王恩宇 高攀 唐世乾 劉聯勝

摘要?針對高熱值氣體在多孔介質中燃燒時泡沫多孔介質熔融損壞和熱力型NOx大量生成的問題，設計了一臺具有水冷邊界的多孔介質燃燒器。在燃燒強度為200?kW/m2，當量比為0.90，水流量為1.2?L/min的條件下，在孔隙均勻型、縱向變化型和橫向變化型各3種結構的多孔介質燃燒室內組織液化石油氣-空氣的燃燒試驗，探究內芯結構對水冷燃燒器燃燒特性的影響規(guī)律，獲得綜合性能較好的內芯結構。結果表明：9種內芯結構中，孔隙縱向變化型的綜合性能優(yōu)于均勻型和橫向變化型，其熱量傳遞效果最好，不完全燃燒產物含量最低，NOx排放量可控制在34?mg/m3。在氣流方向上孔隙密度（PPI數）由小到大再變小排列，有利于燃燒和傳熱的需求。

關?鍵?詞?多孔介質;內芯結構;NOx排放量;水冷燃燒器

中圖分類號?TQ038.4;TK16?????文獻標志碼?A

Influence?of?inner?core?structure?on?combustion?characteristics?of?water?cooled?combustor

WANG?Enyu，?GAO?Pan，?TANG?Shiqian，?LIU?Liansheng

（School?of?Energy?and?Environmental?Engineering，?Hebei?University?of?Technology，?Tianjin?300401，?China）

Abstract?A?water?cooled?porous?media?combustor?is?designed?to?solve?the?problems?of?combustion?of?high?calorific?value?gases?in?porous?media：?melting?and?damage?of?foam?ceramic，?generation?of?thermal?NOx.?Combustion?tests?of?liquefied?petroleum?gas-air?in?a?porous media?combustor?with?various?inner?core?structures?were?carried?out?on?the?condition?of?combustion?intensity?of?200?kW/m2，?equivalence?ratio?of?0.90，?and?water?flow?rate?of?1.2?L/min.?Each?inner?core?structure?can?be?divided?into?three?types：?uniform?pore?type，?longitudinal?variation?pore?type?and?transverse?variation?pore?type.The?influence?of?the?inner?core?structure?on?the?combustion?of?the?water?cooled?combustor?is?studied?and?the?suitable?structure?is?gained.?The?results?show?that?the?comprehensive?performance?of?the?longitudinal?variation?pore?type?is?better?than?that?of?uniform?pore?or?transverse?variation?pore?in?the?nine-?core?structure.?Its?heat?transfer?effect?is?best?and?the?incomplete?combustion?product?is?lowest，?but?the?NOx?emission?can?be?reduced?to?34?mg/m3.?In?the?direction?of?airflow，?the?structure?of?pore?density（PPI?number）arrangement?with?small-large-small?is?favorable?to?the?demand?of?combustion?and?heat?transfer.

Key?words?porous?media;?inner?core?structure;?NOx?emission;?water?cooled?combustor

多孔介質燃燒技術與傳統燃燒技術相比，可增大負荷調節(jié)范圍、降低污染物排放、提高燃燒速率和減小燃燒器體積，甚至實現“超絕熱燃燒”[1-4]。但多孔介質燃燒技術的實際應用卻不是很多，在當前中國超低污染物排放要求越來越高的背景下，需要盡快解決多孔介質燃燒技術中的問題。液化石油氣等高熱值氣體在多孔介質中燃燒時會出現泡沫陶瓷熔融損壞和熱力型NOx的大量生成的問題，是制約多孔介質燃燒技術應用的重要因素之一。本文旨在通過改變多孔介質內芯結構和布置水冷邊界來降低燃燒區(qū)溫度，從而實現保護多孔介質燒蝕和降低NOx排放的目的。

