同濟大學機械與能源工程學院　劉　振　秦朝葵　鄭　璐　李和穎

泡沫陶瓷燃燒器的實驗研究

同濟大學機械與能源工程學院劉振秦朝葵鄭璐李和穎

針對低熱值氣體的燃燒利用搭建了一套泡沫陶瓷燃燒實驗臺，并介紹了該實驗臺系統(tǒng)的基本組成。測試了實驗臺在無背壓情況和背壓情況下的燃燒特性以及最小當量比與燃氣流量之間的關系。實驗發(fā)現(xiàn)：點火開始后，預混氣體先在泡沫陶瓷表面燃燒，隨后火焰逐漸向泡沫陶瓷內部移動，最后在泡沫陶瓷內部燃燒并達到穩(wěn)定。無背壓情況下，最小當量比隨燃氣流量的增大而減?。槐硥呵闆r下，加入二次空氣后，能顯著降低最小當量比，但與燃氣流量之間并沒有明顯的單調關系。

泡沫陶瓷低熱值氣體燃燒器最小當量比

0　前言

長期以來，化石能源一直是世界能源結構的主體，當今世界80%以上的能源都來自于化石燃料的燃燒。然而在能源利用上，大量的低品位能源未被開發(fā)和利用，如工業(yè)生產及能源生產中的各種低熱值氣體，包括固體氧化物燃料電池(SOFC)尾氣、高爐煤氣、冶煉尾氣、垃圾填埋氣等。這是因為低熱值氣體可燃成分稀薄，難以通過常規(guī)燃燒技術予以利用，若直接排入大氣中，不僅造成能源浪費，而且其所含有毒物質還會污染環(huán)境。其中普遍應用的燃料電池SOFC尾氣溫度高、壓力大，它的燃燒利用是在有背壓情況下進行的。

泡沫陶瓷燃燒技術是一種新型的多孔介質燃燒技術，是預混氣體在耐高溫的多孔材料內特殊的燃燒方式。泡沫陶瓷自身蓄熱能力強，可以回收高溫煙氣的余熱，并將回收的熱量通過泡沫陶瓷的導熱和輻射作用向上游傳遞以達到預熱預混氣體的目地。由于其特殊的材料性質，泡沫陶瓷燃燒不僅可以提高氣體燃燒效率，降低污染物排放，而且可以顯著拓寬燃料的貧燃極限，是實現(xiàn)低熱值氣體穩(wěn)定燃燒、清潔利用的有效途徑。

本文針對低熱值氣體的燃燒應用搭建了一套泡沫陶瓷燃燒試驗臺，在有背壓和無背壓情況下采用不同的點火方式，以管道天然氣為燃料對其燃燒特性進行了研究。確定了該泡沫陶瓷燃燒器在無背壓下燃燒的溫度分布、火焰面情況和最小當量比與燃氣量之間的關系；背壓下加入二次空氣后最小當量比與燃氣量之間的關系，為深入研究低熱值氣體尤其是SOFC尾氣的燃燒利用提供了技術參考。

1　實驗臺搭建

本文搭建的泡沫陶瓷實驗系統(tǒng)主要分為四個部分：供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。整個實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　實驗系統(tǒng)示意

實驗中采用孔徑為60PPI(Pores Per Inch)和10PPI的碳化硅泡沫陶瓷，高50 mm、直徑100 mm的圓柱體。下面分別對各個系統(tǒng)進行介紹。

1.1供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)為燃燒系統(tǒng)提供壓力穩(wěn)定的氣體來源，包括壓縮空氣和管道天然氣，天然氣組分如表1所示。壓縮空氣分為兩部分送入燃燒器，分別通過腰輪及渦輪流量計監(jiān)測流量，燃氣通過干式燃氣表監(jiān)測流量。

表1　實驗用天然氣的組分

1.2燃燒系統(tǒng)

整個燃燒系統(tǒng)包括預混段、燃燒段、窺火段、二次空氣段以及煙氣段。

燃燒系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2　多孔介質燃燒系統(tǒng)結構

預混室下端有兩個進氣口，分別是燃氣進氣口和空氣進氣口，實驗過程中，空氣量遠大于燃氣量，因此空氣側的管徑大于燃氣側的管徑，兩者通過文丘里管進行連接，通過空氣引射燃氣使空氣和燃氣充分混合。為使氣流進一步混合均勻，在燃燒器的頭部加了一塊均流板。

