泡沫陶瓷燃烧器的实验研究

同济大学机械与能源工程学院　刘　振　秦朝葵　郑　璐　李和颖

泡沫陶瓷燃烧器的实验研究

同济大学机械与能源工程学院刘振秦朝葵郑璐李和颖

针对低热值气体的燃烧利用搭建了一套泡沫陶瓷燃烧实验台，并介绍了该实验台系统的基本组成。测试了实验台在无背压情况和背压情况下的燃烧特性以及最小当量比与燃气流量之间的关系。实验发现：点火开始后，预混气体先在泡沫陶瓷表面燃烧，随后火焰逐渐向泡沫陶瓷内部移动，最后在泡沫陶瓷内部燃烧并达到稳定。无背压情况下，最小当量比随燃气流量的增大而减小；背压情况下，加入二次空气后，能显著降低最小当量比，但与燃气流量之间并没有明显的单调关系。

泡沫陶瓷低热值气体燃烧器最小当量比

0　前言

长期以来，化石能源一直是世界能源结构的主体，当今世界80%以上的能源都来自于化石燃料的燃烧。然而在能源利用上，大量的低品位能源未被开发和利用，如工业生产及能源生产中的各种低热值气体，包括固体氧化物燃料电池(SOFC)尾气、高炉煤气、冶炼尾气、垃圾填埋气等。这是因为低热值气体可燃成分稀薄，难以通过常规燃烧技术予以利用，若直接排入大气中，不仅造成能源浪费，而且其所含有毒物质还会污染环境。其中普遍应用的燃料电池SOFC尾气温度高、压力大，它的燃烧利用是在有背压情况下进行的。

泡沫陶瓷燃烧技术是一种新型的多孔介质燃烧技术，是预混气体在耐高温的多孔材料内特殊的燃烧方式。泡沫陶瓷自身蓄热能力强，可以回收高温烟气的余热，并将回收的热量通过泡沫陶瓷的导热和辐射作用向上游传递以达到预热预混气体的目地。由于其特殊的材料性质，泡沫陶瓷燃烧不仅可以提高气体燃烧效率，降低污染物排放，而且可以显著拓宽燃料的贫燃极限，是实现低热值气体稳定燃烧、清洁利用的有效途径。

本文针对低热值气体的燃烧应用搭建了一套泡沫陶瓷燃烧试验台，在有背压和无背压情况下采用不同的点火方式，以管道天然气为燃料对其燃烧特性进行了研究。确定了该泡沫陶瓷燃烧器在无背压下燃烧的温度分布、火焰面情况和最小当量比与燃气量之间的关系；背压下加入二次空气后最小当量比与燃气量之间的关系，为深入研究低热值气体尤其是SOFC尾气的燃烧利用提供了技术参考。

1　实验台搭建

本文搭建的泡沫陶瓷实验系统主要分为四个部分：供气系统、燃烧系统、测量系统和控制系统。整个实验系统示意图如图1所示。

图1　实验系统示意

实验中采用孔径为60PPI(Pores Per Inch)和10PPI的碳化硅泡沫陶瓷，高50 mm、直径100 mm的圆柱体。下面分别对各个系统进行介绍。

1.1供气系统

供气系统为燃烧系统提供压力稳定的气体来源，包括压缩空气和管道天然气，天然气组分如表1所示。压缩空气分为两部分送入燃烧器，分别通过腰轮及涡轮流量计监测流量，燃气通过干式燃气表监测流量。

表1　实验用天然气的组分

1.2燃烧系统

整个燃烧系统包括预混段、燃烧段、窥火段、二次空气段以及烟气段。

燃烧系统结构如图2所示。

图2　多孔介质燃烧系统结构

预混室下端有两个进气口，分别是燃气进气口和空气进气口，实验过程中，空气量远大于燃气量，因此空气侧的管径大于燃气侧的管径，两者通过文丘里管进行连接，通过空气引射燃气使空气和燃气充分混合。为使气流进一步混合均匀，在燃烧器的头部加了一块均流板。

