中、低热值预混气体在双层多孔介质中的贫燃特性

黄冉思思，程乐鸣，邱坤赞，段 毅，骆仲泱

（浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州310027）

中、低热值预混气体在双层多孔介质中的贫燃特性

黄冉思思，程乐鸣，邱坤赞，段 毅，骆仲泱

（浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州310027）

为了研究中、低热值预混气体在双层多孔介质中的贫燃特性，搭建双层多孔介质燃烧实验系统，得到高炉煤气、生物质气化气、垃圾填埋气在不同当量比（0.60～0.75）工况下的温度分布、稳燃极限以及污染物排放特性.结果显示，随着燃气流速的增大，火焰稳定位置向下游移动.在实验当量比范围内，高炉煤气的最大稳燃上限为24 cm／s，生物质气化气的最大稳燃上限为50 cm／s，垃圾填埋气的稳燃范围为14～30 cm／s.结果表明：中、低热值气体的稳燃极限受其热值与成分的影响.高炉煤气的CO排放量最高为303 mg／m3，垃圾填埋气在各个工况下的CO排放量均低于15 mg／m3，3种预混气体在双层多孔介质中的NOx排放量均低于10－6.

中、低热值预混气体；双层多孔介质；贫燃特性；稳燃极限；污染物排放

相比于天然气等高热值气体燃料，中、低热值气体着火困难、燃烧稳定性差，利用难度较大.多孔介质燃烧是一种基于热量回流机制（internal heat recirculation）的新型燃烧技术，具有污染排放量低、燃烧速率大、负荷调节范围广等特点［1-2］，被视为高效清洁利用低热值气体的有效途径之一［3］.双层多孔介质（two-layer porous burner）是一种上游采用小孔径材料作为预热区，下游采用大孔径材料作为稳燃区的多孔介质燃烧器结构，相关研究主要集中在运行工况［4-8］、材料特性［9-12］对甲烷在双层多孔介质中的燃烧特性的影响.

近年来，为了拓展多孔介质燃烧理论和技术应用，有学者开始考虑不同气体燃料（以下简称气体）在多孔介质中的燃烧.Qu等［13］对比研究了H2、CH4、C3H8这3种气体在Al2O3小球双层多孔床中的温度分布、稳燃范围、火焰温度以及污染物排放规律等.Al-Hamamre等［14］研究了低热值气体在Al2O3和SiC单层多孔介质燃烧器中的燃烧特性：燃烧器功率为5 k W时，多孔介质可处理垃圾填埋气的最低热值为8.7 MJ／m3，对于医疗废弃物气化气最低热值为1.8 MJ／m3.Gao等［15］以温度分布、稳燃范围、热效率、污染物排放等为指标，研究了25%～40%的Ar／N2／CO2稀释对CH4在Al2O3小球双层多孔床中燃烧的影响.Francisco等［16］研究了由5种气体合成、热值范围为4.5～50 MJ／kg的含H2气体在Al2O3泡沫陶瓷双层多孔介质中的燃烧特性，重点研究气体组分变化对火焰稳定性和污染物排放特性的影响.Al-Attab等［17］研究了热值为5.05 MJ／m3的实际生物质气化气在双层堆积床中的燃烧特性.但是，实际工业中的中、低热值气体类型繁多，须考察多孔介质燃烧器对不同来源、不同类型中、低热值气体的适应性.

本文针对高炉煤气、垃圾填埋气以及生物质气化气这3种典型的中、低热值气体，研究其在双层多孔介质中的温度分布特性、稳燃范围和燃烧产物NOx、CO的排放特性，分析气体成分、热值的影响规律.

1 实验系统与方法

图1 双层多孔介质实验系统图Fig.1 Schematic of two-layer porous media experimental system

双层多孔介质燃烧实验系统如图1所示，主要由供气系统、双层多孔介质燃烧器、气体流量控制系统、数据采集系统和烟气分析仪组成.实验过程中采用不同的气体按比例混合来模拟实际气体，具体成分与热值如表1所示.表中，Q为热值，BFG（blast furnace gas）表示高炉煤气，BGG（biogas gasified gas）表示生物质气化气，LG（landfill gas）表示垃圾填埋气.各种配气通过精度为±1%的质量流量控制器进入预混室，并通过流量显示仪进行精确控制.

