惰性多孔介質中預混燃燒的研究進展

(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

近年來，我國環保力度不斷加大。作為能源消費大國，開發高效低污染的燃料燃燒技術，并利用這些先進燃燒技術治理揮發性有機物污染等重大環境問題，對社會可持續發展具有重要意義。

多孔介質燃燒(Porous Media Combustion)，是一種在燃燒裝置中填充多孔介質的高效低污染的新型燃燒方式[1-9]，也稱為“過濾燃燒” (Filtration Combustion)[10-14]。根據多孔介質在燃燒中所起的作用，多孔介質燃燒可以分為惰性多孔介質燃燒和多孔介質催化燃燒[15-16]。本文重點介紹預混氣體燃料在惰性多孔介質中的燃燒，即多孔介質在燃燒中只起強化燃燒、蓄熱和傳熱的作用，不參與反應。

1 多孔介質燃燒的原理、分類和特點

1.1 多孔介質

多孔介質是由固體物質組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構成的物質。燃燒器中的多孔介質具有適當的孔隙率，耐高溫，耐熱震，蓄熱能力強，傳熱性能好。主要有蜂窩、泡沫、顆粒堆積、纖維、金屬絲網等結構，其材質有氧化硅、氧化鋁、耐熱鑄鐵和不銹鋼等[17]。

1.2 惰性多孔介質燃燒的分類

1.2.1 單向流動多孔介質燃燒

預混氣體在多孔介質中的燃燒十分復雜，是一個化學反應和傳熱相耦合的過程。如圖1所示，氣體燃料在多孔介質燃燒區域燃燒放熱，熱量向四周傳遞，部分熱量被煙氣攜帶至下游區域，下游區域的多孔介質吸收高溫煙氣熱量后，又將部分熱量傳遞給燃燒區域的多孔介質；燃燒區域的多孔介質也會直接吸收氣體燃料燃燒放出的熱量，并把部分熱量傳到上游區域的多孔介質，形成熱量回流。下游區域多孔介質和燃燒區域多孔介質之間以導熱和輻射的方式換熱；燃燒區域中氣體燃料燃燒放出的熱量是以對流和輻射的方式傳給多孔介質；燃燒區域多孔介質和上游多孔介質之間也是以導熱和輻射的方式換熱。在此過程中，由于部分熱量回流到上游區域的蓄熱體，當回流熱量大于蓄熱體向環境的散熱損失時，富余的回流熱量就會通過蓄熱體傳遞給流入的預混氣體，使預混氣體的溫度不斷升高，到達燃燒區域后能夠快速燃燒，并且可達到比未經預熱的預混氣體在絕熱條件下的理論燃燒溫度更高的煙氣溫度，實現“超焓”燃燒，也稱“超絕熱燃燒”[17-19]。

1.2.2 往復流動多孔介質燃燒

對于單向流動多孔介質燃燒器，如果預混氣體中燃料的體積分數很低，會產生火焰持續向下游移動的情況。此時，只有燃燒器中的多孔介質無限長，才能使燃燒過程一直持續下去。在實際過程中，多孔介質不可能是無限長，但如果將往復式流動技術和多孔介質燃燒技術相結合，周期性地切換燃燒器進氣和排氣的方向，就可以達到類似多孔介質無限長的效果。往復流動多孔介質燃燒的原理見圖2。燃燒器從冷態啟動，經過一段時間的加熱，燃燒器內的多孔介質達到了設定的預熱溫度，然后開始通入預混氣體。在前半周期內，氣體燃料從燃燒器左側進入，經過多孔介質預熱后著火燃燒，燃燒區域的部分熱量會通過導熱、對流和輻射的方式傳到燃燒器兩側的多孔介質處，燃燒產生的高溫煙氣繼續向右流動的過程中，右側多孔介質吸收煙氣的熱量，溫度升高，同時煙氣溫度逐漸降低后從右側排出，燃燒區域逐漸右移；同理，在后半周期內，氣體燃料從右側進入，經過右側高溫多孔介質的預熱后著火燃燒，燃燒產生的高溫煙氣繼續向左流動的過程中，左側多孔介質吸收煙氣的熱量，溫度升高，蓄積熱量，同時煙氣溫度逐漸降低后從左側排出，燃燒區域逐漸左移。每經過半個周期，燃燒器的進出口方向就會切換，燃燒區域也周期性地往復移動，形成穩定的往復式多孔介質燃燒狀態[19]。

