王恩宇 高攀 唐世乾 劉聯(lián)勝

摘要?針對(duì)高熱值氣體在多孔介質(zhì)中燃燒時(shí)泡沫多孔介質(zhì)熔融損壞和熱力型NOx大量生成的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有水冷邊界的多孔介質(zhì)燃燒器。在燃燒強(qiáng)度為200?kW/m2，當(dāng)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(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)燃燒室內(nèi)組織液化石油氣-空氣的燃燒試驗(yàn)，探究?jī)?nèi)芯結(jié)構(gòu)對(duì)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(nèi)芯結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：9種內(nèi)芯結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shù)）由小到大再變小排列，有利于燃燒和傳熱的需求。

關(guān)?鍵?詞?多孔介質(zhì);內(nèi)芯結(jié)構(gòu);NOx排放量;水冷燃燒器

中圖分類(lèi)號(hào)?TQ038.4;TK16?????文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，可增大負(fù)荷調(diào)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(shí)現(xiàn)“超絕熱燃燒”[1-4]。但多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用卻不是很多，在當(dāng)前中國(guó)超低污染物排放要求越來(lái)越高的背景下，需要盡快解決多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)中的問(wèn)題。液化石油氣等高熱值氣體在多孔介質(zhì)中燃燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)泡沫陶瓷熔融損壞和熱力型NOx的大量生成的問(wèn)題，是制約多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)應(yīng)用的重要因素之一。本文旨在通過(guò)改變多孔介質(zhì)內(nèi)芯結(jié)構(gòu)和布置水冷邊界來(lái)降低燃燒區(qū)溫度，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)多孔介質(zhì)燒蝕和降低NOx排放的目的。

眾多學(xué)者對(duì)不同孔隙密度內(nèi)芯結(jié)構(gòu)下多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的阻力、輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱特性進(jìn)行了分析[5-8]。孔隙結(jié)構(gòu)的變化被證實(shí)會(huì)影響燃燒室冷卻邊界的傳熱量，進(jìn)而影響燃燒室的溫度分布和燃燒狀況[9];在孔隙率相近時(shí)，孔隙密度越大，其導(dǎo)熱系數(shù)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(zhì)回?zé)嵝Ч枰鶕?jù)輻射消光系數(shù)和比表面積兩個(gè)綜合因素來(lái)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(zhì)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(guò)多孔介質(zhì)的壓降增大[14]。不過(guò)幾乎所有的研究都針對(duì)較簡(jiǎn)單變化的多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)而開(kāi)展研究，多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)其傳熱特性和內(nèi)燃燒特性的影響的研究相對(duì)還很不足。

本文設(shè)計(jì)一臺(tái)具有水冷邊界的多孔介質(zhì)燃燒器，探究?jī)?nèi)芯結(jié)構(gòu)對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器燃燒特性的影響。旨在通過(guò)改變內(nèi)芯結(jié)構(gòu)排列影響燃燒室內(nèi)燃燒和冷卻效果，達(dá)到控制NOx的目的。

1?試驗(yàn)部分

1.1?試驗(yàn)系統(tǒng)

本文搭建了一臺(tái)多孔介質(zhì)燃燒器的試驗(yàn)平臺(tái)，在燃燒強(qiáng)度為200?kW/m2，當(dāng)量比為0.90，流量為1.2?L/min條件下進(jìn)行9種內(nèi)芯多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的燃燒試驗(yàn)。圖1為多孔介質(zhì)燃燒器的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要包括供氣、供水系統(tǒng)，燃燒器主體，測(cè)量控制系統(tǒng)3個(gè)方面。

供氣、供水系統(tǒng)包括燃?xì)?、空氣和冷卻水的供給。燃?xì)鉃橐夯蜌?，由液化石油氣鋼瓶供給?？諝庥陕菪龡U式空氣壓縮機(jī)供給。冷卻水為自來(lái)水。

燃燒器主體為兩側(cè)帶冷卻水室的燃燒室（如圖2所示）。燃燒室另兩側(cè)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(gè)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(diǎn)火縫隙區(qū)、200?mm的多孔介質(zhì)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(hào)9）。冷卻水室設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少由于進(jìn)口兩水管水流速不均勻造成的入口效應(yīng)問(wèn)題，留出一段較長(zhǎng)的均流段。冷卻水和預(yù)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(yàn)的進(jìn)行，冷凝水滴沿著壁面匯集后流出。試驗(yàn)使用碳化硅多孔介質(zhì)，其尺寸為100?mm×40?mm×25?mm（長(zhǎng)×寬×厚），孔隙率為85%，孔隙密度為10PPI、20PPI或30PPI，多孔介質(zhì)燃燒區(qū)就是由這些條狀多孔介質(zhì)排列組合而成。防回火區(qū)內(nèi)多孔介質(zhì)的孔隙密度為50PPI，可以有效防止回火。

