方 楠，徐江榮，王關(guān)晴，陳翔翔，周 航

(杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，燃?xì)庠罹咂骄M(fèi)水平不斷提高，高端燃?xì)庠罹呦M(fèi)比重上升，節(jié)能減排要求不斷提高，對(duì)燃?xì)庠罹呷紵阅艿确矫嫣岢隽诵碌囊?，比如高燃燒溫度、低燃燒污染物排放、高熱效率等。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)是目前最新的燃燒技術(shù)，具有燃燒速率快、燃燒穩(wěn)定、溫度分布均勻、功率密度高、負(fù)荷變化范圍廣及NOx和CO排放低等優(yōu)勢(shì)[1-3]。王恩宇等[4]提出一種漸變型多孔介質(zhì)燃燒器，研究漸變結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒火焰特性的影響，結(jié)果表明，漸變孔徑的多孔介質(zhì)燃燒器溫度分布更加均勻，燃燒更加穩(wěn)定，CO和NOx等污染物排放更低。Gao等[5]研究堆積型雙層結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性，分析小球直徑對(duì)燃燒特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著填充小球直徑的增加，穩(wěn)定燃燒區(qū)域增大且污染物排放降低。Wan等[6]通過(guò)改變多孔介質(zhì)燃燒器中通道初始?jí)毫筒挤獍彘L(zhǎng)度，探究布封板的防回火性能，結(jié)果表明，穿孔板狹縫通道對(duì)火焰起抑制作用，通道越長(zhǎng)，火焰熱量的損失越大，防回火效果越好。Wang等[7]研究燃燒器入口氣體流量、當(dāng)量比和氧化鋁顆粒直徑對(duì)燃燒器燃燒溫度的影響，結(jié)果表明，顆粒直徑越小或入口空氣流量越大，超絕熱燃燒對(duì)應(yīng)的臨界當(dāng)量比越大。Shi等[8]研究當(dāng)量比對(duì)火焰傾角和破裂的影響，提出一種二維雙溫度模型。Keramiotis等[9]研究?jī)蓪泳匦味嗫捉橘|(zhì)燃燒器的污染物排放特性，結(jié)果表明，氮氧化物排放量小于等于31 mg/kWh，一氧化碳排放量小于等于29 mg/kWh。Ghorashi等[10]研究中心穿孔型多孔介質(zhì)燃燒器的污染物排放，結(jié)果表明，穿孔型燃燒器CO排放低于傳統(tǒng)多孔介質(zhì)燃燒器，且中心孔直徑的增加使得CO排放減少。本文介紹了多孔介質(zhì)燃燒在其他領(lǐng)域的研究應(yīng)用，著重闡述多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)在民用燃?xì)庠罹呱系难芯楷F(xiàn)狀和進(jìn)展，對(duì)比燃燒溫度分布、污染物排放及熱效率的研究結(jié)果，分析并提出PMC技術(shù)在燃?xì)庠罹呓Y(jié)構(gòu)、材料、適應(yīng)性等方面的改進(jìn)建議。

1 多孔介質(zhì)燃燒原理與形式

20世紀(jì)70年代初，英國(guó)學(xué)者Weinberg提出“超焓燃燒”概念：提高燃料混合物自身能量或通過(guò)燃燒熱量再循環(huán)可以改善燃燒效果，使得燃燒溫度超出燃料絕熱燃燒的最大理論燃燒溫度[11]。目前，“超焓燃燒”實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式，一是利用外部熱量再循環(huán)，通過(guò)高效換熱器吸收高溫?zé)煔庥酂?，如“高溫空氣燃燒技術(shù)”(Highly Temperature Air Combustion，HTAC)；二是利用燃燒區(qū)自身熱量再循環(huán)，如多孔介質(zhì)燃燒(Porous Media Combustion，PMC)技術(shù)，通過(guò)燃燒區(qū)域內(nèi)多孔介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，對(duì)預(yù)混燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)“超焓燃燒”。根據(jù)多孔介質(zhì)燃燒火焰穩(wěn)定位置，多孔介質(zhì)燃燒方式主要有浸沒(méi)燃燒(基層穩(wěn)定燃燒)與表面輻射燃燒[12]。浸沒(méi)燃燒是指火焰穩(wěn)定后浸沒(méi)在多孔介質(zhì)孔隙的內(nèi)部燃燒，燃燒時(shí)不能直接觀測(cè)到火焰形態(tài)；表面燃燒是指火焰穩(wěn)定于多孔介質(zhì)上層或多孔介質(zhì)表面的燃燒，通常出現(xiàn)自由火焰形態(tài)，燃燒時(shí)能直接觀測(cè)到藍(lán)色火焰形態(tài)。