1.3 多孔介質燃燒的特點

燃燒速率高。多孔介質結構復雜，氣體燃料進入多孔介質后擾動非常劇烈，氣體的彌散作用增強，且多孔介質具有良好的傳熱性能，氣體燃料燃燒產生的熱量可以迅速向四周傳遞，燃燒過程中的傳熱傳質增強，燃燒得到強化，燃燒反應加快[1,17]。

燃燒區域寬，溫度分布更均勻。與傳統燃燒方式不同，多孔介質燃燒不是發生在自由空間中的，而是氣體燃料在固體基質孔隙中的燃燒，形成的火焰也不是峰面火焰[20]，孔隙中的一個個“小型火焰”，呈現出離散狀態，而且由于多孔介質具有良好的傳熱性能，燃燒區域的熱量能夠快速地傳到上游去預熱新的燃料，高溫煙氣的熱量也會被下游的多孔介質吸收，因而拓寬了燃燒區域，避免了傳統燃燒中局部溫度過高的情況，溫度分布更均勻[21]。在往復式多孔介質燃燒中，由于氣體進出口周期性切換，前半個周期和后半個周期內，燃燒發生在不同的區域，并作周期性往復移動，也有利于拓寬燃燒區域，提高溫度分布的均勻性。

污染物排放低。傳統燃燒過程中排放的污染物主要有CO、NOx和煙黑等。在多孔介質燃燒中，由于燃燒區域變寬，燃料停留時間變長，反應更加完全，燃燒效率提高，CO的生成量減少；多孔介質燃燒中溫度分布均勻，避免了傳統燃燒中因局部溫度過高而生成大量熱力型NOx的情況[22]。

貧燃極限低。低熱值燃料在進入燃燒器后，經過燃燒區域回流熱量的充分預熱，可將氣流溫度升高到著火點以上，而在燃燒過程中，燃燒區域分布范圍廣且溫度分布均勻，各部分之間傳熱效果好，有利于低熱值燃料穩定燃燒，和不預熱的燃燒相比，大大拓展了貧燃極限[23]。在往復流多孔介質燃燒中，燃燒器進出口周期性切換，多孔介質預熱區和熱量回收區就會周期性切換，更大限度地進行熱量回收，對新的氣體燃料有了更加充分的預熱，可進一步拓展貧燃極限。Vandadi等人[24]對三維多孔燃燒器中的輻射傳熱進行了研究，研究結果表明，通過多孔介質內部的熱循環和外部的預熱，可以有效地拓寬貧燃極限和強化燃燒的穩定性。

2 多孔介質燃燒中火焰傳播特性

2.1 火焰傳播

氣體燃料在多孔介質燃燒器中穩定燃燒時，火焰會以一定的速度向著上游或者下游移動，此時火焰面的移動速度是穩定的，稱為燃燒波波速[25-26]。Babki等人[27-28]根據燃燒波的波速對多孔介質中的燃燒模式的分類見表1。

表1多孔介質中氣體的燃燒模式和火焰傳播機理[27]

燃燒模式波速/m·s-1 火焰傳播機理低速(Low velocities)0～10-4固體基體導熱,界面熱交換高速(High velocities)0.1～100均勻壓力下的熱對流音速(Sound velocities)100～300壓力梯度作用下氣體對流運動低速爆炸(Low velocity detonation)500～1 000爆震波下的自燃正常爆炸(Normal deto-nation)1 500～2 000熱量和脈沖損失下的爆炸

多孔介質燃燒器中，氣體燃料燃燒放熱，熱量以導熱、對流、輻射的方式傳播到燃燒器的上下游區域，形成熱力學波，簡稱熱波[29]。研究結果表明，在一定當量比下，多孔介質區域中的熱波和燃燒波會出現疊加現象，燃燒波和熱波相互增強。燃燒效率高，燃燒波穩定，燃料燃燒時放出的熱量多，熱波就會穩定，對上游區域預混氣體的預熱效果也就越好，越有利于強化燃燒。