燃燒段內徑108 mm，長度150 mm，實驗材料——碳化硅泡沫陶瓷填充在其內部，整個多孔介質層由不同孔徑的泡沫陶瓷體疊加而成，孔徑10PPI的位于上部，60PPI的位于下部，可以有效起到防回火作用。泡沫陶瓷與燃燒器內壁面之間的縫隙用石棉繩進行填充。

背壓實驗時，燃燒器完全封閉，為了更好的觀測火焰，將一塊20×50 mm的石英玻璃嵌入其壁面上，實驗時可通過石英玻璃口來觀察燃燒時火焰的形態(tài)進而判斷燃燒狀態(tài)。

二次空氣段長150 mm，由內外兩個筒組合而成，內筒直徑108 mm。在外筒側開一個1寸的口作為二次風的進風口，內筒沿半徑方向打上一定尺寸的小孔，使二次空氣進入內筒與燃燒后的煙氣進行充分混合。

1.3測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括溫度、壓力測量以及煙氣分析系統(tǒng)。溫度測量即在燃燒段沿軸向位置15～120 mm處之間每隔12.5 mm布置一只熱電偶，每兩只熱電偶之間沿半徑方向成30°，共布置9只熱電偶，以T1～T9表示，從上至下依次為T1、T2……T9，測孔布置情況如圖3所示。通過對燃燒器邊壁的溫度測量，可以清楚判斷火焰分布情況。熱電偶與模塊相連，通過模塊進行數據的采集和轉換，數據的顯示和儲存使用的是自行編制的Labview程序。

圖3　燃燒器溫度測孔布置

壓力測量值有四個：空氣側壓力、燃氣側壓力、泡沫陶瓷兩側的壓力損失以及燃燒室的背壓值?？諝鈧葔毫?、燃氣側壓力以及燃燒室的背壓值均用量程相對較大的U型玻璃管壓力計測量，而氣體通過泡沫陶瓷兩側的壓力損失采用精度較高、量程較小的斜管式微壓計來測量。壓力測量目的主要是通過測量氣體流過泡沫陶瓷及整個燃燒器的壓損以便確定合適的燃氣側和空氣側進氣壓力。

實驗采用KM9106綜合煙氣分析儀對燃燒后產生煙氣的成分進行分析，當測量煙氣的成分時，將煙氣分析儀的探針對準煙氣出口進行采樣即可，此時煙氣分析儀的數據顯示面板會顯示出各種數據量，如：SO2、NO2、CO2、NOx含量等，待穩(wěn)定之后將需要的數據記錄下來。

1.4控制系統(tǒng)

實驗控制系統(tǒng)主要包括兩個部分：控制器以及燃氣空氣比例閥?？刂破髦饕菍θ紵^程進行控制，燃燒過程控制又包括自動點火和熄火保護等。本實驗采用自動點火控制，實現(xiàn)了安全自檢、點火控制和熄火保護。選用Danfoss(丹佛斯)ENI 1P(單電極)052F0040型點火變壓器，能安全快速點燃空氣和燃氣的混合氣體，使燃燒器的安全運行得到保障。燃氣空氣比例閥采用西門子VGU86燃氣伺服電磁閥。用伺服調壓方式，反饋采樣，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，能夠保證燃氣出口壓力穩(wěn)定，從而保證燃燒的穩(wěn)定性，避免產生火焰沖擊現(xiàn)象。

2　實驗過程與數據處理

2.1無背壓燃燒器的實驗過程

無背壓下燃燒器即不包括下游的窺火段、二次空氣段和煙氣段，如圖4所示。

圖4　火焰向多孔介質內移動時的燃燒狀態(tài)

2.1.1實驗操作過程

檢查各個儀器能否正常使用，燃燒器與各個管路的連接是否氣密性良好；首先打開壓縮空氣閥門，調節(jié)空氣流量，接著打開天然氣控制閥門；待進入預混段的燃氣和空氣的壓力穩(wěn)定下來后，在多孔介質燃燒器出口點火，燃燒器預熱一段時間之后，再接通測溫模塊；觀察各溫度測點的溫度，開啟煙氣分析儀，分析煙氣成分；記錄所有的測量結果；實驗結束后，關閉供氣閥門，切斷電源設備。

