朱本奧，匡 勇，劉 柳，張 燚，張保生

(1. 中國礦業(yè)大學電力工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學電力工程學院，江蘇 徐州 221116)

多孔介質燃燒器研究

朱本奧1，匡 勇2，劉 柳2，張 燚2，張保生2

(1. 中國礦業(yè)大學電力工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學電力工程學院，江蘇 徐州 221116)

多孔介質具有大蓄熱和強輻射的特點，以能夠提高燃燒的經濟性被人們所重視。多孔介質燃燒技術是一種相比于傳統(tǒng)燃燒技術是一種近幾年來比較新穎獨特的燃燒技術，本文介紹了多孔介質應用于燃燒技術及不同類型的多孔介質燃燒器的研究現(xiàn)狀、前景、優(yōu)點和應用，分析不同類型燃燒器之間的聯(lián)系，并給出各種實驗性燃燒器的優(yōu)缺點。對于不同的多孔介質材料的研究進行介紹。

多孔介質；燃燒器；漸變型；往復回流；堆積球

0 引 言

近年來隨著經濟的進步和發(fā)展，環(huán)境和能源問題越來越受到人們的關注，為了解決燃燒過程中產生熱量的低利用率和較高的排放污染物的問題，針對以上現(xiàn)狀，近年來，各類燃燒節(jié)能技術在國內得到很大發(fā)展，比如高溫空氣燃燒技術(蓄熱燃燒技術)能把30%被煙氣帶走的余熱再回收60%至80%節(jié)能效果顯著。 但在國內，該技術在改善加熱物體的溫度均勻性、減少污染物排放方面應用效果不佳；其他的有效地方法，但其對應的燃燒器有相對復雜的結構、體積大等缺點。

1 多孔介質燃燒技術

多孔介質燃燒新技術，是繼第一代常規(guī)氣體燃燒技術、第二代蓄熱燃燒技術之后，目前國際上最新的第三代氣體燃燒技術，它具有燃燒效率高、污染物排放低的優(yōu)點，同時，兼有燃燒器體積小、結構緊湊、負荷調節(jié)范圍廣、燃燒穩(wěn)定等優(yōu)點，能廣泛地應用于家用采暖系統(tǒng)、動力設備、汽車預熱系統(tǒng)和各種各樣的民用和工業(yè)生產過程中[1]。 在燃燒系統(tǒng)中引入多孔介質燃燒技術，利用多孔介質對氣體或液體燃料進行充分的混合加強擾動，可使燃料的充分燃燒，多孔介質的大蓄熱和強輻射，利于組織貧燃料的燃燒還能夠經一步的對未燃的燃料進行預熱以減少燃料達到著火點所需的燃燒熱，加快燃燒速率；化學反應和熱運輸?shù)倪^程之間有強烈的耦合作用，并且相對于傳統(tǒng)的自由空間上的混合燃燒相比具有，火焰的穩(wěn)定性比較好，燃燒效率高，多孔介質及其中的燃料與外界進行強烈的對流、導熱和輻射換熱，整個燃燒空間的溫度比較的均勻[2]。

2 多孔介質燃燒器

多孔介質燃燒器主要有單向流動和往復式流動兩種類型，較早提出的是單向流動多孔介質燃燒器，往復式是針對進一步拓寬可燃氣體貧燃極限而提出的。在單向流動中火焰面對燃燒器的輻射效率和換熱特性產生影響，而火焰?zhèn)鞑ニ俣葘θ紵鞯姆€(wěn)定性產生影響；在往復式多孔介質燃燒技術中，火焰面影響燃料的利用效率，火焰面?zhèn)鞑ニ俣葘Q向周期產生影響[3]。在國內多孔介質燃燒器還可以分為單層和雙層，趙平輝[4-5]等人主要對雙層多孔介質燃燒器以數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)使用雙層多孔介質比單層有更大的優(yōu)點，火焰在多孔介質交界面附近有較寬的穩(wěn)定傳播范圍，可有效地防止火焰的回火和吹熄。姜海[6]通過實驗得出雙層相比于單層多孔介質燃燒器更有利于提高輻射強度。

3 液體多孔介質燃燒器

液體燃料燃燒時經歷霧化、蒸發(fā)、燃燒過程，其中蒸發(fā)以后的過程可以看做氣體的燃燒，所以霧化的程度決定燃燒的強度，除此之外還要考汽、液、固相互之間傳熱的影響。相比于混合氣體在多孔介質燃燒器中燃燒相比，關于液體在多孔介質中的運動蒸發(fā)及混合氣的形成更為復雜。