2 民用燃?xì)庠罹哐芯窟M(jìn)展

在“超焓燃燒”概念的基礎(chǔ)上，Takeno等[13]向火焰內(nèi)部插入高導(dǎo)熱系數(shù)多孔介質(zhì)材料，利用多孔介質(zhì)來(lái)改變火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)導(dǎo)熱和輻射方式使得熱量從下游向上游傳遞，實(shí)現(xiàn)了自身結(jié)構(gòu)的熱量再循環(huán)。隨后，Takeno等[14]研究了內(nèi)部熱再循環(huán)，發(fā)現(xiàn)持續(xù)燃燒存在一個(gè)臨界質(zhì)量流速。Buckmaster等[15]針對(duì)燃燒火焰穩(wěn)定位置的影響因素展開研究，解釋了燃燒火焰的吹脫和回火現(xiàn)象。Wang等[16]針對(duì)燃燒系統(tǒng)的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)中添加多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)能獲得更高的輻射率，同時(shí)能有效回收煙氣余熱，降低排煙溫度。Wang等[17]分析了預(yù)熱空氣溫度對(duì)火焰前鋒傾角和傳播速度的影響，結(jié)果表明，提高預(yù)熱空氣溫度有助于提高火焰的穩(wěn)定性，提高最高燃燒溫度。目前，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)已初步應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃燒系統(tǒng)及家用熱交換器等領(lǐng)域。Park等[18]在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中加入多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀察到多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)能改善燃料與空氣混合效果，從而進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)燃燒效率。Pan等[19]研究微型多孔介質(zhì)燃燒室燃燒特性，結(jié)果表明，多孔介質(zhì)可以提高火焰穩(wěn)定性，獲得更高的轉(zhuǎn)化效率。Vasquez等[20]通過(guò)添加燃燒器外部隔熱殼，研制了一種新型多孔介質(zhì)CH4燃燒的低溫?zé)崴到y(tǒng)。Dehaj等[21]設(shè)計(jì)的一種運(yùn)用多孔介質(zhì)燃燒器的家用熱交換器可以獲得更高的熱交換效率。Jugjai等[22]運(yùn)用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建內(nèi)部熱量再循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了新型的多孔介質(zhì)輻射再循環(huán)燃燒器(Porous Radiant Recirculated Burner, PPRB)，結(jié)果表明，PPRB在燃燒熱效率、穩(wěn)定性范圍和污染物排放都優(yōu)于多孔介質(zhì)輻射燃燒器(Porous Radiant Burner, PRB)。近年來(lái)，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)開始應(yīng)用于新型民用燃?xì)庠罹叩拈_發(fā)，本文從溫度分布、污染物、熱效率等3個(gè)方面來(lái)分析民用多孔介質(zhì)燃燒器灶具的燃燒性能。

