（动力机械及工程专业论文）稀薄预混气体在多孔介质中超绝热燃烧的研究.pdf

摘要 多孔介质具有很大的比表面积、良好的蓄热和换热性能，可以在燃烧技术中 发挥重要作用。与自由空间中的传统预混合燃烧相比，多孔介质中的预混合燃烧 在降低污染性尾气排放、扩展可燃极限、提高热效率、辐射热输出和节约能量等 方面具有显著优越性。预混合气体在多孔介质中往复式流动下的超绝热燃烧( 以 后简称为r s c p ) 足一种全新的多孔介质预混合燃烧技术，由于嵌入r 往复流动 换向装置，r s c p 燃烧器不仅具有混合气单向流动多孔介质燃烧器的优点和特点， 还有一些更有吸引力的燃烧特性。本文通过理论分析、数值计算和实验观测，对 r s c p 技术进行了较为全面的研究，主要完成了如下儿个方面的工作： 1 从“容积平均”假设出发，在前人的理论基础上，借助流体力学的基本 原理，通过严密的数学分析，推导出一套气体反应流在各向同性多孔介质中的体 积平均输运方程。该方程组简洁直观，通用性强，可直接应用于模拟不同条件下 的混合气在惰性多孔介质中的流动和反应过程，由于模型中考虑了气、固两相局 部非热平衡，因此尤其适用于模拟预混合气在多孔介质中的流动和燃烧反应。 2 分析了r s c p 燃烧器的工作原理，详述了多孔介质和换向装置在其中的 作用，从理论上对超绝热火焰产生的依据以及如何实现超绝热度的最大化作了深 入分析，研究了强化预热对可燃极限的影响，对r s c p 系统的热力学效率进行了 探讨，将前人的研究加以系统化，总结出了若干重要结论。 3 在本项研究的具体条件下，应用多孔介质中气体反应流的通用输运模 型，建立了r s c p 系统的二维数学模型，运用辐射换热的有限容积法这一新方法 求解辐射换热方程，较深入研究了多孔介质燃烧器中的固体辐射换热，成功地实 现r 光学厚介质的非表面辐射计算与流场及燃烧计算的耦合。 4 通过数值方法研究了冷、热态环境下多孑l 介质对气体反应流的压力损失 影响，结果发现，热态环境下多孔介质对气流的阻力损失影响比冷态环境下大得 多，但孔隙率大的多孔介质对气体反应的阻力损失并不大。 5 通过大量的数值计算，分析了稀薄甲烷一空气预混合气体在多孔介质中 的燃烧特性，根据轴向温度分布阐释了混合气单向流动下的多孔介质预混燃烧系 统和r s c p 系统中的热结构，研究了多孔介质的几何特征参量、热物性参数、各 工况参数对r s c p 系统中的温度分布，放热率、燃烧效率和可燃极限等的影响； 在相同工况参数条件f ，r s c p 与常规多孔介质预混燃烧的性能对比表明，前者 的各个陛能指标都明显优于后者。 6 利用本课题组自行建造的r s c p 实验台，对稀薄预混合气在多j l 介质中 单向流动和周期性往复流动下的燃烧情况进行了研究，考察了r s c p 燃烧室中的 气体温度波动规律；研究了达到稳定燃烧状态后，换向半周期内r s c p 燃烧过程 的瞬态特征及各主要工况参数( 混合气的流速、燃一空当量比和往复换向半周期) 对燃烧室轴向的温度分布和贫可燃极限等的影响。 关键词：多孔介质；往复流动；超绝热燃烧；稀薄预混合气体；数值模拟 a b s t r a c t w i t h h i g h l yd e v e l o p e di n b c rs o l i ds t a f f a c ea n de x c e l l e n tp m p e r t yo fh e a tt r a n s f e r a n dh e a t a c c u m u l a t i o n p o r o u sm e d i ac a np l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nc o m b u s t i o n p r e m i x e dc o m b u s t i o ni ni n e r tp o r o u sm e d i ah a ss of a o p r o v e nt o b ea l la d v a n c e d c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi nw h i c hp r e m i x e df u e la n da i rb u m w i t h i na p o r o u sb e d t h e t e c h n o l o g yh a sm a n yo b v i o u sa d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lp r e m i x e dc o m b u s t i o ni n w h i c ht h ep r e m i x e df u e la n da i rb u ma saf r e ef l a m et h a ti ss t a b i l i z e da tt h eb u r n e r e x i tw i t hr e s p e c tt or e d u c e de m i s s i o n so fc o m b u s t i o n r e l a t e d p o l l u t a n t s ，w i d e rd o m a i n o ff l a m m a b i l i t y , m u c hh i 曲e rt h e r m a le f f i c i e n c ya n dr a d i a n th e a t o u t p u t s ，s a v i n g e n e r g y , u n i f o r m h e a td i s t r i b u t i o na n ds o o n r e c i p r o c a t i n gs u p e r a d i a b a t i c c o m b u s t i o no fp r e m i x e dg a s e si np o r o u sm e d i a ( h e r e a f t e r , r e f e r r e dt oa sr s c p ) i sa c o m p l e t e l yn e wp o r o u sb u r n e rt e c h n o l o g y 黝e m b e d d e dd e v i c e sf o rp e r i o d i c a l l y s w i t c h i n g t h ed i r e c t i o no ft h e p r e m i x e dg a s e s ，r s c pb u r n e rn o to n l yh a st h e a d v a n t a g e so fp o r o u sm e d i a b u r n e rw i t ho n e w a yn o w b u ta l s os o m em o r ea t t r a c t i v e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h et h e s i sp r e s e n t si n t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no nr s c pb y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm e a s u r e t h em a i nw o r k s a r ea sf o l l o w i n g ： 1 a p p l y i n g t h ep r i n c i p l eo f f l u i dd y n a m i c s ，as e to f g o v e r n i n g t r a n s p o r te q u a t i o n s a r ed e r i v e dt od e s c r i b et h er e a c t i n gf l o wt h r o u g ha ni n e r ta n di s o t r o p i cp o r o u sm e d i a b a s e do nv o l u m e a v e r a g e dh y p o t h e s i s a n d p r e v i o u sr e s e a r c h e r s i n v e s t i g a t i o n c o n s i d e r i n gl o c a lt h e m l a ln o n e q u i l i b r i u mb e t w e e nt h es o l i da n dt h eg a sp h a s e s t h e e q u a t i o n sc a nb eu s e dd i r e c t l y a n de a s i l yt od e s c r i b et h ep r o c e s so ff l o w i n ga n d r e a c t i n go fm i x e dg a s e si ni n e r tp o r o u sm e d i ai nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yt o s i m u l a t ep r e m i x e dc o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i a 2 t h 百w o r k i n gm e c h a n i s mo fr s c p c o m b u s t o ri sa n a l y z e da n dt h ef u n c t i o n so f t h ep o r o u sm e d i aa n dt h ed e v i c e sf o rp e r i o d i c a l l ys w i t c h i n gt h ed i r e c t i o no ft h ef l o w i nr s c ps y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l b ym a t h e m a t i c a lr e a s