高懷斌 黃光宏 李洪峻 屈治國 陳媛媛

(1 中國人民解放軍總后勤部建筑工程研究所 西安 710032)(2 西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)(3 中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)(陜西)有限公司 西安 710116)

前言

自工業(yè)革命以來人類社會(huì)經(jīng)歷了科技突飛猛進(jìn)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的兩百年，該時(shí)期同時(shí)也是歷史上能源消耗量最大和環(huán)境污染最嚴(yán)重的一個(gè)階段。能源的生產(chǎn)和消費(fèi)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐，同時(shí)，能源低效利用以及由此帶來的環(huán)境污染制約著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長。為了實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，我國必須長期實(shí)施節(jié)能優(yōu)先戰(zhàn)略，同時(shí)利用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展高效率低污染，零排放的燃燒技術(shù)，降低單位經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的能源消耗和環(huán)境污染。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的低熱值氣體燃料主要有焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣、煤礦通風(fēng)氣、石油伴生氣、化工行業(yè)的低熱值尾氣、沼氣、垃圾填埋氣等以甲烷為主的可燃?xì)怏w。低熱值氣體燃料可燃成分濃度較小，通常情況下不能直接點(diǎn)火燃燒，一般直接排放至大氣中，不但浪費(fèi)能源而且嚴(yán)重污染環(huán)境。借助輔助設(shè)備對(duì)空氣與燃料混合氣體進(jìn)行預(yù)熱、循環(huán)燃燒或添加助燃燃料提高混合物的熱值進(jìn)行燃燒，燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大。為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多強(qiáng)化燃燒和污染物控制技術(shù)，其中多孔介質(zhì)中的過焓燃燒(Excess Enthalpy Combustion)或稱超絕熱燃燒(Superadiabatic Combustion)是最有效的技術(shù)之一。該技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、燃燒效率高、燃燒極限寬、火焰穩(wěn)定性好、污染物排放低，比其他強(qiáng)化燃燒技術(shù)處理低熱值氣體燃料具有更大的優(yōu)勢。

1 多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)特點(diǎn)

1.1 多孔介質(zhì)燃燒機(jī)理

多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒是化學(xué)反應(yīng)和物理傳熱的耦合過程，涉及多種傳熱方式，如氣體之間的對(duì)流換熱，氣體與固體之間的對(duì)流、輻射換熱，固體之間的導(dǎo)熱和輻射換熱等，如圖1所示[1]。在多孔介質(zhì)大孔區(qū)即燃燒反應(yīng)區(qū)，煙氣溫度高于多孔介質(zhì)固體骨架的溫度，氣體燃燒釋放出的熱量通過對(duì)流換熱傳遞至固體多孔介質(zhì)；固體多孔介質(zhì)通過導(dǎo)熱和輻射將熱量傳遞至多孔介質(zhì)小孔區(qū)即預(yù)熱區(qū)；預(yù)熱區(qū)內(nèi)的固體多孔介質(zhì)與新鮮預(yù)混氣體進(jìn)行熱量交換，預(yù)熱來流未燃燒混合氣體。燃燒釋放的熱量通過多孔介質(zhì)的輻射和導(dǎo)熱預(yù)熱來流預(yù)混氣體，導(dǎo)致火焰溫度超過絕熱火焰溫度，實(shí)現(xiàn)所謂的“超絕熱燃燒”或者“超焓燃燒”。

圖1 多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒器[1]

