齊家威 簡振賀 聶曉康 李朝祥 楚化強

(安徽工業(yè)大學)

國家發(fā)展正式進入“十四五”時期，能源結(jié)構(gòu)改革越來越重要，“穩(wěn)油、降煤、升氣”成為大勢所趨。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)作為一種優(yōu)良的氣體燃燒技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注。1913年，Luke[1]是第一個嘗試使用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的學者，他將顆粒堆積在燃燒器中形成了多孔介質(zhì)，成功實現(xiàn)了多孔介質(zhì)燃燒器的表面燃燒，即預混火焰能夠穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面。這種燃燒技術(shù)具有很多優(yōu)點，如: 燃燒強度高、燃燒速率快[2]，穩(wěn)定區(qū)域范圍寬、燃燒溫度分布均勻，燃燒效率高、污染物排放量低[3]，貧燃極限范圍增大，負荷調(diào)節(jié)比增加[4-5]。

國內(nèi)外學者對多孔介質(zhì)燃燒器的研究主要集中在以下兩個問題：(1) 如何降低可燃性極限時的熱損失；(2) 如何在特定位置實現(xiàn)火焰的定位和穩(wěn)定。特別是第二個問題仍是目前研究的重點。一些研究人員提出采用多層多孔床和冷卻火焰后區(qū)域等方法來定位火焰，但是，隨著燃料種類和濃度的變化，這些指標需要重新評估。熱再生、燃料預熱、可燃性極限和火焰穩(wěn)定之間的復雜關(guān)聯(lián)仍然是研究人員關(guān)注的問題。

Zheng等[6]采用數(shù)值方法研究了過濾速度、當量比和壓力對惰性多孔介質(zhì)中火焰前鋒傾斜不穩(wěn)定性的影響。數(shù)值結(jié)果表明，火焰前緣傾斜不穩(wěn)定性的發(fā)展導致了填充床內(nèi)流動的本質(zhì)不均勻性。在實驗上，Shi等[7-8]發(fā)現(xiàn)一些參數(shù)會對火焰鋒面傾斜角度增長產(chǎn)生影響。在理論上，Kakutkina[9]基于熱模型研究了熱點和燃燒波前傾斜的不穩(wěn)定性，并考慮波前曲率和局部傾角的影響，給出了彎曲波前傳播速度的一般表達式。Mare和Mihalik[10]對多孔介質(zhì)燃燒器的可燃性進行了實驗和模擬研究，發(fā)現(xiàn)了其與多孔介質(zhì)形狀的關(guān)聯(lián)。王恩宇等[11-14]提出了漸變式多孔介質(zhì)燃燒器的理念，可以有效提高燃燒器的可燃性極限，并給出了猝熄直徑的概念。董志勇等[15]和賁宇馳等[16]分別在實驗和模擬方面對低熱值燃氣的多孔介質(zhì)燃燒進行了研究，表明了多孔介質(zhì)在低熱值氣體利用方面能很大程度上提高燃燒溫度和燃燒穩(wěn)定性。張俊春[17]提出雙層多孔介質(zhì)燃燒器的穩(wěn)定燃燒上下限分別由下層和上層多孔材料決定。陳露等[18]研究了多孔介質(zhì)在低速過濾燃燒情況下的熱斑不穩(wěn)定現(xiàn)象，揭示了孔隙率的對熱斑的影響規(guī)律。朱茜茜[19]和于春梅[20]對燃燒火焰面的移動現(xiàn)象和不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響因素做了大量的實驗論證。Chen等[21]研究了固體氧化物燃料電池廢氣對燃燒穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)了當量比和絕熱火焰溫度對燃燒有顯著影響，當混合氣體的絕熱火焰溫度低于440 ℃，或陽極氣體中水蒸氣含量大于85%時，火焰不能穩(wěn)定燃燒。Quaye等[22]通過實驗發(fā)現(xiàn)相較于無孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)可改善燃燒器的熱特性，提高燃燒速度并延長貧燃極限。

然而，目前對于多孔介質(zhì)燃燒裝置的溫度分布缺乏系統(tǒng)地研究。文章系統(tǒng)地研究了不同的當量比、甲烷流量、燃燒器布置方式和燃燒器長徑比等因素對燃燒溫度的影響，為今后多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的工業(yè)應用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實驗裝置與工況

