新型民用多孔介質(zhì)燃?xì)庠罘€(wěn)定燃燒可行性分析

周 航,王關(guān)晴,涂華欣,徐江榮

(杭州電子科技大學(xué)能源研究所,浙江 杭州 310027)

0 引 言

傳統(tǒng)的燃燒灶燃燒效率較低,燃燒過程中排放大量NOx和CO,嚴(yán)重污染環(huán)境。近年來,世界各國對(duì)廢氣排放污染物含量的限制標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)又稱為PMC(Porous Media Combustion)技術(shù),是最近十余年國際燃燒領(lǐng)域發(fā)展的一種全新的燃燒方式。與傳統(tǒng)的預(yù)混合燃燒相比,多孔介質(zhì)燃燒具有許多優(yōu)點(diǎn),燃燒速率更高[1,2]、溫度梯度和污染物排放更低[3,4]。郭[5]等人對(duì)一種純上進(jìn)風(fēng)燃?xì)庠畹囊湫阅苓M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過氣相色譜分析的方法確定了一次空氣系數(shù)隨著噴嘴前壓力的變化規(guī)律。紀(jì)[6]等人設(shè)計(jì)一種帶回?zé)岬男滦凸?jié)能燃?xì)庠?即采用回?zé)嵫h(huán)來提高燃?xì)庠畹臒嵝?利用燃燒后排走的高溫?zé)煔饧訜嶂伎諝?提高了燃燒效率和總的熱效率。張[7]等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)天然氣燃?xì)庠钤诓煌鹧嫒紵龡l件的煙氣進(jìn)行采集,并且通過煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量,分析數(shù)據(jù)得出天然氣燃?xì)庠钤诩矣脳l件下,能夠釋放出大量CO、NOx等有害氣體。Herrera[8]等人通過結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)來提高燃?xì)庠罹叩娜紵阅堋ishra[9]等人研究了當(dāng)量比對(duì)燃?xì)庠罹叩膹较蚝洼S向溫度分布、熱效率和燃?xì)庠罟β试?-10 kW范圍內(nèi)的排放的影響。Sharma[10]等人設(shè)計(jì)了一種用于煤油燃燒的多孔介質(zhì)灶具,并考慮多孔結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的影響,對(duì)其燃燒性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

綜上所述,目前大量學(xué)者對(duì)新型燃?xì)庠畹拈_發(fā)已經(jīng)非常廣泛,但是對(duì)多孔介質(zhì)燃?xì)庠罹叩拈_發(fā)與研究尚且不足,論文利用自行搭建的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng),對(duì)新型民用多孔介質(zhì)燃?xì)庠畹姆€(wěn)定燃燒可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析。利用紅外熱像儀、煙氣分析儀等裝置,將燃?xì)庠顝狞c(diǎn)火到穩(wěn)定的過程劃分成為3個(gè)階段,并探究了各階段的燃燒特點(diǎn)和污染物排放規(guī)律,計(jì)算了該燃?xì)庠罹叩臒嵝?。該研究與結(jié)論將有助于新型民用燃?xì)庠罹叩脑O(shè)計(jì)與開發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為自行的搭建多孔介質(zhì)燃?xì)庠钕到y(tǒng)。整套實(shí)驗(yàn)裝置可以分為以下幾個(gè)系統(tǒng):氣體供應(yīng)系統(tǒng)、多孔介質(zhì)燃?xì)庠铙w、流量控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？諝庥煽諝鈮嚎s機(jī)加壓并儲(chǔ)存在空氣罐中,甲烷由高壓瓶提供,兩者均由質(zhì)量流量控制器控制和調(diào)節(jié)。燃?xì)庠罹叩膬?nèi)徑為100 mm,燃?xì)庠罹叩撞糠胖靡粔K布風(fēng)板,用以保證混合燃?xì)饩鶆蛄鲃?dòng),SiC蜂窩板上方放置30 PPI與10 PPI的雙層泡沫陶瓷。溫度由K型鎧裝熱電偶測(cè)量,多支熱電偶測(cè)溫端均勻放置在陶瓷泡沫燃?xì)庠罹弑砻?另一端連接到Agilent 34970數(shù)據(jù)采集儀,在計(jì)算機(jī)上記錄熱電偶的溫度。

