网只供火焰检测。假设通过均流板后预混燃气空气混合物分布均匀，以膜式燃气表计量燃气流量，泡沫氧化锆板底部面积与金属纤维网面积比值(0.78)，即为红外燃烧负荷占燃烧器总负荷的比例。热流密度计算公式

为:

式中

——热流密度，kW/m

纤维网格型和泡沫网格型适用于燃烧领域和过滤材料领域。纤维网格型以金属纤维(镍基合金或铁铬铝合金等)和陶瓷纤维为代表，为三维网状结构，体积小，质量小，结构稳定，抗氧化和抗热震性能好，但生产难度大、经济性差，金属耐温在1 400 ℃左右，不适应区域火焰温度(1 400～1 600 ℃)。泡沫网格型以泡沫金属型和泡沫陶瓷型为代表，具备孔隙率高(70%～90%)、密度小、比表面积大、三维空间结构、流动阻力低、分布均匀等特点，但存在热震性受温度变化影响大，陶瓷缺乏刚度和韧性，不便于机械加工，金属耐热性不足

。

我推荐喝鲜奶、原味酸奶或孕妇奶粉。鲜奶是指那种需要冷藏保存、保质期在7天以内的奶，这种奶的营养价值较高。如果不喜欢喝鲜奶，可以喝原味酸奶，一定要含四大益生菌的，但不推荐喝乳酸菌饮料和各种调味酸奶。如果鲜奶和原味酸奶都喝不到的话，也可以选择孕妇奶粉。市面上有很多可在常温下保存的、保质期较长的奶，这种奶叫做常温奶，因为其加工工艺会导致奶中的很多小分子被破坏，营养价值不如鲜奶好，所以不作为优先推荐的奶品。

——燃气流量，m

/h

——燃气低热值，kJ/m

，测试气体低热值为34 540 kJ/m

由图2可知，随着空气流速增加，燃烧器头部阻力近似呈线性增加；燃烧器头部采用金属纤维网和不同孔隙密度的泡沫氧化锆板与单独使用金属纤维网相比，头部阻力的压力降变化小。因此，头部阻力主要来源于金属纤维网，泡沫氧化锆板的阻力占比较小，更换不同孔隙密度的泡沫氧化锆板对燃烧器头部的阻力影响较小。

红外燃烧负荷由16.4 kW增加至78.84 kW，燃烧热流密度也由1 025 kW/m

增加到4 930 kW/m

，仍能维持稳定的红外燃烧。当燃烧器负荷继续增大时，将出现离焰现象。

5 结论

① 高强度红外燃烧器头部采用金属纤维网和泡沫氧化锆板的组合具有一定的可行性，金属纤维网阻力是主要阻力，泡沫氧化锆板阻力占比低。

二是传统文化是维护民族生存和发展的精神纽带。思想意识对物质有动态的理念思维反应，传统文化可以唤起人们无限的家庭情感,唤起人们对民族和国家的认同,对传统文化态度的呼唤，辩证肯定事物、否定消极内容,保留了旧事物的积极合理的因素,辩证否定了本质错误的“扬弃”,才能不断地提升文化消除陈旧的思想意识。

我们用Java语言编码实现了第四节所述系统，并将系统部署到服务器中，服务器环境为：Intel（R） Xeon（R）CPU E7-4820 V2＠2.00GHz 2.00GHz，128G 内存，centos7 x64 操作系统。 需要展现的数据为2017年云南省6 000千米输电线路的高清航拍数据（约 12.4TB）。

“本地方言里，郭与穀的发音是一样的。穀这个字难写，现在也没几个人认得了，再说过去的城也没有了，以前那么多的东西，都没有了。”

② 相较于金属纤维网燃烧器，在相同过剩空气系数下，CO排放始终维持较低水平，NO

排放受过剩空气系数与多孔介质结构特性耦合影响。

3.2.4 饮食的护理 淋巴漏容易导致水、电解质和蛋白质的丢失，加剧术后电解质紊乱、低蛋白血症及营养不良，从而影响伤口的愈合甚至导致伤口感染。术后即刻禁食，直至肛门排气后改为半流质饮食，以高蛋白、高热量食物为主，忌辛辣、刺激性强的食物。10 d后改为普食，以避免便秘的发生，膳食仍以高蛋白、高热量、易消化的食物为主。

③ 高强度红外燃烧器燃烧热流密度最高可达4 930 kW/m

，燃烧器长时间工作且过剩空气系数处于1.5左右时，能够实现较好的运行工况，达到较低的污染物排放。

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