o n i n g ，at h e o r e t i e a l d e s c r i p t i o nh o w t h es u p e r a d i a b a t i cf l a m ec o n i e si n t ob e i n gi sg i v e n t h ee f f e c to f p r e h e a te n h a n c i n g o nt h e f l a m m a b i l i t y l i m i to fp r e m i x e d g a s e s i s i n v e s t i g a t e d t h e r m o d y n a m i c se m c i e n e yo fr s c pi sd i s c u s s e da n ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s a r ed r a w no u to nt h eb a s i so f p r e v i o u sr e s e a r c h e r s i n v e s t i g a t i o n 3 a p p l i n g t h eg e n e r a lt r a n s p o r te q u a t i o n so f t h er e a c t i n gf l o wi np o r o u sm e d i ai n t h ep r e s e n tr e s e a r c h i n gc o n d i t i o n s ，at w o - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i b i n g r s c p s y s t e m i sd e v e l o p e d f i n l t ev o l u m em e t h o df o rr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e ri su s e dt o s o l v et h er a d i a t i v et r a n s f e re q u a t i o n t h et h e n n a lo fr a d i a t i o nt h es o l i di f lp o r o u s b u r n e ri si n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tc o u p l i n gc a l c u l a t i n go f f l o wf i e l d c o m b u s t i o nr e a c t i o na n dv o l u m er a d i a t i o no ft h eo p t i c a l l yt h i c km e d i ai s s u c c e s s i v e l ya c h i e v e d 4 t h ei n f l u e n c eo ft h ep o r o u sm e d i ao np r e s s u r ed r o po ft h er e a c t i n gf l o wi s i n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a lm e t h o di nc o l da n di nh o te n v i r o n m e n t t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e p r e s s u r ed r o p i sn m c h b i g g e r i nh o te n v i r o n m e n tt h a nt h a ti nc o l d e n v i r o n m e n t b u ti ti sn o to b v i o u si f t h ep o r o s i t yi sb i ge n o u g h 5 n u m e r i c a la n a l y s i sh a sb e e np e r f o r m e do np r e m i x e dc o m b u s t i o no fl e a ng a s m i x t u r eo fm e t h a n ea n da i ri np o r o u sm e d i a t h et h e r m a ls t r u c t u r e i nt e r m so fa x i a l t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o ft h e c o m b u s t i o ns y s t e m sw i t ho n e w a yf l o wa n dw i t l l p e r i o d i c a l l yr e c i p r o c a t i n gf l o wo f t h eg a sm i x t u r e ，i sc o m p a r e ds oa st oe l u c i d a t et h e p e r f o r m a n c e o ft h et w os y s t e m s 。