节能技术与应用          110

节能 ENERGY CONSERVATION     NO.03 2020

多孔介质燃烧技术应用

石  祥  李卫杰  高  阳

（中冶南方（武汉）热工有限公司，湖北 武汉 430223）

摘  要 ： 就多孔介质燃烧技术应用进行了系统介绍及分析结合红外加热特点及多孔介质燃烧器结构，介绍多  孔介质燃烧技术使用条件及工况，对多孔介质燃烧特性分析，从燃烧稳定性、温度特性及加热效率、污染物排放指标、 温度均匀性等几个关键特性参数进行系统阐述，最后对各类多孔介质燃烧的使用特点进行对比，对不同材料的多   孔介质燃烧器适用工况、优势特点等进行说明，并对多孔介质燃烧技术未来发展方向提出了见解，为领域内技术  专家了解分析多孔介质燃烧提供了重要参考。

关键词 ：红外加热 ；多孔介质 ；燃烧 ；低NOx排放

中图分类号 ：TK16              文献标识码 ：B               文章编号 ：1004-7948（2020）03-0110-05

doi ：10.3969/j.issn.1004-7948.2020.03.035

Application of porous media combustion technology

SHI Xiang   LI Wei-jie   GAO Yang

Abstract ：This paper systematically introduces and analyzes the application of porous media combustion technology.    Firstly，from the infrared heating characteristics and the structure of porous media burner，it introduces the operating    conditions and working conditions of porous media combustion technology，and then analyzes the combustion    characteristics of porous media， from the combustion stability，temperature characteristics and heating efficiency， pollutant emission index，temperature uniformity and other key characteristic parameters. In the end，the application    characteristics of various kinds of porous media combustion are compared，the applicable conditions and advantages    of different materials of porous media burner are explained，and the future development direction of porous media    combustion technology is put forward，which provides an important reference for technical experts in the field to    understand and analyze porous media combustion.

Keywords ：infrared heating ；porous media ；combustion ；low NOx emission

1  多孔介质红外加热技术概述

1.1   红外加热技术特点

红外加热按波长可分为近红外加热、中红外加热和 远红外加热，分类说明如表1所示。

表1   红外线分类

种类 波长范围 /μm 温度 /℃

近红外 0.76~2 3 537~1 177

中红外 2~4 1 177~452

远红外 4~1 000 452~-270

红外线辐射被工件吸收的能量随波长增加而减少。 远红外线提供的热量相当大一部分被空气吸收，也缺少  对涂料的渗透作用，只能用于物体表面的干燥，干燥时  间较长。中红外线是涂料干燥常用的波长范围，对涂膜  层的穿透作用远比远红外线强，大部分射线能穿透涂膜

作者简介：石祥，硕士，高级工程师，研究方向为钢铁工业炉 设计、热工技术。

收稿日期：2020-02-27

而达到物体表面，干燥效果也很好。近红外线所产生的  能量最高，被空气吸收和散射也很少，因此效率极高， 能在短距离内加热高速运行的涂层（见图1）。

图1    红 外线吸 收效 果示 意图（水蒸 气的 主要 吸收 波长为 2.55~2.84 μm，水的吸收波长在3 μm左右）

近 红 外 能 量 密 度 在200~1 000 kW/m2 ，有的甚至 高 达1 500 kW/m2 ，而传统的热风干燥能量密度仅为 20~100 kW/m2。可见近红外加热在能量密度上是远高于 传统加热方式的，这也为近红外加热速度远大于传统干 燥技术的根本原因。

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1.2   国内外近红外加热技术主要产品-多孔介质燃烧器

目前多孔介质红外加热技术应用较广的企业主要包 括 ：国外的Maxon、派诺尼科、RED-RAY公司、日本正 英株式会社、德国施万克（Schwank） 公司，国内的中冶 南方热工公司。各家技术特点简要比较如表2所示。

