同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院　劉　振　秦朝葵　鄭　璐　李和穎

泡沫陶瓷燃燒器的實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院劉振秦朝葵鄭璐李和穎

針對(duì)低熱值氣體的燃燒利用搭建了一套泡沫陶瓷燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并介紹了該實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的基本組成。測試了實(shí)驗(yàn)臺(tái)在無背壓情況和背壓情況下的燃燒特性以及最小當(dāng)量比與燃?xì)饬髁恐g的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：點(diǎn)火開始后，預(yù)混氣體先在泡沫陶瓷表面燃燒，隨后火焰逐漸向泡沫陶瓷內(nèi)部移動(dòng)，最后在泡沫陶瓷內(nèi)部燃燒并達(dá)到穩(wěn)定。無背壓情況下，最小當(dāng)量比隨燃?xì)饬髁康脑龃蠖鴾p小；背壓情況下，加入二次空氣后，能顯著降低最小當(dāng)量比，但與燃?xì)饬髁恐g并沒有明顯的單調(diào)關(guān)系。

泡沫陶瓷低熱值氣體燃燒器最小當(dāng)量比

0　前言

長期以來，化石能源一直是世界能源結(jié)構(gòu)的主體，當(dāng)今世界80%以上的能源都來自于化石燃料的燃燒。然而在能源利用上，大量的低品位能源未被開發(fā)和利用，如工業(yè)生產(chǎn)及能源生產(chǎn)中的各種低熱值氣體，包括固體氧化物燃料電池(SOFC)尾氣、高爐煤氣、冶煉尾氣、垃圾填埋氣等。這是因?yàn)榈蜔嶂禋怏w可燃成分稀薄，難以通過常規(guī)燃燒技術(shù)予以利用，若直接排入大氣中，不僅造成能源浪費(fèi)，而且其所含有毒物質(zhì)還會(huì)污染環(huán)境。其中普遍應(yīng)用的燃料電池SOFC尾氣溫度高、壓力大，它的燃燒利用是在有背壓情況下進(jìn)行的。

泡沫陶瓷燃燒技術(shù)是一種新型的多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，是預(yù)混氣體在耐高溫的多孔材料內(nèi)特殊的燃燒方式。泡沫陶瓷自身蓄熱能力強(qiáng)，可以回收高溫?zé)煔獾挠酂?，并將回收的熱量通過泡沫陶瓷的導(dǎo)熱和輻射作用向上游傳遞以達(dá)到預(yù)熱預(yù)混氣體的目地。由于其特殊的材料性質(zhì)，泡沫陶瓷燃燒不僅可以提高氣體燃燒效率，降低污染物排放，而且可以顯著拓寬燃料的貧燃極限，是實(shí)現(xiàn)低熱值氣體穩(wěn)定燃燒、清潔利用的有效途徑。

本文針對(duì)低熱值氣體的燃燒應(yīng)用搭建了一套泡沫陶瓷燃燒試驗(yàn)臺(tái)，在有背壓和無背壓情況下采用不同的點(diǎn)火方式，以管道天然氣為燃料對(duì)其燃燒特性進(jìn)行了研究。確定了該泡沫陶瓷燃燒器在無背壓下燃燒的溫度分布、火焰面情況和最小當(dāng)量比與燃?xì)饬恐g的關(guān)系；背壓下加入二次空氣后最小當(dāng)量比與燃?xì)饬恐g的關(guān)系，為深入研究低熱值氣體尤其是SOFC尾氣的燃燒利用提供了技術(shù)參考。

1　實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

本文搭建的泡沫陶瓷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

實(shí)驗(yàn)中采用孔徑為60PPI(Pores Per Inch)和10PPI的碳化硅泡沫陶瓷，高50 mm、直徑100 mm的圓柱體。下面分別對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1.1供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)為燃燒系統(tǒng)提供壓力穩(wěn)定的氣體來源，包括壓縮空氣和管道天然氣，天然氣組分如表1所示。壓縮空氣分為兩部分送入燃燒器，分別通過腰輪及渦輪流量計(jì)監(jiān)測流量，燃?xì)馔ㄟ^干式燃?xì)獗肀O(jiān)測流量。

表1　實(shí)驗(yàn)用天然氣的組分

1.2燃燒系統(tǒng)