眾多學者對不同孔隙密度內芯結構下多孔介質燃燒器內的阻力、輻射、對流和導熱特性進行了分析[5-8]?？紫督Y構的變化被證實會影響燃燒室冷卻邊界的傳熱量，進而影響燃燒室的溫度分布和燃燒狀況[9];在孔隙率相近時，孔隙密度越大，其導熱系數越大[10];相同孔隙率和空截面速度下，孔隙密度越大，孔徑越小，阻力越大[11]。多孔介質回熱效果需要根據輻射消光系數和比表面積兩個綜合因素來確定[12];火焰溫度可以由熱釋放、熱損失和熱傳遞共同控制[13]。帶換熱器的多孔介質燃燒器與絕熱燃燒器相比，污染物中CO和NO2排放量升高，NO排放量有所降低。隨著孔徑的減小，通過多孔介質的壓降增大[14]。不過幾乎所有的研究都針對較簡單變化的多孔介質孔隙結構而開展研究，多孔介質孔隙結構變化對其傳熱特性和內燃燒特性的影響的研究相對還很不足。

本文設計一臺具有水冷邊界的多孔介質燃燒器，探究內芯結構對多孔介質燃燒器燃燒特性的影響。旨在通過改變內芯結構排列影響燃燒室內燃燒和冷卻效果，達到控制NOx的目的。

1?試驗部分

1.1?試驗系統

本文搭建了一臺多孔介質燃燒器的試驗平臺，在燃燒強度為200?kW/m2，當量比為0.90，流量為1.2?L/min條件下進行9種內芯多孔介質結構的燃燒試驗。圖1為多孔介質燃燒器的試驗系統示意圖，主要包括供氣、供水系統，燃燒器主體，測量控制系統3個方面。

供氣、供水系統包括燃氣、空氣和冷卻水的供給。燃氣為液化石油氣，由液化石油氣鋼瓶供給?？諝庥陕菪龡U式空氣壓縮機供給。冷卻水為自來水。

燃燒器主體為兩側帶冷卻水室的燃燒室（如圖2所示）。燃燒室另兩側是覆蓋有硅酸鋁纖維層的不銹鋼板。不銹鋼板厚度為2?mm。燃燒室為1個矩形截面的空間，截面尺寸為200?mm×25?mm。燃燒室沿氣流方向分別為25?mm的防回火區(qū)、5?mm的點火縫隙區(qū)、200?mm的多孔介質燃燒區(qū)以及煙氣區(qū)。冷卻水室尺寸為800?mm×200?mm×20?mm（如圖1中編號9）。冷卻水室設計時，為了減少由于進口兩水管水流速不均勻造成的入口效應問題，留出一段較長的均流段。冷卻水和預混氣為逆流布置方式，燃燒器的底部有冷凝水的排水口，隨著燃燒試驗的進行，冷凝水滴沿著壁面匯集后流出。試驗使用碳化硅多孔介質，其尺寸為100?mm×40?mm×25?mm（長×寬×厚），孔隙率為85%，孔隙密度為10PPI、20PPI或30PPI，多孔介質燃燒區(qū)就是由這些條狀多孔介質排列組合而成。防回火區(qū)內多孔介質的孔隙密度為50PPI，可以有效防止回火。

本文共設計了3類多孔介質排列類型，根據燃燒段多孔泡沫陶瓷片孔隙排列不同，分別定義為孔隙均勻型（簡稱U型）、孔隙縱向變化型（簡稱L型）和孔隙橫向變化型（簡稱T型）。圖3為設計的9種內芯結構，同層布置有2片相同孔隙密度的泡沫陶瓷片。3種U型內芯分別由孔隙密度為10PPI、20PPI和30PPI的泡沫陶瓷片組成，簡稱為U10型、U20型和U30型。L型內芯結構沿縱向（氣流方向）分別由5片不同孔隙密度的泡沫陶瓷片組成，分別為：30-20-10-20-30PPI（L321型）、10-20-30-20-10PPI（L123型）和30-20-20-20-30PPI（L322型）。T型內芯在橫向（保溫層之間）分別由5片不同孔隙密度的泡沫陶瓷片組成，分別為：30-20-10-20-30PPI（T321型）、10-20-?30-20-10PPI（T123型）和30-20-20-20-30PPI（T322型）。

