(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

近年來，我國環(huán)保力度不斷加大。作為能源消費大國，開發(fā)高效低污染的燃料燃燒技術，并利用這些先進燃燒技術治理揮發(fā)性有機物污染等重大環(huán)境問題，對社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

多孔介質(zhì)燃燒(Porous Media Combustion)，是一種在燃燒裝置中填充多孔介質(zhì)的高效低污染的新型燃燒方式[1-9]，也稱為“過濾燃燒” (Filtration Combustion)[10-14]。根據(jù)多孔介質(zhì)在燃燒中所起的作用，多孔介質(zhì)燃燒可以分為惰性多孔介質(zhì)燃燒和多孔介質(zhì)催化燃燒[15-16]。本文重點介紹預混氣體燃料在惰性多孔介質(zhì)中的燃燒，即多孔介質(zhì)在燃燒中只起強化燃燒、蓄熱和傳熱的作用，不參與反應。

1 多孔介質(zhì)燃燒的原理、分類和特點

1.1 多孔介質(zhì)

多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構成的物質(zhì)。燃燒器中的多孔介質(zhì)具有適當?shù)目紫堵?，耐高溫，耐熱震，蓄熱能力強，傳熱性能好。主要有蜂窩、泡沫、顆粒堆積、纖維、金屬絲網(wǎng)等結構，其材質(zhì)有氧化硅、氧化鋁、耐熱鑄鐵和不銹鋼等[17]。

1.2 惰性多孔介質(zhì)燃燒的分類

1.2.1 單向流動多孔介質(zhì)燃燒

預混氣體在多孔介質(zhì)中的燃燒十分復雜，是一個化學反應和傳熱相耦合的過程。如圖1所示，氣體燃料在多孔介質(zhì)燃燒區(qū)域燃燒放熱，熱量向四周傳遞，部分熱量被煙氣攜帶至下游區(qū)域，下游區(qū)域的多孔介質(zhì)吸收高溫煙氣熱量后，又將部分熱量傳遞給燃燒區(qū)域的多孔介質(zhì)；燃燒區(qū)域的多孔介質(zhì)也會直接吸收氣體燃料燃燒放出的熱量，并把部分熱量傳到上游區(qū)域的多孔介質(zhì)，形成熱量回流。下游區(qū)域多孔介質(zhì)和燃燒區(qū)域多孔介質(zhì)之間以導熱和輻射的方式換熱；燃燒區(qū)域中氣體燃料燃燒放出的熱量是以對流和輻射的方式傳給多孔介質(zhì)；燃燒區(qū)域多孔介質(zhì)和上游多孔介質(zhì)之間也是以導熱和輻射的方式換熱。在此過程中，由于部分熱量回流到上游區(qū)域的蓄熱體，當回流熱量大于蓄熱體向環(huán)境的散熱損失時，富余的回流熱量就會通過蓄熱體傳遞給流入的預混氣體，使預混氣體的溫度不斷升高，到達燃燒區(qū)域后能夠快速燃燒，并且可達到比未經(jīng)預熱的預混氣體在絕熱條件下的理論燃燒溫度更高的煙氣溫度，實現(xiàn)“超焓”燃燒，也稱“超絕熱燃燒”[17-19]。