當燃料燃燒所釋放的熱量低于熱量損失時，燃燒過程就會逐漸衰減，不能形成穩定的燃燒波。多孔介質燃燒中火焰傳播的穩定性受速度SL、當量孔隙平均直徑dm、混合氣體的比熱容cp、混合氣體的密度ρ、混合氣體的導熱系數k等參數的影響。對于層流火焰，判定火焰傳播狀態的準則數為修正佩克萊數Pe

(1)

對于多孔介質中的火焰傳播，存在臨界佩克萊數Pe*=65，當實際的Pe小于65時，火焰熄滅；當Pe大于或等于65時，火焰傳播[30]。

2.2 駐定燃燒

多孔介質燃燒的理想運行工況是火焰穩定在燃燒器內的某一特定區域，火焰傳播速度與氣流速度相等，即駐定燃燒[31-32]，這樣不僅可以提高燃燒器的效率，還可以減少CO和NOx的排放。目前有四種實現駐定燃燒的方法[33]：(1)設計一個兩層的多孔介質燃燒器，一層的Pe數小于65，而另一層的比65稍大；(2)冷卻燃燒區的后半部分；(3)周期性轉換燃燒器的進出口，使火焰保持在特定區域；(4)使用具有變截面面積的多孔介質。Bubnovich等[33]通過實驗研究了火焰在雙層氧化鋁小球堆積床內的駐定燃燒，研究結果表明在一定的當量比和進口氣體速度范圍內實現了駐定燃燒，可以拓寬燃燒的穩定范圍。史俊瑞等[33]對氣體燃料在兩層多孔介質燃燒器內的超絕熱燃燒和火焰的穩定性進行了數值模擬，結果表明在兩層多孔介質內可實現超絕熱燃燒，在一定的流速下火焰穩定在兩層多孔介質的交界面上。

駐定燃燒中有一種特殊的情況是火焰主體穩定在多孔介質出口處，稱為表面燃燒[34]。Janvekar等人[35]設計了一個圓柱形的多孔介質燃燒器來研究預熱層厚度對表面燃燒和浸沒燃燒的影響。該燃燒器分為兩層——上游的預熱區和下游的反應區，預熱區的材料是陶瓷泡沫，厚度分別為5 mm、10 mm、15 mm，研究結果表明，在預熱層為5 mm時，存在表面燃燒。

2.3 火焰傳播的不穩定現象

預混氣體多孔介質燃燒過程中的火焰傳播，存在火焰傾斜、回火、脫火、胞室和淬熄等不穩定現象。

火焰傾斜主要是指在多孔介質燃燒中火焰前沿面垂直于過濾速度初始方向的現象逐漸消失，并產生傾斜等不穩定現象，如果不穩定現象繼續發展，燃燒火焰前沿將出現衰減或破碎。火焰面傾斜是燃燒中最常見的不穩定現象，火焰前沿傾斜會引起不均勻的熱分布，降低燃燒效率，縮短燃燒器的壽命，甚至導致嚴重的工業事故，燃燒器尺寸越大，發生火焰面傾斜的可能性也越大[36-37]。火焰面傾斜的缺點極大限制了多孔介質燃燒器的應用和發展。

多孔介質燃燒中，隨著燃燒波的移動，燃燒也會出現一些特殊的情況。當燃燒波傳播到燃燒器上游的燃料進口時，發生回火現象，回火可能會導致氣體燃料的爆炸；當燃燒波向燃燒器下游區域移動且穩定在末端時，為表面燃燒；當燃燒波繼續向下游傳播，脫離多孔介質，發生脫火現象，出現脫火時，若氣體燃料濃度較高，能夠維持穩定燃燒，燃燒將變成自由空間燃燒，若燃料濃度不夠，火焰熄滅[32,38]。無論是在實驗研究還是在工程應用中，都應該盡力避免回火和脫火的發生。

胞室，是指熱斑在燃燒器內的分布不均勻，各熱斑連結起來組成的胞狀結構不均勻地駐定在燃燒器內。胞室的形成會導致多孔介質局部平均溫度升高，而整體溫度逐漸降低，不利于預混氣體在多孔介質中的穩定燃燒[39]。