本文共設(shè)計(jì)了3類(lèi)多孔介質(zhì)排列類(lèi)型，根據(jù)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(jiǎn)稱(chēng)U型）、孔隙縱向變化型（簡(jiǎn)稱(chēng)L型）和孔隙橫向變化型（簡(jiǎn)稱(chēng)T型）。圖3為設(shè)計(jì)的9種內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，同層布置有2片相同孔隙密度的泡沫陶瓷片。3種U型內(nèi)芯分別由孔隙密度為10PPI、20PPI和30PPI的泡沫陶瓷片組成，簡(jiǎn)稱(chēng)為U10型、U20型和U30型。L型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)溫度由沿縱向40?mm間隔的6個(gè)S型熱電偶測(cè)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(cè)量，布置在多孔介質(zhì)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(duì)燃燒室內(nèi)氣流的影響，并起到絕緣和保護(hù)熱電偶絲的作用。在冷卻水室進(jìn)口和出口處分別布置有pt100熱電阻各1個(gè)，測(cè)量冷卻水進(jìn)出口溫度。溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（安捷倫數(shù)據(jù)采集儀：34972A）檢測(cè)和記錄。多孔介質(zhì)燃燒器排出的廢氣通過(guò)煙氣分析儀（ECON?EN2-F）測(cè)量。各測(cè)量?jī)x器儀表的測(cè)量范圍和測(cè)量精度如表1所示。

1.2?試驗(yàn)過(guò)程

本文主要進(jìn)行內(nèi)芯結(jié)構(gòu)對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器燃燒特性影響的試驗(yàn)研究，所有試驗(yàn)均在燃燒強(qiáng)度為200?kW/m2，當(dāng)量比為0.90和水流量為1.2?L/min的條件下完成。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先打開(kāi)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(dòng)5?min后。逐漸調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝饬髁?，將預(yù)混氣調(diào)整到預(yù)定工況點(diǎn)燃。點(diǎn)燃后通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)溫度，當(dāng)各測(cè)點(diǎn)溫度在20?min間隔內(nèi)波動(dòng)不超過(guò)5?℃時(shí)，則判定燃燒狀況達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)量并記錄煙氣成分。重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均可獲得燃燒室內(nèi)溫度分布、污染物排放數(shù)據(jù)和冷卻水進(jìn)、出口溫度。變量為多孔介質(zhì)內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，一種內(nèi)芯結(jié)構(gòu)試驗(yàn)完成后，調(diào)大空氣量和水流量對(duì)燃燒器進(jìn)行冷卻，待溫度冷卻至室溫后更換內(nèi)芯結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行試驗(yàn)。

2?結(jié)果和分析

最優(yōu)內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的評(píng)判準(zhǔn)則首先是保證燃燒穩(wěn)定進(jìn)行，即不完全燃燒產(chǎn)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(cè)量值是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13271—2014的要求，折算到基準(zhǔn)氧濃度為3.5%時(shí)的折算結(jié)果。

2.1?燃燒室內(nèi)溫度分布

圖4為U20型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)下，燃燒室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化，由于燃?xì)鉃楦邿嶂等細(xì)馇也捎脙?nèi)部高壓電極點(diǎn)火，故工況的穩(wěn)定時(shí)間很短，0?s為點(diǎn)火時(shí)刻，由圖看出燃燒溫度在800?s時(shí)基本不再發(fā)生變化工況達(dá)到穩(wěn)定，符合工況穩(wěn)定的判定條件。