1.2 多孔介質(zhì)材料特性

多孔介質(zhì)材料影響燃燒器的壽命和燃燒性能，是多孔介質(zhì)燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)需要的重點(diǎn)考慮因素。氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、碳化硅(SiC)等陶瓷材料是目前燃燒器中使用最廣泛的多孔介質(zhì)材料。氧化鋁具有耐磨損、耐高溫、硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是最常使用的多孔介質(zhì)材料；其缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較低、抗熱沖擊性較差。氧化鋯具有良好的耐高溫性能，非常低的導(dǎo)熱性能和較差的抗熱沖擊性。碳化硅具有良好的傳熱性能和抗熱沖擊性，是較好的多孔介質(zhì)材料。燃燒所使用的多孔介質(zhì)主要包括堆積顆粒、泡沫、蜂窩板、纖維、金屬絲網(wǎng)等形狀。蜂窩狀多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)規(guī)則有序可以精確描述其微觀結(jié)構(gòu)，而自由堆積顆粒床、泡沫、纖維氈、金屬絲網(wǎng)等每個(gè)單元沒有規(guī)律可循或排列無規(guī)則，描述其幾何形狀比較困難。因此，目前研究主要引入了“容積平均”假設(shè)，將復(fù)雜的多孔體系視為宏觀尺度均勻分布的虛擬連續(xù)介質(zhì)，不必研究微觀尺度的流動(dòng)和換熱，使復(fù)雜的流動(dòng)問題得以簡化。

2 多孔介質(zhì)燃燒器的應(yīng)用

多孔介質(zhì)燃燒可以提供長波、中波、短波輻射，適應(yīng)于各種不同的加熱情況，可以替代常規(guī)燃燒器廣泛應(yīng)用于商用和居住空間加熱、化工和金屬加工、玻璃退火、涂料和油漆干燥、食品加工、紙漿和造紙干燥、揮發(fā)性有機(jī)化合物的焚燒處理等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的燃燒器相比，多孔介質(zhì)燃燒器減少了復(fù)雜的預(yù)熱和換熱設(shè)備，使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，燃燒器尺寸大大減小，既可以提高燃燒效率，又可以降低污染物(主要是NOx)排放。

2.1 民用燃燒器

圖2 家用30 kW多孔介質(zhì)燃燒器/換熱器一體機(jī)[2]

多孔介質(zhì)燃燒器可代替集中供熱系統(tǒng)應(yīng)用于小型公寓，不需要設(shè)置獨(dú)立的加熱間，甚至可以安裝在壁龕里或者室外，實(shí)現(xiàn)功率最大化且可降低加熱成本。圖2為家用30 kW多孔介質(zhì)燃燒器/換熱器一體機(jī)[2]，其輸出功率相同時(shí)，其體積僅為常規(guī)加熱系統(tǒng)的一半。GoGaS公司利用多孔介質(zhì)燃燒有效地解決了工業(yè)或商業(yè)建筑物采暖的解決方案，廣泛應(yīng)用于制造工廠、倉庫或倉庫用房、體育場館和體育設(shè)施、天井和甲板、教堂等場合。圖3是多孔介質(zhì)燃燒器用于體育場館輻射供暖系統(tǒng)[3]。由于紅外線不被空氣吸收，能夠直接對(duì)設(shè)備和人體進(jìn)行加熱，不需要對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行加熱，因此避免了大空間采暖的垂直失調(diào)、節(jié)約能源且采暖效果好。

圖3 多孔介質(zhì)燃燒器用于體育場館輻射供暖系統(tǒng)[3]