r i n f l u e n c e so fg e o m e t r i c p a r a m e t e r s t h e t h e r m a l p h y s i c a lp a r a m e t e r s o ft h e p o r o u sm e d i a w a l lh e a t l o s st o e f f i i c i e n ta n d w o r k i n gp a r a m e t e r s ( h a l fc y c l e ，f l o wv e l o c i t y ，e q u i v a l e n c er a t i o ) o nt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n h e a tr e l e a s er a t e ，c o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dc o m b u s t i b l e1 i m i ta n de t ci n r s c ps y s t e ma r ee x a m i n e d b yc o m p a r i s o n i ti s s h o w nt h a ta l li n d e x e so f c o m b u s t i o nb e h a v i o ri nr s c ps y s t e ma r eb e t t e rt h a nt h o s ei nc o n v e n t i o n a lp r e m i x e d c o m b u s t i o ns v s t e mi np o r o u sm e d i a w i t ht h es a m e w o r k i n gp a r a m e t e r s 6 a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fp r e m i x e dc o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i a ，w i t ha n d w i t h o u tp e r i o d i c a l l yr e c i p r o c a t i n gf l o wo ft h eg a sm i x t u r e ，i sp e r f o r m e d t h el a w so f g a st e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o nw i t ht i m ei nr s c p s y s t e ma r ee x a m i n e d a n dt h et r a n s i e n t c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nr s c ps y s t e md u r i n gah a l fc y c l ea r ec l a r i f i e dw h e n t h e c o m b u s t i o ni ss t a b l e t h ee f f e c to fd o m i n a t i n gp a r a m e t e r s ，i e f u e l a i r h a l fc y c l e ， e q u i v a l e n c e r a t i oa n df l o wv e l o c i t yo ft h eg a sm i x t u r eo nt h e a x i a l t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n dt h ef l a n n n a b i l i t yl i m i ti sr e p o r t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t t h er s c p s y s t e mh a s ，i nc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lp r e m i x e d c o m b u s t i o ns y s t e m i n p o r o u sm e d i a ( w i t h o u tp e r i o d i c a l l y r e c i p r o c a t i n gf l o w ) ，s o m e m o r ea t t r a c t i v e b e h a v i o r , s u c ha se n h a n c i n gf l a m es t a b i l i t y , e x t e n d i n gf m - t h e rf l a m m a b i l i t y l i m i t s k e y w o r d s ：p o r o u sm e d i a ，l e a np r e m i x e dg a s e s ，n u m e r i c a ls i n m l a t i o n ，s u p e r a d i a b a t i c c o m b u s t i o n ，r e c i p r o c a t i n gf l o w i i i o 型坠鲨土鲨墼。