1.2.2 往復流動多孔介質(zhì)燃燒

對于單向流動多孔介質(zhì)燃燒器，如果預混氣體中燃料的體積分數(shù)很低，會產(chǎn)生火焰持續(xù)向下游移動的情況。此時，只有燃燒器中的多孔介質(zhì)無限長，才能使燃燒過程一直持續(xù)下去。在實際過程中，多孔介質(zhì)不可能是無限長，但如果將往復式流動技術和多孔介質(zhì)燃燒技術相結合，周期性地切換燃燒器進氣和排氣的方向，就可以達到類似多孔介質(zhì)無限長的效果。往復流動多孔介質(zhì)燃燒的原理見圖2。燃燒器從冷態(tài)啟動，經(jīng)過一段時間的加熱，燃燒器內(nèi)的多孔介質(zhì)達到了設定的預熱溫度，然后開始通入預混氣體。在前半周期內(nèi)，氣體燃料從燃燒器左側進入，經(jīng)過多孔介質(zhì)預熱后著火燃燒，燃燒區(qū)域的部分熱量會通過導熱、對流和輻射的方式傳到燃燒器兩側的多孔介質(zhì)處，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣繼續(xù)向右流動的過程中，右側多孔介質(zhì)吸收煙氣的熱量，溫度升高，同時煙氣溫度逐漸降低后從右側排出，燃燒區(qū)域逐漸右移；同理，在后半周期內(nèi)，氣體燃料從右側進入，經(jīng)過右側高溫多孔介質(zhì)的預熱后著火燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣繼續(xù)向左流動的過程中，左側多孔介質(zhì)吸收煙氣的熱量，溫度升高，蓄積熱量，同時煙氣溫度逐漸降低后從左側排出，燃燒區(qū)域逐漸左移。每經(jīng)過半個周期，燃燒器的進出口方向就會切換，燃燒區(qū)域也周期性地往復移動，形成穩(wěn)定的往復式多孔介質(zhì)燃燒狀態(tài)[19]。

1.3 多孔介質(zhì)燃燒的特點

燃燒速率高。多孔介質(zhì)結構復雜，氣體燃料進入多孔介質(zhì)后擾動非常劇烈，氣體的彌散作用增強，且多孔介質(zhì)具有良好的傳熱性能，氣體燃料燃燒產(chǎn)生的熱量可以迅速向四周傳遞，燃燒過程中的傳熱傳質(zhì)增強，燃燒得到強化，燃燒反應加快[1,17]。

燃燒區(qū)域?qū)?，溫度分布更均勻。與傳統(tǒng)燃燒方式不同，多孔介質(zhì)燃燒不是發(fā)生在自由空間中的，而是氣體燃料在固體基質(zhì)孔隙中的燃燒，形成的火焰也不是峰面火焰[20]，孔隙中的一個個“小型火焰”，呈現(xiàn)出離散狀態(tài)，而且由于多孔介質(zhì)具有良好的傳熱性能，燃燒區(qū)域的熱量能夠快速地傳到上游去預熱新的燃料，高溫煙氣的熱量也會被下游的多孔介質(zhì)吸收，因而拓寬了燃燒區(qū)域，避免了傳統(tǒng)燃燒中局部溫度過高的情況，溫度分布更均勻[21]。在往復式多孔介質(zhì)燃燒中，由于氣體進出口周期性切換，前半個周期和后半個周期內(nèi)，燃燒發(fā)生在不同的區(qū)域，并作周期性往復移動，也有利于拓寬燃燒區(qū)域，提高溫度分布的均勻性。

污染物排放低。傳統(tǒng)燃燒過程中排放的污染物主要有CO、NOx和煙黑等。在多孔介質(zhì)燃燒中，由于燃燒區(qū)域變寬，燃料停留時間變長，反應更加完全，燃燒效率提高，CO的生成量減少；多孔介質(zhì)燃燒中溫度分布均勻，避免了傳統(tǒng)燃燒中因局部溫度過高而生成大量熱力型NOx的情況[22]。

貧燃極限低。低熱值燃料在進入燃燒器后，經(jīng)過燃燒區(qū)域回流熱量的充分預熱，可將氣流溫度升高到著火點以上，而在燃燒過程中，燃燒區(qū)域分布范圍廣且溫度分布均勻，各部分之間傳熱效果好，有利于低熱值燃料穩(wěn)定燃燒，和不預熱的燃燒相比，大大拓展了貧燃極限[23]。在往復流多孔介質(zhì)燃燒中，燃燒器進出口周期性切換，多孔介質(zhì)預熱區(qū)和熱量回收區(qū)就會周期性切換，更大限度地進行熱量回收，對新的氣體燃料有了更加充分的預熱，可進一步拓展貧燃極限。Vandadi等人[24]對三維多孔燃燒器中的輻射傳熱進行了研究，研究結果表明，通過多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱循環(huán)和外部的預熱，可以有效地拓寬貧燃極限和強化燃燒的穩(wěn)定性。

