（工程热物理专业论文）多孔介质燃烧器性能的实验研究.pdf

摘要 摘要 作为新型的燃烧技术，多孔介质燃烧具有稳定性好、燃烧效率高、热负荷调 节范围大、污染物排放低、体积小、结构紧凑等优点，受到各国学者的高度关注。 随着对多孔介质燃烧技术日益全面、深入的研究，多孔介质燃烧技术应用到各类 设备中的研究也受到国内、外研究者关注。本文在总结、分析前人研究结果的基 础上，利用多孔介质燃烧技术的诸多优点，设计了应用于不同系统的几种燃烧器， 并通过实验证实了预期的各项性能，为以后燃烧器的研究、设计和运行提供实验 数据。本文主要工作包括用于多孔介质燃烧器的回热器的设计，侧面辐射式多孔 介质燃烧器的实验研究，端面辐射式多孔介质燃烧器的性能研究，c 0 2 发生器的 研制等。 本文基于回热式多孔介质燃烧系统的构想，在提高能量利用率同时，提高燃 烧器工作性能。回热是利用回热器将燃烧尾气中的余热回收，加热新鲜来流空气， 从而提高多孔介质燃烧器的燃烧特性。为此，本文首先设计了用于多孔介质燃烧 器的气气换热器。通过对不同类型换热器的比较分析，最终选择壳管式固定管 板换热器，并采用工程实用设计方法进行设计计算。实验结果表明，本文设计的 换热器性能符合设计要求。 为了给t p v 提供辐射热源，本文利用多孔介质高热容和良好的导热特性，设 计了侧面辐射式s i c 多孔介质燃烧辐射器，研究当量比、功率对燃烧辐射器的热 负荷、燃烧稳定范围、表面温度均匀性和辐射效率的影响，并将回热器应用于该 系统，研究回热对燃烧器性能的影响。研究结果表明：当量比与功率对多孑l 介质 燃烧器辐射效率都有较大影响。固定当量比时，提高燃烧功率可增大燃烧器表面 温度和降低表面温度梯度，固定功率时，存在最佳当量比使辐射器表面温度梯度 最低。回热器可以提高辐射器表面温度均匀性和辐射效率。小功率时，增大功率 导致辐射效率增加明显。本实验研究的燃烧辐射器无回热功率为7 0 k w 、当量比 为0 7 5 时，辐射效率最高达3 4 7 ；而回热后最佳当量比降低到o 5 4 ，其对应的 辐射效率提高至1 j 3 6 9 。 为了提高t p v 热源温度均匀性，本文设计了一种基于多孔介质燃烧的新型 端部辐射器，研究不同预混气体流速( 功率) 下当量比对燃烧器燃烧稳定性、多 孔介质内部温度、辐射器表面温度及其均匀性、污染物排放等特性的影响。实验 结果表明，该燃烧器辐射表面的温度均匀性较好，最大相对温度波动小于3 ； 小功率燃烧时，多孔介质内部温度及端部辐射表面温度都随当量比增大而增加， 且流量越大增大程度越剧烈。实验工况范围内，最大辐射效率达2 3 ，污染物 摘要 n o x t $ 放低于2 5 p p m 。在当量比高于o 4 5 时，c o 排放均低于1 0 p p m 。 为了满足仿生学灭蚊器对c 0 2 温度、浓度合适气体源的需求，设计了小型二 氧化碳发生器。该装置的核心部分是小尺寸多孔介质燃烧器。通过系统的一体化 设计，将预热、回热、散热环节集成到一个紧凑的装置内，并具各自动电子点火、 熄火报警等功能。实验采用丙烷为燃料，由小功率风扇提供燃烧空气，丙烷由喷 嘴喷入，完成空气燃料预混后，在多孔介质中组织燃烧。实验研究了不同当量 比时燃烧室温度与尾气温度的变化，并对尾气的成分进行了分析。结果表明，该 装置能产生符合要求的二氧化碳气体，且n o x 、c o 等污染物排放少，能耗低。 关键词：燃烧多孑l 介质辐射器多孔介质燃烧器换热器t p vc 0 2 发生器辐射 效率污染物排放 i i a b s t r a c t a b s t r a c t p o r o u sm e d i ac o m b u s t i o n ( p m c ) k n o w na so n eo ft h en e wc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y , h a sal o to fs t r o n g p o i n t s ，s u c ha sp e r f e c ts t a b i l i z a t i o n ，h i g hc o m b u s t i o n e f f i c i e n c y , w i d eo p e r a t i o nr a n g e ，l o wp o l l u t i o ne m i s s i o n s ，s m a l lv o l u m ea n dc o m p a c t c o n f i g u r a t i o n ，a n dn o wh a sr e c e i v e de x t r e m ea t t e n t i o no fs c h o l a r sf r o ma r o u n dt h e w o r l d w i t hi n c r e a s i n g l yc o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n to fp m c ，t h et e c h n o l o g y b e c o m e sm o r em a t u r e ，a n dh a sb e e