甲烷/空气在多孔介质小球填充床表面扩散燃烧的实验研究

黄新章，张秀丽，史俊瑞，刘泽东，程小龙

(沈阳工程学院辽宁省洁净燃烧发电与供热技术重点实验室，辽宁沈阳110136)

按燃烧方式可将气体多孔介质中的燃烧(过滤燃烧)种类分为预混过滤燃烧和扩散过滤燃烧.近十几年来，国内外的研究机构对于燃烧的研究侧重于预混过滤燃烧，并取得了相当大的进展.而扩散过滤燃烧的研究相当薄弱［1－4］，国内目前还没有进行扩散过滤燃烧的研究.刘明侯研究组［4－5］开展了类似的研究，采用多孔介质作为扩散燃烧的火焰稳定器，将8 mm厚的泡沫陶瓷布置在燃料喷嘴的上方，利用其通透和弥散性能改善钝体后燃空比，以获得更宽的火焰稳定范围，提高火焰稳定性.实验采用3.5 mm多孔材料为介质作为床层填充物，并以甲烷作为燃料进行对比实验，了解多孔介质小球火焰稳定特性.

1 反应装置及条件

实验装置系统如图1所示，甲烷燃料通过内环圆形喷嘴进入燃烧器中，与外环燃烧室送入的空气进行扩散燃烧.填充床为3.5 mm氧化铝小球、8 mm氧化铝大球布置在内环和外环之间，起到均衡气流的作用，其高度与喷嘴出口处于同一高度.为防止小球堵塞燃料喷嘴，在其上方布置耐高温钢丝网，3.5 mm填充小球放置铁丝网之上.燃烧室为石英玻璃管，内径为48 mm，壁厚2.5 mm，高度为600 mm.实验时，空气和燃料通过质量流量控制器(空气流量范围为100 slm，燃料流量范围为15 slm，精度等级为2%F.S，则取甲烷流量为0.5 slm，空气流量为5.7 slm，过量空气系数为1.2)进入燃烧室扩散燃烧.小球以10 mm的厚度逐步增加，待火焰达到稳定状态后，通过摄像机和照相机分别在燃烧器的侧面及上方进行图像采集，以观察火焰变化情况.

图1 甲烷与空气扩散燃烧实验装置

2 火焰结构及结果分析

通过对采集的图像进行处理，然后对比观察，其图像变化如图2所示.

由图2中一系列的图像资料观察发现，从火焰颜色上看，火焰起初未放小球或小球填充高度较低时，甲烷与空气在床层表面处预混程度很差或者基本没有预混，其与受限空间燃料扩散燃烧现象基本一致，在喷嘴上方外侧有较窄的蓝色火焰，而整个火焰大部分为黄色.蓝色火焰主要为甲烷气体完全燃烧，而在中心黄色火焰主要为甲烷未完全燃烧生成的一氧化碳的燃烧.随着小球高度的增加，蓝色火焰区域逐渐增大，黄色火焰逐渐减小并消失，这是由于小球填充高度的增加，甲烷与空气在达到床层表面时，预混程度逐步增强，甲烷的燃烧效果逐步改善，一氧化碳生成量逐步减少;随着小球温度增加，小球不断变红，这是由于映射的原因，使得蓝色火焰变成红色.

图2 扩散燃烧火焰随小球高度的变化图像

从燃烧器上方看，起初未放小球或小球填充高度较低时，火焰形状为一圆形光斑，随着填充小球高度的增加，燃料气流速度逐步降低，燃料扩散到床层表面时的预混程度不断增强，火焰由圆斑逐步扩成小火环，并且火环外径逐步扩大，如图3所示，到接近石英管内壁，火环内径逐步减小，逐步向中心扩展，直到环形完全充满.

图3 火环与石英管直径比随小球填充高度变化趋势

从侧面看，如图4所示，火焰高度随着小球填充高度的增加而逐步降低，射流核逐渐消失.这是由于随着小球高度的增加，射流速度在小球的影响下逐步降低，且预混程度逐步增强，最后形成接近预混的燃烧状态.射流外边界与射流内边界之间区域逐步增大，区域火焰轮廓不像未放小球那样清晰分明，火焰的锋面逐渐弥散，但仍然有一定的外形，它近似成锥形.

图4 火焰高度随小球填充高度变化趋势

从声音变化角度上分析，当小球加到一定高度时，燃烧过程中伴随有“嗡嗡”的声音.每次添加小球时，声音会暂时消失，随后该声音仍会继续，而且声音的频率基本恒定.该声音为燃烧过程中燃烧产生的热量来不及在一瞬间传递到周围的空间，使得该区间的压力急剧增加，并随着火焰前锋传播［6－7］，造成燃烧器内产生压差，其与填充床的固体边界小球相作用产生连续的微震，小球微震与管壁作用产生声音.声音与小球的大小有着一定关系，小球直径越小，其声音频率越高.

3 结论

气体在多孔介质表面扩散燃烧，由于多孔介质其渗透和弥散作用，随着多孔介质小球填充高度的增加，燃烧特性由扩散燃烧逐步向预混燃烧转化，其具有预混过滤燃烧和扩散燃烧的某些特性.当多孔介质小球达到一定高度时，其燃烧基本全部转化成预混燃烧.该实验得到了一些基本特性，但实验条件单一，后续应改变不同的实验条件，观察分析总结实验火焰特性.

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［5］许 胜，刘明侯，徐 侃，等.多孔介质钝体火焰稳定特性实验研究，中国工程热物理年会.燃烧学分会年会论文集.广州:2010.

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［7］韦静思.内燃机燃烧过程中热声耦合机理的研究［D］.天津，天津大学，2009.