多孔介質燃燒是一種在燃燒器中加入多孔介質的燃燒方式。加入多孔介質的燃燒器由於對流，導熱和輻射三種換熱方式的存在，使燃燒區域溫度趨於均勻，保持較平穩的溫度梯度。在燃燒穩定的同時還具有較高的容積熱強度。與自由燃燒相比，多孔介質燃燒具有燃燒速率高、燃燒穩定性好、負荷調節範圍大、容主要以積熱強度大、燃燒器體積小、燃氣適應性好、煙氣中污染物排放低、燃燒極限變寬、可燃用熱值很低的燃氣等優點。寫詳細介紹了多介質燃燒技術的國內外研究現狀、多孔介質材料、多孔介質燃燒的套用以及其與自由空間燃燒的區別。
基本介紹
- 中文名：多孔介質燃燒技術
- 外文名：Porous media combustion technology
- 特點：容積熱強度高
- 類型：節能燃燒技術
- 領域：能源
- 學科：熱力學、材料學
簡介,與自由空間燃燒的區別,國內外研究現狀,多孔介質材料,多孔介質燃燒的套用,基於多孔介質燃燒的發動機,基於多孔介質燃燒的熱光伏系統,展望,
簡介
加入多孔介質的燃燒器由於對流，導熱和輻射三種換熱方式的存在，使燃燒區域溫度趨於均勻，保持較平穩的溫度梯度。在燃燒穩定的同時還具有較高的容積熱強度。與自由空間燃燒相比，預混氣體在多孔介質中的燃燒具有功率密度大，調節範圍廣，污染物排放低和結構緊湊等優點。多孔介質預混燃燒特點是燃燒設備的熱效率較高，其原因有以下兩個方面：
①燃氣與空氣預先充分混合,在過剩空氣很小的情況下也可達到完全燃燒,
②由於輻射作用,多孔介質的高溫後部對低溫的前部進行加熱,從而達到對未反應的燃氣混合物的預熱作用,加快了燃燒速度。因此對多孔介質傳熱傳質和燃燒的研究具有重大的學術價值，已成為當前最活躍最前沿的研究領域之一。
傳統的氣體燃料燃燒主要是以自由火焰為特徵的燃燒。這種燃燒需要較大的空間，火焰周圍溫度梯度大，容易產生局部高溫。當溫度高於1500℃時，xNO生成變得明顯。由於xNO的劇毒性，減少其排放也顯得非常重要。傳統燃燒器的換熱器主要以煙氣輻射和對流換熱為主，換熱係數小。
傳統的氣體燃料燃燒主要是以自由火焰為特徵的燃燒。這種燃燒需要較大的空間，火焰周圍溫度梯度大，容易產生局部高溫。當溫度高於1500℃時，xNO生成變得明顯。由於xNO的劇毒性，減少其排放也顯得非常重要。傳統燃燒器的換熱器主要以煙氣輻射和對流換熱為主，換熱係數小。
與自由空間燃燒的區別
多孔介質燃燒技術是一種新穎獨特的燃燒方式。其與自由空間燃燒的區別在於：
（1）多孔介質的空隙率很大相對於自由空間有較大的固體表面積，因而有較強的蓄熱能力；
（2）多孔介質的存在使混合氣體在其中產生劇烈的擾動，強化了換熱。
（3）相對於氣體來說多孔介質有較強的導熱和輻射能力，可以使預混氣體燃燒產生的部分熱量從下游的高溫區傳遞到上游的低溫區預熱未然混合氣體，這樣就提高了燃燒速率並可使燃料完全燃燒，減少了CO的排放；
（4）多孔介質良好的換熱特性是燃燒區域溫度迅速趨於均勻，保持了平穩的溫度梯度，降低了最高溫度水平，減少了xNO生成量；
（5）輻射燃燒效率最高可達80%-90%，而常規輻射燃燒器對輻射的轉換效率充其量為30%，在相同的熱負荷下,多孔介質預混燃燒熱效率較高，比本生式燃燒節約燃氣30-50%。
與自由燃燒相比，多孔介質燃燒具有燃燒速率高、燃燒穩定性好、負荷調節範圍大、容主要以積熱強度大、燃燒器體積小、燃氣適應性好、煙氣中污染物排放低、燃燒極限變寬、可燃用熱值很低的燃氣等優點。
國內外研究現狀