ni n c r e a s i n g l ya p p l i e di nm a n yf a c i l i t i e s t h i s a r t i c l ed e s i g n ss e v e r a lp o r o u sm e d i ac o m b u s t o r su s i n gt h ea d v a n t a g e so fp m c ，b a s e d o nt h es u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n go ft h ep r e v i o u ss t u d i e s t h ew o r km o s t l yi n c l u d e s f o u rp a r t s ：t h ed e s i g no fh e a te x c h a n g e ru s e di np m c ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo n s i d e - r a d i a n tp m c ，t h es t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo ft o p - r a d i a n tp m c ，a n dt h e d e v e l o p m e n to fc 0 2g e n e r a t o r t oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fe n e r g ya n dr e d u c ed a m a g et oe n v i r o n m e n t ，t h e a r t i c l e p u t sf o r w a r d a l li d e at h a tah e a tr e c u p e r a t o rw a sa p p l i e dt ot h ep m c p r e h e a t i n gt h ec o m b u s t i o na i ru s i n gt h er e m n a n th e a to ff l u et h r o u g ht h eh e a t r e c u p e r a t o r c a l l i m p r o v et h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e o fp m c ag a s - g a sh e a t e x c h a n g e rw a sd e s i g n e du s i n ge n g i n e e r i n gm e t h o d ，a n d i t s p e r f o r m a n c ew a s e x p e r i m e n t a l l ye x a m e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee x c h a n g e r a c c o r d e dw i t ht h er e q u e s t as i cs i d e - r a d i a n tp o r o u sm e d i u mr a d i a t o r ( p m r ) w a sb u i l ta n di t s p e r f o r m a n c ew a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h e e f f e c to fe q u i v a l e n c er a t i oa n d c o m b u s t i o np o w e ro ni g n i t i o n ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a d i a n te f f i c i e n c yw e r e e v a l u a t e d t h ea b o v ee x c h a n g e rw a sa p p l i e dt ot h ep m rt oo b s e r v et h ei m p r o v e m e n t o fp m r i tw a sr e s u l t e dt h a t ，i n c r e a s i n gt h ec o m b u s t i o np o w e rc o u l dl e a dt oh i g h e r s u r f a c et e m p e r a t u r ea n dl o w e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n ta taf i x e de q u i v a l e n c er a t i o ；t h e r e w a sa no p t i m a le q