燃烧段内径108 mm，长度150 mm，实验材料——碳化硅泡沫陶瓷填充在其内部，整个多孔介质层由不同孔径的泡沫陶瓷体叠加而成，孔径10PPI的位于上部，60PPI的位于下部，可以有效起到防回火作用。泡沫陶瓷与燃烧器内壁面之间的缝隙用石棉绳进行填充。

背压实验时，燃烧器完全封闭，为了更好的观测火焰，将一块20×50 mm的石英玻璃嵌入其壁面上，实验时可通过石英玻璃口来观察燃烧时火焰的形态进而判断燃烧状态。

二次空气段长150 mm，由内外两个筒组合而成，内筒直径108 mm。在外筒侧开一个1寸的口作为二次风的进风口，内筒沿半径方向打上一定尺寸的小孔，使二次空气进入内筒与燃烧后的烟气进行充分混合。

1.3测量系统

测量系统包括温度、压力测量以及烟气分析系统。温度测量即在燃烧段沿轴向位置15～120 mm处之间每隔12.5 mm布置一只热电偶，每两只热电偶之间沿半径方向成30°，共布置9只热电偶，以T1～T9表示，从上至下依次为T1、T2……T9，测孔布置情况如图3所示。通过对燃烧器边壁的温度测量，可以清楚判断火焰分布情况。热电偶与模块相连，通过模块进行数据的采集和转换，数据的显示和储存使用的是自行编制的Labview程序。

图3　燃烧器温度测孔布置

压力测量值有四个：空气侧压力、燃气侧压力、泡沫陶瓷两侧的压力损失以及燃烧室的背压值。空气侧压力、燃气侧压力以及燃烧室的背压值均用量程相对较大的U型玻璃管压力计测量，而气体通过泡沫陶瓷两侧的压力损失采用精度较高、量程较小的斜管式微压计来测量。压力测量目的主要是通过测量气体流过泡沫陶瓷及整个燃烧器的压损以便确定合适的燃气侧和空气侧进气压力。

实验采用KM9106综合烟气分析仪对燃烧后产生烟气的成分进行分析，当测量烟气的成分时，将烟气分析仪的探针对准烟气出口进行采样即可，此时烟气分析仪的数据显示面板会显示出各种数据量，如：SO2、NO2、CO2、NOx含量等，待稳定之后将需要的数据记录下来。

1.4控制系统

实验控制系统主要包括两个部分：控制器以及燃气空气比例阀。控制器主要是对燃烧过程进行控制，燃烧过程控制又包括自动点火和熄火保护等。本实验采用自动点火控制，实现了安全自检、点火控制和熄火保护。选用Danfoss(丹佛斯)ENI 1P(单电极)052F0040型点火变压器，能安全快速点燃空气和燃气的混合气体，使燃烧器的安全运行得到保障。燃气空气比例阀采用西门子VGU86燃气伺服电磁阀。用伺服调压方式，反馈采样，从而实现闭环控制，能够保证燃气出口压力稳定，从而保证燃烧的稳定性，避免产生火焰冲击现象。

2　实验过程与数据处理

2.1无背压燃烧器的实验过程

无背压下燃烧器即不包括下游的窥火段、二次空气段和烟气段，如图4所示。

图4　火焰向多孔介质内移动时的燃烧状态

2.1.1实验操作过程

检查各个仪器能否正常使用，燃烧器与各个管路的连接是否气密性良好；首先打开压缩空气阀门，调节空气流量，接着打开天然气控制阀门；待进入预混段的燃气和空气的压力稳定下来后，在多孔介质燃烧器出口点火，燃烧器预热一段时间之后，再接通测温模块；观察各温度测点的温度，开启烟气分析仪，分析烟气成分；记录所有的测量结果；实验结束后，关闭供气阀门，切断电源设备。