燃燒室內(nèi)的溫度分布是燃燒特性的重要組成部分。燃燒室內(nèi)溫度主要由產(chǎn)熱量、熱損失、熱量傳遞共同決定，其受燃燒強(qiáng)度、當(dāng)量比、冷卻水吸熱量等的影響。圖5為不同內(nèi)芯結(jié)構(gòu)下燃燒室內(nèi)的溫度分布，由于水冷邊界的存在沿氣流方向燃燒室內(nèi)溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，防回火結(jié)構(gòu)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(yàn)燃燒條件下，測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為777?℃。內(nèi)芯結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室內(nèi)的溫度具有一定的影響，具體來(lái)看燃燒室上游溫度分布具有一定差別，其中L123型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的溫度最高，T321型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的溫度最低，同時(shí)不同內(nèi)芯結(jié)構(gòu)下6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的平均溫度中，L123型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的平均溫度最高為225?℃，T321型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的平均溫度最低為178?℃，這可能主要由產(chǎn)熱量不同造成，圖6顯示出L123型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不完全燃燒產(chǎn)物最低，其產(chǎn)熱量最多，而T321型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不完全燃燒產(chǎn)物含量最高，產(chǎn)熱量最低。其次由于內(nèi)芯結(jié)構(gòu)不同，多孔介質(zhì)的消光系數(shù)和比表面積不同，這會(huì)對(duì)燃燒狀況和熱量傳遞產(chǎn)生影響。L123型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)孔隙密度先小后大，有利于回?zé)?，上游燃燒溫度更高，燃燒狀況得到改善，而T321型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的孔隙密度先大后小，上游孔徑小，氣體流速大，高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)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(nèi)芯結(jié)構(gòu)下冷卻水的進(jìn)、出口水溫差和煙氣的出口溫度基本一致，燃燒室內(nèi)孔隙密度變化對(duì)于水側(cè)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(chǎn)物含量

不完全燃燒產(chǎn)物含量可以反映燃燒器燃燒完全程度。不完全燃燒產(chǎn)物主要受燃燒溫度，氧氣濃度，氣流混合狀況和煙氣滯留時(shí)間影響。圖6為不同內(nèi)芯結(jié)構(gòu)下不完全燃燒產(chǎn)物含量圖，試驗(yàn)時(shí)在煙氣中發(fā)現(xiàn)未燃的CxHy，本文中不完全燃燒產(chǎn)物為CxHy和CO兩者和。

由圖6可以看出：U型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)中的U20型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不完全燃燒產(chǎn)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(zhì)的消光系數(shù)最小、輻射距離最遠(yuǎn);U30型的孔徑最小，多孔介質(zhì)的比表面積最大，其對(duì)流換熱能力最強(qiáng)。而U20型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)溫度傳遞效果可能最好，其是輻射和對(duì)流綜合作用的結(jié)果，故該結(jié)構(gòu)更有利于燃燒的進(jìn)行，其不完全燃燒產(chǎn)物含量更低。文獻(xiàn)[12]中也得出類(lèi)似結(jié)果。

L型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)中，L123型的不完全燃燒產(chǎn)物含量最低，L322型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不完全燃燒產(chǎn)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(zhì)時(shí)，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(zhì)可以使大量熱量傳遞到燃燒器入口，預(yù)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(nèi)芯結(jié)構(gòu)中，T321型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不完全燃燒產(chǎn)物含量最大，其孔隙密度橫向變化，預(yù)混氣在同一截面上阻力不同，氣體流動(dòng)不均勻，造成氣體混合流動(dòng)狀況差，不利于燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。對(duì)于T322型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，其橫向孔隙密度變化差別相對(duì)最小，同一截面上氣流流動(dòng)均勻，燃燒火焰受結(jié)構(gòu)影響小，火焰易穩(wěn)定燃燒。文獻(xiàn)[15]中也指出多孔介質(zhì)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(zhì)燃燒中主要考慮熱力型NOx，本文測(cè)得的NOx中NO占95%以上，以NO2和基準(zhǔn)氧含量3.5%進(jìn)行折算。影響NOx的因素包括燃燒溫度、氧氣濃度、預(yù)混氣的停留時(shí)間。高溫、高氧濃度、預(yù)混氣在高溫區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)促進(jìn)熱力型NOx的生成。圖7為不同內(nèi)芯結(jié)構(gòu)下煙氣中NOx排放量，孔隙縱向變化型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)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N(xiāo)Ox濃度可控制在34?mg/m3。T322型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)時(shí)，孔隙密度大，預(yù)混氣在多孔介質(zhì)內(nèi)的阻力大，預(yù)混氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于NOx的生成。

3?結(jié)論

多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的熱量傳遞是復(fù)雜的傳熱過(guò)程。在燃燒強(qiáng)度為200?kW/m2，當(dāng)量比為0.90的條件下，在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)進(jìn)行了9種內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的燃燒試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

1）下游內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的排列沒(méi)有改變火焰的位置，但由于熱量傳遞效果和阻力不同，其對(duì)氣流流動(dòng)和燃燒火焰穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

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

3）孔隙均勻型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)中，20PPI內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的燃燒室熱量傳遞效果最好，其不完全燃燒產(chǎn)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?qū)饬髯璧K作用不同，不利于火焰的穩(wěn)定燃燒。

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[責(zé)任編輯????田????豐]