柱面多孔介質(zhì)燃燒器甲烷預(yù)混燃燒溫度分布研究

齊家威 簡(jiǎn)振賀 聶曉康 李朝祥 楚化強(qiáng)

(安徽工業(yè)大學(xué))

國(guó)家發(fā)展正式進(jìn)入“十四五”時(shí)期，能源結(jié)構(gòu)改革越來(lái)越重要，“穩(wěn)油、降煤、升氣”成為大勢(shì)所趨。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)作為一種優(yōu)良的氣體燃燒技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。1913年，Luke[1]是第一個(gè)嘗試使用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的學(xué)者，他將顆粒堆積在燃燒器中形成了多孔介質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)燃燒器的表面燃燒，即預(yù)混火焰能夠穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面。這種燃燒技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如: 燃燒強(qiáng)度高、燃燒速率快[2]，穩(wěn)定區(qū)域范圍寬、燃燒溫度分布均勻，燃燒效率高、污染物排放量低[3]，貧燃極限范圍增大，負(fù)荷調(diào)節(jié)比增加[4-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器的研究主要集中在以下兩個(gè)問(wèn)題：(1) 如何降低可燃性極限時(shí)的熱損失；(2) 如何在特定位置實(shí)現(xiàn)火焰的定位和穩(wěn)定。特別是第二個(gè)問(wèn)題仍是目前研究的重點(diǎn)。一些研究人員提出采用多層多孔床和冷卻火焰后區(qū)域等方法來(lái)定位火焰，但是，隨著燃料種類和濃度的變化，這些指標(biāo)需要重新評(píng)估。熱再生、燃料預(yù)熱、可燃性極限和火焰穩(wěn)定之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)仍然是研究人員關(guān)注的問(wèn)題。

Zheng等[6]采用數(shù)值方法研究了過(guò)濾速度、當(dāng)量比和壓力對(duì)惰性多孔介質(zhì)中火焰前鋒傾斜不穩(wěn)定性的影響。數(shù)值結(jié)果表明，火焰前緣傾斜不穩(wěn)定性的發(fā)展導(dǎo)致了填充床內(nèi)流動(dòng)的本質(zhì)不均勻性。在實(shí)驗(yàn)上，Shi等[7-8]發(fā)現(xiàn)一些參數(shù)會(huì)對(duì)火焰鋒面傾斜角度增長(zhǎng)產(chǎn)生影響。在理論上，Kakutkina[9]基于熱模型研究了熱點(diǎn)和燃燒波前傾斜的不穩(wěn)定性，并考慮波前曲率和局部?jī)A角的影響，給出了彎曲波前傳播速度的一般表達(dá)式。Mare和Mihalik[10]對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器的可燃性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，發(fā)現(xiàn)了其與多孔介質(zhì)形狀的關(guān)聯(lián)。王恩宇等[11-14]提出了漸變式多孔介質(zhì)燃燒器的理念，可以有效提高燃燒器的可燃性極限，并給出了猝熄直徑的概念。董志勇等[15]和賁宇馳等[16]分別在實(shí)驗(yàn)和模擬方面對(duì)低熱值燃?xì)獾亩嗫捉橘|(zhì)燃燒進(jìn)行了研究，表明了多孔介質(zhì)在低熱值氣體利用方面能很大程度上提高燃燒溫度和燃燒穩(wěn)定性。張俊春[17]提出雙層多孔介質(zhì)燃燒器的穩(wěn)定燃燒上下限分別由下層和上層多孔材料決定。陳露等[18]研究了多孔介質(zhì)在低速過(guò)濾燃燒情況下的熱斑不穩(wěn)定現(xiàn)象，揭示了孔隙率的對(duì)熱斑的影響規(guī)律。朱茜茜[19]和于春梅[20]對(duì)燃燒火焰面的移動(dòng)現(xiàn)象和不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響因素做了大量的實(shí)驗(yàn)論證。Chen等[21]研究了固體氧化物燃料電池廢氣對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)量比和絕熱火焰溫度對(duì)燃燒有顯著影響，當(dāng)混合氣體的絕熱火焰溫度低于440 ℃，或陽(yáng)極氣體中水蒸氣含量大于85%時(shí)，火焰不能穩(wěn)定燃燒。Quaye等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相較于無(wú)孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)可改善燃燒器的熱特性，提高燃燒速度并延長(zhǎng)貧燃極限。