表1 中、低热值气体的组分及其热值Tab.1 Compositions and calorific values of moderate／low calorific gases

双层多孔介质燃烧器主体为刚玉管，长为400 mm，内径为60 mm，壁厚为5 mm.为防止散热，刚玉管外设置硅酸棉保温材料.根据Barra等［9］的数值计算研究结果，燃烧器上游选用导热系数较低的多孔介质材料，下游采用导热系数较高的材料，可以扩大燃烧器吹熄极限.此外，根据张俊春［20］的实验研究结果可知，Al2O3颗粒堆积、SiC泡沫陶瓷组成的双层多孔介质可实现低热值气体的稳定燃烧，且为拓展气体稳燃范围，下游宜选用大孔径（10 PPI）泡沫陶瓷，因此，刚玉管内下游多孔介质为2片厚度为22 mm、孔径为10 PPI、孔隙率为0.85的SiC泡沫陶瓷；上游为直径为6 mm、孔隙率为0.43的Al2O3堆积小球，小球一直填充至燃烧器入口以延缓火焰传播至预混室，燃烧器最底端放置一片SiC泡沫陶瓷以支撑堆积床.

温度测点采用插空布置方式，沿轴向每隔22 mm布置一个热电偶测孔，TC1～TC9共9根精度为±0.5℃的WPR-100S铂铑热电偶不伸入燃烧器中心，布置在靠近壁面处.燃烧器主体与热电偶分布示意图如图2所示.热电偶信号通过Agilent34970a数据采集仪与电脑连接，温度数据每隔5 s自动采集，并在电脑上实时显示和储存.

燃烧器出口设有石英玻璃管，玻璃管通过橡胶管依次与过滤小球、干燥器和烟气分析仪连接.采用Ecom-J2KN多功能烟气分析仪对燃烧尾气中的CO、NOx、O2以及CO2等主要成分进行测量.其中，CO的测量范围为0～4×10－3，精度为±5%；NO的测量范围为0～5×10－3，精度为±5%.

实验过程中，定义燃烧器入口处的气体速度为入口气体流速.实验开始前，通入甲烷／空气预混气体，在燃烧器出口点火成功之后，等待火焰深入上游，当最高温度移动至TC3位置时，预热阶段结束，调节各路气体的进气量至预先设定工况.在某个工况下，若所有热电偶的温度数据保持不变并至少维持20 min，则该工况可视为稳定燃烧工况.将预混气体当量比调至指定工况、入口气体流速调至0.12 m／s时，若火焰发生回火，则改变气体流量，以0.02 m／s为步长逐步增加入口气体速度，直至不再发生回火，此时的入口气体流速即为该当量比下的稳燃下限.继续依次增大入口气体流速直至吹熄，发生吹熄的上一个工况的入口气体流速即为该当量比下的稳燃上限.回火与吹熄的判定将在2.2节进行说明.重复上述步骤，测量不同当量比下的稳定燃烧范围.

图2 双层多孔介质燃烧器与热电偶分布图Fig.2 Diagram of two-layer porous burner and thermocouple distribution

2 实验结果与讨论

2.1 温度分布

如图3所示为当当量比φ＝0.70时，高炉煤气（BFG）、垃圾填埋气（LG）和生物质气化气（BGG）在不同入口流速（vin）下稳定燃烧时的火焰相对位置.x为火焰轴向位置，L为TC1到TC9的轴向距离.将最高温度所在位置近似视为反应发生区域，当预混气体在较低的入口流速下燃烧时，燃烧器最高温度位于x／L＝0.5或x／L＝0.625处，表明此时火焰稳定在Al2O3小球与SiC泡沫陶瓷交界面附近.增大气体入口流速，与之前的稳定工况相比，最高温度向下游移动，表明流速的增大使得火焰稳定在更为下游的位置.当流速增大并超过某一极限时，在燃烧器出口可观察到部分蓝色火焰，此时燃烧方式从浸没燃烧转至表面燃烧，发生吹熄.可见，在当量比一定的情况下，预混气体在双层多孔介质中存在一个稳定燃烧的入口流速范围.