圖1 多孔介質(zhì)燃燒裝置

多孔介質(zhì)燃?xì)庠钪黧w結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。此部分用以實(shí)現(xiàn)空氣和甲烷在燃?xì)庠罹邇?nèi)的混合、預(yù)熱、燃燒。燃?xì)庠罹咧饕譃轭A(yù)混區(qū)和燃燒區(qū),中間的SiC蜂窩板為兩區(qū)域的分界線,上側(cè)為燃燒區(qū),下側(cè)為預(yù)混區(qū)。布封板利用通孔結(jié)構(gòu)阻斷燃燒區(qū)火焰向預(yù)混區(qū)傳播,起到防回火作用。兩部分通過法蘭盤、保溫棉墊片、螺栓進(jìn)行壓緊密封。

圖2 多孔介質(zhì)燃?xì)庠罱孛鎴D

圖3 燃?xì)庠罹弑砻鏌犭娕紲y(cè)點(diǎn)布置

預(yù)混區(qū)主要由304不銹鋼多孔板和直徑18 mm的花瓣?duì)钛趸X小球構(gòu)成。304不銹鋼多孔板主要起支撐花瓣?duì)钛趸X小球作用,花瓣?duì)钛趸X小球能夠增加空間復(fù)雜性和擾動(dòng)系數(shù),加強(qiáng)空氣與燃?xì)獾念A(yù)混效果?？諝夂腿?xì)夥謩e從兩個(gè)管道通入,先通過不銹鋼多孔板對(duì)燃?xì)饪諝膺M(jìn)行一次混合,然后在填充有氧化鋁小球的空間再次進(jìn)行混合。

燃燒區(qū)的結(jié)構(gòu)則主要由兩層SiC泡沫陶瓷組成,泡沫陶瓷與燃?xì)庠罹咄鈿ぶg填充有10 mm厚的硅酸陶瓷纖維保溫棉。兩層泡沫陶瓷孔隙率均為80%,上游層由30PPI的泡沫陶瓷填充,下游層由10PPI泡沫陶瓷填充。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)中,由于火焰在不同的燃燒工況下,燃燒形態(tài)以及燃燒結(jié)果差別較大,為便于試驗(yàn)工況結(jié)果比較分析,實(shí)驗(yàn)中的特征參數(shù)確定如下:

(1)當(dāng)量比

當(dāng)量比(Equivalence Ratio)也稱為“燃料系數(shù)”,其概念為一定量燃?xì)馔耆紵枰睦碚摽諝饬颗c實(shí)際供給的空氣量比值,記作φ,計(jì)算公式如下:

(1)

其中(F/O)actual為實(shí)際燃燒的燃料空氣質(zhì)量比,(F/O)stoich為理論燃燒時(shí)的燃料空氣的質(zhì)量比。

(2)熱負(fù)荷

熱負(fù)荷(Firing Power,FP)表示單位時(shí)間內(nèi)輸入燃?xì)庠罹叩臒崃?單位為kW,計(jì)算公式為:

(2)

其中qF為燃?xì)獾捏w積流量(Nm3/h),Q低為燃?xì)獾臀话l(fā)熱量(Mj/Nm3)。

(3)燃燒強(qiáng)度

燃燒強(qiáng)度(Firing Rate,FR)表示單位時(shí)間內(nèi),在多孔介質(zhì)層單位截面面積上燃燒所放出的熱量,單位為kW/m2,計(jì)算公式為:

(3)

其中A0為多孔介質(zhì)層截面面積(m2)。

為更好地衡量以及比較兩種溫度測(cè)量方法,使用t1表示熱電偶測(cè)得的溫度,用t2來表示紅外熱像儀測(cè)得的同一測(cè)點(diǎn)溫度,比較兩者的差異性,使用相對(duì)溫度誤差來表達(dá),表達(dá)式如下:

(4)

若在同一個(gè)點(diǎn),兩種方法測(cè)得的溫度相對(duì)誤差小于5%,則測(cè)溫差異較小。實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定狀態(tài)的判斷通過熱電偶測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,若燃?xì)庠罹弑砻娓鳒囟葦?shù)據(jù)在5分鐘內(nèi)浮動(dòng)不超過5 ℃,則認(rèn)為多孔介質(zhì)燃燒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

熱電偶測(cè)溫點(diǎn)分布如圖所示,其中各點(diǎn)的位置分別為c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,c9。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃燒溫度校核