然而，目前對(duì)于多孔介質(zhì)燃燒裝置的溫度分布缺乏系統(tǒng)地研究。文章系統(tǒng)地研究了不同的當(dāng)量比、甲烷流量、燃燒器布置方式和燃燒器長(zhǎng)徑比等因素對(duì)燃燒溫度的影響，為今后多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與工況

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃燒裝置、供氣系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖1所示。燃燒裝置由多孔介質(zhì)燃燒器和夾持裝置組成。所使用的多孔介質(zhì)燃燒器由316L不銹鋼燒結(jié)而成，為圓柱形空心長(zhǎng)管，厚度2.5 mm，孔隙直徑60 μm，孔隙率40%。一端為緩沖燃燒器產(chǎn)生的高溫而預(yù)留的長(zhǎng)15 cm，外徑10 mm的不銹鋼管，避免氣管熔化而發(fā)生燃?xì)庑孤?。供氣系統(tǒng)由助燃?xì)怏w(空氣)和燃?xì)?甲烷)構(gòu)成，其中甲烷的濃度大于等于99.99%。采用紅外熱像儀完成燃燒信息采集，所使用的紅外熱像儀是FLUKE公司的TiX1000型紅外熱像儀。該熱像儀可自動(dòng)對(duì)焦，量程范圍-40 ～1 200 ℃，精度±1.5 ℃，測(cè)量過(guò)程中最高溫度在1 100 ℃左右，完全滿足實(shí)驗(yàn)的需要，并且所拍攝紅外圖像中可以標(biāo)定出最高溫度和最低溫度。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

文章主要研究不同的當(dāng)量比、燃?xì)饬髁?、燃燒器布置方式和燃燒器長(zhǎng)徑比等因素對(duì)燃燒溫度特性和火焰面?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，具體實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 當(dāng)量比的影響

選取長(zhǎng)50 mm、外部直徑18 mm、孔隙直徑60 μm、孔隙率40%的多孔介質(zhì)燃燒器，采用垂直放置方式。在甲烷流量500 mL/min、當(dāng)量比φ=0.5時(shí)，冷態(tài)啟動(dòng)無(wú)法點(diǎn)火，充分預(yù)熱至900 ℃左右時(shí)可以順利點(diǎn)火，但火焰分布極不均勻、不斷抖動(dòng)、火焰拉長(zhǎng)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。因?yàn)槿紵龔?qiáng)度低，燃燒釋放的熱量小于表面散熱損失，燃燒器溫度會(huì)一直降低，直到燃燒器不能連續(xù)點(diǎn)火而熄滅。相對(duì)于當(dāng)量比φ=0.5，當(dāng)量比φ=0.6時(shí)火焰雖然也不均勻，但是可以持續(xù)燃燒，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)點(diǎn)火，溫度較穩(wěn)定，火焰也不會(huì)自主熄滅，故文中當(dāng)量比最小值取φ=0.6。

甲烷流量500 mL/min時(shí)，當(dāng)量比對(duì)燃燒器表面最高溫度的影響見(jiàn)圖2。隨著當(dāng)量比由0.6增大到0.8，燃燒器表面最高溫度顯著升高，由626.5 ℃上升到936.5 ℃，燃燒器表面呈現(xiàn)紅熱現(xiàn)象。此時(shí)燃燒火焰在燃燒器表面分布比較均勻，最高溫度都在燃燒器中間部分產(chǎn)生。在當(dāng)量比φ=1時(shí)，燃燒器表面最高燃燒溫度達(dá)到最大值1 000.8 ℃。再繼續(xù)增大當(dāng)量比，燃燒器表面最高溫度不斷下降。同時(shí)燃燒器表面最高溫度和當(dāng)量比存在依變關(guān)系，當(dāng)量比越偏離1.0，溫度差別就越大，溫度降低的幅度也越大。