2.1 溫度分布

溫度分布是衡量燃燒效果的重要參數(shù)之一。Mujeebu等[23]針對(duì)多孔介質(zhì)燃?xì)庠畹谋砻嫒紵徒](méi)燃燒的溫度分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)浸沒(méi)型燃?xì)庠畹钠骄鶞囟鹊陀诒砻嫘腿細(xì)庠睢bdelaal等[24]分析空氣中氧氣濃度對(duì)燃燒特性的影響，使用預(yù)混輻射多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)行研究，結(jié)果表明，多孔介質(zhì)燃燒器的表面溫度高于傳統(tǒng)燃?xì)庠罹?Conventional Burner，CB)，表面溫度與燃燒功率呈正相關(guān)且?guī)缀醪皇苎鯕鉂舛扔绊?。Mishra等[25]設(shè)計(jì)了一種自吸式多孔介質(zhì)燃燒器，針對(duì)軸向和徑向溫度分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PRB的溫度分布更均勻，且隨著功率增大，燃燒區(qū)最高溫度逐漸升高。Pantangi等[26]測(cè)量多孔介質(zhì)層雙層輻射燃?xì)庠钶S向溫度分布，研究發(fā)現(xiàn)燃燒反應(yīng)穩(wěn)定于預(yù)熱區(qū)和燃燒區(qū)交界處，隨熱功率的增加，燃燒區(qū)向上游偏移。Mishra等[27]研究中型(5～10 kW)雙層多孔介質(zhì)輻射燃?xì)獯毒邚较驕囟群洼S向溫度的分布，結(jié)果表明，最高溫度隨著當(dāng)量比的增加而增加，當(dāng)量比越大，燃燒區(qū)域的最大溫差越大。沈敏[28]對(duì)自行設(shè)計(jì)的多孔介質(zhì)智能灶進(jìn)行表面溫度分布研究，結(jié)果表明，在當(dāng)量比一定時(shí)，隨著預(yù)混燃?xì)饬魉俚脑黾?，穩(wěn)定時(shí)的燃?xì)庠畋砻嫫骄鶞囟戎饾u升高，表面溫度趨向均勻分布。Bubnovich等[29]研究網(wǎng)狀泡沫氧化鋁、蜂窩泡沫氧化鋁和碳化硅等3種多孔介質(zhì)泡沫板對(duì)燃燒波傳播特性的影響，通過(guò)改變混合物當(dāng)量比和流量來(lái)研究燃燒特性，結(jié)果表明，燃燒器頂部放置蜂窩泡沫，底部放置網(wǎng)狀泡沫，可以提高火焰燃燒的穩(wěn)定性。

本文針對(duì)民用燃?xì)庠罹呷紵郎囟确植继匦?，?duì)比分析了典型民用燃?xì)庠钗墨I(xiàn)的軸向溫度與表面溫度分布數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖1所示。圖1(a)是無(wú)量綱軸向距離與燃燒溫度的數(shù)據(jù)圖，采用誤差棒來(lái)統(tǒng)計(jì)溫度波動(dòng)范圍，中心數(shù)據(jù)為平均溫度。圖1(b)為燃?xì)庠罹弑砻鏈囟确植紨?shù)據(jù)圖。

圖1 多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠罹叩臏囟确植?/p>

從圖1(a)可以看出，文獻(xiàn)[27]的CB溫度曲線最高溫度達(dá)1 400 ℃左右，溫度高于1 000 ℃的區(qū)域占比約10%。文獻(xiàn)[25,27]的PRB溫度曲線最高溫度低于CB，但溫度高于1 000 ℃的區(qū)域占比達(dá)50%。比較PRB與CB的溫度數(shù)據(jù)可以看出，PRB技術(shù)的運(yùn)用使得高溫區(qū)域得到擴(kuò)展，溫度分布更均勻。圖1(b)中，文獻(xiàn)[25]的PRB曲線是1～3 kW熱功率下預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠畹臏囟确植?，可以看出，最高溫度位于軸心，熱功率的增加使得燃?xì)庠罹弑砻鏈囟染鶆蛏?。比較圖1(a)和圖1(b)溫度數(shù)據(jù)可以看出，軸向最高溫度高于燃燒器表面最高溫度70 ℃左右。綜上所述，多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠罹叩妮S向溫度和表面溫度隨著熱功率的增加而增加，最高溫度位于950～1 300 ℃。

目前，穩(wěn)定燃燒火焰的方法主要有：(1)利用不同孔隙率的多孔介質(zhì)板來(lái)穩(wěn)定燃燒火焰[29]；(2)通過(guò)添加往復(fù)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸入反應(yīng)物和輸出燃燒產(chǎn)物之間的周期變化來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒[30]；(3)通過(guò)在多孔介質(zhì)燃燒器中構(gòu)建可變截面限制火焰燃燒區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒[31]。基于以上方法，Wu等[32]研究金屬小球構(gòu)成的多孔介質(zhì)平面火焰燃燒器(Flat Flame Burner，F(xiàn)FB)的燃燒穩(wěn)定性，結(jié)果表明，在最高溫度相近情況下，平面火焰燃燒器的燃燒穩(wěn)定性比噴射火焰燃燒器(Jet Flame Burner，JFB)更好，穩(wěn)定性范圍更廣。沈敏[28]針對(duì)風(fēng)門開度和熱功率對(duì)于多孔介質(zhì)智能灶著火穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨著風(fēng)門開度增大，卷吸空氣量增大，燃?xì)忸A(yù)混更徹底，燃燒更充分，燃?xì)庠钸_(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間減少；熱功率增大，單位時(shí)間燃?xì)猱a(chǎn)熱量增多，加快升溫速率。