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)主要包括燃燒裝置、供氣系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)三個部分，如圖1所示。燃燒裝置由多孔介質(zhì)燃燒器和夾持裝置組成。所使用的多孔介質(zhì)燃燒器由316L不銹鋼燒結(jié)而成，為圓柱形空心長管，厚度2.5 mm，孔隙直徑60 μm，孔隙率40%。一端為緩沖燃燒器產(chǎn)生的高溫而預留的長15 cm，外徑10 mm的不銹鋼管，避免氣管熔化而發(fā)生燃氣泄露。供氣系統(tǒng)由助燃氣體(空氣)和燃氣(甲烷)構(gòu)成，其中甲烷的濃度大于等于99.99%。采用紅外熱像儀完成燃燒信息采集，所使用的紅外熱像儀是FLUKE公司的TiX1000型紅外熱像儀。該熱像儀可自動對焦，量程范圍-40 ～1 200 ℃，精度±1.5 ℃，測量過程中最高溫度在1 100 ℃左右，完全滿足實驗的需要，并且所拍攝紅外圖像中可以標定出最高溫度和最低溫度。

圖1 實驗系統(tǒng)

1.2 實驗工況

文章主要研究不同的當量比、燃氣流量、燃燒器布置方式和燃燒器長徑比等因素對燃燒溫度特性和火焰面?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，具體實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 當量比的影響

選取長50 mm、外部直徑18 mm、孔隙直徑60 μm、孔隙率40%的多孔介質(zhì)燃燒器，采用垂直放置方式。在甲烷流量500 mL/min、當量比φ=0.5時，冷態(tài)啟動無法點火，充分預熱至900 ℃左右時可以順利點火，但火焰分布極不均勻、不斷抖動、火焰拉長、無法實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。因為燃燒強度低，燃燒釋放的熱量小于表面散熱損失，燃燒器溫度會一直降低，直到燃燒器不能連續(xù)點火而熄滅。相對于當量比φ=0.5，當量比φ=0.6時火焰雖然也不均勻，但是可以持續(xù)燃燒，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)點火，溫度較穩(wěn)定，火焰也不會自主熄滅，故文中當量比最小值取φ=0.6。

甲烷流量500 mL/min時，當量比對燃燒器表面最高溫度的影響見圖2。隨著當量比由0.6增大到0.8，燃燒器表面最高溫度顯著升高，由626.5 ℃上升到936.5 ℃，燃燒器表面呈現(xiàn)紅熱現(xiàn)象。此時燃燒火焰在燃燒器表面分布比較均勻，最高溫度都在燃燒器中間部分產(chǎn)生。在當量比φ=1時，燃燒器表面最高燃燒溫度達到最大值1 000.8 ℃。再繼續(xù)增大當量比，燃燒器表面最高溫度不斷下降。同時燃燒器表面最高溫度和當量比存在依變關(guān)系，當量比越偏離1.0，溫度差別就越大，溫度降低的幅度也越大。

隨著當量比增大，紅外熱成像圖片顯示高溫區(qū)并沒有明顯移動，同時觀察到高溫區(qū)在軸向上的分布并不均勻，右側(cè)高溫區(qū)有向上擴張的趨勢，而左側(cè)高溫區(qū)位置低。從理論上分析，由于燃燒器為圓柱體，其所用材料和制作工藝相同，因此在軸向和徑向的物性也應該相同。但燃燒器制作工藝的誤差造成了燃燒器的結(jié)構(gòu)并非是完全對稱，因此其物性也就產(chǎn)生了差異，所以高溫區(qū)分布并不像理論上那么均勻。

2.2 甲烷流量的影響

選用長50 mm的燃燒器垂直夾持燃燒，當甲烷流量降至400 mL/min時，燃燒器的可燃性限度并沒有明顯改變。當量比為0.5時，不論是冷態(tài)直接點火還是充分預熱后再點火，都無法穩(wěn)定燃燒。在當量比φ=0.6～1.3工況下進行實驗，將不同流量工況下表面最高溫度進行對比，如圖3所示。相比于同當量比甲烷流量500 mL/min條件下，當甲烷流量400 mL/min時表面最高溫度有所降低。究其原因在于甲烷流量降低導致燃燒強度降低，燃燒所釋放的熱量減少。

圖2 燃燒溫度隨當量比的變化

圖3 不同流量工況下燃燒平均最高溫度對比

進一步比較φ>1.0時的平均最高溫度：當甲烷流量500 mL/min時，隨著當量比增大，燃燒器表面最高溫度降低；當甲烷流量400 mL/min時，隨著當量比增大，燃燒器表面最高溫度繼續(xù)升高，但增幅減小，兩種不同甲烷流量下的溫度差在不斷縮小并趨近于相等。