有關多孔介質預混燃燒的研究，有報導使於20世紀初，到了上世紀70年代，這種新型燃燒技術引起了人們的廣泛關注。在這30年中國內外學者對此作了大量的研究。20世紀70年代初，英國學者Weinberg就提出超絕熱燃燒的概念，並從理論上預言了如果熱量從熱的產物再循環到冷的反應物中去，超絕熱燃燒就能實現。隨後，Weinberg等人為了獲得超絕熱燃燒使用了一些體積龐大、造價昂貴的複雜的換熱器，但並未改變複雜的火焰結構。Takeno和Sato等提出了一種能改變火焰內部結構的簡單而直接產生超絕熱的方法，該方法向火焰內部插入一段導熱係數高的多孔材料，使熱量在從下游高熱區到上游低熱區的整個介質內循環，為產生超絕熱火焰提供了必要的能量反饋。利用可燃混合物在多孔介質內流動和燃燒過程中焓值沿流向的變化描述超焓或超絕熱的概念。虛線表示沒有預熱的自由空間燃燒系統中焓的變化,實線表示有預熱的多孔介質燃燒系統中焓的變化。在沒有預熱的燃燒系統中,由於存在熱損失,溫度達不到絕熱火焰溫度,而有預熱的燃燒系統中,由於反應混合氣進入反應區前被預熱,上游的焓值迅速升高,在流動過程中產生超焓或超絕熱火焰
為研究孔隙率對燃燒的影響，有些研究人員設計了漸變型多孔介質燃燒器。浙江大學岑可法等已經獲得了“漸變型多孔介質燃燒器”的專利，利用漸變型燃燒器的目的是為了更能適應氣體在其中的燃燒規律，從而達到高效、低污染排放的目的。在研究多孔介質燃燒過程中，有人提出了分級燃燒的想法。所謂分級燃燒是在燃燒過程中加燃料或空氣的階段性操作，使燃燒區域溫度控制在最高溫度以下，以此來降低污染物的排放量和材料應力。Chaffin[12]研究了兩極多孔介質燃燒器，呂兆華等人則採用中間近氣結構，他們的研究均表明可以同時降低CO和xNO的排放量。多孔介質中往複流動下的超絕熱燃燒被認為是目前最先進的燃燒技術之一，國內外也有大量的研究。這一思想最初是由瑞典的ADTEC公司在其1990年的一篇商業報導中提出的，他們根據此原理研製的多孔介質燃燒器甚至可以燃燒汽車噴漆廠內排放出的有機廢氣。Hoffmann等實驗研究了往複流動超絕熱燃燒，得到了甲烷/空氣當量比為0.026的可燃極限，這是目前見諸報導的最低可燃極限。鄧陽波等對自行設計的往復式多孔介質燃燒系統進行了研究。
多孔介質材料
較之傳統的自由火焰特徵的燃燒，多孔介質的加入極大地改善了燃燒效果。在燃燒過程中，多孔介質起到了關鍵性的作用。從組織燃燒的過程來看，多孔介質處於的工作環境為高腐蝕性，高溫以及高溫度梯度。結合多孔介質燃燒機理，我們認為用於燃燒器的多孔介質必須滿足以下條件：
（1）耐高溫，在燃燒溫度範圍內不發生熔融；
（2）合適的空隙率，使混合氣體在其中流動時壓力損失小；
（3）耐熱震，在燃燒啟停過程中不會因熱應力而損壞；
（4）換熱性能好，提高燃燒器的熱效率。
用於燃燒器的多孔陶瓷主要包括蜂窩陶瓷和泡沫陶瓷兩種。蜂窩陶瓷孔隙率為20%-60%；泡沫陶瓷孔隙率可達70%-90%。在一些場合也有用陶瓷顆粒作為燃燒器內芯，其受熱應力小，使用壽命長，但孔隙率小，混合氣體在其中流動阻力大。
Pickenäcker等對泡沫陶瓷研究結果表明，這些材料具有以下優點：第一，具有好的流通特性的開孔結構使壓力損失很小，從而可以減小多孔介質燃燒器的風機投資；第二，傳熱特性優越，氣體強制流進流出、分開匯合，對流加強，使其中溫度分布均勻，並能保持較低的溫度水平，可以減少污染物的排放；第三，體積密度很小，即熱惰性很小，可以在啟動時升溫迅速,能快速適應負荷變化。工業上用於生產泡沫陶瓷的基質材料一般有：碳化矽、氮化矽、莫來石、堇青石、氧化鎬以及氧化銑；粘結材料有鎂土和釔等。由於材料的類型對燃燒器的抗高溫及抗熱震能力具有較大的影響，因此，目前用於多孔介質燃燒器的泡沫耐火材料種類也不多，主要以Al2O3、ZrO2、SiC為代表。Al2O3和ZrO2可以在1650℃以上的高溫下工作，而SiC在導熱係數、抗熱衝擊能力和硬度方面都有非常好的性能。一般情況下，燃燒器的溫度不會超過1600℃，綜合各方面考慮，SiC具有較大的發展前景。