燃燒室內溫度由沿縱向40?mm間隔的6個S型熱電偶測得（圖2中S1-S6），裸露的熱電偶小球布置在泡沫陶瓷片之間。燃燒室出口煙溫由K型熱電偶測量，布置在多孔介質下方50?mm處（圖2中K7）。熱電偶絲外穿直徑2?mm的瓷珠，減少對燃燒室內氣流的影響，并起到絕緣和保護熱電偶絲的作用。在冷卻水室進口和出口處分別布置有pt100熱電阻各1個，測量冷卻水進出口溫度。溫度信號通過數據采集系統（安捷倫數據采集儀：34972A）檢測和記錄。多孔介質燃燒器排出的廢氣通過煙氣分析儀（ECON?EN2-F）測量。各測量儀器儀表的測量范圍和測量精度如表1所示。

1.2?試驗過程

本文主要進行內芯結構對多孔介質燃燒器燃燒特性影響的試驗研究，所有試驗均在燃燒強度為200?kW/m2，當量比為0.90和水流量為1.2?L/min的條件下完成。試驗開始時，首先打開冷水水閥，控制水流量為1.2?L/min，使冷水充滿冷卻水室，穩(wěn)定流動5?min后。逐漸調節(jié)燃氣和空氣流量，將預混氣調整到預定工況點燃。點燃后通過數據采集儀實時監(jiān)測各點溫度，當各測點溫度在20?min間隔內波動不超過5?℃時，則判定燃燒狀況達到穩(wěn)定，此時測量并記錄煙氣成分。重復進行多次試驗，每次試驗均可獲得燃燒室內溫度分布、污染物排放數據和冷卻水進、出口溫度。變量為多孔介質內芯結構，一種內芯結構試驗完成后，調大空氣量和水流量對燃燒器進行冷卻，待溫度冷卻至室溫后更換內芯結構再次進行試驗。

2?結果和分析

最優(yōu)內芯結構的評判準則首先是保證燃燒穩(wěn)定進行，即不完全燃燒產物含量少，其次考慮污染物NOx生成量。本研究中煙氣成分的測量值是按國家標準GB13271—2014的要求，折算到基準氧濃度為3.5%時的折算結果。

2.1?燃燒室內溫度分布

圖4為U20型內芯結構下，燃燒室內溫度隨時間的變化，由于燃氣為高熱值燃氣且采用內部高壓電極點火，故工況的穩(wěn)定時間很短，0?s為點火時刻，由圖看出燃燒溫度在800?s時基本不再發(fā)生變化工況達到穩(wěn)定，符合工況穩(wěn)定的判定條件。

燃燒室內的溫度分布是燃燒特性的重要組成部分。燃燒室內溫度主要由產熱量、熱損失、熱量傳遞共同決定，其受燃燒強度、當量比、冷卻水吸熱量等的影響。圖5為不同內芯結構下燃燒室內的溫度分布，由于水冷邊界的存在沿氣流方向燃燒室內溫度呈現下降趨勢，防回火結構與下游孔隙密度差別較大，火焰穩(wěn)定在交界面附近。由圖4看出在試驗燃燒條件下，測溫點最高溫度為777?℃。內芯結構對燃燒室內的溫度具有一定的影響，具體來看燃燒室上游溫度分布具有一定差別，其中L123型內芯結構的溫度最高，T321型內芯結構的溫度最低，同時不同內芯結構下6個溫度測點的平均溫度中，L123型內芯結構的平均溫度最高為225?℃，T321型內芯結構的平均溫度最低為178?℃，這可能主要由產熱量不同造成，圖6顯示出L123型內芯結構的不完全燃燒產物最低，其產熱量最多，而T321型內芯結構的不完全燃燒產物含量最高，產熱量最低。其次由于內芯結構不同，多孔介質的消光系數和比表面積不同，這會對燃燒狀況和熱量傳遞產生影響。L123型內芯結構孔隙密度先小后大，有利于回熱，上游燃燒溫度更高，燃燒狀況得到改善，而T321型內芯結構的孔隙密度先大后小，上游孔徑小，氣體流速大，高溫煙氣停留時間短，不利于熱量向上游的傳遞，其上游燃燒溫度低，燃燒狀況差。本文中不同內芯結構下冷卻水的進、出口水溫差和煙氣的出口溫度基本一致，燃燒室內孔隙密度變化對于水側吸熱量影響較小，所以燃燒器的熱損失是相同的。