u i v a l e n c er a t i oa tw h i c ht h el o w e s tg r a d i e n tw a sg a i n e da taf i x e d p o w e r a s s i s t e dw i t hh e a tr e c u p e r a t o r , u n i f o r m i t yo fs u r f a c et e m p e r a t u r ea l o n ga x i a l d i r e c t i o na n dr a d i a n te f f i c i e n c yi n c r e a s e d e q u i v a l e n c er a t i oa n dc o m b u s t i o np o w e r h a ds i g n i f i c a n te f f e c to nr a d i a n te f f i c i e n c y a tl o wp o w e r , i n c r e a s i n gp o w e rr e s u l t e di n o b v i o u sa u g m e n ti nr a d i a n te f f i c i e n c y t h eb u i l ts e t u pi nt h i sp a p e rc o u l dg a i na r a d i a n te f f i c i e n c ya sh i g ha s3 4 7 a tp o w e r7 0 k wa n de q u i v a l e n c er a t i o0 7 5 w i t h o u tt h e r m a l r e c u p e r a t i o n 。w i t h h e a tr e c u p e r a t i o n , h o w e v e r , t h eo p t i m a l i i i a b s t r a c t e q u i v a l e n c er a t i od r o p p e dt o o 5 4a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr a d i a n te f f i c i e n c yr e a c h e d 3 6 9 a tt h es a m et i m eap o r o u sm e d i ab u r n e rw i t ht o pr a d i a t o rw a sp r o p o s e da n d e f f e c t so fe q u i v a l e n c er a t i oa td i f f e r e n tm i x t u r ev e l o c i t y ( f i r i n gp o w e r ) o ni t s c o m b u s t i o ns t a b i l i t y , t e m p e r a t u r ei n s i d ep o r o u sm e d i aa n do nt h es u r f a c eo fr a d i a t o r a n de m i s s i o np e r f o r m a n c ew e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt e m p e r a t u r e o nt h er a d i a t o rs u r f a c ee x h i b i t sg o o du n i f o r md i s t r i b u t i o na n di t sr e l a t i v ed e v i a t i o ni s l e s st h a n3 f o rl o w e rf i r i n gp o w e r , t h et e m p e r a t u r ei n s i d ep o r o u sm e d i aa n do nt h e r a d i a t o rs u r f a c ei n c r e a s ew i t ha u g m e n t a t i o no fe q u i v a l e n c er a t i o a n da th i g h e rf i r i n g p o w e r ，t h es l o p eo ft e m p e r a t u r ev s e q u i v a l e n c er a t i oa c c e l e r a t e s f o rt h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n ss t u d i e d ，t h em a x i m u mr a d i a n te f f i c i e n c yt h ec o m b u s t o rc o u l da c h i 。