隨著當(dāng)量比增大，紅外熱成像圖片顯示高溫區(qū)并沒(méi)有明顯移動(dòng)，同時(shí)觀察到高溫區(qū)在軸向上的分布并不均勻，右側(cè)高溫區(qū)有向上擴(kuò)張的趨勢(shì)，而左側(cè)高溫區(qū)位置低。從理論上分析，由于燃燒器為圓柱體，其所用材料和制作工藝相同，因此在軸向和徑向的物性也應(yīng)該相同。但燃燒器制作工藝的誤差造成了燃燒器的結(jié)構(gòu)并非是完全對(duì)稱，因此其物性也就產(chǎn)生了差異，所以高溫區(qū)分布并不像理論上那么均勻。

2.2 甲烷流量的影響

選用長(zhǎng)50 mm的燃燒器垂直夾持燃燒，當(dāng)甲烷流量降至400 mL/min時(shí)，燃燒器的可燃性限度并沒(méi)有明顯改變。當(dāng)量比為0.5時(shí)，不論是冷態(tài)直接點(diǎn)火還是充分預(yù)熱后再點(diǎn)火，都無(wú)法穩(wěn)定燃燒。在當(dāng)量比φ=0.6～1.3工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將不同流量工況下表面最高溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。相比于同當(dāng)量比甲烷流量500 mL/min條件下，當(dāng)甲烷流量400 mL/min時(shí)表面最高溫度有所降低。究其原因在于甲烷流量降低導(dǎo)致燃燒強(qiáng)度降低，燃燒所釋放的熱量減少。

圖2 燃燒溫度隨當(dāng)量比的變化

圖3 不同流量工況下燃燒平均最高溫度對(duì)比

進(jìn)一步比較φ>1.0時(shí)的平均最高溫度：當(dāng)甲烷流量500 mL/min時(shí)，隨著當(dāng)量比增大，燃燒器表面最高溫度降低；當(dāng)甲烷流量400 mL/min時(shí)，隨著當(dāng)量比增大，燃燒器表面最高溫度繼續(xù)升高，但增幅減小，兩種不同甲烷流量下的溫度差在不斷縮小并趨近于相等。

對(duì)低甲烷流量條件下燃燒器表面最高溫度隨當(dāng)量比的增大而升高進(jìn)行分析，燃燒器表面最高溫度取決于燃料燃燒所釋放的熱量和燃燒器的散熱量之間的平衡關(guān)系。燃料燃燒越充分，燃燒強(qiáng)度越大，其燃燒過(guò)程所釋放的能量就越多。而燃燒器的散熱取決于多方面因素，其散熱過(guò)程是由熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種傳熱過(guò)程相耦合決定，對(duì)于同一個(gè)燃燒器來(lái)說(shuō)散熱的快慢主要由溫度勢(shì)差決定，但流經(jīng)的空氣所帶走的熱量也是不可忽略的。當(dāng)量比由0.6增大到1.0過(guò)程中，甲烷都能完全燃燒，所釋放的能量理論上差別不大，但空氣量在減少，空氣帶走的熱量也在減少。當(dāng)量比由1.0增大到1.3過(guò)程中，空氣量繼續(xù)減少，但甲烷此時(shí)不能完全燃燒。

當(dāng)甲烷流量較大時(shí)，甲烷燃燒釋放的熱量多，φ>1.0以后，甲烷不完全燃燒釋放熱量的減少量大于空氣攜帶走的熱量，溫度降低，所以表面最高溫度的最大值發(fā)生在當(dāng)量比為1.0的工況。低甲烷流量下，甲烷完全燃燒所釋放的能量減少了，空氣帶走熱量影響更為明顯。故φ>1.0以后，雖然甲烷不能完全燃燒，釋放的熱量降低，但空氣量仍然在降低，甲烷不完全燃燒釋放熱量的減少量小于空氣帶走熱量的減少量，故溫度還會(huì)繼續(xù)升高。