2.1.2燃燒過程及分析

2.1.2.1點火階段

由于存在猝熄效應，在泡沫陶瓷中直接用電火花點火是比較困難的，本實驗采用在泡沫陶瓷下游微型電火花點火器的點火方式。燃燒開始時，火焰主要位于多孔介質外，呈藍色，燃氣在泡沫陶瓷內燃燒不完全。造成這一現(xiàn)象的主要原因是泡沫陶瓷的比熱容和熱惰性較大，使得它的溫度上升較慢，這時泡沫陶瓷既不能發(fā)揮預熱預混氣體的作用，也無法使氣體在多孔內部燃燒。

2.1.2.2火焰向泡沫陶瓷內部移動階段

我們的做法是：要求每組學生在上交閱讀筆記的同時，在附錄中注明每個成員的貢獻，并進行排序，教師則根據文獻的難度和完成情況給每組一個評定分數。然后依據每組內部的排序，給每個學生賦予不同的權重，最終得到每個學生的成績：

點火一段時間之后，泡沫陶瓷的溫度上升，高溫的泡沫陶瓷通過輻射、導熱、對流的方式預熱預混氣體，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，火焰將會慢慢往泡沫陶瓷內部移動，如圖4所示。但此時泡沫陶瓷溫度仍然較低，主要是由于泡沫陶瓷的熱惰性，使得燃燒反應放出的熱量加熱泡沫陶瓷使其溫度上升需要一段時間。

2.1.2.3火焰進入泡沫陶瓷階段

燃燒持續(xù)一段時間后，泡沫陶瓷溫度較高，對預混氣體的預熱作用加強，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒗^續(xù)增大，火焰完全進入泡沫陶瓷內部，泡沫陶瓷被充分加熱，溫度升高，顏色變亮，同時由于對預混氣體的充分預熱，燃燒完全程度提高，火焰呈現(xiàn)為黃色。

實驗表明，預混氣體速度越小，越有利于火焰進入泡沫陶瓷，而氣流速度越大越容易發(fā)生脫火和吹熄現(xiàn)象。只有當火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跉饬魉俣葧r，火焰才會慢慢進入泡沫陶瓷內部，而火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕c燃燒室的溫度和當量比有關。因此，為了使火焰進入泡沫陶瓷內部，可以通過延長燃燒時間或調節(jié)當量比來實現(xiàn)。

2.1.2.4持續(xù)充分燃燒，燃燒情況較為理想階段

燃燒持續(xù)一段時間之后，泡沫陶瓷將達到一個更高的溫度，燃燒段壁面溫度分布如圖5所示。

圖5　火焰在泡沫陶瓷內穩(wěn)定燃燒時的溫度分布

3、4、5點的溫度較其它點高，而3、4、5點的位置就是大孔泡沫陶瓷所處的位置，因此可以判斷燃燒穩(wěn)定時火焰面的位置在大孔陶瓷內部。此時，通過熱量回流作用對預混氣體進行預熱，氣體溫度升高，提高了燃燒溫度以及加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，預混氣體速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⑦_到動態(tài)平衡。同時泡沫陶瓷的熱惰性開始發(fā)揮其有利的一面，由于蓄熱作用，在出現(xiàn)短暫供氣終止的情況下，依然可以將燃燒器維持一個高溫，當恢復供氣后能夠繼續(xù)燃燒。

實驗發(fā)現(xiàn)，此階段泡沫陶瓷中的火焰，具有較強的穩(wěn)定性，當在一定范圍內增大空氣流量時，火焰仍能夠穩(wěn)定在一定的位置，這主要是由泡沫陶瓷特殊的結構造成的。泡沫陶瓷對氣流的繞流和阻止作用，使氣流在泡沫陶瓷表面速度很低，并在固體骨架后形成負壓區(qū)。當泡沫陶瓷孔徑合適時，固體壁面的附面層相互重疊，再加上高溫固體的存在，使得燃燒區(qū)域變寬變厚，燃燒產生的熱量在較寬范圍內釋放，使燃燒室溫度分布均勻。由此看來，泡沫陶瓷的非均勻化、非規(guī)則化對于火焰層的拉長是有利的，同時這也說明為保證火焰完全浸沒在泡沫陶瓷中，泡沫陶瓷層需要一定的厚度。