選取測(cè)點(diǎn)c1、c3、c5、c7和c9作為溫度校核測(cè)點(diǎn),熱電偶測(cè)溫儀和紅外熱像儀測(cè)溫對(duì)比如圖4所示。整個(gè)燃燒過程中,熱電偶與紅外熱像儀在各校核測(cè)點(diǎn)的測(cè)溫曲線均非常接近。熱電偶和紅外熱像儀在各校核測(cè)點(diǎn)測(cè)溫的平均誤差均在5%以內(nèi),說明兩者的測(cè)得的溫度差異很小。因此,紅外熱像儀所測(cè)溫度可信度較高,實(shí)驗(yàn)采用紅外熱像儀替代熱電偶測(cè)量多孔介質(zhì)表面固體溫度是可行的。

圖4 校核測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

2.2 火焰燃燒過程階段性分析

實(shí)驗(yàn)開始時(shí),空氣由空氣壓縮機(jī)提供,并儲(chǔ)存在空氣儲(chǔ)罐中,它由質(zhì)量流量控制器送到預(yù)混室中。甲烷由甲烷高壓瓶供應(yīng),并在預(yù)混室中與空氣混合。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求,調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)氣體流量大小。在點(diǎn)火方式上,考慮到多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)存在猝熄效應(yīng),火焰很難在冷態(tài)時(shí)在多孔介質(zhì)層內(nèi)進(jìn)行燃燒,所以選擇在多孔介質(zhì)表面層對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行點(diǎn)火。故本實(shí)驗(yàn)采用冷態(tài)啟動(dòng)方式,使用電子脈沖點(diǎn)火器于多孔介質(zhì)層表面點(diǎn)火。在實(shí)驗(yàn)中,多孔介質(zhì)燃?xì)庠顝狞c(diǎn)火到穩(wěn)定一共要經(jīng)歷三個(gè)階段:點(diǎn)火初期、火焰?zhèn)鞑ズ头€(wěn)定燃燒階段。

點(diǎn)火初期的火焰主要位于多孔介質(zhì)層表面,形態(tài)為自由火焰,顏色呈藍(lán)色,極少數(shù)火焰在多孔介質(zhì)層內(nèi)燃燒,燃燒程度低,如圖5(a)所示。這是由于冷態(tài)啟動(dòng),導(dǎo)致初期多孔介質(zhì)燃?xì)庠罹吲c環(huán)境溫度相差不大,多孔介質(zhì)層內(nèi)部溫度基本和室溫一致,溫度較低,且多孔介質(zhì)比熱容和熱惰性較大,溫度不易上升,不利于火焰向多孔介質(zhì)層內(nèi)擴(kuò)展?；鹧?zhèn)鞑ルA段的燃?xì)庠罹哂捎诔掷m(xù)燃燒使得多孔介質(zhì)層吸收熱量得以預(yù)熱,溫度上升,猝熄效應(yīng)減弱,通過輻射、導(dǎo)熱、對(duì)流的方式使得熱量得到傳遞,預(yù)熱混合氣,此時(shí)火焰燃燒速度大于預(yù)混氣體流速,火焰能從多孔介質(zhì)表面慢慢地向內(nèi)部移動(dòng),如圖5(b)所示。穩(wěn)定燃燒階段的多孔介質(zhì)層溫度達(dá)到較高水平,多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射效果增強(qiáng),對(duì)預(yù)混氣體的預(yù)熱效果增加,燃燒速度增大,燃燒溫度提高。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定燃燒時(shí),混合氣體的流速和火焰燃燒的速度處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)中,火焰穩(wěn)定于多孔介質(zhì)層中的一個(gè)平面,如圖5(c)所示,此時(shí)溫度穩(wěn)定上升,如圖6(c)所示。隨著溫度進(jìn)一步提高,最終達(dá)到穩(wěn)定階段,燃?xì)庠罹弑砻嫫骄鶞囟冗_(dá)到最高,如圖6(d)所示狀態(tài)。

圖5 燃燒各階段實(shí)驗(yàn)圖

圖6 φ=0.62,FP=3.31 kW燃?xì)庠罹弑砻鏈囟确植紙D

圖6和圖7分別是φ=0.62,FP=3.31 kW燃?xì)庠罹弑砻鏈囟鹊募t外拍攝溫度與熱電偶測(cè)得的溫度圖。結(jié)合兩圖可以看出,多孔介質(zhì)燃?xì)庠罹咴谌紵那?00 s內(nèi),多孔介質(zhì)表面溫度分布極不均勻,高溫區(qū)域首先出現(xiàn)在一側(cè),隨后逐漸擴(kuò)散蔓延開來,直至鋪滿整個(gè)表面。在300-600 s的時(shí)間內(nèi),溫度穩(wěn)定上升,此時(shí)多孔介質(zhì)層吸收熱量溫度升高,火焰燃燒速度提高,當(dāng)火焰燃燒速度大于混合氣體流速,火焰往上游移動(dòng),慢慢進(jìn)入多孔介質(zhì)層內(nèi)部燃燒。隨后進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。