整個(gè)燃燒系統(tǒng)包括預(yù)混段、燃燒段、窺火段、二次空氣段以及煙氣段。

燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)混室下端有兩個(gè)進(jìn)氣口，分別是燃?xì)膺M(jìn)氣口和空氣進(jìn)氣口，實(shí)驗(yàn)過程中，空氣量遠(yuǎn)大于燃?xì)饬?，因此空氣?cè)的管徑大于燃?xì)鈧?cè)的管徑，兩者通過文丘里管進(jìn)行連接，通過空氣引射燃?xì)馐箍諝夂腿細(xì)獬浞只旌?。為使氣流進(jìn)一步混合均勻，在燃燒器的頭部加了一塊均流板。

燃燒段內(nèi)徑108 mm，長度150 mm，實(shí)驗(yàn)材料——碳化硅泡沫陶瓷填充在其內(nèi)部，整個(gè)多孔介質(zhì)層由不同孔徑的泡沫陶瓷體疊加而成，孔徑10PPI的位于上部，60PPI的位于下部，可以有效起到防回火作用。泡沫陶瓷與燃燒器內(nèi)壁面之間的縫隙用石棉繩進(jìn)行填充。

背壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，燃燒器完全封閉，為了更好的觀測火焰，將一塊20×50 mm的石英玻璃嵌入其壁面上，實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過石英玻璃口來觀察燃燒時(shí)火焰的形態(tài)進(jìn)而判斷燃燒狀態(tài)。

二次空氣段長150 mm，由內(nèi)外兩個(gè)筒組合而成，內(nèi)筒直徑108 mm。在外筒側(cè)開一個(gè)1寸的口作為二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口，內(nèi)筒沿半徑方向打上一定尺寸的小孔，使二次空氣進(jìn)入內(nèi)筒與燃燒后的煙氣進(jìn)行充分混合。

1.3測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括溫度、壓力測量以及煙氣分析系統(tǒng)。溫度測量即在燃燒段沿軸向位置15～120 mm處之間每隔12.5 mm布置一只熱電偶，每兩只熱電偶之間沿半徑方向成30°，共布置9只熱電偶，以T1～T9表示，從上至下依次為T1、T2……T9，測孔布置情況如圖3所示。通過對(duì)燃燒器邊壁的溫度測量，可以清楚判斷火焰分布情況。熱電偶與模塊相連，通過模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的顯示和儲(chǔ)存使用的是自行編制的Labview程序。

圖3　燃燒器溫度測孔布置

壓力測量值有四個(gè)：空氣側(cè)壓力、燃?xì)鈧?cè)壓力、泡沫陶瓷兩側(cè)的壓力損失以及燃燒室的背壓值?？諝鈧?cè)壓力、燃?xì)鈧?cè)壓力以及燃燒室的背壓值均用量程相對(duì)較大的U型玻璃管壓力計(jì)測量，而氣體通過泡沫陶瓷兩側(cè)的壓力損失采用精度較高、量程較小的斜管式微壓計(jì)來測量。壓力測量目的主要是通過測量氣體流過泡沫陶瓷及整個(gè)燃燒器的壓損以便確定合適的燃?xì)鈧?cè)和空氣側(cè)進(jìn)氣壓力。

實(shí)驗(yàn)采用KM9106綜合煙氣分析儀對(duì)燃燒后產(chǎn)生煙氣的成分進(jìn)行分析，當(dāng)測量煙氣的成分時(shí)，將煙氣分析儀的探針對(duì)準(zhǔn)煙氣出口進(jìn)行采樣即可，此時(shí)煙氣分析儀的數(shù)據(jù)顯示面板會(huì)顯示出各種數(shù)據(jù)量，如：SO2、NO2、CO2、NOx含量等，待穩(wěn)定之后將需要的數(shù)據(jù)記錄下來。

1.4控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：控制器以及燃?xì)饪諝獗壤y?？刂破髦饕菍?duì)燃燒過程進(jìn)行控制，燃燒過程控制又包括自動(dòng)點(diǎn)火和熄火保護(hù)等。本實(shí)驗(yàn)采用自動(dòng)點(diǎn)火控制，實(shí)現(xiàn)了安全自檢、點(diǎn)火控制和熄火保護(hù)。選用Danfoss(丹佛斯)ENI 1P(單電極)052F0040型點(diǎn)火變壓器，能安全快速點(diǎn)燃空氣和燃?xì)獾幕旌蠚怏w，使燃燒器的安全運(yùn)行得到保障。燃?xì)饪諝獗壤y采用西門子VGU86燃?xì)馑欧姶砰y。用伺服調(diào)壓方式，反饋采樣，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，能夠保證燃?xì)獬隹趬毫Ψ€(wěn)定，從而保證燃燒的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生火焰沖擊現(xiàn)象。

