多孔介質(zhì)燃燒器研究

朱本奧，匡 勇，劉 柳，張 燚，張保生

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

多孔介質(zhì)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(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

多孔介質(zhì)具有大蓄熱和強(qiáng)輻射的特點(diǎn)，以能夠提高燃燒的經(jīng)濟(jì)性被人們所重視。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)是一種相比于傳統(tǒng)燃燒技術(shù)是一種近幾年來比較新穎獨(dú)特的燃燒技術(shù)，本文介紹了多孔介質(zhì)應(yīng)用于燃燒技術(shù)及不同類型的多孔介質(zhì)燃燒器的研究現(xiàn)狀、前景、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用，分析不同類型燃燒器之間的聯(lián)系，并給出各種實(shí)驗(yàn)性燃燒器的優(yōu)缺點(diǎn)。對于不同的多孔介質(zhì)材料的研究進(jìn)行介紹。

多孔介質(zhì)；燃燒器；漸變型；往復(fù)回流；堆積球

0 引 言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和發(fā)展，環(huán)境和能源問題越來越受到人們的關(guān)注，為了解決燃燒過程中產(chǎn)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(shù)在國內(nèi)得到很大發(fā)展，比如高溫空氣燃燒技術(shù)(蓄熱燃燒技術(shù))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(nèi)，該技術(shù)在改善加熱物體的溫度均勻性、減少污染物排放方面應(yīng)用效果不佳；其他的有效地方法，但其對應(yīng)的燃燒器有相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、體積大等缺點(diǎn)。

1 多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)

多孔介質(zhì)燃燒新技術(shù)，是繼第一代常規(guī)氣體燃燒技術(shù)、第二代蓄熱燃燒技術(shù)之后，目前國際上最新的第三代氣體燃燒技術(shù)，它具有燃燒效率高、污染物排放低的優(yōu)點(diǎn)，同時，兼有燃燒器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、燃燒穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛地應(yīng)用于家用采暖系統(tǒng)、動力設(shè)備、汽車預(yù)熱系統(tǒng)和各種各樣的民用和工業(yè)生產(chǎn)過程中[1]。 在燃燒系統(tǒng)中引入多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，利用多孔介質(zhì)對氣體或液體燃料進(jìn)行充分的混合加強(qiáng)擾動，可使燃料的充分燃燒，多孔介質(zhì)的大蓄熱和強(qiáng)輻射，利于組織貧燃料的燃燒還能夠經(jīng)一步的對未燃的燃料進(jìn)行預(yù)熱以減少燃料達(dá)到著火點(diǎn)所需的燃燒熱，加快燃燒速率；化學(xué)反應(yīng)和熱運(yùn)輸?shù)倪^程之間有強(qiáng)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(zhì)及其中的燃料與外界進(jìn)行強(qiáng)烈的對流、導(dǎo)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(zhì)燃燒器

多孔介質(zhì)燃燒器主要有單向流動和往復(fù)式流動兩種類型，較早提出的是單向流動多孔介質(zhì)燃燒器，往復(fù)式是針對進(jìn)一步拓寬可燃?xì)怏w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(chǎn)生影響，而火焰?zhèn)鞑ニ俣葘θ紵鞯姆€(wěn)定性產(chǎn)生影響；在往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)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(chǎn)生影響[3]。在國內(nèi)多孔介質(zhì)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(zhì)燃燒器以數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)使用雙層多孔介質(zhì)比單層有更大的優(yōu)點(diǎn)，火焰在多孔介質(zhì)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(shí)驗(yàn)得出雙層相比于單層多孔介質(zhì)燃燒器更有利于提高輻射強(qiáng)度。

3 液體多孔介質(zhì)燃燒器

液體燃料燃燒時經(jīng)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(qiáng)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(zhì)燃燒器中燃燒相比，關(guān)于液體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動蒸發(fā)及混合氣的形成更為復(fù)雜。

多孔介質(zhì)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(zhì)能夠有力的促進(jìn)燃油的蒸發(fā)，避免不完全燃燒時產(chǎn)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(zhì)內(nèi)氣體的預(yù)混合然燒對多孔介質(zhì)固相進(jìn)行預(yù)熱,然后噴入液體燃料實(shí)現(xiàn)燃燒，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了液體燃料在熱多孔介質(zhì)內(nèi)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(jìn)行了數(shù)值模擬。東明[9]等人以發(fā)動機(jī)為背景，得出隨機(jī)分布的多孔介質(zhì)比均勻的多孔介質(zhì)對湍流的抑制作用更大降低的多孔介質(zhì)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(zhì)燃燒器