表2   各家技术特点摘要对比

RED-RAY 公司产品：堇青石 蜂窝状陶瓷材料

派诺尼科公司产品：全陶瓷辐 射面板

施万克公司产品：陶瓷片介质 使表面温度达到 900 ℃

派诺尼科公司产品：镍基合金 金属丝面板

中冶南方系列产品：耐高温合

金金属丝面板、多孔陶瓷板（最

高表面温度达 1 450 ℃);可

抽取

中冶南方产品：喷涂陶瓷纤维 面板

2  多孔介质燃烧器技术特点

2.1   多孔介质燃烧器装备结构

多孔介质燃烧是指燃气在导热性能好、耐高温的多  孔材料内进行燃烧的特殊燃烧方式。多孔介质燃烧的机  理图如图2所示，预混气体在多孔介质中燃烧时，产生的  热量能够通过多孔介质的导热和辐射作用向上游传递， 预热预混气体，同时通过多孔介质本身的蓄热能力回收  高温烟气的余热。

图2   多孔介质燃烧的机理图

2.2   多孔介质燃烧方式

多孔介质燃烧可以分为2种状态 ：火焰完全在多孔介 质内部燃烧和火焰主要在多孔介质表面燃烧。对于前者 属于浸没式燃烧，对于后者属于表面式燃烧（见图3）。

（a）红外热辐射状态                       （b）蓝焰燃烧状态

图3    多孔介质燃烧状态

浸没式燃烧传热以辐射为主，火焰是橙黄色，燃烧  热强度低于800 kW/m2，主要用于中低温600~900 ℃场合， 也称为辐射状态燃烧。

表面式燃烧传热以辐射和对流为主，火焰呈蓝焰状 态，燃烧热强度大于1 000 kW/m2 ，主要用于>1 000 ℃高 温场合，也称为蓝焰状态燃烧。

2.3   多孔介质材料

（1）多孔介质常用结构类型（见表3）。

表3   多孔介质常用结构

蜂窝体：

孔隙率 20%~60%，

仅有纵向孔道 泡沫孔：

隙率 70%~90%，三 维连通孔道 堆积球：

孔隙率低，气体流阻 力大

（2）多孔介质常用材质类别及特性（见表4）。

表4   多孔介质常用材料及特性

材质 Al2O3 SiC ZrO2 FeCrAlY Ni

密度 /（g/cm3） 3.75 3.2 5.56 7.40 8.89

热导率（25 ℃) /[ W/（m·K）] 热导率（1 000 20~40 120~140 2~5 15~17 ~88

℃ )  /[ W/（m · K）] 5~6 30~80 2~4 - -

比热容 /   [ J/（g·K）] 0.9~1.0 0.7~0.8 0.5~0.6 0.7~0.8 0.75~0.85

辐射系数

（1 200 ℃) 0.28 0.85~0.95 0.3 0.5~0.6 0.3~0.5

极限使用温度 /℃ 1 900 1 600 1 800 ＜ 1 100 ＜ 1 100

抗热震性 差 良+ 良 优 优

2.4   多孔介质燃烧器特点

由于燃烧是在导热性能好的多孔材料内进行，相比 自由火焰，多孔介质燃烧可以大幅提高火焰速度和燃烧 速率。同时，多孔介质的回热作用能够将燃烧产生的热 量快速传递出去，使燃烧区域的温度分布更均匀，降低

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燃烧温度峰值，  进而降低NOx排放。此外，  气体在多孔介 质内流动时，由于孔隙壁面的摩擦，孔径的不均匀，流 体流动轨迹不同造成流体流速不均匀，因而对分子扩散 有加强作用， 即多孔介质可以强化气体的弥散效应， 因 此燃烧更完全、CO排放量较低。