一。一，一，。一 主要符号表+ 爿一指前因子，1 o 1 0 1 0m 3 ( 圾s ) 一4 p - - 多孔介质单位体积的表面积，m 2 m 3 d 一多项式系数 n 一过量空气系数 c ，一多孔介质的渗透系数，m 2 c ：一多孔介质的惰性系数，m 。 c 。一气体混合物的定压质量比热，j k g k 。 c 。多孔介质的定压质量比热，j 堙k - 1 c 。一燃烧室器壁上的热损失系数，矿l ( m 3 k ) d 。一球形颗粒的直径，m d 。一多i l 介质孔隙的当量直径，l l r l e 一反应物的活化能，1 4 1 0 8 j k m o l h ，一固体介质与气相之间的表面换热系数，肼n 。k h 一体积换热系数，肪h 。k 。 日。单位质量燃气的低热值，魄。 ，一辐射强度，w m 。- 1 砌一k n u s d e n 数 k 。一吸收系数，m 。 髟。一散射系数，m 。 三一多孔介质的厚度，m z e - - l e w i s 数，。d 1 2 9 文中已说甥的符号此处小再说明 l m ，i 组分的质量分数 m 。一多孔介质的孔密度 月一垂赢表面向外 n 。一多孔介质单位体积当量颗粒的数量密度 p ? p t d n d t l 数，p v c p 2 p 一压力，n m 。 只一绝对压力，m l 。 匕一单位丽积上的热负荷，矿晰2 q 一辐射热流量，w m 4 r 径向坐标，埘 r 一理想气体通用摩尔常数，8 3 1 4 4 1j ( 1 0 n o l k ) r 一全部热阻，m 。k g 川 r 。一r 。胛船数，碴丝 掣 r o - - 燃烧室的管道半径，m s i 组分的s u t h e r l a n d 数，k s 一辐射几何路径长度，m ；一给定方向上的单位矢量 丁一温度，k 巧一弯曲率 r 一一时f 刮，s f 。一半周期，s l u l 一速度矢量，m s 1 “一轴向速度，m s 。1 v 一径向速度，m s 。 x 一空间位置矢量 x 一轴向坐标 彬一f 组分的摩尔质量，g m o l 旷一混合气的平均摩尔质量 希腊符弓 d 、y _ 手旨数 口一。衰减系数，m “ s 一多孔介质的孔隙率，在自由空间中为1 g 。一壁面辐射发射率 。一散射相函数，s r 。 形一散射反照率 五一导热系数，w m 。k 。 i 一动力粘度，k g m “s _ 1 ( p 。s ) l a j , o - - i 组分o 。c 时的动力粘度，p 。s p 一密度，k g m 3 仃s ，2 矾一b o l t z m a n n 常数，5 6 7 x 1 0 ”8 w m n 2 k 。 n 立体角，s r 珊，f 组分的摩尔反应速率，k m o l em 。j 。 c b f o - - 燃料的消耗速率，k g m j 。 西。一氧气的消耗速率，k g m 。s 1 h ，f 组分的焓，i ，姆。 西燃料一空气当量比 仉一燃烧效率 r l ，一燃料节约率 - - - 。，。盥：j 1 。! ，。 l 绪论 能源的开发和利用一方面构筑了人类社会的辉煌文明，另一方面使人类面临 着可供利用的能源e l 益减少与生存环境恶化的双重挑战。为实现高效清洁牟t i 甩能 源，国内外学者提出了各种各样的强化燃烧和排放控制技术，其中多孔介质中的 超绝热燃烧技术是目前公认为最有效的实用燃烧技术之一。本章全面归纳了多孔 介质预混合燃烧的特点；详述了国内外对多孔介质预混合燃烧的研究成果；简述 了r s c p 技术的原理、发展背景扫关键技术，分别从基础研究和应用研究两方面 综述了该技术迄今的研究进展；介绍了当前多孔介质中的燃烧技术的应用；最后 针对目前r s c p 研究上的不足，提出本文的研究目标、研究方法与研究内容。 1 1 选题背景及意义 能源足人类社会存在和发展的物质基础。从薪柴的直接燃烧到化石燃料( 煤 炭、石油、天然气等) 的大量开采，到原子核能和各种新能源的研究和利用，从 原始的人力、畜力到现代机械和电力的应用，能源的开发和利用构筑了人类社会 的辉煌文明。 长期以来，化石燃料一直是世界能源结构的主体，当今世界8 0 以上的能 源来自化石燃料的燃烧。近1 0 多年来，尽管新能源和可再生能源技术发展较快， 但在目前科技水平下还有许多问题尚未解决，各种新能源的利用都受到自然和地 理条件的限制，成本昂贵，只限于小规模试用，普遍使用在短期内还是可望不可 及的。据专家们预测，以化石燃料为主的能源格局在相当长的时期内还不会改变 ，特别是中国，以矿物燃料为主的一次能源结构将长期占据不町替代的地位。 