图3 3种预混气体在不同入口流速下稳定燃烧的火焰位置Fig.3 Flame locations for three types of premixed gases stabilizing under various inlet velocities

图4 3种预混气体在各自稳燃极限下稳定燃烧的温度分布曲线Fig.4 Temperature profiles for three types of premixed gases stabilizing under their respective upper and lower limits

如图4所示为当φ＝0.70时，3种气体在各自稳燃极限（稳燃上限与稳燃下限）下稳定燃烧时的轴向温度分布曲线.在稳燃范围内，最高温度均维持在燃烧器的下游位置，这与文献［6］、［11］所得实验结果一致，双层结构是驻定火焰的有效手段［6］.与稳定在稳燃下限时的温度分布相比，气体在稳燃上限燃烧时，上游温度下降，下游温度抬升，总体呈现出“杠杆式”变化.气体在多孔介质内的温度分布规律反应了多孔介质独特的传热机制.气体到达高温区后发生化学反应，释放出的燃烧热通过多孔介质固体骨架的导热与辐射向上游方向传递，这种热量回流可以有效预热反应物.预混火焰的预热区从比入口值增大1%的温度所在位置开始，到反应区结束［22］.与层流自由火焰的预热区长度（δpr＜1 mm［23］）相比，多孔介质的整个上游部分均可视为预热区（δpr＝44 mm），可见多孔介质的存在极大地拉长了预混气体的预热区.随着流速的增大，气体对固体骨架的冷却效果增强，在预热区内停留时间缩短，从而导致了预热效果的减弱，因此，上游部分的温度下降.同时，火焰随着流速的增大而远离上游、移向下游，降低上游温度的同时抬升了下游温度.

2.2 稳定燃烧范围

文献［4］的研究表明，双层多孔介质的稳燃范围是指能够使火焰稳定在下游的当量比或入口流速vin范围.根据2.1节的结果，预混气体在某一当量比的工况下，存在使火焰稳定在双层多孔介质下游燃烧的最小入口气体流速（即稳燃下限）和最大入口气体流速（即稳燃上限），若入口流速大于稳燃上限，火焰发生吹熄；若小于稳燃下限，火焰发生回火.

各学者对于吹熄的定义较为统一，在某个工况下，若火焰移到燃烧器表面，则判定该工况下发生吹熄，但对于回火的判定的并没有一个统一标准.例如：Smucker［4］认为，火焰一旦进入双层多孔介质上游层则判定为回火，Francisco等［16，23］则认为火焰移动至上游某一热电偶所在位置即为回火.从实验安全角度考虑，本文判定在某一当量比的工况下，使最高温度移动至TC3位置甚至更上游的入口流速为“回火工况”.

3种预混气体在不同当量比工况下的吹熄区、稳燃区和回火区如图5所示，稳燃极限汇总如表2所示.表中，vmin为稳燃下限，vmax为稳燃上限，vmaxvmin为稳燃范围.对于一种气体，随着当量比的增大，气体燃料在多孔介质中的稳燃极限增大，稳燃范围拓宽，这与文献［4］、［24］研究得到的稳燃范围随当量比的增大而拓宽的趋势一致.

表2 3种预混气体在不同当量比下的稳燃极限与稳燃范围Tab.2 Flame stability limits and stable ranges for three types of premixed gases under different equivalence ratios

图5 3种预混气体稳燃范围图Fig.5 Flame stability diagramfor three types of premixed gases

对3种预混气体进行横向对比，高炉煤气稳燃上限最小，且在实验当量比范围内均未观察到回火现象，推测当量比0.60，0.65，0.70的稳燃下限均小于或等于12 cm／s；生物质气化气稳燃上限最大，且只在当量比0.70与0.75的工况下观察到了回火现象；垃圾填埋气的稳燃上限值位于另2种气体燃料之间，且在实验当量比范围内均观察到了回火现象.

总体来看，热值最低的高炉煤气最容易吹熄且最不容易回火，热值最高的垃圾填埋气最容易回火，H2体积分数最多的生物质气化气最不容易吹熄.中、低热值在多孔介质中的稳燃极限与稳燃范围受其热值与成分的影响.

