多孔介质中的预混合燃烧

多孔介质中的预混合燃烧多孔介质中的预混合燃烧是一个包含化学反应及导热、对流和热辐射三种换热方式互相耦合的复杂过程。近30年来，国内外学者对此作过大量的研究。20世纪70年代初，英国学者Weinberg就提出超绝热燃烧或过焓燃烧的概念，并从理论上预言如果热量从热的产物再循环到冷的反应物流中去，超绝热燃烧就有可能实现。随后，Weinberg等人通过一系列的理论分析和实验研究表明，基于这种理论的燃烧系统成功地扩展了火焰稳定性和可燃范围，可用来燃烧劣质燃料及低热值混合物，但当时为产生过焓，使用了一些体积庞大、造价高昂的复杂换热器。尽管如此，由于热量在反应区外循环，除了燃烧温度有所提高外，并未改变复杂的火焰结构。1979年，Takeno和Sato等提出了一种能改变火焰内部结构的简单而直接产生过焓的方法向火焰内部插入一段导热系数高的多孔材料，使热量在从下游高热区到上游低热区的整个介质内循环，为产生过焓火焰提供了必要的能量反馈。作者建立了理想气体二元混合物一维单步化学反应模型。数值计算结果表明：多孔介质过焓火焰最重要的特征是在质量流率提高的情况下，火焰还能正常维持，而且质量流率越高。根据该文的观点，可以用简单的燃烧装置燃烧低热值的混合物。由于他们当时提出的模型过于简化，忽略了诸多因素，如辐射、压力扩散、热扩散、外力，还假定固体温度在整个流动和燃烧过程中保持一致，因此无法揭示问题的本质，不能给出有足够说服力的定量研究结论。1984年Kotani等用小直径的陶瓷管束作为研究对象，建立了数学模型，在模型中提出对气体和固体采用独立的能量方程，这是他们对多孔介质预混合燃烧理论研究的重要贡献。但是模型中没有考虑辐射作用，而辐射换热在多孔介质预混合燃烧中对火焰位置、火焰温度、燃烧速度等重要参数有很大的影响。此外，在研究中假定多孔介质的导热系数无穷大，这是不符合实际的。由于强烈的对流换热，气体与多孔介质沿混合气流动方向上存在温度差，上游侧的多孔介质壁面温度高于下游侧的壁面温度，此温差较大，从而在燃烧室内形成热辐射场。随着燃烧系统温度的提高，热辐射的作用越来越突出，所以高温系统中强化传热的关键是充分利用热辐射。然而气体的发射力非常低，必须有一个将高温气体的能量转换为热辐射的辐射转换器。Echigo研究了高温气体在槽中一段多孔介质内流动的换热系统，数值计算和实验研究都表明多孔介质能非常有效地将高温气体的焓转换为辐射热。Churchill的数学模型考虑壁面之间的辐射作用、壁面内的导热作用、壁面与气体之间的对流作用，以及层流到湍流的过渡状态热交换的强化作用，并认为气体的辐射作用与固体相比可以忽略。Seunng通过改变多孔介质的物理长度、吸收系数及可燃气体混合的当量比这三个重要参数，研究了有辐射作用的多孔介质预混火焰的热结构变化。其模型的优点在于：它是通过非稳态的方程得到稳态的解，可以通过计算得到火焰面的位置及火焰层的厚度。此外，在模型中还考虑了散射的作用。不足之处是:在组分方程中计算产物相的质量生成速度时采用了一步Arrhenius表达式来计算，因此不能得到烟气中有害物质如CO和NO的排放量，而且计算得到的温度场比实测结果偏高。另外，边界条件的设置也有些欠妥，比如在时间大于零时，在出口处假定气体混合物的温度与多孔介质的温度相等，这是不恰当的。根据实验结果，一般气体混合物的温度要比多孔介质的温度高出50°C〜200°C。等把多孔介质看成是能吸收能量和辐射能量的均匀介质，将气体和多孔介质能量方程联立迭代求解，研究了多孔介质中热传导、对流换热和辐射换热同时发生的瞬态特征。Tilien研究了多孔介质漫射的影响。当工质中含有二氧化碳和蒸汽时，气体的辐射并非总是小得可以忽略，Echigo等人研究了这种情况下气体辐射的影响，提出强调辐射传热的数学模型和辐射控制火焰的概念。美国Texas大学Metthews等人提出了包括辐射多步化学反应项在内的较完善的一维简化火焰的分析模型，计算得到所示的轴向温度分布。由于多孔介质的预热作用，燃气燃烧的峰值温度确实比绝热火焰温度还要高，不足之处是模型中假定火焰一直位于多孔介质中部。Norbury和Byrne用数值方法研究了辐射对多孔介质燃烧的影响，建立了催化转换器内气体燃料或污染物转换的数学模型，指出包括辐射项在内的模型不会改变多孔介质内稳定燃烧的定性特征。以上研究都表明，燃气燃烧反应释放出的热量通过与多孔介质进行高效对流换热，转换成比气相介质强大得多的热辐射，并向上游进行热反馈，大大增强了对预混合气流上游尚未发生化学反应的可燃成分的预热作用，促进了燃烧反应的迅速完成。多孔介质的固相部分导热量越高，新鲜混合气被预热的程度也越高，从而使燃气的燃烧率和辐射热输出得以进一步提高。热回流的增强传热和循环燃烧形成了预混合火焰在多孔介质中独特的燃烧性能：与一般的自由火焰相比，燃烧速率高得多；反应区中的火焰温度可超过相应的绝热火焰温度，燃烧稳定性大大增强，显著扩展贫燃然烧极限。多孔介质预混合燃烧不仅可使较低热值的可燃气体稳定燃烧，使燃烧器获得很高的热能容积释放率及热效率，还能显著降低污染物排放。Xiong研究了多孔介质表面燃烧器的超低排放性能，对不同类型陶瓷（、、SiC等）和不同结构材料（泡沫型、蜂窝型、颗粒型等）的多孔燃烧器的燃气排放进行了系统测量，NOX排放达到（1〜12）X。Hashimoto等在用细长陶瓷管束研究“过焓火焰”时，得到了多孔介质燃烧器的一般燃烧特性，发现CO和NOX排放量都比较低，在化学当量比6=0.3〜0.6，流速v=0.6〜1.3m/s范围内，CO的浓度为（50〜200）X，NOX为（15〜40）X。美国Texas大学燃烧研究室对泡沫型多孔陶瓷燃烧器的特性进行了广泛的理论和实验研究，并特别注重燃烧产物排放的研究。其中Chaffin等人用部分稳定氧化锆泡沫陶瓷材料装在具有水冷火焰稳定器的燃烧管中，得到较为理想的排放效果：在6=0.6〜0.8时，NOX排放在（4〜20）X范围内；Chen和Metthews等人用多步反应模型得到的CO排放量与实验结果非常吻合，NOX排放量与实验结果的趋势基本一致。吕兆华研究了泡沫陶瓷分段多孔介质燃烧器的燃烧排放效果，结果表明，加入适当比率的二次空气，不仅能够在相当宽的流速范围内使火焰很好