化石燃料都是宝贵的化工原料，不断的开发和利用造成这些矸i 可再生能源的储量 同益减少。与此同时，世界人口的增长和经济生活的发展是人类对能源的需求量 越来越大，一者的矛盾日趋尖锐。 能源特别是化石燃料的大量利用，一方面对人类赖以生存的自然环境构成 严重威胁。s 0 2 、n o ；、c 0 2 、粉尘及各种废水，废渣的排放，使温室效应加剧、 酸雨增加、土壤和水域污染、大气质量下降。另一方面，在能源利用上，目前 存在着效率低、浪费严重等问题，大量的低品位能源未被开发和利用。例如，工 业生产每年排出大量工业尾气、来自矿井的乏风、石化加工过程中产生的含有热 值的“废气”，低品位的油田气以及自然界和人类生活中生物质热解和阴燃( 如 燃池取暖) 过程中产生的可燃气体等。由于可燃成分稀薄，通常采用辅助设备对 空气和燃料进行预热、循环燃烧或添加助燃燃料进行燃烧处理，这时需要用优质 燃油或燃气作辅助燃料以提高混合物的热值，其应用受到很大g 良制，如果直接排 放到大气中，一一些有害有毒成分进入大气，而造成环境污染，其中含有的能量也 无法回收。 能源与环境问题的妥善解决是人类社会可持续发展的前提。为解决这问 题，国内外研究者们提出了各种各样的强化燃烧和排放控制技术，其中过焓燃 烧( e x c e s se n t h a l p yc o m b u s t i o n ，或称超绝热燃烧s u p e r a d i a b a t i c c o m b u s t i o n ) 是 目前公认的最有效最实用的燃烧技术之一吨1 。该技术在提高燃烧效率、扩展可 。，。，。，銮：辇：銮耋譬兰垒鲨銮，。，。， 烧极限( 特别是贫燃极限) 、节省燃料、处理各类垃圾和废弃物等方面具有其他 燃烧技术不可比拟的优越性，被称为“划时代的技术”珏”。根据火星8 6 3 网站”1 发椎的关于俄罗斯技术精品库的消息，含碳量5 以上的任何物质，如高灰分煤 炭( 灰份含量达9 0 以上) 、城市垃圾、医院垃圾、油满、废工业油、木材和纸浆 工业副产品、聚合物及化t 废品等，甚至在通常条件下，不能燃烧的物质在超 绝热环境下部可以燃烧。巴西圣保罗大学的研究人员经过多年的研究发现”1 ， 在废旧轮胎焚烧炉中放置耐高温的陶瓷多孔介质过滤器后，在燃烧过程中，9 9 的烟垢和污染物都吸附在孔隙中，从而消除了对环境的污染，令环保人员头疼 的废旧汽车轮胎变成了较好的燃料! 超绝热燃烧技术不仅有广阔的应用前景，还是燃烧学中的一个新课题，有 很高的学术意义。然而，目前国际上这项技术的研究还刚起步，人们对它的机 理不甚r 解，在我国这项技术的研究与应用更是片空白，因此对其进行深入 研究就显得更加迫切。本文致力于稀薄预混合气在多孔介质中的超绝热燃烧的 研究，力求在机理研究上有所突破，使我国在该领域达到国际先进水平。 1 - 2 预混合气在多孔介质中燃烧的研究综述 12 1 稀薄预混合燃烧的优点 燃料和氧化剂( 氧气或空气) 按一定的比例预先均匀混合再送入燃烧室中 进行燃烧的方法称为预混合燃烧。预混合燃烧中，燃料和氧气的接触面积比扩散 燃烧中的接触面积大，因此，预混合燃烧比扩散燃烧更迅速，燃烧效果更高。 稀薄预混合燃烧( l e a n p r e m i x e d c o m b u s t i o n ，简称l p c ) 可以显著降低c o 和n o 。等有害尾气排放，箝约能源，但常规的自由空间中的l p c 易于引起燃烧 不稳定，而且燃烧器内压力波动幅度大，易于使燃烧设备受损。因而寻求稀薄乃 至极稀薄混合气的自维持燃烧新技术，最大限度减少能源浪费和减轻环境污染 是中国也是世界面临的重大战略任务。 1 2 2 用作燃烧场的多子l 介质 多孔介质是由连接在一起的固体基质( 或颗粒) 和互相连通的孔隙构成的多 相体系，一般可以用孑l 隙平均直径和孔隙率等参数描述其结构尺度。用作燃烧场 的多孔介质的孔隙当量直径大约在0 4 5 毫米范围。由于这类多孔介质的孔隙率 高流体在其内的流动受固体基质的阻力影响较小。从结构类型角度分类，多孔 介质大致可分为颗粒堆积型、圆柱体或纤维型、管束型、网络型或泡沫通孔型。 在燃烧领域中应用较多的是多孔陶瓷( 如蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷) ，因其密度小、 强度大、透气性能好、耐热、耐磨损和耐腐蚀，导热系数比金属材料小，但与气 体相比大得多，热容量和热辐射力比气体大数千倍，是比自由空问好得多得的燃 烧场，用这类材料做成的燃烧室既能满足绝热要求，又能保证有良好的换热效果， 能实现低热值气体的稳定燃烧，加之孔介质燃烧器的结构简单、成本低廉，燃烧 效率高，污染物排放撬低，因此，近2 0 年来多孔介质中的预混合燃烧一直是国 际程热物理学科最活跃的前沿研究领域之一。 本文中的“稀薄”指混合气中可燃成分含量低 - - - ，。盥j 生。 多孔介质中的传热传质不仅与圊、气相介质本身的热物理特性有关，而且在 很大程度上与孔隙结构和孔隙密度有关。多孔介质的孔隙至少部分是互相连通 的，这使得多孔结构中的传热过程非常复杂8 1 。它是由固体基质导热和孔隙中流 体内部的导热、二者间的对流换熟和辐射换热等组成的互相耦合的复杂传热过 程。若多孔结构中流体发生相变，传热过程将变得更为复杂。 