2.2 污染物

為改善燃燒污染物排放情況，Mujeebu等[23]使用液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，LPG)作為燃料，針對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器的浸沒(méi)燃燒和表面燃燒進(jìn)行污染物排放研究，結(jié)果表明，浸沒(méi)燃燒方式污染物排放低于表面燃燒。Mujeebu等[23]和Pantangi等[26]比較分析多孔介質(zhì)燃?xì)庠詈虲B的污染物排放，結(jié)果表明，使用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)能有效降低污染物排放。Abdelaal等[24]研究氧氣濃度對(duì)于多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠钗廴疚锱欧诺挠绊?，結(jié)果表明，NOx排放基本不受氧氣濃度影響。Mishra等[25]研究自吸式多孔介質(zhì)燃燒器的供氣管道直徑對(duì)污染物排放的影響，結(jié)果表明，混合室進(jìn)氣口管道為0.35 mm,燃燒室進(jìn)氣口直徑為21.00 mm時(shí)，污染物排放最低。Mishra等[27]研究5～10 kW的PRB污染物排放情況，結(jié)果表明，多孔介質(zhì)燃?xì)庠钗廴疚锱欧胚h(yuǎn)低于CB。沈敏[28]研究2.5～3.5 kW引風(fēng)式多孔介質(zhì)燃?xì)庠钗廴疚锱欧?，結(jié)果表明，NOx排放較低，CO排放高于65.50 mg/Nm3。Muthukumar等[33]研發(fā)的新式多孔介質(zhì)預(yù)熱燃燒器，CO和NOx排放在11.25～20.00 mg/Nm3和0～0.41 mg/Nm3的范圍。本文匯總了典型文獻(xiàn)中污染物排放的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 多孔介質(zhì)燃燒民用燃?xì)庠罹吲欧诺奈廴疚?/p>

從表1可以得出，多數(shù)污染物排放可實(shí)現(xiàn)：氮氧化物排放量小于等于41.00 mg/Nm3，CO排放量小于等于100.00 mg/Nm3。為掌握燃燒污染物變化特性，本文針對(duì)民用燃?xì)庠罹呶廴疚镒兓匦?，?duì)比分析典型相關(guān)文獻(xiàn)中當(dāng)量比對(duì)于污染物排放的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，在相同熱功率下，CO排放濃度最低值均出現(xiàn)在φ=0.55附近位置；當(dāng)量比改變使CO排放增加；在相同當(dāng)量比下，隨著燃燒功率的增加，CO排放濃度均有所提高，但影響效果較小。從圖2(b)可以看出，NOx排放都非常低，低于超低排放濃度50.00 mg/Nm3；NOx排放濃度均隨著當(dāng)量比的增加明顯增加；隨著燃?xì)庠罹吖β实脑黾樱琋Ox排放濃度逐漸增加。

圖2 多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠罹咴诓煌?dāng)量比下的CO排放量和NOx排放量

不同熱功率下，CO和NOx排放數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠罹咴诓煌瑹峁β氏碌腃O排放量和NOx排放量

從圖3(a)可以看出，熱功率在6 kW以下時(shí)，CO排放濃度均低于300.00 mg/Nm3；當(dāng)量比固定下，熱功率的增加導(dǎo)致NOx迅速增加。從圖3(b)可以看出，熱功率為9 kW以下時(shí)，NOx低于50.00 mg/Nm3。

