燃氣熱水器用多孔介質(zhì)無焰燃燒技術(shù)研究

孫穎楷 顧玉強 周 奮

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

多孔介質(zhì)燃燒（Porous Media Combustion，PMC）是可燃氣體和氧化劑穿過多孔介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的燃燒，又稱過濾燃燒（Filtration Combustion，F(xiàn)C）[1-3]。多孔介質(zhì)燃燒過程中，由于導(dǎo)熱、對流和輻射作用對上游混合氣體進行預(yù)熱，使得燃燒速率快，燃燒器結(jié)構(gòu)緊湊、燃料適應(yīng)性強、污染物排放低和當量比調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點[4,5]。

目前在歐美國家，PMC技術(shù)已成功地應(yīng)用于冶金、機械、化工、陶瓷等工業(yè)部門的一些工業(yè)燃燒爐上。荷蘭能源研究中心率先開發(fā)研制了泡沫陶瓷表面爐[6]。瑞典的MEGTEC公司的多孔介質(zhì)燃燒器，運行時溫度分布均勻，污染物排放低，低熱值氣體的處理效率可達98 %[7]。瑞典的ADIEC公司成功地將多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)應(yīng)用在汽車噴漆車間排氣中有機污染物的燃燒凈化[8]。寶鋼研究院2010年在一臺2 MW功率的特鋼加熱爐上首次實現(xiàn)了多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的應(yīng)用，填補了多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的國內(nèi)空白[9]。

然而，在民用燃氣具領(lǐng)域，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)還處于研究與探索階段。謝芳芳系統(tǒng)研究了冷卻條件對多孔介質(zhì)燃燒室的溫度以及煙氣成分的影響規(guī)律，并設(shè)計了一款新型燃氣熱水器[10]。呂楊研究了多孔介質(zhì)燃燒器的火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆⒃撊紵鲬?yīng)用于燃氣熱水器上，驗證了多孔介質(zhì)燃燒具有明顯的改善燃燒性能的能力[11]。

多孔介質(zhì)無焰燃燒是一種在多孔介質(zhì)內(nèi)部進行的浸沒燃燒，燃燒過程中無外部空間火焰。該種燃燒方式可以大大減小燃氣熱水器體積，有利于燃氣熱水器的小型化及企業(yè)產(chǎn)品的差異化競爭。本文設(shè)計了一款應(yīng)用于燃氣熱水器的多孔介質(zhì)燃燒器，并對該多孔介質(zhì)燃燒器進行了實際燃燒測試。針對燃燒器如何快速進入無焰燃燒的影響因素進行了研究總結(jié)，以期為后續(xù)燃氣熱水器用多孔介質(zhì)燃燒器的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 多孔介質(zhì)燃燒器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為多孔介質(zhì)燃燒器整體剖視圖。該多孔介質(zhì)燃燒器采用全預(yù)混燃燒方式，主要由全預(yù)混風(fēng)機、布風(fēng)板、隔熱材料和多孔介質(zhì)材料構(gòu)成。其中，燃氣、空氣在全預(yù)混風(fēng)機內(nèi)完成混合，一起進入燃燒器殼體內(nèi)部，而后由布風(fēng)板通入多孔介質(zhì)內(nèi)部進行燃燒，布風(fēng)板的作用是調(diào)節(jié)混合氣體的分布，使混合氣體在整個多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)部分布更加均勻，從而有利于多孔介質(zhì)燃燒器燃燒時溫度的均勻，避免局部高溫的產(chǎn)生。其中，多孔介質(zhì)材料為碳化硅。

圖1 多孔介質(zhì)燃燒器剖切圖

2 實驗結(jié)果分析

多孔介質(zhì)燃燒器只有在滿足一定的條件下才可以實現(xiàn)無焰燃燒。本文主要研究在過量空氣系數(shù)1.3情況下，多孔介質(zhì)孔徑、厚度、點火負荷對多孔介質(zhì)燃燒器進入無焰燃燒狀態(tài)的影響。其中，孔徑大小采用單位英寸長度上的平均孔數(shù)來表示，即PPI。

2.1 燃燒器燃燒狀態(tài)

在合適的負荷范圍內(nèi)，多孔介質(zhì)燃燒器可以實現(xiàn)完全無焰燃燒。然而，在冷態(tài)點火狀態(tài)下，燃燒器進入無焰燃燒需要經(jīng)歷明火空間燃燒、局部無焰燃燒、完全無焰燃燒的漸變過程。其燃燒形態(tài)如圖2所示。分析其原因，無焰燃燒是由于混合氣體被加熱后燃燒速率增大，進而在多孔介質(zhì)內(nèi)部進行的一種浸沒燃燒。多孔介質(zhì)需要蓄積一定的熱量之后才能實現(xiàn)對混合氣體的有效加熱。因此，在冷態(tài)點火初期，會有一段時間的明火燃燒狀態(tài)。該狀態(tài)持續(xù)的時間根據(jù)燃燒工況的不同，一般在1 min以內(nèi)。隨著時間推移，多孔介質(zhì)溫度逐漸升高，由于負荷分配的均勻程度、裝配狀態(tài)的不同等因素，會首先在部分多孔介質(zhì)內(nèi)部形成無焰燃燒，最終會使整個燃燒器處于完全無焰燃燒狀態(tài)。

圖2 多孔介質(zhì)燃燒器

2.2 多孔介質(zhì)孔徑對無焰燃燒的影響

如圖3所示，為不同孔徑的碳化硅多孔介質(zhì)?？讖皆叫?，多孔介質(zhì)顯得越密集，其代表的PPI值也就越大。不同測試條件下的測試結(jié)果匯總于表2。