2.2 工業(yè)燃燒器

工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用熱空氣蒸發(fā)和去除農(nóng)產(chǎn)品、食品、紡織物、化工產(chǎn)品、皮革、木材、紙張等中的水分，可根據(jù)干燥工藝的要求通過調(diào)節(jié)燃燒尾氣和新鮮空氣的混合比例調(diào)節(jié)溫度。LSTM-Erlangen大學(xué)研制了一種用于空氣加熱的多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)[4]，通過多孔介質(zhì)輻射傳熱，可直接加熱干燥物品，無需在煙氣和加熱物品之間安裝熱交換器，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。GoGaS公司與Erlangen大學(xué)合作開發(fā)了一種短波氣體紅外輻射燃燒器[5], 已經(jīng)應(yīng)用于織物、紙漿和紙張、涂料和油漆干燥等工業(yè)領(lǐng)域，其特點(diǎn)是干燥速度快，生產(chǎn)效率高。圖4是粉末涂料燃?xì)饧t外輻射固化區(qū)。紅外輻射燃燒器可以根據(jù)涂層和嵌入材料的性質(zhì)調(diào)整輻射介質(zhì)的散射，縮短固化時(shí)間、提高固化效果。2011年底，我國已建成通車的公路總里程達(dá)到近400萬km，其中高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)8.5萬km，其中絕大多數(shù)是瀝青路面。鋪裝和維護(hù)瀝青路面需要消耗大量的瀝青和人力，瀝青路面加熱要求快速、均勻以及防止瀝青氧化和燃燒。廣州藍(lán)炬燃燒設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)了利用多孔介質(zhì)輻射燃燒器鋪裝和維護(hù)瀝青路面的熱墻式綜合養(yǎng)護(hù)車[6]，如圖5所示。多孔介質(zhì)輻射燃燒器利用紅外線加熱瀝青路面，穿透力強(qiáng)，可以短時(shí)間內(nèi)將瀝青料軟化，經(jīng)過翻松、找平、壓實(shí)等工序即可完成路面修補(bǔ)。由于沒有傳統(tǒng)維修方式的冷熱接縫，修補(bǔ)后的質(zhì)量好，壽命延長，維修費(fèi)用降低，并且不受季節(jié)限制。

圖4 粉末涂料燃?xì)饧t外輻射固化區(qū)[5]

圖5 熱墻式綜合養(yǎng)護(hù)車[6]

多孔介質(zhì)燃燒器可以對(duì)鑄造前的玻璃進(jìn)行預(yù)熱、對(duì)平板玻璃進(jìn)行彎曲和焊接以及對(duì)玻璃表面提純(鏡頭拋光)等。玻璃器具成形后內(nèi)部存在較大的熱應(yīng)力、容易破損，采用多孔燃燒器快速加熱并冷卻退火可以有效消除熱應(yīng)力，提高成品率。多孔介質(zhì)燃燒器同樣對(duì)金屬材料進(jìn)行退火，降低金屬材料內(nèi)部應(yīng)力，其特點(diǎn)是快捷、投資少、不受場地限制。多孔介質(zhì)燃燒還可以應(yīng)用于食品與藥品機(jī)械，如夾層鍋、炒鍋、殺菌釜以及茶葉殺青設(shè)備等。低燃燒速率的多孔介質(zhì)燃燒器可以很好地滿足遠(yuǎn)紅外輻射食品加工工業(yè)的要求[7]，可縮短加工時(shí)間、降低能量成本，促使輻射爐機(jī)構(gòu)緊湊化和更加自動(dòng)化，同時(shí)可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少微生物污染[8]。此外，多孔介質(zhì)燃燒器還可應(yīng)用于合成材料回收容器的加熱、合成材料熱密封、汽車通風(fēng)管道表面拋光，多層汽油管熱應(yīng)力釋放、硫化橡膠的擠壓成形等。

2.3 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

未來車輛的發(fā)展趨勢是更為舒適、安全，新的供暖系統(tǒng)變得越來越重要。傳統(tǒng)加熱器污染水平過高，而多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊和低污染排放的目標(biāo)。圖6是基于多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)獨(dú)立汽車供暖系統(tǒng)[9]。20世紀(jì)90年代初，A J Ferrengerg[10]首先提出利用多孔介質(zhì)對(duì)傳統(tǒng)汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)成為蓄熱式發(fā)動(dòng)機(jī)。多孔介質(zhì)置于氣缸頂部，通過驅(qū)動(dòng)桿與活塞同步運(yùn)動(dòng)。吸氣時(shí)，多孔介質(zhì)固定在缸蓋上；燃燒過程中，多孔介質(zhì)向上而活塞向下運(yùn)動(dòng)，高溫燃?xì)獯┻^多孔介質(zhì)并將熱量蓄積在多孔介質(zhì)內(nèi)，壓縮過程中，多孔介質(zhì)與活塞做反向運(yùn)動(dòng)，氣體穿過多孔介質(zhì)吸收已經(jīng)蓄積在多孔介質(zhì)內(nèi)的熱量。蓄熱器的性能取決于多孔介質(zhì)的材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同的空氣燃?xì)獗壤?，相?duì)于普通柴油機(jī)多孔介質(zhì)蓄熱式燃燒器熱效率可提高50%，油耗降低33%。