概括多孔介质燃烧的特点为 ：

（1）燃烧效率高。采用全预混燃烧，空气、燃气混  合充分、均匀，燃烧完全 ；预混燃烧，空气消耗系数小， 产生烟气少，排烟热损失小 ；采用全预混燃烧，空气、 燃气混合充分、均匀，燃烧完全。（2）清洁燃烧。温度  分布均匀，无局部高温区 ；表面预混燃烧，过剩氧少 ； 可有效抑制热力NOx和快速NOx 的生成，NOx排放可小于  30×10-6。（3）加热均匀性好。表面燃烧——主要以辐射  形式向被加热物传递热量，辐射面温度均匀 ；全预混燃  烧，过剩氧少，以辐射加热为主，故加热过程中被加热  物氧化率低。（4）形状多变 适应性广。（5）燃烧设备及  炉膛尺寸小。

3  多孔介质燃烧特性

实验用燃烧器采用25 mm×360 mm×360 mm、孔径 35PPI的泡沫SiC垫底， 上面布305 mm×157 mm×12 mm 的堇青石，泡沫陶瓷+蜂窝体燃烧器双层方案轴向剖面视 图如图4所示。

1-冷却腔 ；2-耐火纤维 ；3-蜂窝体 ；4-小孔泡沫陶瓷板 ；5-顶层布风板 ；6- 底层布风板 ；7-螺钉 ；8-弹簧垫片 ；9-平垫圈 ；10-耐热钢支架 ；11-矩形 环状耐火纤维垫片 ；12-冷却风进口 ；13-支撑柱 ；14-壳底板 ；15-燃料和 空气混合气进口。

图4   泡沫陶瓷+蜂窝体燃烧器双层方案轴向剖面视图 实验过程 ：

阶段1：起始空煤气流量分别设置24 m3/h和3.75 m3/h， 观察泡沫陶瓷燃烧板表面火焰情况，燃烧板上方有黄色  火焰，下层SiC泡沫陶瓷板无火焰，如图5（a）所示。最  高表面温度约为890 ℃。

（a）空气量24 m3/h温度分布图         （b）空气量28 m3/h温度分布图 图5   温度分布图

阶段2：燃烧持续约4 min，将空气流量调大至28 m3/h， 观察表面燃烧情况，燃烧板表面火焰亮度明显提高，如  图5（b）所示，最高表面温度有所提高达到约1 030 ℃。

阶段3 ：此工况下燃烧持续约1 min，发现下层SiC板 开始存在火焰，判断为火焰面向上游移动，随即关闭燃 气阀门，熄火。

实验过程同时检测了NOx及CO的排放值。综合得出 多孔介质燃烧器燃烧特性与浙江大学吴雪松的试验结论 接近，并总结如下 ：

3.1   稳燃范围[1]

随着预混气体当量比的增大，燃烧器稳燃上限和稳  燃下限均会升高，且稳燃上限的升幅大于稳燃下限， 即  燃烧器的稳燃范围随当量比的增大而增大。多孔介质燃  烧器的稳燃范围与多孔介质的结构、材料以及燃气成分、 热值等有关。

图6   多孔介质燃烧器稳燃范围

3.2   温度特性

随着进口气体速度的增大，火焰中心温度上升，火 焰传播过程越稳定，而且燃烧器壁面温度和进口气体速 度呈正比。

在上下游交界面附近多孔介质温度和气体流速会发  生明显变化，增大下游多孔介质消光系数时，火焰会明  显向下游移动，气相温度峰值降低而固相温度峰值升高， 增大下游多孔介质的导热系数会使稳燃区交界面附近的  气固温度升高。

3.3   辐射效率

多孔介质燃烧器辐射效率计算式为 ：

（1）

V · H

式中 ：ηrad——辐射效率 ；ε——多孔介质发射率 ； A——辐射面积（m2 ）；TIR——多孔介质表面温度(℃);  T0——环境温度(℃)：Vf——燃料流量（m3/h）；Hu—— 燃料低位发热量（kJ/m3 ）。