采用煙氣分析儀進行煙氣成分分析，結果發(fā)現(xiàn)煙氣中一氧化碳的含量低于30×10-6，燃燒較為充分。氮氧化物的含量低于20×10-6，燃燒室內溫度分布均勻且沒有局部高溫區(qū)。實驗表明：泡沫陶瓷燃燒器對控制污染物的排放有很大的優(yōu)勢。

2.1.2.5繼續(xù)增大空氣流量直至發(fā)生火焰吹熄現(xiàn)象

繼續(xù)增大空氣量，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⑿∮跉饬魉俣?，此時會發(fā)生脫火現(xiàn)象，實驗結束。

2.2背壓燃燒器的實驗過程

背壓燃燒器即在煙氣段的下游連接兩段“G1”直管，本實驗通過連接總長180 cm的“G1”直管來制造燃燒時的背壓，如圖6所示。

圖6　背壓燃燒器

2.2.1點火階段

與無背壓不同，背壓下燃燒器的點火過程更加復雜。當量比不合適或者燃燒后生成煙氣的壓力不足以克服燃燒器的背壓，均會導致點火失敗。背壓下實驗在燃氣進口處安裝燃氣空氣比例閥，通過調節(jié)比例閥的開度來調節(jié)當量比，并通過控制器控制比例閥的開關以方便點火。首先調節(jié)空氣量為一個較小的值，對燃燒器進行吹掃，將之前殘留在燃燒器內的氣體吹出。之后，接通點火針的電源，點火針放出高壓火花，此時再接通電磁閥的電源，燃氣開始供應，此時如果燃氣、空氣的比例在著火極限范圍內，且產生的煙氣能夠克服燃燒器的背壓，則點火成功，切斷點火針的電源，接著進行以下實驗。如果點火不成功，則立馬切斷點火針及電磁閥的電源，停止燃氣供應，空氣繼續(xù)對燃燒器吹掃，一段時間之后，改變電磁閥的開度，調節(jié)當量比，重復上述過程，直至點火成功燃燒能夠持續(xù)進行。

2.2.2燃燒階段

背壓下泡沫陶瓷內的燃燒過程同無背壓情況下類似，不再贅述。

2.2.3持續(xù)燃燒并通入二次空氣

待燃燒穩(wěn)定，通過觀測口觀測到火焰進入到泡沫陶瓷內部后，記錄下燃氣及空氣的流量。此時往燃燒器中通入二次空氣，主要起到兩個作用：第一是作為助燃空氣，使燃燒更徹底；第二是冷卻作用，在一定程度上降低煙氣的溫度，減少氮氧化物的生成。二次空氣的量由渦輪流量計讀出，慢慢增大二次空氣的量，每改變一次后，大概等待2～3 min燃燒穩(wěn)定之后，記錄下二次空氣的量，接著繼續(xù)增加二次空氣，直至觀察到泡沫陶瓷部分變黑之后該組實驗結束，切斷電磁閥電源，停止燃氣供給，空氣繼續(xù)對燃燒器進行吹掃，直至觀測到燃燒器上各測點的溫度接近室溫后，開始下組實驗。

重復上述點火、調節(jié)燃氣空氣量的方法，待點火成功后，改變電磁閥的開度，使燃氣量比上組實驗小，即達到一個更小的當量比，燃燒穩(wěn)定后，記錄下此時燃氣和空氣的量，接著再加入二次空氣，直至泡沫陶瓷表面變黑之后停止實驗，記錄二次空氣流量，待各測點溫度接近室溫后，再開始下組實驗，共做4組實驗。

2.3數據處理與結果分析

2.3.1無背壓下最小當量比與燃氣量的關系

無量綱當量比(過剩空氣系數的倒數)Φ定義為：

其中(F/O)actual為實際燃料、氧化劑質量之比，實驗中為天然氣和空氣質量流量之比；(F/O)stoich為化學計量比中燃料、氧化劑質量之比。實驗共做4組工況，其中燃氣量(m3/h)和最小當量比Φmin分別為(0.31，0.85)，(0.62，0.52)，(0.79，0.41)，(0.88，0.36)，結果如圖7所示。