2　實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)處理

2.1無背壓燃燒器的實(shí)驗(yàn)過程

無背壓下燃燒器即不包括下游的窺火段、二次空氣段和煙氣段，如圖4所示。

圖4　火焰向多孔介質(zhì)內(nèi)移動(dòng)時(shí)的燃燒狀態(tài)

2.1.1實(shí)驗(yàn)操作過程

檢查各個(gè)儀器能否正常使用，燃燒器與各個(gè)管路的連接是否氣密性良好；首先打開壓縮空氣閥門，調(diào)節(jié)空氣流量，接著打開天然氣控制閥門；待進(jìn)入預(yù)混段的燃?xì)夂涂諝獾膲毫Ψ€(wěn)定下來后，在多孔介質(zhì)燃燒器出口點(diǎn)火，燃燒器預(yù)熱一段時(shí)間之后，再接通測溫模塊；觀察各溫度測點(diǎn)的溫度，開啟煙氣分析儀，分析煙氣成分；記錄所有的測量結(jié)果；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉供氣閥門，切斷電源設(shè)備。

2.1.2燃燒過程及分析

2.1.2.1點(diǎn)火階段

由于存在猝熄效應(yīng)，在泡沫陶瓷中直接用電火花點(diǎn)火是比較困難的，本實(shí)驗(yàn)采用在泡沫陶瓷下游微型電火花點(diǎn)火器的點(diǎn)火方式。燃燒開始時(shí)，火焰主要位于多孔介質(zhì)外，呈藍(lán)色，燃?xì)庠谂菽沾蓛?nèi)燃燒不完全。造成這一現(xiàn)象的主要原因是泡沫陶瓷的比熱容和熱惰性較大，使得它的溫度上升較慢，這時(shí)泡沫陶瓷既不能發(fā)揮預(yù)熱預(yù)混氣體的作用，也無法使氣體在多孔內(nèi)部燃燒。

2.1.2.2火焰向泡沫陶瓷內(nèi)部移動(dòng)階段

我們的做法是：要求每組學(xué)生在上交閱讀筆記的同時(shí)，在附錄中注明每個(gè)成員的貢獻(xiàn)，并進(jìn)行排序，教師則根據(jù)文獻(xiàn)的難度和完成情況給每組一個(gè)評(píng)定分?jǐn)?shù)。然后依據(jù)每組內(nèi)部的排序，給每個(gè)學(xué)生賦予不同的權(quán)重，最終得到每個(gè)學(xué)生的成績：

點(diǎn)火一段時(shí)間之后，泡沫陶瓷的溫度上升，高溫的泡沫陶瓷通過輻射、導(dǎo)熱、對(duì)流的方式預(yù)熱預(yù)混氣體，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，火焰將?huì)慢慢往泡沫陶瓷內(nèi)部移動(dòng)，如圖4所示。但此時(shí)泡沫陶瓷溫度仍然較低，主要是由于泡沫陶瓷的熱惰性，使得燃燒反應(yīng)放出的熱量加熱泡沫陶瓷使其溫度上升需要一段時(shí)間。

2.1.2.3火焰進(jìn)入泡沫陶瓷階段

燃燒持續(xù)一段時(shí)間后，泡沫陶瓷溫度較高，對(duì)預(yù)混氣體的預(yù)熱作用加強(qiáng)，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒗^續(xù)增大，火焰完全進(jìn)入泡沫陶瓷內(nèi)部，泡沫陶瓷被充分加熱，溫度升高，顏色變亮，同時(shí)由于對(duì)預(yù)混氣體的充分預(yù)熱，燃燒完全程度提高，火焰呈現(xiàn)為黃色。

實(shí)驗(yàn)表明，預(yù)混氣體速度越小，越有利于火焰進(jìn)入泡沫陶瓷，而氣流速度越大越容易發(fā)生脫火和吹熄現(xiàn)象。只有當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跉饬魉俣葧r(shí)，火焰才會(huì)慢慢進(jìn)入泡沫陶瓷內(nèi)部，而火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕c燃燒室的溫度和當(dāng)量比有關(guān)。因此，為了使火焰進(jìn)入泡沫陶瓷內(nèi)部，可以通過延長燃燒時(shí)間或調(diào)節(jié)當(dāng)量比來實(shí)現(xiàn)。