多孔介質作為液體燃料的的燃燒器，同時也是很好的霧化器，多孔介質能夠有力的促進燃油的蒸發(fā)，避免不完全燃燒時產生碳煙等問題。劉宏升[7]等人分別以氣體和液體作為燃料，先通過多孔介質內氣體的預混合然燒對多孔介質固相進行預熱,然后噴入液體燃料實現(xiàn)燃燒，實驗證實了液體燃料在熱多孔介質內汽化及自維持燃燒的可行性。趙治國、解茂昭[8]等人對泡沫陶瓷中燃油噴霧液滴蒸發(fā)混合進行了數(shù)值模擬。東明[9]等人以發(fā)動機為背景，得出隨機分布的多孔介質比均勻的多孔介質對湍流的抑制作用更大降低的多孔介質的湍能水平，但利于液滴的快速蒸發(fā)。未明確指出對燃燒特性的影響。

4 氣體多孔介質燃燒器

對于多孔介質燃燒器國內的主要研究類型包括：漸變式多孔介質燃燒器、多孔介質內往復回流式燃燒器和堆積球多孔介質燃燒器，分別有各自的優(yōu)勢和弊端。

4.1 漸變型多孔介質燃燒器

浙江大學岑可法[10]等提出了漸變型多孔介燃燒器的概念：即孔隙率或孔隙漸變，等孔隙率漸變孔徑，等孔徑漸變、孔隙率、漸變孔徑漸變孔隙率三種漸變類型。王恩宇、褚金華、程樂明[11-17]等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，漸變型的多孔介質燃燒器相對于普通的多孔介質燃燒器具有以下優(yōu)點。第一，由于孔徑或孔隙率的漸變可以在不同空燃比、不同熱負荷條件下都能保證火焰在多孔介質中找到穩(wěn)定面，從而使燃燒穩(wěn)定范圍大大加寬；第二，由于孔徑或孔隙率的漸變，在燃燒管中可以實現(xiàn)沿程與燃燒特性相匹配，使燃燒溫度更加均勻，實現(xiàn)高效燃燒和低污染物排放的結合，代化明[18]利用數(shù)值模擬的方法也證實了漸變型的多孔介質燃燒器在減少NOX有獨特的優(yōu)勢；第三，漸變型多孔介質結合了不同孔徑的均勻型多孔介質的流動及傳熱特性對燃燒室上下游熱量分布進行合理調配使得最高燃燒溫度有所降低，由于孔徑的變化使火焰的穩(wěn)定性增強。第四，孔徑變化率高的漸變型多孔介質結構,也可以縮短燃燒器啟動時間。

4.2 往復回流式多孔介質燃燒器

往復式多孔介質燃燒技術(Reciprocating Superadiabatic Combustion in Porous Media RSCP)最早是Hanamura K和Echigo R在1993年提出的,后來有人稱作為多孔介質往復流動下的超絕熱(超焓火焰)燃燒技術[19]。能夠形成自我組織的逆向熱回流,使得上游未燃氣體得到了有效的預熱，大大提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率。國內在冶金工業(yè)鍋爐中應用的高溫低氧燃燒(High Temperature Air Combustion 簡稱 HTAC)也是把RSCP的原理應用到冶金工業(yè)鍋爐中。不過兩者有很大的區(qū)別，HATC把多孔介質僅僅作為換熱器來使用，燃燒在自由大空間內完成的，而RSCP燃燒則發(fā)生在多孔介質里面[20]。

絕熱燃燒是指無論穩(wěn)定燃燒還是非穩(wěn)定燃燒過程中沒有熱量損失的理想燃燒，而超絕熱燃燒(超焓燃燒)是通過多孔介質取代自由空間，利用其相對于氣體而言強大得多的蓄熱功能和輻射特性，實現(xiàn)熱反饋。即將燃燒產生的熱量及尾氣中的余熱用于加熱反應區(qū)上游的預混合燃氣，從而使燃燒反應大大的增強，在忽略對外熱損失的情況下，火焰溫度可超過與未經預熱的混合燃氣狀態(tài)相應的絕熱火焰溫度[21]。 杜禮明、解茂昭[22]提出了超絕熱現(xiàn)象是多孔介質中積累的熱量的熱傳播波與混合氣燃燒時的燃燒波疊加的結果，從能量守恒定理，通過數(shù)學分析給出了依據；李昊[23]等通過研究多孔介質燃燒器在熱態(tài)實驗條件下的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)對于一定的燃燒系統(tǒng)，存在一個最佳的切換半周期，且較佳的切換半周期隨著蓄熱能力的增加而增加。切換半周期越短，燃燒后氣體與多孔介質燃燒器的換熱效果越好，出口的溫度就越低，可以充分的利用燃燒生成的熱量；史俊瑞[24-25]把彌散效應考慮到試驗中，結果表明,在同樣工況下，氣體組分的彌散效應對超絕熱燃燒的特性影響很小，而氣體混合物熱彌散效應影響較大，對于材質、孔隙率相同的氧化鋁泡沫陶瓷；對往復式惰性多孔介質燃燒器進行了二維數(shù)值模擬，在燃燒器中分別填充4孔/cm泡沫陶瓷或小球,研究其內部的燃燒溫度和壓力損失.結果表明,由相同材料制成但結構不同的多孔介質對燃燒器內的高溫區(qū)域和壓力損失有顯著的影響.孔隙率較大的泡沫陶瓷適合于布置在燃燒區(qū),而孔隙率較小的小球適合于布置在熱交換區(qū)域，小孔徑的更有利于擴展貧可燃極限.。王關晴[26]等采用無量綱形式，運用有限容積法對點火燃燒動態(tài)特性進行了模擬，實驗表明，燃燒峰值的溫度(火焰)向某一“特定位置”移動，并最終穩(wěn)定在“特定位置”上。證明了往復式多孔介質燃燒器可以穩(wěn)定燃燒，并形成火焰鋒面。但是目前國內對于有熱量損失的“超焓燃燒”特性的變化規(guī)律研究報道性對較少。

