多孔介质燃烧器研究

朱本奥，匡 勇，刘 柳，张 燚，张保生

(1. 中国矿业大学电力工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学电力工程学院，江苏 徐州 221116)

多孔介质燃烧器研究

朱本奥1，匡 勇2，刘 柳2，张 燚2，张保生2

(1. 中国矿业大学电力工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学电力工程学院，江苏 徐州 221116)

多孔介质具有大蓄热和强辐射的特点，以能够提高燃烧的经济性被人们所重视。多孔介质燃烧技术是一种相比于传统燃烧技术是一种近几年来比较新颖独特的燃烧技术，本文介绍了多孔介质应用于燃烧技术及不同类型的多孔介质燃烧器的研究现状、前景、优点和应用，分析不同类型燃烧器之间的联系，并给出各种实验性燃烧器的优缺点。对于不同的多孔介质材料的研究进行介绍。

多孔介质；燃烧器；渐变型；往复回流；堆积球

0 引 言

近年来随着经济的进步和发展，环境和能源问题越来越受到人们的关注，为了解决燃烧过程中产生热量的低利用率和较高的排放污染物的问题，针对以上现状，近年来，各类燃烧节能技术在国内得到很大发展，比如高温空气燃烧技术(蓄热燃烧技术)能把30%被烟气带走的余热再回收60%至80%节能效果显著。 但在国内，该技术在改善加热物体的温度均匀性、减少污染物排放方面应用效果不佳；其他的有效地方法，但其对应的燃烧器有相对复杂的结构、体积大等缺点。

1 多孔介质燃烧技术

多孔介质燃烧新技术，是继第一代常规气体燃烧技术、第二代蓄热燃烧技术之后，目前国际上最新的第三代气体燃烧技术，它具有燃烧效率高、污染物排放低的优点，同时，兼有燃烧器体积小、结构紧凑、负荷调节范围广、燃烧稳定等优点，能广泛地应用于家用采暖系统、动力设备、汽车预热系统和各种各样的民用和工业生产过程中[1]。 在燃烧系统中引入多孔介质燃烧技术，利用多孔介质对气体或液体燃料进行充分的混合加强扰动，可使燃料的充分燃烧，多孔介质的大蓄热和强辐射，利于组织贫燃料的燃烧还能够经一步的对未燃的燃料进行预热以减少燃料达到着火点所需的燃烧热，加快燃烧速率；化学反应和热运输的过程之间有强烈的耦合作用，并且相对于传统的自由空间上的混合燃烧相比具有，火焰的稳定性比较好，燃烧效率高，多孔介质及其中的燃料与外界进行强烈的对流、导热和辐射换热，整个燃烧空间的温度比较的均匀[2]。

2 多孔介质燃烧器

多孔介质燃烧器主要有单向流动和往复式流动两种类型，较早提出的是单向流动多孔介质燃烧器，往复式是针对进一步拓宽可燃气体贫燃极限而提出的。在单向流动中火焰面对燃烧器的辐射效率和换热特性产生影响，而火焰传播速度对燃烧器的稳定性产生影响；在往复式多孔介质燃烧技术中，火焰面影响燃料的利用效率，火焰面传播速度对换向周期产生影响[3]。在国内多孔介质燃烧器还可以分为单层和双层，赵平辉[4-5]等人主要对双层多孔介质燃烧器以数值模拟的方法发现使用双层多孔介质比单层有更大的优点，火焰在多孔介质交界面附近有较宽的稳定传播范围，可有效地防止火焰的回火和吹熄。姜海[6]通过实验得出双层相比于单层多孔介质燃烧器更有利于提高辐射强度。

3 液体多孔介质燃烧器

液体燃料燃烧时经历雾化、蒸发、燃烧过程，其中蒸发以后的过程可以看做气体的燃烧，所以雾化的程度决定燃烧的强度，除此之外还要考汽、液、固相互之间传热的影响。相比于混合气体在多孔介质燃烧器中燃烧相比，关于液体在多孔介质中的运动蒸发及混合气的形成更为复杂。