2 多孔介質(zhì)燃燒中火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h2>

2.1 火焰?zhèn)鞑?/h3>

氣體燃料在多孔介質(zhì)燃燒器中穩(wěn)定燃燒時，火焰會以一定的速度向著上游或者下游移動，此時火焰面的移動速度是穩(wěn)定的，稱為燃燒波波速[25-26]。Babki等人[27-28]根據(jù)燃燒波的波速對多孔介質(zhì)中的燃燒模式的分類見表1。

表1多孔介質(zhì)中氣體的燃燒模式和火焰?zhèn)鞑C理[27]

燃燒模式波速/m·s-1 火焰?zhèn)鞑C理低速(Low velocities)0～10-4固體基體導熱,界面熱交換高速(High velocities)0.1～100均勻壓力下的熱對流音速(Sound velocities)100～300壓力梯度作用下氣體對流運動低速爆炸(Low velocity detonation)500～1 000爆震波下的自燃正常爆炸(Normal deto-nation)1 500～2 000熱量和脈沖損失下的爆炸

多孔介質(zhì)燃燒器中，氣體燃料燃燒放熱，熱量以導熱、對流、輻射的方式傳播到燃燒器的上下游區(qū)域，形成熱力學波，簡稱熱波[29]。研究結果表明，在一定當量比下，多孔介質(zhì)區(qū)域中的熱波和燃燒波會出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，燃燒波和熱波相互增強。燃燒效率高，燃燒波穩(wěn)定，燃料燃燒時放出的熱量多，熱波就會穩(wěn)定，對上游區(qū)域預混氣體的預熱效果也就越好，越有利于強化燃燒。

當燃料燃燒所釋放的熱量低于熱量損失時，燃燒過程就會逐漸衰減，不能形成穩(wěn)定的燃燒波。多孔介質(zhì)燃燒中火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性受速度SL、當量孔隙平均直徑dm、混合氣體的比熱容cp、混合氣體的密度ρ、混合氣體的導熱系數(shù)k等參數(shù)的影響。對于層流火焰，判定火焰?zhèn)鞑顟B(tài)的準則數(shù)為修正佩克萊數(shù)Pe

(1)

對于多孔介質(zhì)中的火焰?zhèn)鞑?，存在臨界佩克萊數(shù)Pe*=65，當實際的Pe小于65時，火焰熄滅；當Pe大于或等于65時，火焰?zhèn)鞑30]。

2.2 駐定燃燒

多孔介質(zhì)燃燒的理想運行工況是火焰穩(wěn)定在燃燒器內(nèi)的某一特定區(qū)域，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣流速度相等，即駐定燃燒[31-32]，這樣不僅可以提高燃燒器的效率，還可以減少CO和NOx的排放。目前有四種實現(xiàn)駐定燃燒的方法[33]：(1)設計一個兩層的多孔介質(zhì)燃燒器，一層的Pe數(shù)小于65，而另一層的比65稍大；(2)冷卻燃燒區(qū)的后半部分；(3)周期性轉(zhuǎn)換燃燒器的進出口，使火焰保持在特定區(qū)域；(4)使用具有變截面面積的多孔介質(zhì)。Bubnovich等[33]通過實驗研究了火焰在雙層氧化鋁小球堆積床內(nèi)的駐定燃燒，研究結果表明在一定的當量比和進口氣體速度范圍內(nèi)實現(xiàn)了駐定燃燒，可以拓寬燃燒的穩(wěn)定范圍。史俊瑞等[33]對氣體燃料在兩層多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的超絕熱燃燒和火焰的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬，結果表明在兩層多孔介質(zhì)內(nèi)可實現(xiàn)超絕熱燃燒，在一定的流速下火焰穩(wěn)定在兩層多孔介質(zhì)的交界面上。

駐定燃燒中有一種特殊的情況是火焰主體穩(wěn)定在多孔介質(zhì)出口處，稱為表面燃燒[34]。Janvekar等人[35]設計了一個圓柱形的多孔介質(zhì)燃燒器來研究預熱層厚度對表面燃燒和浸沒燃燒的影響。該燃燒器分為兩層——上游的預熱區(qū)和下游的反應區(qū)，預熱區(qū)的材料是陶瓷泡沫，厚度分別為5 mm、10 mm、15 mm，研究結果表明，在預熱層為5 mm時，存在表面燃燒。