4.3 堆積球多孔介質燃燒器

國內對堆積球多孔介質燃燒器研究主要以Al2O3、泡沫陶瓷的小球作為多孔介質為研究對象，由于氣體通過堆積球之間的孔隙在堆積球后會形成尾渦，能夠使小球之間的導熱核輻射換熱更加充分，Al2O3和泡沫陶瓷的大熱導率和大比熱容，能夠是整個燃燒空間溫度更加的均勻，能夠使孔隙內火焰前沿正常移動速度遠遠大于自由火焰前沿移動速度、且大于混合氣流速度，所以火焰前沿能夠克服混合氣流的阻力使火焰鋒面慢慢的向上游移動，在其內部形成穩(wěn)定的燃燒波。凌忠錢[27]等以不同直徑同一孔隙率的Al2O3堆積球為多孔介質得出，燃燒波的的正向傳播時才能實現(xiàn)超絕熱燃燒，并得出了在貧燃條件下實現(xiàn)超絕熱燃燒化學當量比的范圍。徐維廣[28]對不同孔隙率的自由堆積球研究發(fā)現(xiàn)孔隙率越小，其換熱效果越好。在火焰面上游,固體小球溫度要高于氣體溫度，在燃燒前,固體對未燃預混氣有預熱作用所致;而當燃燒發(fā)生后,在火焰面中心及下游區(qū)域,氣體溫度要高于同體小球溫度,氣體向固體傳熱,因為燃燒反應放出熱量導致氣體溫度迅速升高,但固體小球熱容量大,其溫度變化幅度相比氣體要平緩,固體最高溫度也要略低于氣體。同時火焰面下游,由于多孔介質固體具有良好的蓄熱性,多孔介質與氣體通過對流及福射的方式進行熱量交換,抑制了氣體溫度迅速下降,使氣體溫度變化相對平緩[29]。

5 結束語

國內對多孔介質燃燒器的研究主要集中在浙江大學、大連理工、等高校中，研究過程中大部分都忽略了燃燒過程中的散熱損失。對液體多孔介質燃燒器的研究受很多的因素制約，霧化程度的大小及汽、液、固相互之間傳熱的影響，很難實現(xiàn)單一變量的控制。漸變型的多孔介質燃燒器的研究相對于其他類型比較的成熟，充分的考慮了試驗中各種因素的影響，對不同類型漸變都有深入的研究。復流動下的預混合氣體在多孔介質內的超絕熱燃燒,它以其高效低污染的優(yōu)越性正在引起人們的關注，但目前國內研究人員相對較少，真正應用RSCP的燃燒器尚不多見；對于有熱量損失的“超焓燃燒”燃燒特性的變化規(guī)律研究報道較少。堆積球以其制作工藝相對簡單及其燃燒的優(yōu)勢近年來被人們開始重視。

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Study of Porous Medium Burner

ZHU Ben-ao1, KUANG Yong2, LIU-Liu2, ZHANG Yi2, ZHANG Bao-sheng2

(1.School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province,China; 2. School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province,China)

Porous medium has the characteristics of large heat and intense radiation, which can improve the economy of the combustion has been valued. Porous media combustion technology is a kind of unique combustion technology when compared to the traditional combustion technology recent years. The article introduces porous media used in combustion technology, research status of porous medium burner and its prospects、advantages、application. Analysis of the relationship between different types of burner and the advantages and disadvantages are given for various experimental burner。Research progress in porous media materials is introduced.

Porous media; Burner; Gradient type; Reciprocating reflux; Packed spheres

2014-12-10

2015-01-18

朱本奧，男，中國礦業(yè)大學電力工程學院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.02.009

TK

B