多孔介质作为液体燃料的的燃烧器，同时也是很好的雾化器，多孔介质能够有力的促进燃油的蒸发，避免不完全燃烧时产生碳烟等问题。刘宏升[7]等人分别以气体和液体作为燃料，先通过多孔介质内气体的预混合然烧对多孔介质固相进行预热,然后喷入液体燃料实现燃烧，实验证实了液体燃料在热多孔介质内汽化及自维持燃烧的可行性。赵治国、解茂昭[8]等人对泡沫陶瓷中燃油喷雾液滴蒸发混合进行了数值模拟。东明[9]等人以发动机为背景，得出随机分布的多孔介质比均匀的多孔介质对湍流的抑制作用更大降低的多孔介质的湍能水平，但利于液滴的快速蒸发。未明确指出对燃烧特性的影响。

4 气体多孔介质燃烧器

对于多孔介质燃烧器国内的主要研究类型包括：渐变式多孔介质燃烧器、多孔介质内往复回流式燃烧器和堆积球多孔介质燃烧器，分别有各自的优势和弊端。

4.1 渐变型多孔介质燃烧器

浙江大学岑可法[10]等提出了渐变型多孔介燃烧器的概念：即孔隙率或孔隙渐变，等孔隙率渐变孔径，等孔径渐变、孔隙率、渐变孔径渐变孔隙率三种渐变类型。王恩宇、褚金华、程乐明[11-17]等通过实验研究发现，渐变型的多孔介质燃烧器相对于普通的多孔介质燃烧器具有以下优点。第一，由于孔径或孔隙率的渐变可以在不同空燃比、不同热负荷条件下都能保证火焰在多孔介质中找到稳定面，从而使燃烧稳定范围大大加宽；第二，由于孔径或孔隙率的渐变，在燃烧管中可以实现沿程与燃烧特性相匹配，使燃烧温度更加均匀，实现高效燃烧和低污染物排放的结合，代化明[18]利用数值模拟的方法也证实了渐变型的多孔介质燃烧器在减少NOX有独特的优势；第三，渐变型多孔介质结合了不同孔径的均匀型多孔介质的流动及传热特性对燃烧室上下游热量分布进行合理调配使得最高燃烧温度有所降低，由于孔径的变化使火焰的稳定性增强。第四，孔径变化率高的渐变型多孔介质结构,也可以缩短燃烧器启动时间。

4.2 往复回流式多孔介质燃烧器

往复式多孔介质燃烧技术(Reciprocating Superadiabatic Combustion in Porous Media RSCP)最早是Hanamura K和Echigo R在1993年提出的,后来有人称作为多孔介质往复流动下的超绝热(超焓火焰)燃烧技术[19]。能够形成自我组织的逆向热回流,使得上游未燃气体得到了有效的预热，大大提高燃烧稳定性和燃烧效率。国内在冶金工业锅炉中应用的高温低氧燃烧(High Temperature Air Combustion 简称 HTAC)也是把RSCP的原理应用到冶金工业锅炉中。不过两者有很大的区别，HATC把多孔介质仅仅作为换热器来使用，燃烧在自由大空间内完成的，而RSCP燃烧则发生在多孔介质里面[20]。