e v ei sa s l l i g ha s2 3 ，a n de m i s s i o no fn o xi sl e s st h a n2 5 p p mf o ra l lc a s e sc h e c k e d t 1 1 e e m i s s i o no fc oi sl e s st h a n10p p mf o rt h ee q u i v a l e n c er a t i om o r et h a n0 4 5 t op r o v i d et h eb i o n i c a lm o s q u i t o e s k i l l e rd e v i c ew i t hc a r b o nd i o x i d e ，as m a l l s i z ec a r b o nd i o x i d eg e n e r a t i n gd e v i c ew a sb u i l tu p t h ek e yo ft h i sd e v i c ei st h e p i n t s i z e dp m cw h i c hi n t e g r a t e dp r e h e a t i n go p e r a t i o n ，h e a tr e c u p e r a t o r , c o o l i n g m o d u l e ，a sw e l la se l e c t r o n i ci g n i t i o nd e v i c ea n de x t i n g u i s h i n ga l a r m t l l ef l e s ha i ri s p r o v i d e db yal o wp o w e rf a n ，m i x i n gw i t ht h ef u e l ，p r o p a n e ，e j e c t e db yan o z z l e ， f l o w e di n t ot h ec o m b u s t i o nz o n ea n db u r n ti np o r o u sm e d i a t h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e v i c ew a ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya td i f f e r e n te q u i v a l e n c er a t i oa n dd i f f e r e n tg a s v e l o c i t y , a n dt h et e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o nz o n ea n df l u ew a sm e a s u r e d t h ef l u e w a sa n a l y z e db yf l u ea n a l y z e r i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ed e v i c ec o u l dg e n e r a t ec a r b o n d i o x i d ew i t ha p p r o p r i a t et e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nw i t hl o we n e r g yc o n s u m p t i o n a n dl o we m i s s i o no fn o xa n dc o k e yw o r d s ：c o m b u s t i o n ，p o r o u sm e d i a ，r a d i a t o r , p o r o u sm e d i ac o m b u s t o l h e a t e x c h a n g e gt p v , c a r b o nd i o x i d eg e n e r a t o r , r a d i a t i v eo u t p u te f f i c i e n c y , p o l l u t i o ne m i s s i o n w 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致i , j l i f t , b 地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：二陋 签字日期：趾 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查i i i 幂u 借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此舰定。 蚣开口保密( 年) 作者签名： 军叁z 越 签- w - - 日期： 垃6 ，! 