2.1.2燃烧过程及分析

2.1.2.1点火阶段

由于存在猝熄效应，在泡沫陶瓷中直接用电火花点火是比较困难的，本实验采用在泡沫陶瓷下游微型电火花点火器的点火方式。燃烧开始时，火焰主要位于多孔介质外，呈蓝色，燃气在泡沫陶瓷内燃烧不完全。造成这一现象的主要原因是泡沫陶瓷的比热容和热惰性较大，使得它的温度上升较慢，这时泡沫陶瓷既不能发挥预热预混气体的作用，也无法使气体在多孔内部燃烧。

2.1.2.2火焰向泡沫陶瓷内部移动阶段

我们的做法是：要求每组学生在上交阅读笔记的同时，在附录中注明每个成员的贡献，并进行排序，教师则根据文献的难度和完成情况给每组一个评定分数。然后依据每组内部的排序，给每个学生赋予不同的权重，最终得到每个学生的成绩：

点火一段时间之后，泡沫陶瓷的温度上升，高温的泡沫陶瓷通过辐射、导热、对流的方式预热预混气体，使得火焰传播速度增大，火焰将会慢慢往泡沫陶瓷内部移动，如图4所示。但此时泡沫陶瓷温度仍然较低，主要是由于泡沫陶瓷的热惰性，使得燃烧反应放出的热量加热泡沫陶瓷使其温度上升需要一段时间。

2.1.2.3火焰进入泡沫陶瓷阶段

燃烧持续一段时间后，泡沫陶瓷温度较高，对预混气体的预热作用加强，此时火焰传播速度将继续增大，火焰完全进入泡沫陶瓷内部，泡沫陶瓷被充分加热，温度升高，颜色变亮，同时由于对预混气体的充分预热，燃烧完全程度提高，火焰呈现为黄色。

实验表明，预混气体速度越小，越有利于火焰进入泡沫陶瓷，而气流速度越大越容易发生脱火和吹熄现象。只有当火焰传播速度大于气流速度时，火焰才会慢慢进入泡沫陶瓷内部，而火焰传播速度主要与燃烧室的温度和当量比有关。因此，为了使火焰进入泡沫陶瓷内部，可以通过延长燃烧时间或调节当量比来实现。

2.1.2.4持续充分燃烧，燃烧情况较为理想阶段

燃烧持续一段时间之后，泡沫陶瓷将达到一个更高的温度，燃烧段壁面温度分布如图5所示。

图5　火焰在泡沫陶瓷内稳定燃烧时的温度分布

3、4、5点的温度较其它点高，而3、4、5点的位置就是大孔泡沫陶瓷所处的位置，因此可以判断燃烧稳定时火焰面的位置在大孔陶瓷内部。此时，通过热量回流作用对预混气体进行预热，气体温度升高，提高了燃烧温度以及加快了火焰传播速度，预混气体速度和火焰传播速度将达到动态平衡。同时泡沫陶瓷的热惰性开始发挥其有利的一面，由于蓄热作用，在出现短暂供气终止的情况下，依然可以将燃烧器维持一个高温，当恢复供气后能够继续燃烧。

实验发现，此阶段泡沫陶瓷中的火焰，具有较强的稳定性，当在一定范围内增大空气流量时，火焰仍能够稳定在一定的位置，这主要是由泡沫陶瓷特殊的结构造成的。泡沫陶瓷对气流的绕流和阻止作用，使气流在泡沫陶瓷表面速度很低，并在固体骨架后形成负压区。当泡沫陶瓷孔径合适时，固体壁面的附面层相互重叠，再加上高温固体的存在，使得燃烧区域变宽变厚，燃烧产生的热量在较宽范围内释放，使燃烧室温度分布均匀。由此看来，泡沫陶瓷的非均匀化、非规则化对于火焰层的拉长是有利的，同时这也说明为保证火焰完全浸没在泡沫陶瓷中，泡沫陶瓷层需要一定的厚度。