气体热值对于稳燃范围的影响可以结合预混气体的传播机理来解释.对于多孔介质中的预混气体而言，火焰的传播依靠高温燃烧产物通过气固对流，同时依靠固体间热量回流使未燃新鲜混合物升温、着火、燃烧，火焰的稳定反应放热与热量传导（固固导热、气气导热、气固对流以及骨架辐射）平衡的结果.在相同的运行工况下，若燃料的热值较低，则反应放热量随之下降，火焰自维持的动力源减弱，因此，火焰倾向于发生吹熄.若燃料的热值较高，则高温区释放的燃烧热量较大，当高温区的燃烧热足以让未燃气体在到达反应区之前就被固体预热至着火温度，则火焰位置前移，倾向于发生回火.在相同的当量比下，要维持热值较低的气体的稳定燃烧，需要较小的入口流速.这可能是热值最低的高炉煤气稳燃上限最小的原因之一.

文献［16］、［25-27］的研究表明：H2的体积比影响显著预混气体的稳燃范围.Tseng［25］通过计算发现，在φ＝0.8的工况下，纯甲烷在多孔介质中的燃烧速率为72 cm／s，H2体积比为0.6的CH4／H2预混气体燃烧速率为118 cm／s.Francisco［16］通过实验研究发现，多组分富氢低热值气体在多孔介质中的稳燃上限随着H2体积比的增加而上升，稳燃范围也随之增大.Gauthier等［26］对CH4／H2在多孔介质中燃烧的实验结果显示，增大气体中的H2体积比将极大地增加回火的可能性.H2体积比对于燃烧速度的影响可以从其输运性质和反应机理来解释.H2摩尔质量小，因此，具有较高的热扩散系数与质量扩散系数，可以很快地将能量从反应区带走.从反应机理来看，H2的链式反应过程可以生成大量的羟基，而含有羟基的CO氧化比含有O2和O的反应速率快得多.H2的存在可以显著增大燃料的燃烧速度，富H2低热值气体生物质气化气的稳燃上限高于无H2中热值气体垃圾填埋气的原因，很可能在于H2的存在弱化了低热值气体的吹熄特性.

如图6所示为本研究的数据与文献［9］、［24］、［28］的数据对比.相关文献所采用的多孔介质结构与尺寸如表3所示.表中，ε与h分别表示多孔介质的孔隙率与厚度.与Barra［9］和Khanna等［28］的结果进行对比可知，在同样的当量比范围内，本研究中3种预混气体的稳燃极限要比CH4低，稳燃范围比CH4窄.这说明与天然气相比，中、低热值预混气体在多孔介质内的负荷调节范围较小.此外，在Gao等［24］的研究结果中，生物质气（60%CH4与40%CO2）需要运行在更高的当量比范围内（φ＝0.80～0.95），这可能是由于Gao等［24］使用的燃烧器是小球堆积床，而本实验台的双层多孔介质下游由导数系数更大SiC陶瓷片构成，燃烧器回热效果好，因此拓宽了负荷运行范围，可在更小的当量比（φ＝0.60）下进行贫燃燃烧.

表3 多孔介质燃烧器结构与尺寸对比Tab.3 Comparison of structures and sizes of porous burners

图6 本研究与其他文献中稳燃范围的对比Fig.6 Flame stability of present work compared with results in other literatures

2.3 燃烧产物排放

3种预混气体在不同运行工况下的CO排放质量浓度如图7所示.如图8所示为3种预混气体在φ＝0.65时CO排放体积分数（φ（CO））与Khanna等［8，24］的研究结果对比，其研究所用燃烧器结构如表3所示.

对于一种预混气体，CO排放量随着入口气体流速的增大而增加，但是与当量比的关系不明显.CO排放量由燃烧温度、停留时间以及燃料中CO体积比决定.温度越高，停留时间越长，气体氧化更加完全，CO排放得越少.

在本实验中，流速增大缩短了气体在燃烧器内的停留时间，而燃烧温度增幅不大，因此CO排放量上升.然而，在文献中，关于入口流速对于CO排放量的影响并没有统一的结论.例如，本实验的研究结果与Khanna等［8］的研究结果均表明：随着vin的增大，CO排放量上升.但是，在Gao等［24］的研究结果中，CO排放量随着入口气体流速的增加而下降，与本文结果相反.原因可能在于文献［24］的研究中燃烧温度随入口流速的增大而明显升高，增幅达到200℃，燃烧温度的升高抵消了停留时间缩短的影响，CO排放量下降.可见，运行工况并非直接影响CO的排放特性，而是通过改变多孔介质的温度特性间接影响CO排放量.