殳 导师签名： 酗蚓互 签- - w - - i ti i ：斗坦 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 多子l 介质预混燃烧研究背景 燃烧是人类获得能量的传统方法，在未来相当长一段时间内仍将是人类获取 能量的主要途径和方式。目前，燃料燃烧面临着日益严重的污染和化石燃料消耗 怠尽等两大问题。如何减少化石燃料燃烧的污染排放和高效利用化石燃料成为人 们关注的重点和焦点，因此减少燃烧过程中的污染物排放和有效利用燃料是当前 燃烧领域两大热点研究课题。在如此背景下，研究者提出了各种新的燃烧技术， 以期望能够得到有效而且无污染的燃烧能量。近二十多年来引起广泛关注的多孑l 介质内的燃烧技术有可能成为近期、甚至相当长时间内解决这些问题的一个重要 技术，成为有效利用化石燃料和设计新型燃烧系统的技术基础。 多孔介质燃烧是一种新颖独特的燃烧方式，它具有燃烧效率高、污染物排放 低的优点；同时，兼具燃烧器体积小、结构紧凑、热负荷调节范围广、燃烧稳定 等优点，能广泛地应用于家用取暖系统、动力设备、汽车预加热系统和各种各样 的民用和工业生产过程中l l j 。对多孔介质燃烧器的研究，不仅能缓解气体燃料燃 烧领域污染物排放严重的问题，而且能结合“西气东输”工程，在更大程度上扩 大天然气在东部城市的利用范围，提高利用效率，加快天然气的在民用方面的进 程，具有学术上和工程上的双重价值和意义。 1 2 多孔介质预混燃烧技术简介 研究多孔介质燃烧首先必须关注多孔介质材料及其结构形式。多孔介质内部 燃烧区温度较高，对多孔介质材料性能的要求较高。一般要求多孔介质材料首先 应具有耐高温性，其次多孔介质的应变率小( 以免温度差异大产生应力，破坏多 孔介质结构) ，在研究无催化条件下的燃烧性能时，多孔介质不应具有燃烧催化 性，有些条件下还要求多孔介质材料具有大热容和高导热率。多孔介质通常由惰 性物质( 不参与燃烧) 组成、具有多孔性的空间立体结构。 如下图1 1 和图1 2 所示。常用的惰性物质为金属氧化物、硅陶瓷等，如氧 化铝a 1 2 0 3 ，氧化锆z r 0 2 ，石英砂，碳化硅s i c 等。其结构有泡沫多孔介质和堆 积多孔介质等。如图1 2 所示的上图为泡沫多孔介质，具有一定的空间结构，孔 径有一定的规律性。图1 2 下图为陶瓷纤维堆积构成的空间结构。图1 1 中为常 用的多孔介质陶瓷材料及其空间结构。 第一章绪论 口重 图】1 常用的多孔陶瓷材料 图i2 陶瓷多孔介质图i3 多孔介质内部空穴 多孔介质内部具有如图1 3 所示的空问结构。多孔介质结构具有开放的空穴、 较大比表面积其孔隙率一般在8 0 到9 0 ，这就使得多孔介质对气体、液体、 火焰传播等具有可通透性。 多孔介质预混燃烧技术，是指燃料和氧化剂的预混气在惰性多孔介质内部宁 穴( 图13 ) 内组织燃烧它与自由空间的扩散燃烧有很大的不同，与预混气体 在自由空间的燃烧也有很大区别。 f r 唧io r i f r e ng a s m u * 图1 4 多孔介质髌1 5 烧机理】 如图14 所示，单位体积内多孔介质具有很大的表面积，气体和固体之间可 以进行充分的热交换：同时多孔舟质的热容量比相同体积气体的热容量大很多。 碧一章绪论 预混气在多孔介质内点燃以后，反应区内释热司以很快传给周围多孔介质固体， 并有一部分贮存在多j l 介质固体内，还有一部分通过辐射和热传导向上游和下游 传给临近的固体介质，如图i4 所示。向e 游传递的热量给预混气预热，其结果 是火焰温度有可能超过绝热火焰温度。火焰传播速度增大，燃料熄火极限范围扩 大。贫燃料熄火极限扩大便于实现贫燃料和低热值燃料的燃烧，富燃料熄火极限 的扩大可以用于合成气的制备。向下游传递的热量使燃烧器出口的辐射通量增 加，有利于提高辐射加热器的辐射效率。图l5 为多孔介质所具有的特性。图16 为多孔介质稳定燃烧的图像，图左侧是沿轴向的温度分布曲线。 围15 多孔介质的特性。叫 固16 多孔介质稳定燃烧机理8 ” 由于多孔介质燃烧技术具有以上特点，其应用有如下优点： 可实现超绝热( 超焓) 燃烧。由于多孔介质固体具有较大的热容、较大比表 面积、良好的导热和辐射性能气体和固体之间可毗进行比较充分的换热， 使多孔介质燃烧系统成为一种无需要借助于外部辅助设备而实现内部自回热 第一章绪论 的燃烧系统。燃烧热量通过固体的导热和辐射作用向上游传递，加热预混未 燃气体，使得燃烧火焰温度超过自由空间内同样进口条件下的绝热火焰温度， 实现超绝热( 超焓) 燃烧【2 j 。 2 可实现贫燃燃烧。多孔介质的强蓄热性及其内部自回热效应，较大程度地提 高多孔介质燃烧的火焰传播速度；同时也大大降低了燃料熄火极限，实现贫 燃，甚至超贫燃燃烧。熄火极限的扩大，又使得多孔介质燃烧器对燃料类型 适应性增强，如可以适用于热值更低的燃料燃烧。 3 温度场均匀、污染物排放低。由于多孔介质固体框架对气流的扰动和弥散作 用，气体内部组分的扩散和燃烧热的传递过程都大大增强，加上多孔介质有 效的蓄热和传热作用，多孔介质燃烧器内部的组分和温度分布都更均匀。 n o x 、c o 排放都大大降低【】。 4 多孔介质燃烧器结构紧凑。多孔介质固体具有诸多优点，使得燃烧可以在较 小的多孔介质体积内实现，从而减小燃烧器的尺寸，可以设计体积小、结构 紧凑的多孔介质燃烧器。 