2.1.2.4持續(xù)充分燃燒，燃燒情況較為理想階段

燃燒持續(xù)一段時(shí)間之后，泡沫陶瓷將達(dá)到一個(gè)更高的溫度，燃燒段壁面溫度分布如圖5所示。

圖5　火焰在泡沫陶瓷內(nèi)穩(wěn)定燃燒時(shí)的溫度分布

3、4、5點(diǎn)的溫度較其它點(diǎn)高，而3、4、5點(diǎn)的位置就是大孔泡沫陶瓷所處的位置，因此可以判斷燃燒穩(wěn)定時(shí)火焰面的位置在大孔陶瓷內(nèi)部。此時(shí)，通過熱量回流作用對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行預(yù)熱，氣體溫度升高，提高了燃燒溫度以及加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，預(yù)混氣體速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⑦_(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)泡沫陶瓷的熱惰性開始發(fā)揮其有利的一面，由于蓄熱作用，在出現(xiàn)短暫供氣終止的情況下，依然可以將燃燒器維持一個(gè)高溫，當(dāng)恢復(fù)供氣后能夠繼續(xù)燃燒。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此階段泡沫陶瓷中的火焰，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，當(dāng)在一定范圍內(nèi)增大空氣流量時(shí)，火焰仍能夠穩(wěn)定在一定的位置，這主要是由泡沫陶瓷特殊的結(jié)構(gòu)造成的。泡沫陶瓷對(duì)氣流的繞流和阻止作用，使氣流在泡沫陶瓷表面速度很低，并在固體骨架后形成負(fù)壓區(qū)。當(dāng)泡沫陶瓷孔徑合適時(shí)，固體壁面的附面層相互重疊，再加上高溫固體的存在，使得燃燒區(qū)域變寬變厚，燃燒產(chǎn)生的熱量在較寬范圍內(nèi)釋放，使燃燒室溫度分布均勻。由此看來，泡沫陶瓷的非均勻化、非規(guī)則化對(duì)于火焰層的拉長是有利的，同時(shí)這也說明為保證火焰完全浸沒在泡沫陶瓷中，泡沫陶瓷層需要一定的厚度。

采用煙氣分析儀進(jìn)行煙氣成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙氣中一氧化碳的含量低于30×10-6，燃燒較為充分。氮氧化物的含量低于20×10-6，燃燒室內(nèi)溫度分布均勻且沒有局部高溫區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明：泡沫陶瓷燃燒器對(duì)控制污染物的排放有很大的優(yōu)勢。

2.1.2.5繼續(xù)增大空氣流量直至發(fā)生火焰吹熄現(xiàn)象

繼續(xù)增大空氣量，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⑿∮跉饬魉俣?，此時(shí)會(huì)發(fā)生脫火現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2.2背壓燃燒器的實(shí)驗(yàn)過程

背壓燃燒器即在煙氣段的下游連接兩段“G1”直管，本實(shí)驗(yàn)通過連接總長180 cm的“G1”直管來制造燃燒時(shí)的背壓，如圖6所示。

圖6　背壓燃燒器

2.2.1點(diǎn)火階段

與無背壓不同，背壓下燃燒器的點(diǎn)火過程更加復(fù)雜。當(dāng)量比不合適或者燃燒后生成煙氣的壓力不足以克服燃燒器的背壓，均會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。背壓下實(shí)驗(yàn)在燃?xì)膺M(jìn)口處安裝燃?xì)饪諝獗壤y，通過調(diào)節(jié)比例閥的開度來調(diào)節(jié)當(dāng)量比，并通過控制器控制比例閥的開關(guān)以方便點(diǎn)火。首先調(diào)節(jié)空氣量為一個(gè)較小的值，對(duì)燃燒器進(jìn)行吹掃，將之前殘留在燃燒器內(nèi)的氣體吹出。之后，接通點(diǎn)火針的電源，點(diǎn)火針放出高壓火花，此時(shí)再接通電磁閥的電源，燃?xì)忾_始供應(yīng)，此時(shí)如果燃?xì)狻⒖諝獾谋壤谥饦O限范圍內(nèi)，且產(chǎn)生的煙氣能夠克服燃燒器的背壓，則點(diǎn)火成功，切斷點(diǎn)火針的電源，接著進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。如果點(diǎn)火不成功，則立馬切斷點(diǎn)火針及電磁閥的電源，停止燃?xì)夤?yīng)，空氣繼續(xù)對(duì)燃燒器吹掃，一段時(shí)間之后，改變電磁閥的開度，調(diào)節(jié)當(dāng)量比，重復(fù)上述過程，直至點(diǎn)火成功燃燒能夠持續(xù)進(jìn)行。