對低甲烷流量條件下燃燒器表面最高溫度隨當量比的增大而升高進行分析，燃燒器表面最高溫度取決于燃料燃燒所釋放的熱量和燃燒器的散熱量之間的平衡關(guān)系。燃料燃燒越充分，燃燒強度越大，其燃燒過程所釋放的能量就越多。而燃燒器的散熱取決于多方面因素，其散熱過程是由熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳熱過程相耦合決定，對于同一個燃燒器來說散熱的快慢主要由溫度勢差決定，但流經(jīng)的空氣所帶走的熱量也是不可忽略的。當量比由0.6增大到1.0過程中，甲烷都能完全燃燒，所釋放的能量理論上差別不大，但空氣量在減少，空氣帶走的熱量也在減少。當量比由1.0增大到1.3過程中，空氣量繼續(xù)減少，但甲烷此時不能完全燃燒。

當甲烷流量較大時，甲烷燃燒釋放的熱量多，φ>1.0以后，甲烷不完全燃燒釋放熱量的減少量大于空氣攜帶走的熱量，溫度降低，所以表面最高溫度的最大值發(fā)生在當量比為1.0的工況。低甲烷流量下，甲烷完全燃燒所釋放的能量減少了，空氣帶走熱量影響更為明顯。故φ>1.0以后，雖然甲烷不能完全燃燒，釋放的熱量降低，但空氣量仍然在降低，甲烷不完全燃燒釋放熱量的減少量小于空氣帶走熱量的減少量，故溫度還會繼續(xù)升高。

2.3 燃燒器布置方式的影響

當甲烷流量為500 mL/min時，選用長50 mm的多孔介質(zhì)燃燒器分別垂直和水平布置，考察布置方式對燃燒器表面最高溫度的影響，如圖4所示。不論是垂直布置或者水平布置，燃燒器表面最高溫度均發(fā)生在當量比為1.0的工況，垂直放置的表面最高溫度為1 000.8 ℃，水平放置的表面最高溫度為991.6 ℃，兩者的溫差僅為自身溫度的1%左右；同時其它當量比下豎直與水平放置的溫差也很小，表明甲烷流量為500 mL/min時，不同放置方式對燃燒器表面最高溫度影響很小。需要指出的是，兩條溫度線在當量比0.95附近出現(xiàn)相交。

2.4 燃燒器長徑比的影響

選用長90 mm(長徑比5)和50 mm(長徑比2.78)的燃燒器進行對比，研究不同長徑比對燃燒器表面最高溫度的影響，如圖5所示。實驗所設(shè)定的甲烷流量較小，采用50 mm燃燒器進行實驗時，由于燃燒器緊湊，可燃混合物濃度較高，點火相對簡單；90 mm燃燒器表面可燃混合物分布稀薄，穩(wěn)定燃燒難度增大。當甲烷流量500 mL/min、長徑比為5的燃燒器垂直布置時，可燃限度降低至0.9～1.0，且燃燒器表面最高溫度有較大幅度的下降。

進一步將長徑比為5的燃燒器改為水平布置，其可燃性限度范圍提高到0.6～1.3，與同工況的長徑比為2.78的燃燒器相同。在甲烷流量500 mL/min時，水平放置的表面最高溫度低于垂直放置。這種差異產(chǎn)生的原因可能是：甲烷密度小于空氣密度，與空氣形成的預混可燃氣體密度自然也小于空氣，當燃燒器垂直布置時，出口氣體由于壓力差和密度差向上流動并分散向柱型燃燒器四周，混合氣體比較分散。而燃燒器水平布置時，混合氣體會聚集在燃燒器上部，可燃混合物濃度更高更容易點燃。水平布置可能會降低最高燃燒溫度，但卻可以大大提高燃燒器的穩(wěn)定燃燒范圍。

圖4 燃燒器不同放置方式表面最高溫度對比

圖5 不同長徑比燃燒器的表面最高溫度對比

3 結(jié)論

通過實驗研究了當量比、甲烷流量、燃燒器布置方式、燃燒器長徑比對燃燒器燃燒溫度的影響，得出以下結(jié)論：

(1)燃燒器表面最高燃燒溫度跟當量比之間存在依變關(guān)系，甲烷流量為500 mL/min，當量比φ=1時，表面最高溫度取得最大值；

(2)甲烷流量的大小制約著燃燒器穩(wěn)定燃燒的范圍，低流量工況下，燃燒器表面溫度偏低；

(3)在長徑比為5時，與垂直布置相比，水平布置的燃燒器可以明顯的提升穩(wěn)定燃燒范圍，但燃燒強度會有所降低；

(4)燃燒器的長徑比會影響可燃混合氣體的分布，影響燃燒過程，相同工況下長徑比越大燃燒器各個部位的可燃混合氣就越稀薄，燃燒溫度越低。