多孔介質燃燒中，可燃氣體分子在與固體骨架的接觸中，由于碰壁效應，部分活化分子會銷毀；同時，由于固體介質傳熱性好，會帶走氣體攜帶的熱量，導致靠近固體的氣體溫度降低，這種固體對于氣體燃燒反應的抑制作用稱為淬熄效應[40]。

2.4 火焰傳播的影響因素

影響多孔介質燃燒火焰傳播的因素主要有氣體燃料的當量比、氣體的進口速度、多孔介質的材料和孔徑大小等。氣體燃料的當量比是火焰傳播的主要影響因素，會影響火焰的傳播速度和傳播方向，當量比過大或過小都會引起火焰的不穩定性。

浙江大學的朱茜茜[41]通過實驗研究了甲烷/空氣預混氣體在泡沫陶瓷多孔介質燃燒器中的火焰傳播特性。研究結果表明，存在合適當量比火焰可以實現駐定燃燒，例如在PPI(每英寸長度上多孔介質的小孔數目)為10的碳化硅多孔介質燃燒器中，氣體進口速度為0.3 m/s,當量比為0.5左右時，火焰駐定燃燒。當量比較大時，火焰向上游傳播，當量比過大會引起回火現象；當量比較小時，火焰向下游傳播，當量比過小會引起脫火現象，而火焰的傳播速度和當量比成反比例關系。進口氣體速度對火焰傳播速度的影響規律不明顯，而材料的不同也會改變進口氣體速度對火焰傳播的影響規律。孔徑大小是多孔介質材料的一個重要參數，多孔介質孔徑增大時，Pe數增大，火焰傳播能力加強，傳播速度增加；孔徑減小，火焰傳播速度減小，到達臨界值時火焰熄滅。材料對火焰傳播的影響主要表現在其熱物性參數上，通過燃燒器內多孔介質的傳熱特性影響火焰的傳播，材料的傳熱性能越好，燃燒器內的熱量交換越充分，火焰的傳播速度越小。

氣體燃料的當量比、氣體進口速度和孔徑大小對火焰傳播過程中火焰面的傾斜程度有一定的影響。東北大學的于春梅[42]研究了甲烷/空氣預混氣體在多孔介質燃燒中的火焰面不穩定特性，在給定一個初始的傾斜角后，分別改變燃燒中的工況參數，觀察傾斜角的變化情況。研究表明，當量比越大，火焰傾斜程度越小；氣體進口速度越大，火焰傾斜程度越大；孔徑越大，火焰傾斜程度越小。

3 多孔介質燃燒的數值模擬

近年來，許多研究人員通過建立模型來分析多孔介質燃燒過程中的傳熱傳質過程，預測其溫度特性、火焰傳播特性、污染物的排放等等，并與實驗結果進行對比驗證，對多孔介質燃燒系統結構設計和運行的優化有重要的參考意義。

3.1 物理模型

多孔介質燃燒器一般可以根據其形狀分為3種：軸流燃燒器、圓柱形燃燒器和球形燃燒器，其物理模型如圖3所示[43]。

3.2 控制方程

在數值模擬研究中，為了簡化模型和計算，需要先對模型做出一些假設，然后通過一系列的控制方程來表示燃燒過程和傳熱過程。通常假設條件有以下幾點：空氣的熱物理性質(密度、熱導率和比熱)被假定為溫度和組分濃度的函數；多孔介質燃燒器中壓降不高，可以忽略其對熱物性的影響；固相的性質恒定；固相和氣相之間存在熱不平衡；在給定的當量比和溫度條件下，空氣和燃料完全預混；固相吸收、發射、散射輻射，忽略氣體輻射。以上述的三種模型為例，多孔介質燃燒過程的控制方程如下[43]：

(1)氣相的能量方程

(2)

式中φ——孔隙率;

ρ——密度;

Cp——比熱容;

T——溫度;

ν——速度;

k——導熱系數;

hv——體積傳熱系數;

ΔHc——燃燒焓;

Sfg——單位體積燃料消耗率;

下標g——氣體;

下標s——多孔介質固體。

(2)固相的能量方程

(3)

Cs——固相的比熱。

(3)質量守恒方程

(4)

式中mf——燃料質量分數;