5 辐射效率高。多孔介质固体辐射性能远远大于气体，无论是内部的自回热效 应还是向外的辐射输出，都大大超过自由火焰燃烧系统。这就使得多孔介质 燃烧器可以广泛应用于取暖、工业加热等民用和工业生产环节【l 6 】。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 多孔介质燃烧技术发展史 多孔介质燃烧又被称为过滤燃烧。过滤燃烧的理论包含一种新的火焰，这种 火焰在多孔介质中流动的同时产生热化学能量的转化。过滤燃烧是由俄国科学家 提出的，是指气体穿过多孔介质的流动( 在俄国称为过滤流动) 起主要作用的一 种燃烧现象。过虑燃烧不符合西方科学术语的命名习惯，因而在一些著作中，它 被用作多孔介质燃烧( p m c ：p o r o u sm e d i ac o m b u s t i o n ) 的代名词。 应用于p m c 的两种常见的设计方法是稳态燃烧和瞬态燃烧。前者常被应用 于辐射炉和表面辐射加热器，该类形式的炉子都是有限多孔介质区域组织燃烧， 再利用高温固体表面对外辐射能量。后者即瞬态燃烧产生了超焓燃烧理论。在超 焓燃烧中，不稳定的反应区域像燃烧波一样由于正负方向的能量流，而向上游和 下游方向自由传播。 超焓燃烧概念早在4 0 多年前由a l f r e de g e r t o n 提出，随后被w e i n b e r g 2 和 f a t e e v 7 】采用。他们指出，在燃烧系统中，如果采用高温燃烧产物预加热燃烧反 第一章绪论 应物，则燃烧温度有可能超过理论绝热温度。燃烧过程中总的能量循环可以用下 式【7 1 表示： 髟c p d r = o c + q = 日，一日。 ( 1 1 ) 其中，乃是最终温度，r o 是初始温度，q c 是燃烧热释放率，q 是回热增加的能 量，日，和风是两种状态的焓值。从燃烧产物回热的那部分热量将增加燃烧温度， 使得反应区的焓值高于传统燃烧的水平。因此就有了“超焓燃烧 的概念。在随 后的一系列的研究中，l l o y d 和w e i n b e r g 8 - 1 0 l , 及h a r d e s t ya n dw e i n b e r g 1 1 】都证实了 基于此概念的燃烧系统能够有效扩大可燃极限。通过外部的回热将下游燃烧产物 的热量传递到上游加热新鲜预混气体，可以实现超焓燃烧。他们得出的结论认为， 回热提高了火焰的稳定性，同时也增加了可燃极限。t a k e n o 和s a t o 1 z j 提出了一种 可以产生超焓火焰的方法。在一维燃烧区插入半无限大的、高导热率的多孔固体， 将下游高温区的热量向上游传递，加热上游新鲜气体( 如图1 7 所示) 。燃烧区的 热量通过热辐射、导热，将热量向上游传递，加热上游未燃气体混合物，从而提 高上游未燃气体的温度，实现超绝热燃烧( 图中虚线代表无多孔介质的自由空间 内的燃烧) 。 难 值 图1 7 多孔介质内超绝热火焰形成机理 d e s h i e s 和j o u l i n 1 3 】对t a k e n oa n ds a t o 提出的模型进行了理论研究，研究结果 证实了t a k e n oa n ds a t o 提出的装置确实能增加反应区的燃烧温度，拓宽了可燃极 限。此后，t a k e n oe ta 1 人又进一步将有限大小的多孔固体替代无限大的多孔固体， 实现内部的热量循环，结果证明存在一个临界质量流率使燃烧稳定，当超过这个 临界值时燃烧不能稳定，同时也证实了这个临界值是一般火焰的l o 倍以上。后来 b u c k m a s t e ra n d t a k e n o 1 4 又发现火焰在多孔介质前、后、中部的稳定性取决于可 控参数的调节，同时还报道了由于热损失的存在，吹熄和回火的现象是不可避免 的。1 9 8 3 年t a k e n oa n dh a s e 【1 5 】又通过进一步的理论研究探讨热损失和多孔固体长 第一章绪论 度对超焓燃烧的影响。结果证明，增加多孔固体长度可以提高临界最大流率；而 热损失增大会缩小燃烧区的大小。k o t a n ie ta l 1 6 1 8 】设计了一个带有一束陶瓷细管 的特殊燃烧器，研究实际的火焰稳定性和燃烧特性，实验结果证明火焰在一个很 高的质量流率下仍然可以稳定燃烧。另外，他们还发现该燃烧器的n o x 和c o 等 污染物排放得到很好的控制，尤其是稳定在陶瓷细管内的火焰。 1 3 2 多孔介质内火焰稳定机理 多孔介质内火焰的稳定和传播由p e c l e t 数( p e ) 1 9 1 决定： 凡：s 工a _ g p( 1 2 ) 何 其中：是层流火焰速度，丸多孔介质平均孔径的等效值，c p 气体混合物的定 压比热，p 气体混合物密度，后气体混合物的导热系数。t r i m i sa n dd u r s t 【2 2 1 通过 理论研究发现，当临界p e c l e t 数= 6 5 时，燃料能在多孔介质内组织稳定的燃 烧；凡 心时，火焰将不能在多孔介质内稳定的传播。从式( 1 2 ) 可以看出， 当多孔介质当量孔径小到一定程度时，导致p e p ，火焰将无法在多孔介质内 存在。然而p e 。