采用烟气分析仪进行烟气成分分析，结果发现烟气中一氧化碳的含量低于30×10-6，燃烧较为充分。氮氧化物的含量低于20×10-6，燃烧室内温度分布均匀且没有局部高温区。实验表明：泡沫陶瓷燃烧器对控制污染物的排放有很大的优势。

2.1.2.5继续增大空气流量直至发生火焰吹熄现象

继续增大空气量，火焰传播速度将小于气流速度，此时会发生脱火现象，实验结束。

2.2背压燃烧器的实验过程

背压燃烧器即在烟气段的下游连接两段“G1”直管，本实验通过连接总长180 cm的“G1”直管来制造燃烧时的背压，如图6所示。

图6　背压燃烧器

2.2.1点火阶段

与无背压不同，背压下燃烧器的点火过程更加复杂。当量比不合适或者燃烧后生成烟气的压力不足以克服燃烧器的背压，均会导致点火失败。背压下实验在燃气进口处安装燃气空气比例阀，通过调节比例阀的开度来调节当量比，并通过控制器控制比例阀的开关以方便点火。首先调节空气量为一个较小的值，对燃烧器进行吹扫，将之前残留在燃烧器内的气体吹出。之后，接通点火针的电源，点火针放出高压火花，此时再接通电磁阀的电源，燃气开始供应，此时如果燃气、空气的比例在着火极限范围内，且产生的烟气能够克服燃烧器的背压，则点火成功，切断点火针的电源，接着进行以下实验。如果点火不成功，则立马切断点火针及电磁阀的电源，停止燃气供应，空气继续对燃烧器吹扫，一段时间之后，改变电磁阀的开度，调节当量比，重复上述过程，直至点火成功燃烧能够持续进行。

2.2.2燃烧阶段

背压下泡沫陶瓷内的燃烧过程同无背压情况下类似，不再赘述。

2.2.3持续燃烧并通入二次空气

待燃烧稳定，通过观测口观测到火焰进入到泡沫陶瓷内部后，记录下燃气及空气的流量。此时往燃烧器中通入二次空气，主要起到两个作用：第一是作为助燃空气，使燃烧更彻底；第二是冷却作用，在一定程度上降低烟气的温度，减少氮氧化物的生成。二次空气的量由涡轮流量计读出，慢慢增大二次空气的量，每改变一次后，大概等待2～3 min燃烧稳定之后，记录下二次空气的量，接着继续增加二次空气，直至观察到泡沫陶瓷部分变黑之后该组实验结束，切断电磁阀电源，停止燃气供给，空气继续对燃烧器进行吹扫，直至观测到燃烧器上各测点的温度接近室温后，开始下组实验。

重复上述点火、调节燃气空气量的方法，待点火成功后，改变电磁阀的开度，使燃气量比上组实验小，即达到一个更小的当量比，燃烧稳定后，记录下此时燃气和空气的量，接着再加入二次空气，直至泡沫陶瓷表面变黑之后停止实验，记录二次空气流量，待各测点温度接近室温后，再开始下组实验，共做4组实验。

2.3数据处理与结果分析

2.3.1无背压下最小当量比与燃气量的关系

无量纲当量比(过剩空气系数的倒数)Φ定义为：

其中(F/O)actual为实际燃料、氧化剂质量之比，实验中为天然气和空气质量流量之比；(F/O)stoich为化学计量比中燃料、氧化剂质量之比。实验共做4组工况，其中燃气量(m3/h)和最小当量比Φmin分别为(0.31，0.85)，(0.62，0.52)，(0.79，0.41)，(0.88，0.36)，结果如图7所示。

图7　无背压下Φmin与燃气流量之间的关系

从图7可以看出，最小当量比Φmin随燃气量的增大而减小，因为随着燃烧的持续，燃烧产生的热量通过辐射和导热的热传导方式对上游的小孔泡沫陶瓷进行加热，小孔泡沫陶瓷蓄积大量热量，接着对预混气体进行加热，使其容易达到着火点。燃气量越大即燃烧器的功率越大，上游泡沫陶瓷蓄积的热量就越多，使得预混气体的当量比很小也能达到着火点。