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

4.1 漸變型多孔介質(zhì)燃燒器

浙江大學(xué)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(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，漸變型的多孔介質(zhì)燃燒器相對于普通的多孔介質(zhì)燃燒器具有以下優(yōu)點(diǎn)。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(fù)荷條件下都能保證火焰在多孔介質(zhì)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(shí)現(xiàn)沿程與燃燒特性相匹配，使燃燒溫度更加均勻，實(shí)現(xiàn)高效燃燒和低污染物排放的結(jié)合，代化明[18]利用數(shù)值模擬的方法也證實(shí)了漸變型的多孔介質(zhì)燃燒器在減少NOX有獨(dú)特的優(yōu)勢；第三，漸變型多孔介質(zhì)結(jié)合了不同孔徑的均勻型多孔介質(zhì)的流動及傳熱特性對燃燒室上下游熱量分布進(jìn)行合理調(diào)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(qiáng)。第四，孔徑變化率高的漸變型多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),也可以縮短燃燒器啟動時間。

4.2 往復(fù)回流式多孔介質(zhì)燃燒器

往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)(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(zhì)往復(fù)流動下的超絕熱(超焓火焰)燃燒技術(shù)[19]。能夠形成自我組織的逆向熱回流,使得上游未燃?xì)怏w得到了有效的預(yù)熱，大大提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率。國內(nèi)在冶金工業(yè)鍋爐中應(yīng)用的高溫低氧燃燒(High Temperature Air Combustion 簡稱 HTAC)也是把RSCP的原理應(yīng)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(zhì)僅僅作為換熱器來使用，燃燒在自由大空間內(nèi)完成的，而RSCP燃燒則發(fā)生在多孔介質(zhì)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(zhì)取代自由空間，利用其相對于氣體而言強(qiáng)大得多的蓄熱功能和輻射特性，實(shí)現(xiàn)熱反饋。即將燃燒產(chǎn)生的熱量及尾氣中的余熱用于加熱反應(yīng)區(qū)上游的預(yù)混合燃?xì)?，從而使燃燒反?yīng)大大的增強(qiáng)，在忽略對外熱損失的情況下，火焰溫度可超過與未經(jīng)預(yù)熱的混合燃?xì)鉅顟B(tài)相應(yīng)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(zhì)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(jié)果，從能量守恒定理，通過數(shù)學(xué)分析給出了依據(jù)；李昊[23]等通過研究多孔介質(zhì)燃燒器在熱態(tài)實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(yīng)考慮到試驗(yàn)中，結(jié)果表明,在同樣工況下，氣體組分的彌散效應(yīng)對超絕熱燃燒的特性影響很小，而氣體混合物熱彌散效應(yīng)影響較大，對于材質(zhì)、孔隙率相同的氧化鋁泡沫陶瓷；對往復(fù)式惰性多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)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(nèi)部的燃燒溫度和壓力損失.結(jié)果表明,由相同材料制成但結(jié)構(gòu)不同的多孔介質(zhì)對燃燒器內(nèi)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(kuò)展貧可燃極限.。王關(guān)晴[26]等采用無量綱形式，運(yùn)用有限容積法對點(diǎn)火燃燒動態(tài)特性進(jìn)行了模擬，實(shí)驗(yàn)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(fù)式多孔介質(zhì)燃燒器可以穩(wěn)定燃燒，并形成火焰鋒面。但是目前國內(nèi)對于有熱量損失的“超焓燃燒”特性的變化規(guī)律研究報(bào)道性對較少。

4.3 堆積球多孔介質(zhì)燃燒器

國內(nèi)對堆積球多孔介質(zhì)燃燒器研究主要以Al2O3、泡沫陶瓷的小球作為多孔介質(zhì)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(dǎo)熱核輻射換熱更加充分，Al2O3和泡沫陶瓷的大熱導(dǎo)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(nèi)火焰前沿正常移動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)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?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)得出，燃燒波的的正向傳播時才能實(shí)現(xiàn)超絕熱燃燒，并得出了在貧燃條件下實(shí)現(xiàn)超絕熱燃燒化學(xué)當(dāng)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(yù)混氣有預(yù)熱作用所致;而當(dāng)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?yàn)槿紵磻?yīng)放出熱量導(dǎo)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(zhì)固體具有良好的蓄熱性,多孔介質(zhì)與氣體通過對流及福射的方式進(jìn)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(jié)束語

國內(nèi)對多孔介質(zhì)燃燒器的研究主要集中在浙江大學(xué)、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(zhì)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(shí)現(xiàn)單一變量的控制。漸變型的多孔介質(zhì)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(yàn)中各種因素的影響，對不同類型漸變都有深入的研究。復(fù)流動下的預(yù)混合氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)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(guān)注，但目前國內(nèi)研究人員相對較少，真正應(yīng)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(bào)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。

[1] 吳學(xué)成,程樂鳴,王恩宇,等.多孔介質(zhì)中的預(yù)混燃燒發(fā)展現(xiàn)狀[J].電站系統(tǒng)工程,2003(1):37-40.