2.2.2燃燒階段

背壓下泡沫陶瓷內(nèi)的燃燒過程同無背壓情況下類似，不再贅述。

2.2.3持續(xù)燃燒并通入二次空氣

待燃燒穩(wěn)定，通過觀測口觀測到火焰進(jìn)入到泡沫陶瓷內(nèi)部后，記錄下燃?xì)饧翱諝獾牧髁?。此時(shí)往燃燒器中通入二次空氣，主要起到兩個(gè)作用：第一是作為助燃空氣，使燃燒更徹底；第二是冷卻作用，在一定程度上降低煙氣的溫度，減少氮氧化物的生成。二次空氣的量由渦輪流量計(jì)讀出，慢慢增大二次空氣的量，每改變一次后，大概等待2～3 min燃燒穩(wěn)定之后，記錄下二次空氣的量，接著繼續(xù)增加二次空氣，直至觀察到泡沫陶瓷部分變黑之后該組實(shí)驗(yàn)結(jié)束，切斷電磁閥電源，停止燃?xì)夤┙o，空氣繼續(xù)對(duì)燃燒器進(jìn)行吹掃，直至觀測到燃燒器上各測點(diǎn)的溫度接近室溫后，開始下組實(shí)驗(yàn)。

重復(fù)上述點(diǎn)火、調(diào)節(jié)燃?xì)饪諝饬康姆椒ǎc(diǎn)火成功后，改變電磁閥的開度，使燃?xì)饬勘壬辖M實(shí)驗(yàn)小，即達(dá)到一個(gè)更小的當(dāng)量比，燃燒穩(wěn)定后，記錄下此時(shí)燃?xì)夂涂諝獾牧?，接著再加入二次空氣，直至泡沫陶瓷表面變黑之后停止?shí)驗(yàn)，記錄二次空氣流量，待各測點(diǎn)溫度接近室溫后，再開始下組實(shí)驗(yàn)，共做4組實(shí)驗(yàn)。

2.3數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.3.1無背壓下最小當(dāng)量比與燃?xì)饬康年P(guān)系

無量綱當(dāng)量比(過?？諝庀禂?shù)的倒數(shù))Φ定義為：

其中(F/O)actual為實(shí)際燃料、氧化劑質(zhì)量之比，實(shí)驗(yàn)中為天然氣和空氣質(zhì)量流量之比；(F/O)stoich為化學(xué)計(jì)量比中燃料、氧化劑質(zhì)量之比。實(shí)驗(yàn)共做4組工況，其中燃?xì)饬?m3/h)和最小當(dāng)量比Φmin分別為(0.31，0.85)，(0.62，0.52)，(0.79，0.41)，(0.88，0.36)，結(jié)果如圖7所示。

圖7　無背壓下Φmin與燃?xì)饬髁恐g的關(guān)系

從圖7可以看出，最小當(dāng)量比Φmin隨燃?xì)饬康脑龃蠖鴾p小，因?yàn)殡S著燃燒的持續(xù)，燃燒產(chǎn)生的熱量通過輻射和導(dǎo)熱的熱傳導(dǎo)方式對(duì)上游的小孔泡沫陶瓷進(jìn)行加熱，小孔泡沫陶瓷蓄積大量熱量，接著對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行加熱，使其容易達(dá)到著火點(diǎn)。燃?xì)饬吭酱蠹慈紵鞯墓β试酱?，上游泡沫陶瓷蓄積的熱量就越多，使得預(yù)混氣體的當(dāng)量比很小也能達(dá)到著火點(diǎn)。

2.3.2背壓下當(dāng)量比與燃?xì)饬康年P(guān)系

定義Φ1為沒有加入二次風(fēng)時(shí)的當(dāng)量比，Φ2min為加入二次風(fēng)后總的最小當(dāng)量比。背壓情況下共做4組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8、圖9所示：