仅仅是一个定性的判定依据，对于不同材料不同结构的多孔介质 在不同流场条件下，心仃往往也会有所区别。 1 3 3 预混燃烧的实验研究 早在1 9 6 6 年砌u 【2 0 1 就对带有多孔介质的无焰燃烧器进行了实验，反应物 分别采用h 2 0 2 和h 2 a i r ，并把燃烧产生的热量不断抽出，实验测量了火焰的温 度，并和热力学计算的结果作比较。此外，该研究还用微型石英探针和质谱仪测 量沿火焰方向氢气的浓度分布。之后，t r i m i s l 2 l j 、t r i m i sa n dd u r s t 【2 z j 、d u r s ta n d t r i m i s 【2 3 1 、d u r s te ta l t 2 4 】对多孔介质中预混燃烧稳定原理开展较为系统研究，以期 得到多孔介质稳定燃烧的判断准则。 m i t a le ta 1 【2 5 】研究了陶瓷网状多孔介质辐射器内化学反应区的温度和化学反 应组分分布，期望更深层次了解该辐射器及其内部火焰稳定性、辐射效率、污染 物排放的特点。该实验中观察到，随着燃烧速率的增加，燃烧器回火的趋势明显。 s a t h ee ta l t 2 6 】对多孔介质内c h 4 a i r 预混贫燃火焰稳定性和传热性进行了实 第一章绪论 验研究。实验测量了不同当量比及不同火焰位置时，火焰传播速度和辐射输出效 率。h u a n ge ta l t 2 7 j 研究了多孔介质内超绝热燃烧( s u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o n ： s a c ) 及其对应的燃烧方式。实验发现，产生s a c 所需要的临界预热量随着预 热的当量比、预热燃烧速率的增加而减小。k e n n e d y 2 8 2 9 1 及其同事【3 4 1 对多孔介 质内超贫燃烧和超富燃烧进行了一系列的实验研究。r o r t v e i te ta l 3 5 】分别对陶瓷 纤维管燃烧器、旋转燃烧器、有催化的多孔介质燃烧器和无催化的多孔介质燃烧 器等四种低n o x 燃烧器进行实验研究，燃料采用c h 4 和h 2 混合物，实验测量了 尾气中的n o x 、c o 、c 0 2 和0 2 的浓度。实验结果发现，在燃料混合物中0 2 的 浓度在3 时，除了陶瓷纤维管燃烧炉的n o x 排放浓度为8 5 p p m 外，其他燃烧 器的n o x 排放都低于2 5 p p m 。同时他们还研究了燃料混合物中添加h 2 对污染 排放的影响，实验发现，对于后两种多孔介质燃烧器而言，添加h 2 可以轻微降 低n o x 的排放，但是对于其他燃烧器而言，会使得n o x 排放有所增加或者没有 明显的变化。同时实验还测量了燃烧器内的压力变化，实验发现旋转燃烧器的压 降最大。在另一个类似的实验【3 6 】中，研究者测试了另外两种燃烧炉的性能：一种 是催化燃烧器，另一种是带有多孔介质的催化燃烧器。所用的催化剂均为商业催 化剂。该实验的热负荷是1 5 k w 。实验结果证实，尾气中的n o x 、c o 、c 0 2 和 0 2 均处于非常低的水平。 b i n g u ee ta l t 3 1 l 研究了h 2 s a i r 的贫燃和富燃特性，在当量比( p 从o 1 到5 5 时对燃烧温度、流速和燃烧产物进行了实验研究。实验当量比在( p 0 。4 5 和忙1 7 时，在下游区域观察到了超绝热燃烧的火焰传播；上游非超绝热燃烧，对应当量 比的范围为0 4 5 _ _ _ c p 1 7 。实验发现，对于富燃超绝热燃烧，产物中h 2 s 氧化物、 h 2 和s 2 占主导地位，大约有6 0 的h 2 s 转化成s 2 和h 2 ；在贫燃条件下，h 2 0 、 s 0 2 和h 2 s 0 4 占主导地位。 m a t h i sa n de l l z e y 3 7 】对几种多孔介质燃烧器的火焰稳定性、操作范围和污染 物排放等特性进行了实验测量。该实验采用的燃烧器是两层网状多孔陶瓷：上游 部分每厘米长度上2 3 6 个孔( 2 3 6p p c m ) ，下游部分为3 9 p p c m 。两种不同的 多空介质材料分别是氧化钇氧化锆氧化铝混合物( y z a ) 和含有多铝红柱石的 氧化锆( 删) 。实验结果表明，对于y z a 燃烧器而言，在一定条件范围内， 火焰能够很好的稳定在两块多孔介质的交界面。而对于z t m 燃烧器，火焰将穿过 交界面并向上游传播。利用y z a 材料建立的第三种燃烧器，与之前两个燃烧器不 同的是，上游部分的多空介质的长度缩短了。燃烧速率在6 7 5 k w m 到3 9 5 1 k w m 的范围内变化。未燃的碳氢化合物的含量在低燃烧速率时较高，但在高燃烧速率 时较低。对于所有的工况，c o 的排放均低于1 5 p p m ，n o x 的排放也在1 0 p p m 以 下。 第一章绪论 l i ua n dh s i e h 3 8 】( 2 0 0 4 年) 对液化石油气的火焰特性进行了稳态和瞬态的实 验研究，火焰面的前部的多孔介质内部植入冷却管，实验监测了火焰传播速度、 温度分布及燃烧产物中n o x 和c o 含量。由于冷却管的冷却作用，实验中观察到 亚稳态燃烧现象。