2.3 火焰?zhèn)鞑サ牟环€(wěn)定現(xiàn)象

預混氣體多孔介質(zhì)燃燒過程中的火焰?zhèn)鞑?，存在火焰傾斜、回火、脫火、胞室和淬熄等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

火焰傾斜主要是指在多孔介質(zhì)燃燒中火焰前沿面垂直于過濾速度初始方向的現(xiàn)象逐漸消失，并產(chǎn)生傾斜等不穩(wěn)定現(xiàn)象，如果不穩(wěn)定現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展，燃燒火焰前沿將出現(xiàn)衰減或破碎?；鹧婷鎯A斜是燃燒中最常見的不穩(wěn)定現(xiàn)象，火焰前沿傾斜會引起不均勻的熱分布，降低燃燒效率，縮短燃燒器的壽命，甚至導致嚴重的工業(yè)事故，燃燒器尺寸越大，發(fā)生火焰面傾斜的可能性也越大[36-37]?；鹧婷鎯A斜的缺點極大限制了多孔介質(zhì)燃燒器的應用和發(fā)展。

多孔介質(zhì)燃燒中，隨著燃燒波的移動，燃燒也會出現(xiàn)一些特殊的情況。當燃燒波傳播到燃燒器上游的燃料進口時，發(fā)生回火現(xiàn)象，回火可能會導致氣體燃料的爆炸；當燃燒波向燃燒器下游區(qū)域移動且穩(wěn)定在末端時，為表面燃燒；當燃燒波繼續(xù)向下游傳播，脫離多孔介質(zhì)，發(fā)生脫火現(xiàn)象，出現(xiàn)脫火時，若氣體燃料濃度較高，能夠維持穩(wěn)定燃燒，燃燒將變成自由空間燃燒，若燃料濃度不夠，火焰熄滅[32,38]。無論是在實驗研究還是在工程應用中，都應該盡力避免回火和脫火的發(fā)生。

胞室，是指熱斑在燃燒器內(nèi)的分布不均勻，各熱斑連結起來組成的胞狀結構不均勻地駐定在燃燒器內(nèi)。胞室的形成會導致多孔介質(zhì)局部平均溫度升高，而整體溫度逐漸降低，不利于預混氣體在多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定燃燒[39]。

多孔介質(zhì)燃燒中，可燃氣體分子在與固體骨架的接觸中，由于碰壁效應，部分活化分子會銷毀；同時，由于固體介質(zhì)傳熱性好，會帶走氣體攜帶的熱量，導致靠近固體的氣體溫度降低，這種固體對于氣體燃燒反應的抑制作用稱為淬熄效應[40]。

2.4 火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸蛩?/h3>

影響多孔介質(zhì)燃燒火焰?zhèn)鞑サ囊蛩刂饕袣怏w燃料的當量比、氣體的進口速度、多孔介質(zhì)的材料和孔徑大小等。氣體燃料的當量比是火焰?zhèn)鞑サ闹饕绊懸蛩?，會影響火焰的傳播速度和傳播方向，當量比過大或過小都會引起火焰的不穩(wěn)定性。

浙江大學的朱茜茜[41]通過實驗研究了甲烷/空氣預混氣體在泡沫陶瓷多孔介質(zhì)燃燒器中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。研究結果表明，存在合適當量比火焰可以實現(xiàn)駐定燃燒，例如在PPI(每英寸長度上多孔介質(zhì)的小孔數(shù)目)為10的碳化硅多孔介質(zhì)燃燒器中，氣體進口速度為0.3 m/s,當量比為0.5左右時，火焰駐定燃燒。當量比較大時，火焰向上游傳播，當量比過大會引起回火現(xiàn)象；當量比較小時，火焰向下游傳播，當量比過小會引起脫火現(xiàn)象，而火焰的傳播速度和當量比成反比例關系。進口氣體速度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律不明顯，而材料的不同也會改變進口氣體速度對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律?？讖酱笮∈嵌嗫捉橘|(zhì)材料的一個重要參數(shù)，多孔介質(zhì)孔徑增大時，Pe數(shù)增大，火焰?zhèn)鞑ツ芰訌?，傳播速度增加；孔徑減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，到達臨界值時火焰熄滅。材料對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懼饕憩F(xiàn)在其熱物性參數(shù)上，通過燃燒器內(nèi)多孔介質(zhì)的傳熱特性影響火焰的傳播，材料的傳熱性能越好，燃燒器內(nèi)的熱量交換越充分，火焰的傳播速度越小。