圖8　最小當(dāng)量比Φ2min與燃?xì)饬髁恐g的關(guān)系

圖9　最小當(dāng)量比Φ2min與當(dāng)量比Φ1之間的關(guān)系

由圖8可知：Φ2min在燃?xì)饬繛?.37～0.45 m3/h時(shí)隨著燃?xì)饬康脑龃蠖龃?，而?.45～0.47 m3/h中間的某一個(gè)值又開始隨著燃?xì)饬康脑龃蠖鴾p小。說明加入二次空氣后最小當(dāng)量比Φ2min的值并不僅僅受燃?xì)饬康挠绊憽?/p>

由圖9也可以看出，最小當(dāng)量比Φ2min沒有單純的隨當(dāng)量比Φ1的增大而增大或減小，關(guān)系略微雜亂。這是由于泡沫陶瓷特殊的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的，導(dǎo)熱系數(shù)、輻射系數(shù)等對(duì)上游氣體、下游陶瓷及氣體的綜合作用的結(jié)果，使得最小當(dāng)量比Φ2min的值不與任何值成一簡單的線性關(guān)系。綜合以上分析可知，最小當(dāng)量比Φ2min不僅與燃?xì)饬坑嘘P(guān)，也與當(dāng)量比Φ1有關(guān)，即與開始燃燒時(shí)加入的一次空氣量有關(guān)，一次空氣直接影響了開始燃燒時(shí)的燃燒情況，諸如火焰位置及燃燒的溫度分布等，也是一個(gè)重要的影響因素。

通過分析圖7、圖8可知，泡沫陶瓷燃燒器能夠達(dá)到的最小當(dāng)量比的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃燒器的值。圖8、圖9中先將一部分空氣與燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)混燃燒，之后在燃燒器下游加入二次空氣，與無背壓直接將燃?xì)馀c空氣預(yù)混而不加入二次空氣時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加入二次空氣能夠顯著降低最小當(dāng)量比，這是傳統(tǒng)燃燒器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠?qū)崿F(xiàn)的。

3　結(jié)語

泡沫陶瓷燃燒器是一種新型的多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，可以顯著降低燃燒器的當(dāng)量比，實(shí)現(xiàn)低熱值氣體的燃燒利用，且污染物排放低，本文通過實(shí)驗(yàn)得出：

(1)在泡沫陶瓷下游點(diǎn)火后，預(yù)混氣體先是在泡沫陶瓷的表面燃燒，隨著燃燒放出熱量的增加，燃燒下游放出的熱量，通過輻射和導(dǎo)熱的方式使上游泡沫陶瓷溫度升高，此時(shí)火焰會(huì)慢慢向陶瓷內(nèi)部移動(dòng)，變成了在泡沫陶瓷內(nèi)部的燃燒，這種工況下的燃燒是最穩(wěn)定的。

(2)燃燒穩(wěn)定后，通過對(duì)煙氣成分分析，發(fā)現(xiàn)CO含量低于30×10-6，NOx含量低于20×10-6，泡沫陶瓷燃燒器可以有效降低污染物排放。

(3)無背壓情況下，最小當(dāng)量比隨燃燒器功率的增大而減小。背壓情況下加入二次空氣后最小當(dāng)量比與燃?xì)饬恐g無明顯的單調(diào)關(guān)系，其值不僅僅受燃?xì)饬康挠绊?，還與一次空氣量、泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。無背壓泡沫陶瓷燃燒器最小當(dāng)量比遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃燒器的值，背壓下加入二次空氣后，其最小當(dāng)量比更低，這是傳統(tǒng)燃燒器不能夠?qū)崿F(xiàn)的。

Experimental Study on Foam Ceramic Burner

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering
Liu ZhenQin ChaokuiZheng LuLi Heying

A combustion test-rig of ceramic foam has been established for utilizing low calorific gas and its basic parts are introduced in this paper. The combustion characteristic of foam ceramic burner is tested whether the back pressure exists or not. Experiments show: first, premixed gas burned on the surface of foam ceramic, then flame moved to the interior of foam ceramic, finally became stable flame in it. The minimum equivalent ratio decreases with increasing gas flow in the case of no back pressure; the minimum equivalent ratio decreases greatly with secondary air, but has no direct connection with gas flow under back pressure.

foam ceramic, low calorific gas, burner, minimum equivalent ratio