[2] 杜禮明,解茂昭,鄧洋波.惰性多孔介質(zhì)中預(yù)混合燃燒的研究進(jìn)展[J].熱能動力工程,2002(3):221-226+321.

[3] 鄭成航,程樂鳴,李 濤,等.多孔介質(zhì)燃燒火焰面特性數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009(5):50-55.

[4] 趙平輝,朱旻明,張根烜,等.雙層多孔介質(zhì)燃燒器的數(shù)值模擬[J].計(jì)算物理,2006(6):53-58.

[5] 姜 海,趙平輝,徐 侃,等.多孔介質(zhì)燃燒的二維數(shù)值模擬[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(4):51-56.

[6] 姜 海,趙平輝,陳義良,等.雙層多孔介質(zhì)燃燒器表面輻射特性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(3):93-98.

[7] 劉宏升,解茂昭.多孔介質(zhì)中液體噴霧燃燒的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009(3):521-524.

[8] 趙治國,解茂昭.泡沫陶瓷中燃油噴霧液滴蒸發(fā)混合的數(shù)值研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2006(3):45-49.

[9] 東 明,解茂昭,趙治國.多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)對燃燒室內(nèi)流場和噴霧特性影響的數(shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2008(12):179-182.

[10] 褚金華.漸變型多孔介質(zhì)燃燒器[J].浙江大學(xué),2005(期缺失):頁碼范圍缺失.

[11] 褚金華,程樂鳴,王恩宇,等.預(yù)混天然氣在多孔介質(zhì)燃燒器中的燃燒與傳熱[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2005(2):166-170.

[12] 褚金華,程樂鳴,施正倫,等.漸變型多孔介質(zhì)燃?xì)庋b置的試驗(yàn)研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2009(1):89-95.

[13] 王恩宇,程樂鳴,吳學(xué)成,等.漸變型多孔介質(zhì)中預(yù)混燃燒試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002(6):87-91+114.

[14] 王恩宇,程樂鳴,駱仲泱,等.天然氣在漸變型多孔介質(zhì)中的預(yù)混燃燒啟動特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2007(5):393-397.

[15] 王恩宇,程樂鳴,駱仲泱,等.天然氣在漸變型多孔介質(zhì)中的預(yù)混燃燒[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2004(1):1-6.

[16] 王恩宇,程樂鳴,駱仲泱,等.漸變型多孔介質(zhì)中預(yù)混燃燒溫度分布試驗(yàn)[J].熱科學(xué)與技術(shù),2003(1):64-69.

[17] 王恩宇,程樂鳴,褚金華,等.漸變型多孔介質(zhì)中燃?xì)馊紵匦栽囼?yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2005(6):139-142.

[18] 代華明,林柏泉,李慶釗,等.漸變型多孔介質(zhì)中低濃度瓦斯燃燒特性數(shù)值模擬[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012(6):36-41.

[19] 邢桂菊,祁海鷹,徐旭常.日本HiTAC技術(shù)的發(fā)展對中國鋼鐵行業(yè)的啟示[J].鋼鐵,2002(9):69-73.

[20] 李 昊,程樂鳴,王恩宇,等.往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒器流動特性的試驗(yàn)研究[J].能源工程,2004(4):1-5.

[21] 解茂昭,杜禮明,孫文策.多孔介質(zhì)中往復(fù)流動下超絕熱燃燒技術(shù)的進(jìn)展與前景[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2002(6):520-524.

[22] 杜禮明,解茂昭.預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中往復(fù)流動下超絕熱燃燒的理論探討[J].能源工程,2003(5):6-11.

[23] 李 昊,程樂鳴,王恩宇,等.往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒器溫度分布的試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005(8):1184-1188+1228.

[24] 史俊瑞,解茂昭.考慮彌散效應(yīng)的多孔介質(zhì)中超絕熱燃燒的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2006(3):515-518.

[25] 史俊瑞,解茂昭,周 磊.往復(fù)流多孔介質(zhì)燃燒器的二維數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2007(3):280-285.

[26] 王關(guān)晴,程樂鳴,徐江榮,等.往復(fù)熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒點(diǎn)火特性數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009(8):28-35.

[27] 凌忠錢,周 昊,李國能,等.自由堆積多孔介質(zhì)內(nèi)超絕熱燃燒的試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2008(2):96-99+130.

[28] 徐維廣.自然堆積多孔介質(zhì)燃燒及換熱實(shí)驗(yàn)研究[D].[出版地不詳]:山東建筑大學(xué),2012.

[29] 張金艷.預(yù)混氣體在堆積床內(nèi)燃燒的數(shù)值研究[D].[出版地不詳]:大連理工大學(xué),2013.

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(xué)電力工程學(xué)院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.02.009

TK

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