氣體燃料的當量比、氣體進口速度和孔徑大小對火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰面的傾斜程度有一定的影響。東北大學的于春梅[42]研究了甲烷/空氣預混氣體在多孔介質(zhì)燃燒中的火焰面不穩(wěn)定特性，在給定一個初始的傾斜角后，分別改變?nèi)紵械墓r參數(shù)，觀察傾斜角的變化情況。研究表明，當量比越大，火焰傾斜程度越??；氣體進口速度越大，火焰傾斜程度越大；孔徑越大，火焰傾斜程度越小。

3 多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬

近年來，許多研究人員通過建立模型來分析多孔介質(zhì)燃燒過程中的傳熱傳質(zhì)過程，預測其溫度特性、火焰?zhèn)鞑ヌ匦?、污染物的排放等等，并與實驗結果進行對比驗證，對多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)結構設計和運行的優(yōu)化有重要的參考意義。

3.1 物理模型

多孔介質(zhì)燃燒器一般可以根據(jù)其形狀分為3種：軸流燃燒器、圓柱形燃燒器和球形燃燒器，其物理模型如圖3所示[43]。

3.2 控制方程

在數(shù)值模擬研究中，為了簡化模型和計算，需要先對模型做出一些假設，然后通過一系列的控制方程來表示燃燒過程和傳熱過程。通常假設條件有以下幾點：空氣的熱物理性質(zhì)(密度、熱導率和比熱)被假定為溫度和組分濃度的函數(shù)；多孔介質(zhì)燃燒器中壓降不高，可以忽略其對熱物性的影響；固相的性質(zhì)恒定；固相和氣相之間存在熱不平衡；在給定的當量比和溫度條件下，空氣和燃料完全預混；固相吸收、發(fā)射、散射輻射，忽略氣體輻射。以上述的三種模型為例，多孔介質(zhì)燃燒過程的控制方程如下[43]：

(1)氣相的能量方程

(2)

式中φ——孔隙率;

ρ——密度;

Cp——比熱容;

T——溫度;

ν——速度;

k——導熱系數(shù);

hv——體積傳熱系數(shù);

ΔHc——燃燒焓;

Sfg——單位體積燃料消耗率;

下標g——氣體;

下標s——多孔介質(zhì)固體。

(2)固相的能量方程

(3)

Cs——固相的比熱。

(3)質(zhì)量守恒方程

(4)

式中mf——燃料質(zhì)量分數(shù);

DAB——擴散系數(shù)。

(4)氣相邊界條件

Tg|r=rin=Tin,r=rin

(5)

(6)

式中 下標in——進口邊界;

下標out——出口邊界。

(5)固相邊界條件

(7)

(8)

式中h——固相邊界上與氣體的對流換熱系數(shù);

ε——發(fā)射率。

(6)組分邊界條件

mf=mf,in,r=rin

(9)

(10)

對于球形、圓柱形和軸流燃燒器，上述控制方程中的n值分別為2、1和0。

3.3 反應機理

多孔介質(zhì)燃燒過程中氣固相的界面十分復雜，很難做出嚴格的描述，傳熱傳質(zhì)過程也很復雜，需要通過傳熱和化學反應動力學的耦合來求解。所以在多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬研究中，通?？紤]用單步反應或多步反應機理來描述反應過程。在一般研究中，單步反應機理能夠滿足多孔介質(zhì)燃燒的建模問題，但要對反應中污染物的形成有一個較為準確的預測，必須加入詳細的反應機理。