随着入口气流速度的提高，燃烧器辐射效率升高， 但入口气流速度太高时，多孔介质火焰会由过滤燃烧转

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变为表面火焰，此时燃烧器的辐射效率约为8%~10%， 远低于火焰面稳定在多孔介质内部时的辐射效率  （20%~30%）。

与氧化铝和氧化锆相比，碳化硅泡沫陶瓷的导热系 数和辐射率较大（但这种热物性参数的突变也造成温度 分布变化不稳定）。

3.4   污染物排放特性

CO排放量与燃烧温度、燃气在燃烧区的停留时间有 关，温度越高，停留时间越长，燃烧越完全，CO排放量 越低。当量比对燃气在燃烧器中的燃尽率具有明显的影 响，CO排放量随当量比的增大先降低后升高，当当量比 较低时，燃烧温度较低，CO排放量也处于较高水平，随 着当量比进一步的增大（特别是大于0.9后），氧浓度逐 渐减小，又会局部欠氧燃烧的现象，同时，火焰温度超 过1 800 K后，CO2离解生成CO的反应开始占主导， 因此 CO排放量开始增加。

氮氧化物的产生主要为空气中的N2经高温氧化而成。 氮氧化物的生成量与燃气的驻留时间和燃烧温度有关。 当量比一定时，随着燃烧器功率的增大，入口气流速度  增加，气体驻留时间缩短，不利于氮氧化物的生成，但  同时多孔介质的燃烧温度升高，会促进氮氧化物的生成。 但一般的工业用多孔介质燃烧器火焰温度升高对氮氧化  物生成的影响要高于驻留时间带来的影响，所以在一定  当量比下，氮氧化物生成量随着燃烧器功率的增大逐渐  升高。

当量比的变化对燃烧器NOx生成具有重要的影响，  一  方面增加当量比会减小氧浓度进而抑制热力NOx 的生成， 但另一方面会使火焰温度提高进而促进热力NOx 的生成。 一般随着燃烧当量比的提高，NOx生成量先增加，到 一  个极值后会逐渐下降，极值出现的位置与火焰类型有关。

多孔介质孔径对NOx和CO排放量影响不大。

3.5   泡沫陶瓷多孔介质燃烧技术特点分析

通过上述初步实验发现，采用适当孔隙率和介质厚 度，理论上可以提升表面功率，但以下问题的存在一定 程度上却制约提升燃烧器表面温度 ：回火问题、热震性 问题和高温稳定性问题。

抑制回火问题的根本措施在于控制内表面温度在一 定温度下。沿着这一思路，可以得到不同解决方案。如 分步预混、降低孔隙率、采用蜂窝陶瓷（降低横向传质 能力）等，但这些措施都是与提升表面燃烧强度目标对 立的。

还可以采用降低介质厚度方向导热系数的思路，以  实现规定厚度条件下介质内外表面较大的温差，这样外  表面高温工作完成燃烧和热量传递，内表面则保持低温， 避免回火。但降低介质厚度方向导热系数也会降低表面  燃烧强度，因为提升表面功率需要利用多孔介质向上游

传递热量，实现超绝热燃烧，需要介质具有较大导热系数， 这样燃料与空气混合物由内向外渗透时与越来越高的介  质表面接触，燃烧强度越来越大。

不过上述负面作用可通过其他方式进行弥补，比如  提升比表面积（纤维毯相比泡沫陶瓷具有更大的比表面  积）、涂布催化剂等。厚度方向的大温差，热膨胀会产生  较大剪切应力，建议适当降低厚度方向材料结合强度或  提升材料韧性， 比如采用分层复合多孔介质材料， 内层  采用低导热系数，高温稳定性低的材料，而外层则采用  高导热系数，高温稳定性高的材料。至于热震性问题， 对于脆性材料解决途径通常是尽可能降低材料线性膨胀  系数，但也可对材料进行改性，尽可能提高材料韧性。 甚至直接采用纤维材料，材料领域技术进步表明，脆性  的陶瓷材料制成直径30 μm以下的纤维就能表现足够的  韧性，甚至可以编织。至于高温稳定性问题，主要考虑  材料抗氧化性、抗蠕变性、熔化温度等指标及材料的成  型工艺。