2.3 熱效率

熱效率是評(píng)價(jià)燃?xì)庠罹呷紵阅艿闹匾笜?biāo)。Wu等[32]通過(guò)傳熱分析和數(shù)值模擬，探究平面火焰燃燒器作為家用灶具的可行性，結(jié)果表明，平面火焰燃燒器熱效率穩(wěn)定于41.0%～56.0%。Jugjai等[34-35]在傳統(tǒng)LPG明火燃燒器中，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)中心火焰技術(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)預(yù)混，增強(qiáng)預(yù)混效果，提高了燃燒熱效率；隨后將旋轉(zhuǎn)中心火焰技術(shù)運(yùn)用到多孔輻射燃燒器中，結(jié)合熱循環(huán)系統(tǒng)，使民用燃?xì)庠罹咦畲鬅嵝蔬_(dá)到60.0%，比傳統(tǒng)燃?xì)庠罹吒?2.0%。Pantangi等[26]研制了幾種帶有PRB的液化石油氣灶具，在不同當(dāng)量比和熱負(fù)荷工況下，對(duì)熱效率進(jìn)行研究，結(jié)果表明，其最大熱效率可達(dá)68.0%。Muthukumar等[33]考慮環(huán)境溫度對(duì)熱效率的影響，在當(dāng)量比為0.68和熱負(fù)荷為1.24 kW的工況下，最大熱效率從18.5 ℃的61.0%增加到31.0 ℃下的71.0%。Mujeebu等[23]開發(fā)了基于浸沒(méi)燃燒或表面燃燒模式的兩種小型多孔介質(zhì)燃?xì)庠?，結(jié)果表明，表面燃燒模式的多孔介質(zhì)燃?xì)庠钭畲鬅嵝士蛇_(dá)71.0%。Muthukumar等[36]研究多孔介質(zhì)孔隙率對(duì)燃燒效率的影響，結(jié)果表明，孔隙率為90.0%時(shí)，最大熱效率可達(dá)75.0%。Mishra等[27]研究中型(5～10 kW)液化石油氣兩層多孔輻射燃燒器炊具的熱效率，實(shí)驗(yàn)表明，燃?xì)庠罹咚矫媾c煮水容器間隔30 mm時(shí)的熱效率最高，熱效率比同工況下CB高28.0%。Herrera等[37]研究多孔介質(zhì)燃燒器貧燃情況下的熱效率，與自由火焰燃燒器相比，熱效率提高了7.0%～14.0%。Mishra等[25]研究自吸式多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)氣口和燃燒器直徑對(duì)熱效率的影響，結(jié)果表明，最大熱效率可達(dá)75.1%。Chaelek等[38]設(shè)計(jì)了一種新型自吸式多孔介質(zhì)燃燒器，在外側(cè)增加環(huán)形熱量吸收器和發(fā)射器，將部分燃燒熱再循環(huán)以預(yù)熱自卷吸空氣來(lái)提高熱效率，能耗比CB低28.6%。選取以LPG為燃料的典型文獻(xiàn)，對(duì)比分析其燃燒工況及熱效率，結(jié)果如表2所示。

表2 多孔介質(zhì)燃燒民用燃?xì)庠罹邿嵝蕦?duì)比

從表2可以看到，雙層多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)燃?xì)庠罹哐芯空急雀?，且雙層多孔介質(zhì)燃燒器熱效率普遍較高；當(dāng)量比取值范圍一般位于0.50～0.80內(nèi)，應(yīng)提供過(guò)量空氣以實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)的充分燃燒；最大熱效率可達(dá)70.0%～75.1%；文獻(xiàn)[32,35]的結(jié)果表明，當(dāng)量比在超出1.00范圍后，熱效率降低；文獻(xiàn)[25,27]結(jié)果表明，在多孔介質(zhì)層結(jié)構(gòu)和當(dāng)量比工況一定時(shí)，隨著燃?xì)庠罹吖β实慕档停嗫捉橘|(zhì)燃燒民用燃?xì)庠罹叩臒嵝试黾印?/p>

3 結(jié)論與展望

本文闡述了多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠罹叩难芯楷F(xiàn)狀和進(jìn)展，選取燃?xì)庠罹叩娜紵郎囟确植?、污染物排放及熱效?個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，現(xiàn)有燃?xì)庠罹弑砻鏈囟瓤筛哌_(dá)950～1 250 ℃；CO排放普遍低于100.00 mg/Nm3，NOx排放低于50.00 mg/Nm3，熱效率高達(dá)70.0%～75.1%。但是，多孔介質(zhì)民用燃?xì)庠畹娜紵阅苋孕柽M(jìn)一步改進(jìn)，建議從穩(wěn)定復(fù)合范圍、PMC抗熱震性及燃料適應(yīng)性范圍等3個(gè)方面進(jìn)行深入研究和改善。