多孔介質(zhì)燃燒研究中，最常見的是對甲烷/空氣預混氣體燃燒的研究。Zhou和Pereira[44]用四種不同的反應機理模擬了甲烷/空氣在惰性多孔介質(zhì)中的燃燒，并與實驗結果做了對比分析，比較了采用不同的反應機理時燃燒器燃燒溫度、燃燒速度和污染物排放的差異。四種模型分別為：一步全局反應機理(One-step global mechanism)、四步簡化反應機理(Four-step reduced mechanism)、框架反應機理(Skeletal mechanism)和詳細反應機理(Detailed mechanism)。研究結果表明，使用四步簡化反應機理和詳細反應機理能比較準確地模擬出燃燒器內(nèi)的溫度變化，而一步全局反應機理會較高地預測最高燃燒溫度和反應速度；使用四步簡化反應機理、框架反應機理和詳細反應機理都能較為準確地預測出CO的排放；預測NO的排放時，四步簡化反應機理、框架反應機理和詳細反應機理模擬結果的準確性都不太令人滿意；火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫?，四步簡化反應機理、框架反應機理和詳細反應機理的模擬結果相近，而一步全局反應機理模擬出的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高。所以，對于側重點不同的研究內(nèi)容，需選取合適的反應機理，并要與實驗結果進行對比驗證，才能得出合理的結論。

3.4 數(shù)值模擬的求解方法

建立流體力學模型時，因為多孔介質(zhì)結構的復雜性，精確地描述多孔介質(zhì)中孔隙的幾何形狀和流體在其中的物理化學現(xiàn)象十分困難，在研究時大多使用“體積平均”假設?！绑w積平均”是將微觀孔隙尺度的研究轉(zhuǎn)移到宏觀尺度上，將多孔介質(zhì)假想為大尺度上均勻分布的連續(xù)體，宏觀表現(xiàn)為流體的黏滯形式。這樣對于參數(shù)的選取就可以選擇合適的平均參數(shù)，簡化了整個過程的研究。ANSYS FLUENT是研究流動的一個比較常用的軟件。在ANSYS FLUENT中，用控制體積法去離散控制方程，進行迭代求解。對于非均勻結構網(wǎng)格中的控制方程，要使用不同的網(wǎng)格大小測試網(wǎng)格獨立性。對于瞬態(tài)流場的求解，常用SIMPLE算法來處理，比如壓力-速度的耦合過程?，F(xiàn)在許多研究人員用C語言編程來建立用戶自定義函數(shù)(UDF)和用戶定義的標量(UDS)，去動態(tài)地鏈接到求解器來進行求解。

模型計算中的燃燒模型，常用Chemkin軟件去求解。研究人員需要先建立出燃燒模型，列出控制方程，編制相關的程序，然后建立燃燒過程中的化學反應機理。將化學機理和熱力學數(shù)據(jù)庫相結合，Chemkin的解釋器會對化學機理進行處理，建立文件，代入到Chemkin的子程序庫中進行對控制方程和化學反應的計算分析。

3.5 非常規(guī)數(shù)值模擬方法

格子玻爾茲曼方法(LBM)是一種不同于傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法的流體計算和建模方法，具有介于微觀分子動力學模型和宏觀連續(xù)模型的介觀模型特點。與其他傳統(tǒng)CFD計算方法相比，它具有以下優(yōu)點：(1)流體相互作用描述簡單；(2)易于設置復雜邊界；(3)編程容易，計算處理簡單；(4)并行性高；(5)可以直接模擬有復雜幾何邊界的通域流場，無須作計算網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。Yamamoto等[45]就采用格子玻爾茲曼方法進行了多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬研究。

4 多孔介質(zhì)燃燒技術的應用

4.1 揮發(fā)性有機物廢氣處理

揮發(fā)性有機物(VOC)廣泛存在于工業(yè)廢氣中。大多數(shù)揮發(fā)性有機化合物會嚴重污染環(huán)境，危害人們的健康。基于多孔介質(zhì)燃燒技術或蓄熱式熱氧化技術，用多孔介質(zhì)材料作為蓄熱床，可對低濃度有機廢氣進行高度預熱，并極限回收揮發(fā)性有機物氧化放出的熱量，維持反應系統(tǒng)的能量自平衡，減少輔助燃料的消耗，能耗水平低，揮發(fā)性有機物去除率高，安全可靠， CO和NOx等二次污染物的排放量也很低[46]。

