多孔介质燃烧技术

多孔介质燃烧技术1 多孔介质燃烧技术加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。

在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。

与自由空间燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有功率密度大，调节范围广，污染物排放低和结构紧凑等优点。

多孔介质预混燃烧特点是燃烧设备的热效率较高，其原因有以下两个方面：①燃气与空气预先充分混合, 在过剩空气很小的情况下也可达到完全燃烧, ②由于辐射作用, 多孔介质的高温后部对低温的前部进行加热, 从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用, 加快了燃烧速度。

因此对多孔介质传热传质和燃烧的研究具有重大的学术价值，已成为当前最活跃最前沿的研究领域之一[1]。

传统的气体燃料燃烧主要是以自由火焰为特征的燃烧。

这种燃烧需要较大的空间，火焰周围温度梯度大，容易产生局部高温。

当温度高于1500℃时，NO生x成变得明显[2]。

由于NO的剧毒性，减少其排放也显得非常重要。

传统燃烧器的x换热器主要以烟气辐射和对流换热为主，换热系数小。

多孔介质燃烧技术是一种新颖独特的燃烧方式[3]。

其与自由空间燃烧的区别在于：（1）多孔介质的空隙率很大相对于自由空间有较大的固体表面积，因而有较强的蓄热能力[4]；（2）多孔介质的存在使混合气体在其中产生剧烈的扰动，强化了换热。

（3）相对于气体来说多孔介质有较强的导热和辐射能力，可以使预混气体燃烧产生的部分热量从下游的高温区传递到上游的低温区预热未然混合气体，这样就提高了燃烧速率并可使燃料完全燃烧，减少了CO的排放；（4）多孔介质良好的换热特性是燃烧区域温度迅速趋于均匀，保持了平稳的温度梯NO生成量；（5）辐射燃烧效率最高可达度，降低了最高温度水平，减少了x80%-90%，而常规辐射燃烧器对辐射的转换效率充其量为30%[5]，在相同的热负荷下,多孔介质预混燃烧热效率较高，比本生式燃烧节约燃气30-50%[6]。

与自由燃烧相比，多孔介质燃烧具有燃烧速率高、燃烧稳定性好、负荷调节范围大、容积热强度大、燃烧器体积小、燃气适应性好、烟气中污染物排放低、燃烧极限变宽、可燃用热值很低的燃气等优点。

2 多孔介质材料较之传统的自由火焰特征的燃烧，多孔介质的加入极大地改善了燃烧效果。

在燃烧过程中，多孔介质起到了关键性的作用。

从组织燃烧的过程来看，多孔介质处于的工作环境为高腐蚀性，高温以及高温度梯度。

结合多孔介质燃烧机理，我们认为用于燃烧器的多孔介质必须满足以下条件：（1）耐高温，在燃烧温度范围内不发生熔融；（2）合适的空隙率，使混合气体在其中流动时压力损失小；（3）耐热震，在燃烧启停过程中不会因热应力而损坏；（4）换热性能好，提高燃烧器的热效率。

用于燃烧器的多孔陶瓷主要包括蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷两种。

蜂窝陶瓷孔隙率为20%-60%；泡沫陶瓷孔隙率可达70%-90%[7]。

在一些场合也有用陶瓷颗粒作为燃烧器内芯，其受热应力小，使用寿命长，但孔隙率小，混合气体在其中流动阻力大。

Pickenäcker 等[8]对泡沫陶瓷研究结果表明，这些材料具有以下优点：第一，具有好的流通特性的开孔结构使压力损失很小，从而可以减小多孔介质燃烧器的风机投资；第二，传热特性优越，气体强制流进流出、分开汇合，对流加强，使其中温度分布均匀，并能保持较低的温度水平，可以减少污染物的排放；第三，体积密度很小，即热惰性很小，可以在启动时升温迅速,能快速适应负荷变化。

工业上用于生产泡沫陶瓷的基质材料一般有：碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、氧化镐以及氧化铣；粘结材料有镁土和钇等。