DAB——擴散系數。

(4)氣相邊界條件

Tg|r=rin=Tin,r=rin

(5)

(6)

式中 下標in——進口邊界;

下標out——出口邊界。

(5)固相邊界條件

(7)

(8)

式中h——固相邊界上與氣體的對流換熱系數;

ε——發射率。

(6)組分邊界條件

mf=mf,in,r=rin

(9)

(10)

對于球形、圓柱形和軸流燃燒器，上述控制方程中的n值分別為2、1和0。

3.3 反應機理

多孔介質燃燒過程中氣固相的界面十分復雜，很難做出嚴格的描述，傳熱傳質過程也很復雜，需要通過傳熱和化學反應動力學的耦合來求解。所以在多孔介質燃燒的數值模擬研究中，通常考慮用單步反應或多步反應機理來描述反應過程。在一般研究中，單步反應機理能夠滿足多孔介質燃燒的建模問題，但要對反應中污染物的形成有一個較為準確的預測，必須加入詳細的反應機理。

多孔介質燃燒研究中，最常見的是對甲烷/空氣預混氣體燃燒的研究。Zhou和Pereira[44]用四種不同的反應機理模擬了甲烷/空氣在惰性多孔介質中的燃燒，并與實驗結果做了對比分析，比較了采用不同的反應機理時燃燒器燃燒溫度、燃燒速度和污染物排放的差異。四種模型分別為：一步全局反應機理(One-step global mechanism)、四步簡化反應機理(Four-step reduced mechanism)、框架反應機理(Skeletal mechanism)和詳細反應機理(Detailed mechanism)。研究結果表明，使用四步簡化反應機理和詳細反應機理能比較準確地模擬出燃燒器內的溫度變化，而一步全局反應機理會較高地預測最高燃燒溫度和反應速度；使用四步簡化反應機理、框架反應機理和詳細反應機理都能較為準確地預測出CO的排放；預測NO的排放時，四步簡化反應機理、框架反應機理和詳細反應機理模擬結果的準確性都不太令人滿意；火焰傳播速度方面，四步簡化反應機理、框架反應機理和詳細反應機理的模擬結果相近，而一步全局反應機理模擬出的火焰傳播速度較高。所以，對于側重點不同的研究內容，需選取合適的反應機理，并要與實驗結果進行對比驗證，才能得出合理的結論。

3.4 數值模擬的求解方法

建立流體力學模型時，因為多孔介質結構的復雜性，精確地描述多孔介質中孔隙的幾何形狀和流體在其中的物理化學現象十分困難，在研究時大多使用“體積平均”假設。“體積平均”是將微觀孔隙尺度的研究轉移到宏觀尺度上，將多孔介質假想為大尺度上均勻分布的連續體，宏觀表現為流體的黏滯形式。這樣對于參數的選取就可以選擇合適的平均參數，簡化了整個過程的研究。ANSYS FLUENT是研究流動的一個比較常用的軟件。在ANSYS FLUENT中，用控制體積法去離散控制方程，進行迭代求解。對于非均勻結構網格中的控制方程，要使用不同的網格大小測試網格獨立性。對于瞬態流場的求解，常用SIMPLE算法來處理，比如壓力-速度的耦合過程。現在許多研究人員用C語言編程來建立用戶自定義函數(UDF)和用戶定義的標量(UDS)，去動態地鏈接到求解器來進行求解。

模型計算中的燃燒模型，常用Chemkin軟件去求解。研究人員需要先建立出燃燒模型，列出控制方程，編制相關的程序，然后建立燃燒過程中的化學反應機理。將化學機理和熱力學數據庫相結合，Chemkin的解釋器會對化學機理進行處理，建立文件，代入到Chemkin的子程序庫中進行對控制方程和化學反應的計算分析。

3.5 非常規數值模擬方法

格子玻爾茲曼方法(LBM)是一種不同于傳統數值模擬方法的流體計算和建模方法，具有介于微觀分子動力學模型和宏觀連續模型的介觀模型特點。與其他傳統CFD計算方法相比，它具有以下優點：(1)流體相互作用描述簡單；(2)易于設置復雜邊界；(3)編程容易，計算處理簡單；(4)并行性高；(5)可以直接模擬有復雜幾何邊界的通域流場，無須作計算網格的轉換。Yamamoto等[45]就采用格子玻爾茲曼方法進行了多孔介質燃燒的數值模擬研究。