2.3 燃燒器布置方式的影響

當(dāng)甲烷流量為500 mL/min時(shí)，選用長(zhǎng)50 mm的多孔介質(zhì)燃燒器分別垂直和水平布置，考察布置方式對(duì)燃燒器表面最高溫度的影響，如圖4所示。不論是垂直布置或者水平布置，燃燒器表面最高溫度均發(fā)生在當(dāng)量比為1.0的工況，垂直放置的表面最高溫度為1 000.8 ℃，水平放置的表面最高溫度為991.6 ℃，兩者的溫差僅為自身溫度的1%左右；同時(shí)其它當(dāng)量比下豎直與水平放置的溫差也很小，表明甲烷流量為500 mL/min時(shí)，不同放置方式對(duì)燃燒器表面最高溫度影響很小。需要指出的是，兩條溫度線在當(dāng)量比0.95附近出現(xiàn)相交。

2.4 燃燒器長(zhǎng)徑比的影響

選用長(zhǎng)90 mm(長(zhǎng)徑比5)和50 mm(長(zhǎng)徑比2.78)的燃燒器進(jìn)行對(duì)比，研究不同長(zhǎng)徑比對(duì)燃燒器表面最高溫度的影響，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的甲烷流量較小，采用50 mm燃燒器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于燃燒器緊湊，可燃混合物濃度較高，點(diǎn)火相對(duì)簡(jiǎn)單；90 mm燃燒器表面可燃混合物分布稀薄，穩(wěn)定燃燒難度增大。當(dāng)甲烷流量500 mL/min、長(zhǎng)徑比為5的燃燒器垂直布置時(shí)，可燃限度降低至0.9～1.0，且燃燒器表面最高溫度有較大幅度的下降。

進(jìn)一步將長(zhǎng)徑比為5的燃燒器改為水平布置，其可燃性限度范圍提高到0.6～1.3，與同工況的長(zhǎng)徑比為2.78的燃燒器相同。在甲烷流量500 mL/min時(shí)，水平放置的表面最高溫度低于垂直放置。這種差異產(chǎn)生的原因可能是：甲烷密度小于空氣密度，與空氣形成的預(yù)混可燃?xì)怏w密度自然也小于空氣，當(dāng)燃燒器垂直布置時(shí)，出口氣體由于壓力差和密度差向上流動(dòng)并分散向柱型燃燒器四周，混合氣體比較分散。而燃燒器水平布置時(shí)，混合氣體會(huì)聚集在燃燒器上部，可燃混合物濃度更高更容易點(diǎn)燃。水平布置可能會(huì)降低最高燃燒溫度，但卻可以大大提高燃燒器的穩(wěn)定燃燒范圍。

圖4 燃燒器不同放置方式表面最高溫度對(duì)比

圖5 不同長(zhǎng)徑比燃燒器的表面最高溫度對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了當(dāng)量比、甲烷流量、燃燒器布置方式、燃燒器長(zhǎng)徑比對(duì)燃燒器燃燒溫度的影響，得出以下結(jié)論：

(1)燃燒器表面最高燃燒溫度跟當(dāng)量比之間存在依變關(guān)系，甲烷流量為500 mL/min，當(dāng)量比φ=1時(shí)，表面最高溫度取得最大值；

(2)甲烷流量的大小制約著燃燒器穩(wěn)定燃燒的范圍，低流量工況下，燃燒器表面溫度偏低；

(3)在長(zhǎng)徑比為5時(shí)，與垂直布置相比，水平布置的燃燒器可以明顯的提升穩(wěn)定燃燒范圍，但燃燒強(qiáng)度會(huì)有所降低；

(4)燃燒器的長(zhǎng)徑比會(huì)影響可燃混合氣體的分布，影響燃燒過(guò)程，相同工況下長(zhǎng)徑比越大燃燒器各個(gè)部位的可燃混合氣就越稀薄，燃燒溫度越低。