在这种亚稳态燃烧中，只存在一种能够支持稳定燃烧的特殊当 量比。这种现象和无冷却管的多孔介质燃烧器的燃烧有很大不同。无冷却多孔介 质燃烧器往往能在较大的火焰传播速度范围内保持稳定燃烧。在亚稳态燃烧中， 当量比的改变使亚稳态燃烧失去稳定，火焰将被吹出多孔介质。稳态燃烧的结果 证实，这种多孔介质燃烧器能够在贫燃条件下实现稳定燃烧，其可燃极限低于自 由火焰燃烧系统。火焰温度从1 0 5 0 到1 2 5 0 ，大约比相同当量比时自由空间火 焰的绝热火焰温度低2 0 0 ，n o x 和c o 的含量均低于1 0 p p m 。 s a t t e l m a y e r ”j ( 2 0 0 7 年) 对具有稳定空间结构的多孔介质燃烧器的热声性能 进行了研究。实验采用丙烷空气( c 3 h 8 从i r ) 作为燃料，在整个反应区内组织燃 烧研究不同参数对多孔介质燃烧器声学性能的影响。a f s h a r v a h i d 等h o 】( 2 0 0 7 年) 对多孔介质内部的氮氧化物的转化做了研究，通过实验方法研究了当量比和气体 流速对火焰稳定性、n o x 转化率及温度分布的影响。另外，数值计算结果揭示了 控制转化率的关键反应。结果发现，在轻度富燃条件下( c p 1 3 ) 很大一部分 的n o x 都转化为n h 3 。 a l a v a n d ia n da g r a w a l 4 l j ( 2 0 0 8 年) 对合成气体混合物( 主要成分是甲烷和 氢气) 的燃烧进行了实验研究，以揭示双层多孔介质燃烧器对燃料的适用性。燃 烧稳定在两层碳化硅多孔介质的交界面处，上、下游多孑l 介质的孔隙率分别为2 6 p p c m 和4p p c m 。实验固定空气的流率，调节燃料的流率以得到产生绝热火焰温 度的流率范围。实验时采用不同的燃料混合物，混合物中甲烷的含量从1 0 0 到 0 ，剩余部分中c o 署e i h 2 的含量相等。实验测量尾气中c o 和n o x 含量，发现对于 一个给定的绝热火焰温度，增加燃料中h 2 c o 含量能够同时减少c o 和n o x j j 放。 在燃料中增 j i i h 2 c o 的含量也降低了在接近贫燃吹熄极限时的火焰的温度，尤其 是c o 和h 2 含量较高的燃料。k i me ta l 4 2 】( 2 0 0 7 年) 研究了堆积床多孔介质中 c h 4 a i r 贫燃预混燃烧的特性，堆积床多孔介质 扫s i 0 2 颗粒堆积而成，颗粒平均 直径为0 5 61 1 1 1 1 1 。实验发现，燃烧火焰可以分为：高流速机制、中流速机制和低 流速机制。实验证实，对于低流速机制，火焰的发光度很微弱，火焰稳定位置会 随着气体流速的增加向下游移动；对于中流速机制，火焰稳定且亮度低，同时火 焰稳定位置随着气体流速的增加向上游移动；而对于高流速机制，火焰存在跳动 现象。 1 3 4 非预混多子l 介质燃烧的实验研究 第一章绪论 国内外对非预混燃烧的相关研究工作较少。k a m a la n dm o h a m a d 4 3 1 ( 2 0 0 5 年) 构建了旋转式多孔介质燃烧器，如图1 8 所示，研究非预混燃烧条件下，多 孔介质燃烧器辐射通量的增加情况。随后他们畔】又研究了非预混燃烧时，泡沫陶 瓷多孔介质燃烧器的污染物排放性能。 图1 8 旋转式多孔介质燃烧器示意图( k a m a la n dm o h a m a d ，2 0 0 5 ) 1 3 5 往复式多孑l 介质燃烧 作为超焓燃烧技术的一个显著改进，瑞典工程i ) 币1 4 5 】( 1 9 9 0 年) 利用往复式 气流在多孔介质内组织燃烧建立起了往复式燃烧系统。随后的研究则侧重于多孔 介质内燃烧的理论解释和往复式绝热燃烧的描述，以及极度稀释燃料的可燃极限 的降低。这也是多孔介质燃烧系统的一个主要特点，极度稀释燃料的燃烧可以减 少对环境的污染物排放【4 0 1 。通过往复式的流动，已燃气体的热量通过多孔介 质固体的蓄热作用有效的传递给未燃气体，增加未燃气体的焓值，从而可以实现 超焓燃烧。h o f f m a n ne ta l 5 l , 5 2 ( 1 9 9 6 年、1 9 9 7 年) 提出了一种新的多孔介质布 置方法，多孔介质中部带有空腔，使得火焰在一个宽的工作范围内稳定在多孔介 质内。该系统的示意图及其梯形温度分布如图1 9 所示。燃料混合物首先在一个 方向流动，并在多孔介质内部组织燃烧，固体和气体温度在出口一侧达到一个最 大值，然后通过阀门的调控改变流动的方向。在反向流动的半周期内，新鲜的燃 料混合物在入口处遇到温度较高的多孔介质固体，该入口即为前半个周期的出 口，温度较高。结果使得这种双向流动的燃烧系统的热量回收要比单方向流动大 很多，因此超焓燃烧的成度就会有所提高。在反向流动的半周期内，燃烧释放热 量以后，尾气温度会升高，加热出口侧的多孔介质固体，该出口即为前半周期的 入口。这样，高温区被转移到多孔介质的另一端。在往复式燃烧系统中，已燃气 第一章绪论 体的热量从两个流动方向增加了固体的温度。研究中还证实，热值较低的气体燃 料仍能通过该方法组织燃烧。e c h i g oe ta l ( 5 3 5 5 】( 1 9 9 3 、