圖7　無背壓下Φmin與燃氣流量之間的關系

從圖7可以看出，最小當量比Φmin隨燃氣量的增大而減小，因為隨著燃燒的持續(xù)，燃燒產生的熱量通過輻射和導熱的熱傳導方式對上游的小孔泡沫陶瓷進行加熱，小孔泡沫陶瓷蓄積大量熱量，接著對預混氣體進行加熱，使其容易達到著火點。燃氣量越大即燃燒器的功率越大，上游泡沫陶瓷蓄積的熱量就越多，使得預混氣體的當量比很小也能達到著火點。

2.3.2背壓下當量比與燃氣量的關系

定義Φ1為沒有加入二次風時的當量比，Φ2min為加入二次風后總的最小當量比。背壓情況下共做4組實驗，結果如圖8、圖9所示：

圖8　最小當量比Φ2min與燃氣流量之間的關系

圖9　最小當量比Φ2min與當量比Φ1之間的關系

由圖8可知：Φ2min在燃氣量為0.37～0.45 m3/h時隨著燃氣量的增大而增大，而在0.45～0.47 m3/h中間的某一個值又開始隨著燃氣量的增大而減小。說明加入二次空氣后最小當量比Φ2min的值并不僅僅受燃氣量的影響。

由圖9也可以看出，最小當量比Φ2min沒有單純的隨當量比Φ1的增大而增大或減小，關系略微雜亂。這是由于泡沫陶瓷特殊的結構形式決定的，導熱系數、輻射系數等對上游氣體、下游陶瓷及氣體的綜合作用的結果，使得最小當量比Φ2min的值不與任何值成一簡單的線性關系。綜合以上分析可知，最小當量比Φ2min不僅與燃氣量有關，也與當量比Φ1有關，即與開始燃燒時加入的一次空氣量有關，一次空氣直接影響了開始燃燒時的燃燒情況，諸如火焰位置及燃燒的溫度分布等，也是一個重要的影響因素。

通過分析圖7、圖8可知，泡沫陶瓷燃燒器能夠達到的最小當量比的值遠遠低于傳統(tǒng)燃燒器的值。圖8、圖9中先將一部分空氣與燃氣進行預混燃燒，之后在燃燒器下游加入二次空氣，與無背壓直接將燃氣與空氣預混而不加入二次空氣時對比發(fā)現(xiàn)，加入二次空氣能夠顯著降低最小當量比，這是傳統(tǒng)燃燒器遠遠不能夠實現(xiàn)的。

3　結語

泡沫陶瓷燃燒器是一種新型的多孔介質燃燒技術，可以顯著降低燃燒器的當量比，實現(xiàn)低熱值氣體的燃燒利用，且污染物排放低，本文通過實驗得出：

(1)在泡沫陶瓷下游點火后，預混氣體先是在泡沫陶瓷的表面燃燒，隨著燃燒放出熱量的增加，燃燒下游放出的熱量，通過輻射和導熱的方式使上游泡沫陶瓷溫度升高，此時火焰會慢慢向陶瓷內部移動，變成了在泡沫陶瓷內部的燃燒，這種工況下的燃燒是最穩(wěn)定的。

(2)燃燒穩(wěn)定后，通過對煙氣成分分析，發(fā)現(xiàn)CO含量低于30×10-6，NOx含量低于20×10-6，泡沫陶瓷燃燒器可以有效降低污染物排放。

(3)無背壓情況下，最小當量比隨燃燒器功率的增大而減小。背壓情況下加入二次空氣后最小當量比與燃氣量之間無明顯的單調關系，其值不僅僅受燃氣量的影響，還與一次空氣量、泡沫陶瓷的結構形式等因素有關。無背壓泡沫陶瓷燃燒器最小當量比遠低于傳統(tǒng)燃燒器的值，背壓下加入二次空氣后，其最小當量比更低，這是傳統(tǒng)燃燒器不能夠實現(xiàn)的。

Experimental Study on Foam Ceramic Burner

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering
Liu ZhenQin ChaokuiZheng LuLi Heying

A combustion test-rig of ceramic foam has been established for utilizing low calorific gas and its basic parts are introduced in this paper. The combustion characteristic of foam ceramic burner is tested whether the back pressure exists or not. Experiments show: first, premixed gas burned on the surface of foam ceramic, then flame moved to the interior of foam ceramic, finally became stable flame in it. The minimum equivalent ratio decreases with increasing gas flow in the case of no back pressure; the minimum equivalent ratio decreases greatly with secondary air, but has no direct connection with gas flow under back pressure.

foam ceramic, low calorific gas, burner, minimum equivalent ratio