基于上述分析，本课题同时尝试进行陶瓷纤维多 孔材料的分析研究。对国内武汉某公司用于低温工况 的陶瓷纤维燃烧器进行陶瓷纤维大平板燃烧器的集成 研究。

4  陶瓷纤维多孔介质燃烧器

4.1   陶瓷纤维多孔介质燃烧器结构

选用中冶南方热工公司产品WIS_DT陶瓷纤维介质燃  烧器器作为实验对象，燃烧器包括燃气预混器、布风结构、 自身冷却腔体、陶瓷纤维面板等（见图7）。

（a）陶瓷纤维燃烧器结构                 （b）材料内部结构扫描图 图7   陶瓷纤维面板燃烧器

4.2   陶瓷纤维多孔介质燃烧器燃烧特性

实验在燃烧器陶瓷纤维面板布置8组热电偶（见图 8），燃烧器在点火之后，陶瓷纤维的表面可以在2~3 s内 迅速升温，从而可以获得稳定的红外辐射能量。在熄火 后3~5 s内，Ceramat的表面很快冷却并可用手直接接触其 表面。

8                                                                    1                   4

2                 3                 6

5

图8   功能测试热电偶布置示意图

大平板燃烧器表面温度检测结果图如图9所示。从  图9中可以看出40 s整个燃烧器表面达到较高温度水平， 1 min后表面温度趋于稳定，停止燃气供应2 min即降

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至70 ℃,具体没有表面火焰情况下表面温度最高达到 900~920 ℃水平。

1 000

CH001

CH002

CH003

CH004

CH005

CH006

CH007

CH008

时间

图9   大平板燃烧器运行过程温度曲线

总结陶瓷燃烧器燃烧特点（较氧化铝、碳化硅多孔 介质介质燃烧器）：

（1）自身热惯性小，点火及关闭对温度的响应时间 短（见图10）；

0      5    10    15    20   25  30    35   40  45   50

时间/s

图10   陶瓷纤维平板燃烧温度特性曲线

（2）燃烧稳定，调节范围大，不容易发生回火 ；

（3）壁面温度更均匀，表面极端温度偏差在50 ℃以下； （4） 表面负荷可达到≤300 kW·m2 ，表面燃烧温度

≤1 000 ℃,均不及泡沫陶瓷多孔介质燃烧器指标。 5  结语

较常规燃烧器，陶瓷泡沫多孔介质燃烧器有如下技 术特点 ：

（1）预混气混合均匀、燃烧完全，燃烧效率高 ；

（2）燃烧 区温 度分 布 均 匀、无局 部 高温 区，NOx、 CO等污染区排放低，NOx可达30×10-6 以下 ；

（3）主要以壁面辐射向被加热物传递能量，加热均 匀性好，热效率高 ；

（4）多孔介质燃烧器形状多变、布置灵活，对炉膛 等燃烧设备适应性强。

较泡沫陶瓷多孔介质燃烧器，陶瓷纤维介质燃烧器 有如下特点 ：

（1）抗热冲击能力强，外形适应性更好 ；

（2）热惰性小，热响应时间更快 ；

（3）燃烧稳定、不易回火，避免温度更均匀 ；

（4）表面负荷及壁面温度上限值不及泡沫陶瓷类多 孔介质燃烧器， 因此，在热负荷要求不高的涂层干燥加 热工艺中，陶瓷纤维燃烧器更有优势。

借助对多孔介质材料种类及特性的分析，认为多孔 介质燃烧器材质发展的趋势 ：蜂窝陶瓷→金属纤维→泡 沫陶瓷+陶瓷纤维共存，有必要开发更高辐射强度甚至蓝 焰状态的陶瓷纤维多孔燃烧材料。

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