由于材料的类型对燃烧器的抗高温及抗热震能力具有较大的影响，因此，目前用于多孔介质燃烧器的泡沫耐火材料种类也不多，主要以32O Al 、2ZrO 、SiC 为代表。

这些材料的主要数据见表1[3]。

表1 典型泡沫陶瓷材料主要特性参数由表1可以看出32O Al 和 2ZrO 可以在1650℃以上的高温下工作，而SiC 在导热系数、抗热冲击能力和硬度方面都有非常好的性能。

一般情况下，燃烧器的温度不会超过1600℃，综合各方面考虑，SiC 具有较大的发展前景。

3 国内外研究现状有关多孔介质预混燃烧的研究，有报道使于20世纪初，到了上世纪70年代，这种新型燃烧技术引起了人们的广泛关注。

在这30年中国内外学者对此作了大量的研究。

20世纪70年代初，英国学者Weinberg [9]就提出超绝热燃烧的概念，并从理论上预言了如果热量从热的产物再循环到冷的反应物中去，超绝热燃烧就能实现。

随后，Weinberg 等人为了获得超绝热燃烧使用了一些体积庞大、造价昂贵的复杂的换热器，但并未改变复杂的火焰结构。

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超绝热的方法[10]，该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，为产生超绝热火焰提供了必要的能量反馈。

图1利用可燃混合物在多孔介质内流动和燃烧过程中焓值沿流向的变化描述超焓或超绝热的概念。

虚线表示没有预热的自由空间燃烧系统中焓的变化, 实线表示有预热的多孔介质燃烧系统中焓的变化。

在没有预热的燃烧系统中, 由于存在热损失, 温度达不到绝热火焰温度,而有预热的燃烧系统中, 由于反应混合气进入反应区前被预热, 上游的焓值迅速升高, 在流动过程中产生超焓或超绝热火焰。

图1 超绝热概念为研究孔隙率对燃烧的影响，有些研究人员设计了渐变型多孔介质燃烧器。

浙江大学岑可法[11]等已经获得了“渐变型多孔介质燃烧器”的专利，利用渐变型燃烧器的目的是为了更能适应气体在其中的燃烧规律，从而达到高效、低污染排放的目的。

在研究多孔介质燃烧过程中，有人提出了分级燃烧的想法。

所谓分级燃烧是在燃烧过程中加燃料或空气的阶段性操作，使燃烧区域温度控制在最高温度以下，以此来降低污染物的排放量和材料应力。

Chaffin[12]研究了两极多孔介质燃烧器，吕兆华[13]等人则采用中间近气结构，他们的研究均表明可以同时降低CO 和NO的排放量。

多孔介质中往复流动下的超绝热燃烧被认为是目前最先进的x燃烧技术之一[14]，国内外也有大量的研究。

这一思想最初是由瑞典的ADTEC公司在其1990年的一篇商业报道[15]中提出的，他们根据此原理研制的多孔介质燃烧器甚至可以燃烧汽车喷漆厂内排放出的有机废气。

Hoffmann等[16]实验研究了往复流动超绝热燃烧，得到了甲烷/空气当量比为0.026的可燃极限，这是目前见诸报道的最低可燃极限。

邓阳波等[17]对自行设计的往复式多孔介质燃烧系统进行了研究。

4 多孔介质燃烧的应用4.1 基于多孔介质燃烧的发动机多孔介质有利于非定常燃烧过程的另一个重要特性是它能大幅度提高有效燃烧速率。

实验表明, 在常压条件下, 多孔介质的存在可使燃烧速率提高10倍。

如果燃烧在更高的压力下进行, 则燃烧速率还可进一步提高。

可见, 多孔介质燃烧技术非常适合于内燃机那样强烈瞬态的燃烧。

多孔介质燃烧器中蒸发、传热和燃烧过程都能在很短的时间尺度下完成。

这意味着, 以瞬态燃烧为特征的内燃机,如采用多孔介质技术, 则有望达到优良的排放性能。

首先, 适当的设计多孔介质燃烧室, 就可对燃烧温度加以控制以降低NO x的排放。

再者, 多孔介质内液体燃料的快速蒸发和完全燃烧也在很大程度上消除了未燃HC的排放。

上述诸因素, 包括较低的燃烧温度、快速的蒸发、均匀的混合气形成以及燃气在反应区(多孔介质内部) 较长的滞留时间都使得碳烟微粒的排放得以降低。

美国人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介质发动机的概念, 并将其称为再生式或蓄热式发动机。