2.3.2背压下当量比与燃气量的关系

定义Φ1为没有加入二次风时的当量比，Φ2min为加入二次风后总的最小当量比。背压情况下共做4组实验，结果如图8、图9所示：

图8　最小当量比Φ2min与燃气流量之间的关系

图9　最小当量比Φ2min与当量比Φ1之间的关系

由图8可知：Φ2min在燃气量为0.37～0.45 m3/h时随着燃气量的增大而增大，而在0.45～0.47 m3/h中间的某一个值又开始随着燃气量的增大而减小。说明加入二次空气后最小当量比Φ2min的值并不仅仅受燃气量的影响。

由图9也可以看出，最小当量比Φ2min没有单纯的随当量比Φ1的增大而增大或减小，关系略微杂乱。这是由于泡沫陶瓷特殊的结构形式决定的，导热系数、辐射系数等对上游气体、下游陶瓷及气体的综合作用的结果，使得最小当量比Φ2min的值不与任何值成一简单的线性关系。综合以上分析可知，最小当量比Φ2min不仅与燃气量有关，也与当量比Φ1有关，即与开始燃烧时加入的一次空气量有关，一次空气直接影响了开始燃烧时的燃烧情况，诸如火焰位置及燃烧的温度分布等，也是一个重要的影响因素。

通过分析图7、图8可知，泡沫陶瓷燃烧器能够达到的最小当量比的值远远低于传统燃烧器的值。图8、图9中先将一部分空气与燃气进行预混燃烧，之后在燃烧器下游加入二次空气，与无背压直接将燃气与空气预混而不加入二次空气时对比发现，加入二次空气能够显著降低最小当量比，这是传统燃烧器远远不能够实现的。

3　结语

泡沫陶瓷燃烧器是一种新型的多孔介质燃烧技术，可以显著降低燃烧器的当量比，实现低热值气体的燃烧利用，且污染物排放低，本文通过实验得出：

(1)在泡沫陶瓷下游点火后，预混气体先是在泡沫陶瓷的表面燃烧，随着燃烧放出热量的增加，燃烧下游放出的热量，通过辐射和导热的方式使上游泡沫陶瓷温度升高，此时火焰会慢慢向陶瓷内部移动，变成了在泡沫陶瓷内部的燃烧，这种工况下的燃烧是最稳定的。

(2)燃烧稳定后，通过对烟气成分分析，发现CO含量低于30×10-6，NOx含量低于20×10-6，泡沫陶瓷燃烧器可以有效降低污染物排放。

(3)无背压情况下，最小当量比随燃烧器功率的增大而减小。背压情况下加入二次空气后最小当量比与燃气量之间无明显的单调关系，其值不仅仅受燃气量的影响，还与一次空气量、泡沫陶瓷的结构形式等因素有关。无背压泡沫陶瓷燃烧器最小当量比远低于传统燃烧器的值，背压下加入二次空气后，其最小当量比更低，这是传统燃烧器不能够实现的。

Experimental Study on Foam Ceramic Burner

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering
Liu ZhenQin ChaokuiZheng LuLi Heying

A combustion test-rig of ceramic foam has been established for utilizing low calorific gas and its basic parts are introduced in this paper. The combustion characteristic of foam ceramic burner is tested whether the back pressure exists or not. Experiments show: first, premixed gas burned on the surface of foam ceramic, then flame moved to the interior of foam ceramic, finally became stable flame in it. The minimum equivalent ratio decreases with increasing gas flow in the case of no back pressure; the minimum equivalent ratio decreases greatly with secondary air, but has no direct connection with gas flow under back pressure.

foam ceramic, low calorific gas, burner, minimum equivalent ratio