圖3 碳化硅多孔介質(zhì)

表1 不同條件下的實驗測試結(jié)果

如圖4、圖5所示，在同一厚度下，隨著多孔介質(zhì)孔徑的減小，多孔介質(zhì)燃燒器完全進入無焰燃燒的時間逐漸延長；點火時刻能夠確保多孔介質(zhì)燃燒器進入無焰燃燒的最大負荷逐漸降低。究其原因，無焰燃燒的火焰燃燒速率高，可達到絕熱燃燒火焰速度的10倍左右[12]。而無焰燃燒的燃燒速率主要受輻射作用的影響，導(dǎo)熱作用的影響相對較小。多孔介質(zhì)孔密度越大，對輻射的衰減作用越明顯，從而對燃燒速率的提升相對減弱，需要在較長的時間內(nèi)，才能夠完全進入無焰燃燒狀態(tài)。從圖4可以看到，在20 mm厚度時，多孔介質(zhì)孔密度由10 PPI增大到30 PPI時，完全進入無焰燃燒的時間增加了98 s，增幅約60 %。在點火時刻，燃燒器處于冷態(tài)，燃燒器點火負荷越大，混合氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流速越大，與多孔介質(zhì)的對流散熱作用也就越明顯。因此，當多孔介質(zhì)孔徑減小，孔密度增大時，必須相應(yīng)的減小點火時刻的熱負荷，才能使多孔介質(zhì)燃燒器進入無焰燃燒狀態(tài)。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當多孔介質(zhì)孔密度由10 PPI增大到30 PPI時，可使燃燒器順利進入無焰燃燒的最大熱負荷由12 kW降低至7.5 kW，降幅達37.5 %。

圖4 孔徑變化下多孔介質(zhì)燃燒器完全進入無焰燃燒的時間

圖5 孔徑變化下多孔介質(zhì)燃燒器進入無焰燃燒的最大負荷

2.3 多孔介質(zhì)厚度對無焰燃燒的影響

如圖6所示，在同一孔密度下，隨著多孔介質(zhì)厚度的增加，多孔介質(zhì)燃燒器完全進入無焰燃燒狀態(tài)的時間先減小后增加。可能的原因是，隨著多孔介質(zhì)厚度的增大，混合氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動阻力增大，對多孔介質(zhì)的冷卻能力減小，多孔介質(zhì)受輻射、導(dǎo)熱作用后，升溫較快，從而使得燃燒器更容易進入無焰燃燒狀態(tài)。然而，當厚度增大較多時，多孔介質(zhì)本身的蓄熱量大幅增加，進而導(dǎo)致多孔介質(zhì)材料的溫升速度反而降低，對上游氣體的預(yù)熱作用亦減慢，從而使得燃燒器進入無焰燃燒狀態(tài)的時間延長了。如圖7所示，在同一孔密度下，隨著多孔介質(zhì)厚度的增加，多孔介質(zhì)燃燒器進入無焰燃燒狀態(tài)的最大負荷幾無變化。這再一次印證了無焰燃燒是一種高速燃燒，影響燃燒速率的主要因素是輻射作用，而輻射能力的大小主要與孔密度相關(guān)。

圖6 不同厚度下多孔介質(zhì)燃燒器完全進入無焰燃燒的時間

圖7 不同厚度下多孔介質(zhì)燃燒器進入無焰燃燒的最大負荷

2.4 點火負荷對無焰燃燒的影響

冷態(tài)點火時刻的燃燒負荷的大小決定了燃燒器能否進入無焰燃燒狀態(tài)。若冷態(tài)點火負荷過大，則燃燒器只能形成明火空間燃燒，燃燒狀態(tài)如圖2所示。在冷態(tài)條件下，調(diào)節(jié)燃燒器的點火負荷，觀察多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒狀態(tài)并并記錄多孔介質(zhì)燃燒器完全進入無焰燃燒的時間，記錄結(jié)果見表2。

表2 負荷變化對多孔介質(zhì)無焰燃燒的影響

如圖8所示，在同一孔密度和同一厚度情況下，在冷態(tài)點火時刻能夠使燃燒器進入無焰燃燒的負荷內(nèi)，隨著負荷的增大，燃燒器進入完全無焰燃燒的狀態(tài)所需時間亦相應(yīng)增大。當熱負荷增大時，混合氣體流速增大，對多孔介質(zhì)的對流冷卻作用增強，且多孔介質(zhì)對上游氣體的加熱時間亦相應(yīng)縮短，從而不利于燃燒速率的提高，導(dǎo)致燃燒器進入完全無焰燃燒的時間延遲。

圖8 不同負荷下多孔介質(zhì)燃燒器完全進入無焰燃燒的時間

3 結(jié)論

本文通過對燃氣熱水器用全預(yù)混多孔介質(zhì)燃燒器如何快速進入無焰燃燒進行了實驗研究，得出以下主要結(jié)論：

1）多孔介質(zhì)孔徑是影響多孔介質(zhì)燃燒器快速進入無焰燃燒的主要影響因素。隨著多孔介質(zhì)孔密度的增大，多孔介質(zhì)燃燒器越難以進入無焰燃燒狀態(tài)；

2）多孔介質(zhì)厚度對燃燒器進入無焰燃燒狀態(tài)的最大熱負荷幾無影響。且存在最佳的多孔介質(zhì)厚度，使多孔介質(zhì)燃燒器進入完全無焰燃燒的時間最短；

3）同一條件下，降低多孔介質(zhì)燃燒器的冷態(tài)點火時刻的熱負荷，可以有效縮短燃燒器進入完全無焰燃燒狀態(tài)的所需時間。