其提出的一种柴油机改造方案如图2所示。

多孔介质蓄热器置于气缸顶部, 通过一驱动杆与活塞同步运动。

蓄热器在大部分时间内, 不是与缸盖接触, 便是与活塞顶接触。

吸气时, 蓄热器固定在缸盖上。

压缩行程中, 蓄热器与活塞做反向运动, 迫使气体穿越多孔介质的孔隙, 从而吸取其中已积蓄的热量。

喷油和燃烧后, 蓄热器向上而活塞向下运动, 高温燃气穿越多孔介质并将热量传给后者, 从而完成一个循环。

蓄热器的性能取决于多孔介质的材料, 结构和几何形状。

Ferrenberg 采用SiC (12ppi) 泡沫陶瓷的实验结果表明, 与未加蓄热器的原型柴油机相比, 在相同的空燃比下, 热效率可提高50% , 而比油耗可减少33%。

另外, 燃烧室顶部的气体平均温度有所增加, 但其总体的温度则有所降低。

图2 Ferrenberg设计的超绝热发动机原理图日本歧阜大学的花村克悟和越后亮三等人在超绝热燃烧方面做了不少开拓性工作。

他们在1995 年就提出了超绝热发动机的概念, 并试制出一台样机。

其设计思想类似于斯特林发动机。

其工作原理如图3所示, 它由两个活塞(动力活塞与扫气活塞) 和一个多孔介质蓄热器组成(实际上两个活塞分别置于两个气缸内, 通过联动机构实现同步运动)。

蓄热器位于两个活塞顶之间且固定不动。

首先, 新鲜混合气被吸入气缸, 扫除缸内废气(图3①) , 然后扫气活塞对混合气进行压缩, 而动力活塞则靠近蓄热器而保持不动(图3②)。

在压缩末期, 两个活塞以几乎相同的速度同向运动, 使得被压缩的混合气在多孔介质蓄热器中被预热并着火, 从而实现等容燃烧(图3③)。

在后续的膨胀过程中, 燃烧热通过动力活塞的运动转变成机械运动, 此时, 扫气活塞则靠近蓄热器保持不动(图3④)。

最后在排气冲程中, 两个活塞同步右行, 废气在穿越蓄热器时, 其剩余热焓被有效地吸收并储存在多孔介质中(图3⑤)。

计算表明,即使对压缩比仅为2的情况, 其热效率仍然可达26% , 高于常规的奥托循环和狄塞尔循环。

花村等人认为, 在此基础上, 可以研制出低压缩比的环保性好的高效率新型内燃机。

图3 日本歧阜大学设计的超绝热发动机原理图4.2 基于多孔介质燃烧的热光伏系统热光伏系统的基本原理是把燃料燃烧所产生的热能以热辐射形式释放，使用光电池将其转换成电能。

热光伏系统主要包括3大部分：燃烧器、选择性波长辐射器和光电池。

热光伏系统的优点包括高功率密度，可使用多种燃料，便捷性，低噪音，可在无太阳光条件下运行，同时维修成本低。

最近几年，基于III-V族半导体的低能带光电池的发展[18]，热光伏系统的研究引起了人们的关注。

热光伏系统在空间尺度上的缩小，使面积/容积比率增大，可更充分地利用燃烧辐射来激发热光电转换器产生电流，提高能量转换效率。

一些军事组织对热光伏系统的转换产生了浓厚的兴趣，因为热光伏系统可能实现战略上的优势。

加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。