1 _ 2 3 多孔介质预混合燃烧的特点 相对于自由火焰为特征的预混合燃烧，多孔介质中的预混合燃烧是一种完 全不同的，新颖而独特的燃烧方式。与传统的预混合燃烧相比，多孔介质中的预 混合燃烧具有很多显著的优越性，根据迄今为止的各种理论和实验研究结果，笔 者将多孔介质预混合燃烧的特点与优点综合分析如f t 9 1 1 ) 优良的总体传热特性 气体在多孔介质内的流动特征是存在旋涡结构和大摩擦系数，加之多孔介质 具有很大的比表面积，有利于气体和多孑l 介质之间发生深度动量交换和相间能量 交换，能显著增强火焰中的传热传质过程：多孔介质的导热率比气体大得多，即 使孔隙率高达o 9 5 的多孔介质，其导热率仍然是气体的3 0 0 5 0 0 倍；多孔介质的 热辐射能力更是气体无法相比的。 多孔介质在燃烧系统中的存在，方面显著改善了燃烧系统中的换热性能， 燃料燃烧放出的热量可以迅速转移到多孔介质中，并通过多孔介质以辐射和固体 热传导方式及时向低温部位输运，使新鲜混合气得到有效预热，直接促进火焰区 的化学反应，使火焰传播速度明显增大，还可以避免局部高温区的出现，减少 n 魄的生成；另外一方面多孑l 介质可以吸收高温尾气的余热，使尾气温度降低， 反应时间延长，反应区扩宽。 2 1 燃烧的安全性高 多孔介质中火 l 很小，一般不存在宏观尺度e 的火焰，只要燃烧室的结构合 理，从理论上讲，不会发生回火或吹熄事故，从而克服了预混合燃烧的缺点，故 这种燃烧器的安全性很好，详见第三章。 3 ) 燃烧的稳定性好 多孑l 介质的热容量比气体大数百倍，因此，多孔介质中的燃烧具有很强的热 惰性，表现为燃烧过程对混合气的当量比和功率波动不敏感，即多孔介质中储存 的热量可以缓冲热负荷和过量空气系数的变化对燃烧过程稳定性的影响；在大气 压条件下多孔介质中燃烧区的时间稳定性可达几秒的数量级，这样就可以保证燃 烧过程基本不受燃料供给和气流状态等外因变化的影响。 4 1 燃烧效率高，污染排放量低 多孔介质的存在显著改善了燃烧室的换热性能，反应热很快被有效地输运到 周围的固体材料中去，故反应区的温度较低，同时，与高导热率共存的高辐射率 使燃烧室内温度趋于均匀，避免了局部高温区的形成，从而显著削减n o x 的排 放。又由于反应区的范围大，反应时间更长，因此燃烧更充分更完全，有利于降 低c o 生成，燃烧效率也大幅度提高。实验表明，燃烧效率可提高1 6 2 0 倍， c o 1 0 m g k w h ，n o 。 7 0 m g l k w h1 1 0 1 。因此，利用多孔介质优良的传热性 能，可以控制和优化温度场，提高燃烧效率，降低污染物的排放。 5 ) 功率调节范围大，可实现高强度燃烧 在反应区范围内，只要多孔介质的温度高于混合气的燃烧温度，只需提高混 合气的流速就可以达到提高功率密度的目的，常规燃烧技术的功率调制范围一般 为2 - 3 ，而多孔介质中可达到2 0 ，功率密度可达4 0 m w m 3 t 1 0 2 0 功率调节范围犬 同时也说明燃烧的稳定性高。 多孔介质燃烧器可以使用的燃料除可燃气体外，还可以是汽油、柴油和其他 液体燃料。由此可开发出商质量的稳态燃烧系统。k a p l a n 等1 通过喷油嘴将庚 烷以固定速度喷入多孔介质燃烧室中进行燃烧实验，结果发现在当量比o 5 7 0 6 7 情况下，燃烧还非常稳定，c o 和n o 。排放水平很低，在不同实验条件下c o 的 排放量在3 7p p m 范围波动，而n o 。排放量在1 5 - 2 0p p m 范围波动。对于液体燃 料，起关键作用的是燃料的蒸发过程。不完善的蒸发会直接影响燃空混合气的形 成，而导致较高的c o 、n o x 和h c 排放，而多孔介质内很大的比表面积，可以 促进燃油的蒸发，燃料分布在大量孔隙的内表面一k ，形成很薄的油膜，从而可以 快速地受热并蒸发，形成可燃混合气。 总之，结构简单的多孔介质集蓄热、预热与余热回收三功能于体，从而使 多孔介质预混合燃烧系统表现出很多独特的优良特性：大幅度提高了燃烧速率， 增强了火焰的稳定性，火焰温度升高，扩展了可燃极限，降低污染物排放1 1 2 - 1 4 1 。 基于上述诸多优点，多孔介质燃烧技术在人们力图实现高效低污染燃烧的各种装 置中均有可能获得实际的应用。 1 2 ，4 常规多子l 介质预混合燃烧的研究 2 0 世纪7 0 年代初，w e i n b e r g n ”提出了过焓燃烧的概念，介绍了从预混火 焰巾“借能”用于预热新鲜混合气的观点，并预言如果将热量从热的产物反馈至 冷的反应物中去，过焓燃烧就有可能实现。随后，w e i n b e r g 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能增强火焰稳定性和扩展燃料 的可燃范围e 1 6 - 2 l | 降低c o 和n o 的排放，可以用来燃烧劣质燃料或低热值混合 物，不过当时为产生过焓，使用了一些体积庞大而复杂换热器。通过换热器使未 燃混合物进入火焰区时被从已燃气体中回收的热量预热。w e i n b e r g 等的观点当时 引起了入t l f 1 泛的兴趣，但是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，效果并不明显。 