20世紀七十年代，英國學者Weinberg提出了超焓絕熱燃燒的概念，其分析指出該燃燒工況的實現(xiàn)依賴于能否將產(chǎn)物的熱量通過燃燒系統(tǒng)傳輸?shù)嚼涞姆磻锪髦?，形成總體上熱量“零損失”的燃燒過程。隨后多孔介質(zhì)燃燒的研究進入實質(zhì)性階段，國內(nèi)外學者進行了材料特性、阻力特性、換熱特性、燃燒穩(wěn)定性、燃燒速率、輻射輸出與污染物排放等方面的研究。
與此同時，新的多孔介質(zhì)材料金屬纖維在燃燒領(lǐng)域的應用，將多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)與表面燃燒技術(shù)相結(jié)合，開始廣泛進入國內(nèi)外燃燒器研究范圍。金屬纖維燃燒器相比一般的陶瓷材料多孔介質(zhì)燃燒器在工作原理上具有一致性，但在燃燒特性上又具有一些差別，諸多國內(nèi)外研究表明，其獨特的快速反應性、快速冷卻性、形狀可變性、熱膨脹的可控性、紅外線輻射、熱效率、氮化物排放量方面具備更強的適應性。該類型燃燒器的出現(xiàn)，對食品烘干、紙張干燥、瀝青路面加熱、紡織以及大鍋灶、熱水器等行業(yè)具有巨大推動作用，存在廣闊的市場前景。
金屬纖維燃燒器工作原理
預混好的燃氣空氣混合物流經(jīng)分流板，遇到金屬纖維下表面后滲透進入。當氣流達到著火溫度后進行燃燒反應，火焰錨定于金屬纖維表面或內(nèi)部，從而以輻射和對流換熱方式向外傳熱。若燃氣和空氣混合得比較好，燃燒將在金屬纖維內(nèi)部穩(wěn)定進行，來流氣體對金屬纖維下表面不斷沖刷起到冷卻作用，并與傳播速率達到平衡。
燃燒器可根據(jù)需要調(diào)節(jié)成兩種不同的工作狀態(tài)：纖維內(nèi)部進行的紅外輻射方式、纖維表面上進行的藍焰燃燒方式?；鹧娲嬗诶w維內(nèi)部時，纖維被加熱到白熾狀態(tài)，熱量主要以輻射方式釋放到外界環(huán)境；當來氣速率較高，在脫火極限內(nèi)，將火焰推至纖維表面時，火焰變?yōu)樗{色，呈波浪形浮于纖維表面，此時熱量主要以對流換熱方式進行釋放。
兩種燃燒狀態(tài)
低負載時，燃燒在金屬纖維內(nèi)產(chǎn)生，對外傳熱以輻射為主。高負載下，火焰會浮在在金屬纖維表面上，對外傳熱轉(zhuǎn)為以對流為主。由于不同工況下有著不同的燃燒狀態(tài)，金屬纖維表面燃燒器可以應用于不同行業(yè)領(lǐng)域。
超低NOx排放
一般來說，天然氣燃燒過程中主要生成的是熱力型氮氧化物。而為了降低熱力型NOx排放量，可以從三個方面著手：減小爐膛內(nèi)的局部高溫區(qū)、降低爐膛內(nèi)的過剩氧氣系數(shù)以及縮短混合氣體在爐膛內(nèi)的停留時間。
首先，由于金屬纖維燃燒頭的均流作用，爐膛內(nèi)火焰分布非常均勻。同時燃燒后煙氣與金屬纖維存在著強烈的對流換熱，出口煙氣溫度迅速下降，爐膛中不存在局部高溫區(qū)。因此熱力型氮氧化物的生成被極大地抑制。其次，由于表面燃燒器采用全預混的燃燒方式，并且在不同負載下空燃比可以隨之調(diào)整，所以整個過程中過?？諝庀禂?shù)非常低，快速型氮氧化物的生成得到了抑制。最后，由于全預混表面燃燒燃燒速度快，混合氣體在爐膛停留時間極為短暫，這也導致了氮氧化物生成量的減少。
機身結(jié)構(gòu)緊湊
預混氣體在多孔介質(zhì)孔隙中完成燃燒，火焰高度較擴散式燃燒而言極短，整體爐膛尺寸較小。同時金屬纖維燃燒頭可以配合工程需要加工成各類形狀，進一步使得機身結(jié)構(gòu)緊湊化。
燃燒強度高
普通燃氣燃燒器的負載增加到一定程度，氣體噴出速度會超過火焰速度，發(fā)生脫火現(xiàn)象。而由于金屬纖維對于氣體的擾流作用，強化了空氣與燃氣的質(zhì)量傳遞，造成其火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h遠超過傳統(tǒng)擴散式燃燒，燃燒強度大大提高。高燃燒強度有利于減小設(shè)備體積與使用成本。
安文旗等人研究了煙氣再循環(huán)對金屬纖維表面燃燒器燃燒穩(wěn)定性的影響
如圖2所示，隨煙氣再循環(huán)率逐漸增大，金屬纖維表面燃燒器周圍火焰由藍焰逐漸變?yōu)榈撞克{焰上部黃焰的狀態(tài)，黃焰的長度增加且出現(xiàn)波動，最終火焰出現(xiàn)振幅較大的波動型震動，進而爐膛震動，火焰吹熄。在圖3中，隨著負荷的增大，出現(xiàn)爐膛震動的煙氣再循環(huán)率極限值逐漸提高。負荷46%時，煙氣再循環(huán)率增加至9%即開始出現(xiàn)爐膛震動，爐膛內(nèi)火焰抖動，不完全燃燒加劇，檢測到煙氣中CO質(zhì)量濃度急劇增大。高負荷時，表面金屬纖維面積熱強度更大，提高了火焰溫度，有助于穩(wěn)定火焰。煙氣再循環(huán)使得助燃氣體氧含量降低影響了燃燒穩(wěn)定性。此外，本實驗中發(fā)現(xiàn)，外部煙氣再循環(huán)通過外部管道將爐膛內(nèi)的壓力波動傳遞給了助燃空氣，加劇了燃燒器火焰的波動，進而造成燃燒不穩(wěn)定。