2.2?不完全燃燒產物含量

不完全燃燒產物含量可以反映燃燒器燃燒完全程度。不完全燃燒產物主要受燃燒溫度，氧氣濃度，氣流混合狀況和煙氣滯留時間影響。圖6為不同內芯結構下不完全燃燒產物含量圖，試驗時在煙氣中發(fā)現未燃的CxHy，本文中不完全燃燒產物為CxHy和CO兩者和。

由圖6可以看出：U型內芯結構中的U20型內芯結構的不完全燃燒產物含量最低，其燃燒最完全。其原因可能是U10型的孔徑最大，多孔介質的消光系數最小、輻射距離最遠;U30型的孔徑最小，多孔介質的比表面積最大，其對流換熱能力最強。而U20型內芯結構溫度傳遞效果可能最好，其是輻射和對流綜合作用的結果，故該結構更有利于燃燒的進行，其不完全燃燒產物含量更低。文獻[12]中也得出類似結果。

L型內芯結構中，L123型的不完全燃燒產物含量最低，L322型內芯結構的不完全燃燒產物的含量最高。L123型孔隙密度為10-20-30-20-10PPI，孔隙密度為縱向先小后大再變小，在下游出口部分布置大孔徑多孔介質時，減小了在燃燒室出口的熱量散失，溫度降低梯度小，其中上游布置小孔徑多孔介質可以使大量熱量傳遞到燃燒器入口，預熱新鮮混合氣體，提高了燃燒室上游溫度。從而使燃燒室燃燒溫度較高，火焰更穩(wěn)定，燃燒也更為充分。

T型內芯結構中，T321型內芯結構的不完全燃燒產物含量最大，其孔隙密度橫向變化，預混氣在同一截面上阻力不同，氣體流動不均勻，造成氣體混合流動狀況差，不利于燃燒的穩(wěn)定進行。對于T322型內芯結構，其橫向孔隙密度變化差別相對最小，同一截面上氣流流動均勻，燃燒火焰受結構影響小，火焰易穩(wěn)定燃燒。文獻[15]中也指出多孔介質局部孔隙分布越不均火焰面越不容易穩(wěn)定。

2.3?NOx排放特性

多孔介質燃燒中主要考慮熱力型NOx，本文測得的NOx中NO占95%以上，以NO2和基準氧含量3.5%進行折算。影響NOx的因素包括燃燒溫度、氧氣濃度、預混氣的停留時間。高溫、高氧濃度、預混氣在高溫區(qū)停留時間過長都會促進熱力型NOx的生成。圖7為不同內芯結構下煙氣中NOx排放量，孔隙縱向變化型內芯結構的NOx排放量低于均勻型和孔隙橫向變化型，原因是其熱量傳遞效果好，其高溫區(qū)的范圍小，其NOx濃度可控制在34?mg/m3。T322型內芯結構時，孔隙密度大，預混氣在多孔介質內的阻力大，預混氣在高溫區(qū)的停留時間長，有利于NOx的生成。

3?結論

多孔介質燃燒器內的熱量傳遞是復雜的傳熱過程。在燃燒強度為200?kW/m2，當量比為0.90的條件下，在多孔介質燃燒器內進行了9種內芯結構的燃燒試驗，得出結論如下：

1）下游內芯結構的排列沒有改變火焰的位置，但由于熱量傳遞效果和阻力不同，其對氣流流動和燃燒火焰穩(wěn)定性產生影響。

2）孔隙縱向變化型內芯結構的綜合性能優(yōu)于均勻型和橫向變化型，其不完全燃燒產物的含量最低，傳熱效果最好，火焰易穩(wěn)定，其NOx排放量可控制34?mg/m3。

3）孔隙均勻型內芯結構中，20PPI內芯結構的燃燒室熱量傳遞效果最好，其不完全燃燒產物含量最低。

4）在氣流方向上孔隙密度由小到大再變小排列，有利于前端火焰的穩(wěn)定燃燒。而孔隙密度橫向變化其沿燃燒室截面方向對氣流阻礙作用不同，不利于火焰的穩(wěn)定燃燒。

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[責任編輯????田????豐]