4 多孔介質燃燒技術的應用

4.1 揮發性有機物廢氣處理

揮發性有機物(VOC)廣泛存在于工業廢氣中。大多數揮發性有機化合物會嚴重污染環境，危害人們的健康。基于多孔介質燃燒技術或蓄熱式熱氧化技術，用多孔介質材料作為蓄熱床，可對低濃度有機廢氣進行高度預熱，并極限回收揮發性有機物氧化放出的熱量，維持反應系統的能量自平衡，減少輔助燃料的消耗，能耗水平低，揮發性有機物去除率高，安全可靠， CO和NOx等二次污染物的排放量也很低[46]。

4.2 多孔介質發動機

多孔介質燃燒效率高、傳熱效率高，反應區溫度分布均勻，燃燒穩定、易于控制，污染物排放低，不僅可以燃燒氣體燃料，還能燃燒液體燃料，可以應用在發動機上。1990年，美國人Ferrenberg提出了多孔介質發動機的概念，日本歧阜大學的Hanamura等人在1995年就提出了超絕熱發動機的概念，并嘗試制造了一臺樣機；解茂昭分析了多孔介質燃燒技術在內燃機方面的應用，并證實了其可行性[47]。

4.3 低熱值燃料的燃燒

多孔介質燃燒技術具有燃燒速度快、傳熱速率高、溫度分布均勻，與傳統燃燒方式相比，大大地拓寬了貧燃極限，特別適合低熱值燃料的燃燒[37]。以煤礦乏風為例，由于其排風量大、瓦斯濃度低等特點，很難通過傳統的燃燒方式來處理，過去一般都是直接排向大氣，不僅污染環境而且浪費資源，而現在已有采用多孔介質燃燒技術進行乏風氧化，并利用其熱量進行發電的成功案例[48]。

4.4 燃氣輪機

Ellzey等人[49]提出了多孔燃燒器在燃氣輪機上的應用。多孔介質燃燒具有稀薄燃燒、火焰溫度高、溫度分布均勻、污染物排放低等特性，對燃燒器本身也沒有冷卻的要求，在燃氣輪機的應用方面很有研究價值。

5 總結與展望

預混氣體多孔介質燃燒具有燃燒速度快、燃燒效率高、溫度分布均勻、貧燃極限寬、能耗水平和污染物排放低等優點，是一種節能環保的新型燃燒技術，在氣體燃料高效低污染燃燒、礦井乏風和有機廢氣氧化等諸多領域，都有良好的應用前景。

國內外學者開展了大量關于預混氣體多孔介質燃燒的研究工作，在火焰傳播特性、火焰結構特性、火焰不穩定現象、熱波運動規律、污染物排放特性、多孔介質燃燒器及燃燒系統設計與應用等方面，取得了豐富的研究成果，尚有一些問題有待進一步研究：

(1)低濃度揮發性有機物廢氣的多孔介質燃燒及污染物排放特性。現有多孔介質燃燒的研究中，大多是針對甲烷與空氣的預混氣體。多孔介質燃燒在揮發性有機物廢氣處理中具有巨大的應用潛力，盡管已有一些工程應用，但目前國內關于這方面的基礎研究還比較缺乏。

(2)新型多孔介質材料的開發。多孔介質燃燒器的性能，與多孔介質的材料和結構密切相關。通過開發各種新材料和新結構，提升多孔介質燃燒的經濟性、靈活性、環境友好性和可靠性，對于該技術的推廣應用也有積極作用。

(3)負荷調節過程中多孔介質燃燒的動態特性研究。在多孔介質燃燒的實際過程中，都會涉及負荷調節，引起多孔介質燃燒器進口氣體流量、可燃氣體濃度等參數的變化。在一定的多孔介質初始溫度分布下，進口參數的改變，必然會誘發一個動態變化過程，直至達到新的平衡狀態。由于多孔介質的蓄熱作用，多孔介質燃燒器會具有較大的熱慣性，對其動態特性進行研究，是制定多孔介質燃燒系統控制策略、保證系統安全可靠運行的重要基礎。