1 9 7 9 年，t a k e n o 和s a t o 等从理论上提出了种能改变火焰内部结构的简 单而直接产生过焓的方法k 2 2 , 2 3 1 这个方法仅仅是向一维火焰内部插入一段导热 系数高的多孔材料，使热量在从_ f 游高温区到上游低温区的整个介质内循环，这 样就为产生过焓火焰提供了必要的能量反馈。他们所做的数值分析表明，火焰向 上游移动，燃烧过程最大温度有所降低，燃烧反应区扩宽，火焰特征的可控制性 明显提高，燃烧速度比在自由空间中高得多。k o t a n i 等“4 1 在实验中证实了该结 论，实验试件是块插有陶瓷管束的陶瓷板。燃烧器利用外部热循环预热进口甲 烷和空气的混合气。他们观测到燃烧速度比相同混合物的层流火焰速度高1 8 倍a 1 9 8 4 年k o t a n i 等“5 1 用这种陶瓷管束作为研究对象，建立了相应的数学模型， 在模型中首次提出对气体和固体采用独立的能量方程。 预 混 气 体 图1 一l多孔介质预混合燃烧示意图 f i g 1 。1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p r e m i x e dc o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i a 由于气、固两相间充分的对流换热，很大部分燃烧热被固体基质吸收，使多 孔介质的温度不断升高。高温的多孔介质以热辐射的形式将能量向气流上下游输 运随着燃烧系统温度的提高，热辐射的作用变得越来越有大，所以高温系统中 强化传热的关键是充分利用辐射热。e c h i g o 率先强调了辐射换热的影响，他研究 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热焓转换为热辐射1 2 6 , 2 7 1 , 使能量消耗减少 6 0 。据文献n 介绍，c h u r c h i l l 的数学模型考虑了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。y l s h i z a w a 等“”对由均匀分布的固 体颗粒组成的有限长度多孔介质建立了基于单步反应机理上的一维两相模型，研 究了换热参数对火焰结构和燃烧速率的影响，他们指出，燃烧室中的温度分布强 烈依赖于多孔介质的辐射性能，提高吸收系数会引起燃烧反应区增厚、最大温度 和燃烧速度下降：多孔介质床层越厚，燃烧速度越大，最大温度也越高。b a e k “” 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，研究了有强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：边界条件的设置欠 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。多孑l 介质燃烧器的性能受到多种因素的影响，s a t h e 等“” 研究了光学厚度、散射率、固体导热性、上游周围环境反射的影响，并对燃烧器 的燃烧和换热过程进行了数值分析。结果表明多孔介质对火焰速度及稳定性有相 当大的影响，降低散射率会引起预热区和反应区温度的升高，并且对于给定光学 厚度有一个温度峰值和火焰速度峰值。多孔介质中上游端的温度较低，因此热辐 射主要向上游方向传播，由于这种辐射转换具有较强的方向性，因此被有效地应 用到辐射屏蔽和各种工业锅炉中去，并已获得显著的节能和强化燃烧效果 n 8 ，3 1 3 。y o s h i d a 等b 6 1 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，研究了多孑l 介质中热传导、对流换热和 辐射换热同时发生的瞬态特征。p f e f f e r l e 等b 7 1 研究了蜂窝状材料中稳态的预混 合燃烧，并对蜂窝材料的催化作用进行综述。认为其作用是使火焰燃烧稳定，并 尽可能减少n o 。和c o 的生成。w a n g 和 l i e n 昭8 研究了多孔介质漫射的影响。 当工质中含有c 0 2 和蒸汽时，气体的辐射并非总是小得可以忽略，e c h i g o 等” 研究了这种情况下气体辐射的影响，还从理论和实验e 深入研究了流动可燃混合 物发生反应时多孔介质内的热结构，即温度和辐射能量密度，提出强调辐射传热 的数学模型和辐射控制火焰的概念t 4 0 i 。y o s h i g a w a 等的研究表明，通过逆流 向的热辐射可得到从已燃气体到末燃气体的能量回流。f u ”2 ”1 等通过建立了基 ，。 刍蓦晋三查耋堡吉兰箸：盗 ，一。， ， 于单元体的泡沫陶瓷模型，对泡沫陶瓷的有效导热系数和辐射问题进行了研究， 得出了孔隙率和辐射特性的关系，指出：有效导热系数随孔隙率的增大而减小， 决定泡沫陶瓷的容积辐射特性的参数是孔隙率、多孔介质的反射率和单位厘米上 孔的个数，并且研究了衰减系数、单散射率和这些参数的关系。h a s h i m o t o 等1 用实验方法研究了陶瓷管束中的超焓火焰。国内的吕兆华对多孔介质内的燃烧进 行了较系统的实验研究1 4 5 - 4 8 1 李艳红等研究了城市燃气在多孔陶瓷板中的预混合 燃烧1 a 9 , 5 0 1 。刘宪秋等巧根据多孔介质对流