圖7 φ=0.62,FP=3.31 kW燃?xì)庠罹弑砻鏈囟茸兓?/p>

2.3 燃?xì)庠罹呶廴疚锱欧欧治?/h3>

在φ=0.62,FP=3.22 kW工況下,對(duì)燃燒過程中的污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析,如圖8所示,在點(diǎn)火初期時(shí),火焰未擴(kuò)展至整個(gè)燃燒區(qū),此時(shí)燃燒產(chǎn)生的CO排放量較低。燃燒傳播階段多孔介質(zhì)層溫度逐漸升高,但溫度分布不均勻,溫度梯度較大,產(chǎn)生一個(gè)CO排放高峰期。隨著燃燒進(jìn)行,多孔介質(zhì)層溫度逐漸升高,熱量分布更加均勻,燃燒更加充分,CO排放急速降低,達(dá)到穩(wěn)定后,CO排放量穩(wěn)定于3 ppm左右。點(diǎn)火初期由于多孔介質(zhì)內(nèi)部溫度接近室溫,而CH4氣體燃燒過程中產(chǎn)生的NO大部分為熱力型NOx,故此時(shí)NO排放很低。隨著燃燒繼續(xù)進(jìn)行,火焰進(jìn)入多孔介質(zhì)層內(nèi)部,燃?xì)庠罹邷囟戎饾u升高,導(dǎo)致NO生成量增多,排放量增加與溫度升高趨勢(shì)相同。當(dāng)燃燒進(jìn)入穩(wěn)定階段后,多孔介質(zhì)層溫度變得更加均勻,局部高溫區(qū)域減少,NO呈現(xiàn)一個(gè)緩慢降低的趨勢(shì),最后穩(wěn)定于18 ppm左右。

圖8 CO、NOx和表面平均溫度隨時(shí)間的燃燒穩(wěn)定性

2.4 熱效率分析

熱效率是燃?xì)庠罹叩葻崮苻D(zhuǎn)換裝置衡量熱能轉(zhuǎn)換效率的無量綱指標(biāo),為實(shí)際轉(zhuǎn)化所得的有效輸出能量與總消耗能量比值,計(jì)算公式[11]為:

(5)

如圖9所示,在控制當(dāng)量比φ=0.62情況下,通過改變混合氣體流速方式來改變熱負(fù)荷大小,研究熱負(fù)荷對(duì)燃燒熱效率的影響。從圖中可以看出,在水被加熱的過程中,除開開始時(shí)的熱效率為零外,其余的整個(gè)加熱過程,熱效率能夠達(dá)到64%以上。在初始的一段時(shí)間內(nèi),由于水溫與環(huán)境溫度一致,吸收的熱量幾乎全用于水溫的升高,后續(xù)時(shí)間的水溫向環(huán)境空間傳遞一定熱量,導(dǎo)致熱效率有略微降低。總的來看,熱效率幾乎呈現(xiàn)出一條直線的狀態(tài),可以認(rèn)為所設(shè)計(jì)的燃?xì)庠罹咴诠ぷ鲿r(shí)能穩(wěn)定地對(duì)外做功。本文設(shè)計(jì)的燃?xì)庠罹邿嵝矢哂凇都矣萌細(xì)庠罹摺穂12]中53%熱效率的國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 燃?xì)庠罹叩臒嵝史€(wěn)定性

3 結(jié)束語

本文主要介紹了多孔介質(zhì)燃?xì)庠畹娜紵^程。實(shí)驗(yàn)采用冷態(tài)啟動(dòng)方式,使用電子脈沖點(diǎn)火器于多孔介質(zhì)層表面進(jìn)行點(diǎn)火。根據(jù)各階段特點(diǎn),將燃燒過程分為三部分:火焰在多孔介質(zhì)燃?xì)庠畋砻孑椛淙紵狞c(diǎn)火初期階段,火焰呈現(xiàn)浸沒燃燒的燃燒傳播階段和溫度基本保持不變的穩(wěn)定燃燒階段。燃燒污染物排放量極低,NO能夠達(dá)到18 ppm左右,CO能夠達(dá)到3 ppm左右。多孔介質(zhì)燃?xì)庠羁蓪?shí)現(xiàn)高達(dá)64%的熱效率。