用於燃燒器的多孔陶瓷主要包括蜂窩陶瓷和泡沫陶瓷兩種。蜂窩陶瓷孔隙率為20%-60%；泡沫陶瓷孔隙率可達70%-90%。在一些場合也有用陶瓷顆粒作為燃燒器內芯，其受熱應力小，使用壽命長，但孔隙率小，混合氣體在其中流動阻力大。
Pickenäcker等對泡沫陶瓷研究結果表明，這些材料具有以下優點：第一，具有好的流通特性的開孔結構使壓力損失很小，從而可以減小多孔介質燃燒器的風機投資；第二，傳熱特性優越，氣體強制流進流出、分開匯合，對流加強，使其中溫度分布均勻，並能保持較低的溫度水平，可以減少污染物的排放；第三，體積密度很小，即熱惰性很小，可以在啟動時升溫迅速,能快速適應負荷變化。工業上用於生產泡沫陶瓷的基質材料一般有：碳化矽、氮化矽、莫來石、堇青石、氧化鎬以及氧化銑；粘結材料有鎂土和釔等。由於材料的類型對燃燒器的抗高溫及抗熱震能力具有較大的影響，因此，目前用於多孔介質燃燒器的泡沫耐火材料種類也不多，主要以Al2O3、ZrO2、SiC為代表。Al2O3和ZrO2可以在1650℃以上的高溫下工作，而SiC在導熱係數、抗熱衝擊能力和硬度方面都有非常好的性能。一般情況下，燃燒器的溫度不會超過1600℃，綜合各方面考慮，SiC具有較大的發展前景。
多孔介質燃燒的套用
基於多孔介質燃燒的發動機
多孔介質有利於非定常燃燒過程的另一個重要特性是它能大幅度提高有效燃燒速率。實驗表明,在常壓條件下,多孔介質的存在可使燃燒速率提高10倍。如果燃燒在更高的壓力下進行,則燃燒速率還可進一步提高。可見,多孔介質燃燒技術非常適合於內燃機那樣強烈瞬態的燃燒。多孔介質燃燒器中蒸發、傳熱和燃燒過程都能在很短的時間尺度下完成。這意味著,以瞬態燃燒為特徵的內燃機,如採用多孔介質技術,則有望達到優良的排放性能。首先,適當的設計多孔介質燃燒室,就可對燃燒溫度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介質內液體燃料的快速蒸發和完全燃燒也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述諸因素,包括較低的燃燒溫度、快速的蒸發、均勻的混合氣形成以及燃氣在反應區(多孔介質內部)較長的滯留時間都使得碳煙微粒的排放得以降低。
美國人Ferrenberg於1990年最早提出了多孔介質發動機的概念,並將其稱為再生式或蓄熱式發動機。其提出的一種柴油機改造方案。多孔介質蓄熱器置於氣缸頂部,通過一驅動桿與活塞同步運動。蓄熱器在大部分時間內,不是與缸蓋接觸,便是與活塞頂接觸。吸氣時,蓄熱器固定在缸蓋上。壓縮行程中,蓄熱器與活塞做反向運動,迫使氣體穿越多孔介質的孔隙,從而吸取其中已積蓄的熱量。噴油和燃燒後,蓄熱器向上而活塞向下運動,高溫燃氣穿越多孔介質並將熱量傳給後者,從而完成一個循環。蓄熱器的性能取決於多孔介質的材料,結構和幾何形狀。Ferrenberg採用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的實驗結果表明,與未加蓄熱器的原型柴油機相比,在相同的空燃比下,熱效率可提高50%,而比油耗可減少33%。另外,燃燒室頂部的氣體平均溫度有所增加,但其總體的溫度則有所降低.