图7 3种预混气体的CO排放特性（φ＝0.60～0.70）Fig.7 CO emission performance of three types of premixed gases（φ＝0.60～0.70）

图8 3种预混气体在当量比0.65时的CO排放量与其他文献结果的对比Fig.8 CO emissions at equivalence ratio 0.65 of three types of premixed gases compared with the results in other literatures

对3种预混气体的CO排放特性进行横向对比可以发现，垃圾填埋气燃烧生成CO最少，在整个稳燃范围内排放量均在15 mg／m3（1.2×10－5）以下；而高炉煤气燃烧CO排放量最大，最高水平达到303 mg／m3（2.5×10－4）.这可能是由于高炉煤气的CO体积比最高（27%），且热值最小，燃烧温度最低，因此CO氧化不完全.垃圾填埋气燃烧温度最高，因此燃烧完全，CO排放量低.

在多孔介质燃烧中，生成的氮氧化物以热力型NOx为主［1］，热力型反应与温度有很大的关系.在温度低于1 500℃时，热力型NOx产生速率较小.在本实验中，3种预混气体在各个工况下的燃烧温度均在1 200℃以下，因此，NOx排放量的测量结果为10－6或0.

3 结 论

（1）在当量比一定的情况下，预混气体在双层多孔介质中存在一个稳定燃烧的入口流速范围.

（2）中、低热值预混气体的成分与热值影响其在多孔介质内的稳燃范围.在实验当量比范围内，高炉煤气（3.95 MJ／m3）的最大稳燃上限为24 cm／s，且未发生回火，最容易吹熄，最不易回火；生物质气化气（5.60 MJ／m3）的最大稳燃上限为50 cm／s，且φ＝0.60、0.65时未发生回火，最不容易吹熄；垃圾填埋气（10.77 MJ／m3）的稳燃范围为14～30 cm／s，最容易回火.

（3）中、低热值预混气体在双层多孔介质中可清洁燃烧.垃圾填埋气CO排放量最低，始终在15 mg／m3（1.2×10－5）以下，高炉煤气排放量最高，达到303 mg／m3（2.5×10－4）；在同一当量比下，随着流速的增大，3种预混气体的CO排放量均减小；实验工况下NOx排放量均低于10－6.

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Lean combustion of moderate／low calorific premixed gases in two-layer porous burner

HUANG Ran-sisi，CHENG Le-ming，QIU Kun-zan，DUAN Yi，LUO Zhong-yang
（State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

An experimental system with a two-layer porous burner was developed to investigate lean combustion behaviors of moderate／low calorific premixed gases.Temperature profiles，stability limits and pollutant emissions of blast furnace gas，biogas gasified gas and landfill gas at varied equivalence ratios from 0.60 to 0.75 were presented.Results showed that the location of stabilized flame moved downward as the inlet velocity increases.For all equivalence ratios in the experiment，the maximum of upper stability limits for blast furnace gas was 24 cm／s，while that for biomass gasified gas was 50 cm／s.Landfill gas was able to stabilize between 14 cm／s and 30 cm／s.The results indicate that the stability limits are influenced by the heating values and the compositions of gas fuels.In terms of pollutant emissions，the maximum carbon monoxide（CO）emissions of blast furnace gas reached 303 mg／m3，while for landfill gas，the CO emissions were less than 15 mg／m3for all the operating conditions.Nitrogen oxide（NOx）emissions of the three types of premixed gases were below 1 ppm.

moderate／low calorific premixed gas；two-layer porous burner；lean combustion behavior；stability limit；pollutant emission

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.09.023

TQ 038.167

A

1008- 973X（2015）09- 1783- 07

2015- 03- 20. 浙江大学学报（工学版）网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

黄冉思思（1990－），女，硕士生，从事多孔介质气体燃烧研究.ORCID：0000-0001-9648-529X.E-mail：21327020＠zju.edu.cn

邱坤赞，男，副教授.ORCID：0000-0003-0978-2697.E-mail：qiukz＠zju.edu.cn