绝热燃烧是指无论稳定燃烧还是非稳定燃烧过程中没有热量损失的理想燃烧，而超绝热燃烧(超焓燃烧)是通过多孔介质取代自由空间，利用其相对于气体而言强大得多的蓄热功能和辐射特性，实现热反馈。即将燃烧产生的热量及尾气中的余热用于加热反应区上游的预混合燃气，从而使燃烧反应大大的增强，在忽略对外热损失的情况下，火焰温度可超过与未经预热的混合燃气状态相应的绝热火焰温度[21]。 杜礼明、解茂昭[22]提出了超绝热现象是多孔介质中积累的热量的热传播波与混合气燃烧时的燃烧波叠加的结果，从能量守恒定理，通过数学分析给出了依据；李昊[23]等通过研究多孔介质燃烧器在热态实验条件下的温度分布情况，发现对于一定的燃烧系统，存在一个最佳的切换半周期，且较佳的切换半周期随着蓄热能力的增加而增加。切换半周期越短，燃烧后气体与多孔介质燃烧器的换热效果越好，出口的温度就越低，可以充分的利用燃烧生成的热量；史俊瑞[24-25]把弥散效应考虑到试验中，结果表明,在同样工况下，气体组分的弥散效应对超绝热燃烧的特性影响很小，而气体混合物热弥散效应影响较大，对于材质、孔隙率相同的氧化铝泡沫陶瓷；对往复式惰性多孔介质燃烧器进行了二维数值模拟，在燃烧器中分别填充4孔/cm泡沫陶瓷或小球,研究其内部的燃烧温度和压力损失.结果表明,由相同材料制成但结构不同的多孔介质对燃烧器内的高温区域和压力损失有显著的影响.孔隙率较大的泡沫陶瓷适合于布置在燃烧区,而孔隙率较小的小球适合于布置在热交换区域，小孔径的更有利于扩展贫可燃极限.。王关晴[26]等采用无量纲形式，运用有限容积法对点火燃烧动态特性进行了模拟，实验表明，燃烧峰值的温度(火焰)向某一“特定位置”移动，并最终稳定在“特定位置”上。证明了往复式多孔介质燃烧器可以稳定燃烧，并形成火焰锋面。但是目前国内对于有热量损失的“超焓燃烧”特性的变化规律研究报道性对较少。

4.3 堆积球多孔介质燃烧器

国内对堆积球多孔介质燃烧器研究主要以Al2O3、泡沫陶瓷的小球作为多孔介质为研究对象，由于气体通过堆积球之间的孔隙在堆积球后会形成尾涡，能够使小球之间的导热核辐射换热更加充分，Al2O3和泡沫陶瓷的大热导率和大比热容，能够是整个燃烧空间温度更加的均匀，能够使孔隙内火焰前沿正常移动速度远远大于自由火焰前沿移动速度、且大于混合气流速度，所以火焰前沿能够克服混合气流的阻力使火焰锋面慢慢的向上游移动，在其内部形成稳定的燃烧波。凌忠钱[27]等以不同直径同一孔隙率的Al2O3堆积球为多孔介质得出，燃烧波的的正向传播时才能实现超绝热燃烧，并得出了在贫燃条件下实现超绝热燃烧化学当量比的范围。徐维广[28]对不同孔隙率的自由堆积球研究发现孔隙率越小，其换热效果越好。在火焰面上游,固体小球温度要高于气体温度，在燃烧前,固体对未燃预混气有预热作用所致;而当燃烧发生后,在火焰面中心及下游区域,气体温度要高于同体小球温度,气体向固体传热,因为燃烧反应放出热量导致气体温度迅速升高,但固体小球热容量大,其温度变化幅度相比气体要平缓,固体最高温度也要略低于气体。同时火焰面下游,由于多孔介质固体具有良好的蓄热性,多孔介质与气体通过对流及福射的方式进行热量交换,抑制了气体温度迅速下降,使气体温度变化相对平缓[29]。

5 结束语

国内对多孔介质燃烧器的研究主要集中在浙江大学、大连理工、等高校中，研究过程中大部分都忽略了燃烧过程中的散热损失。对液体多孔介质燃烧器的研究受很多的因素制约，雾化程度的大小及汽、液、固相互之间传热的影响，很难实现单一变量的控制。渐变型的多孔介质燃烧器的研究相对于其他类型比较的成熟，充分的考虑了试验中各种因素的影响，对不同类型渐变都有深入的研究。复流动下的预混合气体在多孔介质内的超绝热燃烧,它以其高效低污染的优越性正在引起人们的关注，但目前国内研究人员相对较少，真正应用RSCP的燃烧器尚不多见；对于有热量损失的“超焓燃烧”燃烧特性的变化规律研究报道较少。堆积球以其制作工艺相对简单及其燃烧的优势近年来被人们开始重视。

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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

朱本奥，男，中国矿业大学电力工程学院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.02.009

TK

B