4.2 多孔介質(zhì)發(fā)動機

多孔介質(zhì)燃燒效率高、傳熱效率高，反應區(qū)溫度分布均勻，燃燒穩(wěn)定、易于控制，污染物排放低，不僅可以燃燒氣體燃料，還能燃燒液體燃料，可以應用在發(fā)動機上。1990年，美國人Ferrenberg提出了多孔介質(zhì)發(fā)動機的概念，日本歧阜大學的Hanamura等人在1995年就提出了超絕熱發(fā)動機的概念，并嘗試制造了一臺樣機；解茂昭分析了多孔介質(zhì)燃燒技術在內(nèi)燃機方面的應用，并證實了其可行性[47]。

4.3 低熱值燃料的燃燒

多孔介質(zhì)燃燒技術具有燃燒速度快、傳熱速率高、溫度分布均勻，與傳統(tǒng)燃燒方式相比，大大地拓寬了貧燃極限，特別適合低熱值燃料的燃燒[37]。以煤礦乏風為例，由于其排風量大、瓦斯?jié)舛鹊偷忍攸c，很難通過傳統(tǒng)的燃燒方式來處理，過去一般都是直接排向大氣，不僅污染環(huán)境而且浪費資源，而現(xiàn)在已有采用多孔介質(zhì)燃燒技術進行乏風氧化，并利用其熱量進行發(fā)電的成功案例[48]。

4.4 燃氣輪機

Ellzey等人[49]提出了多孔燃燒器在燃氣輪機上的應用。多孔介質(zhì)燃燒具有稀薄燃燒、火焰溫度高、溫度分布均勻、污染物排放低等特性，對燃燒器本身也沒有冷卻的要求，在燃氣輪機的應用方面很有研究價值。

5 總結與展望

預混氣體多孔介質(zhì)燃燒具有燃燒速度快、燃燒效率高、溫度分布均勻、貧燃極限寬、能耗水平和污染物排放低等優(yōu)點，是一種節(jié)能環(huán)保的新型燃燒技術，在氣體燃料高效低污染燃燒、礦井乏風和有機廢氣氧化等諸多領域，都有良好的應用前景。

國內(nèi)外學者開展了大量關于預混氣體多孔介質(zhì)燃燒的研究工作，在火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴⒒鹧娼Y構特性、火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象、熱波運動規(guī)律、污染物排放特性、多孔介質(zhì)燃燒器及燃燒系統(tǒng)設計與應用等方面，取得了豐富的研究成果，尚有一些問題有待進一步研究：

(1)低濃度揮發(fā)性有機物廢氣的多孔介質(zhì)燃燒及污染物排放特性?，F(xiàn)有多孔介質(zhì)燃燒的研究中，大多是針對甲烷與空氣的預混氣體。多孔介質(zhì)燃燒在揮發(fā)性有機物廢氣處理中具有巨大的應用潛力，盡管已有一些工程應用，但目前國內(nèi)關于這方面的基礎研究還比較缺乏。

(2)新型多孔介質(zhì)材料的開發(fā)。多孔介質(zhì)燃燒器的性能，與多孔介質(zhì)的材料和結構密切相關。通過開發(fā)各種新材料和新結構，提升多孔介質(zhì)燃燒的經(jīng)濟性、靈活性、環(huán)境友好性和可靠性，對于該技術的推廣應用也有積極作用。

(3)負荷調(diào)節(jié)過程中多孔介質(zhì)燃燒的動態(tài)特性研究。在多孔介質(zhì)燃燒的實際過程中，都會涉及負荷調(diào)節(jié)，引起多孔介質(zhì)燃燒器進口氣體流量、可燃氣體濃度等參數(shù)的變化。在一定的多孔介質(zhì)初始溫度分布下，進口參數(shù)的改變，必然會誘發(fā)一個動態(tài)變化過程，直至達到新的平衡狀態(tài)。由于多孔介質(zhì)的蓄熱作用，多孔介質(zhì)燃燒器會具有較大的熱慣性，對其動態(tài)特性進行研究，是制定多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)控制策略、保證系統(tǒng)安全可靠運行的重要基礎。