圖6 多孔介質(zhì)燃燒器獨(dú)立汽車供暖系統(tǒng)[9]

圖7 單活塞多燃料燃燒器[14]

K Hanamura等[11～12]提出了超絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的概念并數(shù)值模擬了往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒。設(shè)計(jì)思路類似于普通的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，由兩個(gè)活塞(動(dòng)力活塞和掃氣活塞)和一薄片多孔介質(zhì)組成，通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)活塞同步運(yùn)動(dòng)。采用往復(fù)流動(dòng)系統(tǒng)將燃燒氣體剩余焓有效的蓄積至多孔介質(zhì)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超絕熱燃燒，壓縮比為2.3時(shí)熱效率達(dá)到58%。C W Park等[13]研究了蓄熱式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中多孔介質(zhì)對(duì)燃料的蒸發(fā)、燃燒以及發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響，所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率為53%，高于傳統(tǒng)柴油機(jī)的43%。S M?βbauer等[14]測試了適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的多孔介質(zhì)燃燒零排放型蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖7所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)比是1∶20，大約是同類燃燒器調(diào)節(jié)比的5倍，功率密度約為3 000 kW/m2，約為其他預(yù)混低排放燃燒器技術(shù)的10倍，污染物遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車輛最低排放標(biāo)準(zhǔn)。Erlangen大學(xué)F Durst等[15～16]提出了多孔介質(zhì)與氣缸保持永久接觸和周期性接觸兩種實(shí)施方案。應(yīng)用多孔介質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)均相、無焰、零排放燃燒。另一目標(biāo)是增加發(fā)動(dòng)機(jī)的熱回收效率，至少保持最佳發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的效率水平。

2.4 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

多孔介質(zhì)燃燒還可應(yīng)用于熱電轉(zhuǎn)換、有害氣體消除等領(lǐng)域。A A Mohamad[17]提出利用多孔介質(zhì)燃燒發(fā)電，使小型熱電組合或者熱電聯(lián)產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。T K Hunt等[18]研制了適應(yīng)于混合電動(dòng)汽車堿性金屬熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)超潔凈陶瓷多孔介質(zhì)燃燒器。K Hanamura等[19]研究了基于雙熱電多孔原件往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒發(fā)電的可行性，熱電轉(zhuǎn)換效率為0.2%。K Wawrezenik等[20]利用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)將氫氣和氯氣合成氯化氫，結(jié)果分析表明，反應(yīng)物中添加惰性元素可明顯提高火焰速度和絕熱燃燒溫度。此外，多孔介質(zhì)燃燒可以消除高污染有機(jī)揮發(fā)物(VOC)如苯酚、甲醛、丙酮、粗苯等。K V Dobrego等[21～22]在利用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)消除有機(jī)揮發(fā)物領(lǐng)域做了大量工作。黃志甲等[23]將多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)應(yīng)用于中餐燃?xì)庠睿罹叩臒嵝蕪?0%提高到43%，主要污染物的排放減少90%以上。

3 結(jié)語

與自由空間燃燒相比，多孔介質(zhì)燃燒具有功率調(diào)節(jié)范圍大、燃燒穩(wěn)定性好、燃燒強(qiáng)度和燃燒效率高、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用取暖、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、化工、金屬加工、尾氣處理等領(lǐng)域。多孔介質(zhì)燃燒是燃燒與導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射相互耦合的復(fù)雜過程，目前研究工作主要集中于氣體惰性多孔介質(zhì)燃燒，需要進(jìn)一步研究催化多孔介質(zhì)燃燒以及液體多孔介質(zhì)燃燒，理論和實(shí)驗(yàn)探索其優(yōu)良特征，為開發(fā)相關(guān)多孔介質(zhì)燃燒設(shè)備提供技術(shù)支撐，推動(dòng)多孔介質(zhì)燃燒應(yīng)用于更廣泛的民用、工業(yè)領(lǐng)域，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。