日本歧阜大學的花村克悟和越後亮三等人在超絕熱燃燒方面做了不少開拓性工作。他們在1995年就提出了超絕熱發動機的概念,並試製出一台樣機。其設計思想類似於斯特林發動機。它由兩個活塞(動力活塞與掃氣活塞)和一個多孔介質蓄熱器組成(實際上兩個活塞分別置於兩個氣缸內,通過聯動機構實現同步運動)。蓄熱器位於兩個活塞頂之間且固定不動。首先,新鮮混合氣被吸入氣缸,掃除缸內廢氣,然後掃氣活塞對混合氣進行壓縮,而動力活塞則靠近蓄熱器而保持不動。在壓縮末期,兩個活塞以幾乎相同的速度同向運動,使得被壓縮的混合氣在多孔介質蓄熱器中被預熱並著火,從而實現等容燃燒。在後續的膨脹過程中,燃燒熱通過動力活塞的運動轉變成機械運動,此時,掃氣活塞則靠近蓄熱器保持不動。最後在排氣衝程中,兩個活塞同步右行,廢氣在穿越蓄熱器時,其剩餘熱焓被有效地吸收並儲存在多孔介質中。計算表明,即使對壓縮比僅為2的情況,其熱效率仍然可達26%,高於常規的奧托循環和狄塞爾循環。花村等人認為,在此基礎上,可以研製出低壓縮比的環保性好的高效率新型內燃機。
基於多孔介質燃燒的熱光伏系統
熱光伏系統的基本原理是把燃料燃燒所產生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉換成電能。熱光伏系統主要包括3大部分：燃燒器、選擇性波長輻射器和光電池。熱光伏系統的優點包括高功率密度，可使用多種燃料，便捷性，低噪音，可在無太陽光條件下運行，同時維修成本低。最近幾年，基於III-V族半導體的低能帶光電池的發展，熱光伏系統的研究引起了人們的關注。熱光伏系統在空間尺度上的縮小，使面積/容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來激發熱光電轉換器產生電流，提高能量轉換效率。一些軍事組織對熱光伏系統的轉換產生了濃厚的興趣，因為熱光伏系統可能實現戰略上的優勢。加入多孔介質的燃燒器由於對流，導熱和輻射三種換熱方式的存在，使燃燒區域溫度趨於均勻，保持較平穩的溫度梯度。在燃燒穩定的同時還具有較高的容積熱強度。河南科技大學薛宏等人以甲烷為燃料，對多孔介質燃燒器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合氣流量的情況下作了一些研究。
展望
與傳統燃燒器相比，多孔介質燃燒器的燃燒效率高，污染排放低，結構簡單，成本低。多孔介質預混燃燒技術在各領域的套用前景非常廣闊,如大型透平機的燃燒器、石油煉製、內燃機、各類鍋爐、小型發電設備、供暖設備、家用灶具、熱水器、紅外線無焰燃燒設備、輻射式加熱器、陶瓷材料合成、多孔催化劑燃燒、空氣中有機揮發物去除等都可用到該技術。國內外研究人員在這方面做了大量的研究，包括理論分析、數值模擬和實驗研究。但由於多孔介質與混合燃燒是一個包含對流、導熱和輻射三種換熱方式相互耦合的複雜過程，其某些機理和優越性還未被揭示，還有待進一步研究。
