多孔陶瓷板催化燃燒爐窯特性研究

1 概述

隨著技術的進步和社會生活水平的提高，人類對化石燃料的消耗日益增加，能源短缺、環境污染等問題不斷加劇

。傳統燃氣燃燒方式主要以大氣式燃燒為主

，燃燒不完全，熱效率不高，CO、NO

排放量高

，因此，迫切需要改變傳統燃氣燃燒方式。多孔介質燃燒技術是解決上述問題的有效方法。多孔介質燃燒是完全預混燃燒，燃燒發生在多孔介質空間內部，燃燒區產生的熱量首先以對流、輻射方式與多孔介質骨架進行熱量交換，再通過多孔介質的導熱向上、下游傳遞。向上游傳遞的熱量通過輻射、對流對上游預混氣進行預熱，向下游傳遞的熱量最終通過多孔介質骨架的輻射和煙氣的對流向大空間釋放

。多孔介質燃燒具有污染物少、節約能源、輻射效率高、貧燃極限低、火焰穩定、燃燒效率高、溫度均勻等優點

。此外，采用多孔介質燃燒方式的燃燒器還具有體積小巧、結構緊湊、負荷調節范圍廣、燃燒穩定等優點

。

為了比較不同密度材料的磨損強度，需同時比較單位面積材料被磨損的體積.因為有些低密度材料的質量損失小而其體積磨損特別大，體積損失大，其磨損強度同樣不好.設備部件尺寸的變化對其工作性能的影響要比其質量變化大很多.因此，采用體積損失計算更合理.但考慮實際情況中，破壞痕跡是不均勻的，體積磨損難于測量，在質量磨損強度Qm的基礎上定義體積磨損強度Qv= Qm /ρ，ρ為試樣密度，單位mm.即由理論公式推算可知，體積磨損強度Qv的物理意義為單位面積內試樣的平均磨損深度.

式中,α0表示純氣體在吸收線中心的吸收系數,νg和δν分別為對應吸收線的中心頻率和吸收線半寬。當光源輸出中心頻率精確鎖定在甲烷氣體的吸收峰即ν0=νg時,將式(3)代入式(2),可得

多孔介質材料主要分為陶瓷和金屬兩大類，結構包括顆粒堆積床、蜂窩板、金屬絲網、泡沫陶瓷等

。依據多孔介質在燃燒中所起的作用，可以將多孔介質的燃燒分為惰性多孔介質燃燒和多孔介質催化燃燒

。基于以往的研究工作，多孔介質燃燒研究的重點較多地集中在惰性多孔介質的燃燒，例如，Kawaguchi等人

通過實驗研究了在金屬絲網表面進行的甲烷/空氣預混氣燃燒，輻射熱流密度為6 W/cm

，隨著流速的增大，火焰遠離金屬絲網表面，輻射效率下降。徐吉浣等人

研制復合多孔陶瓷板燃氣輻射器，排煙中CO體積分數降低，輻射器表面溫度均勻，輻射效率提高。劉明侯等人

以SiC泡沫為多孔介質材料，設計頂部輻射式燃燒器，研究了在不同混合氣流速和當量比條件下，燃燒器表面溫度均勻性、多孔介質燃燒穩定范圍和污染物排放情況等等，但對多孔介質催化燃燒的應用研究較少。

本文基于催化堇青石蜂窩陶瓷板研制完全預混循環水冷燃燒器，將其應用于工業爐窯，設計多孔介質催化燃燒爐窯系統，在爐門開啟工況下，研究爐窯的一次點火升溫曲線、陶瓷板表面溫度分布及過剩空氣系數對爐窯污染物排放的影響。在爐門關閉工況下，研究輸入功率對爐窯污染物排放、輻射熱流量、輻射效率的影響。

2 實驗

2.1 實驗裝置

——斯忒藩-玻耳茲曼常量，W/(m

·K

)，取5.67×10

W/(m

·K

)

——爐膛內壁平均溫度，K

2.2 實驗方法

實驗分為2個階段，爐門開啟階段和爐門關閉階段。爐門開啟階段：將耐高溫銅導管(直徑4 mm)一端緊貼催化陶瓷板表面，位置見圖2，另一端與橡膠軟管相連接入紅外線煙氣分析儀。通過微調旋鈕調節燃氣體積流量為0.3 m

/h保持不變，調節空氣流量，在過剩空氣系數為1.3時，在燃燒器外側點火，測量自點火開始燃燒器的點火升溫曲線。通過改變空氣流量，測量在不同的過剩空氣系數條件下，催化陶瓷板表面溫度和燃燒所產生煙氣的組分及含量。

爐門開啟階段，CO、NO

、CH

體積分數隨過剩空氣系數變化見圖5。在過剩空氣系數為1.1～2.1的范圍內，CO、NO

體積分數隨過剩空氣系數的增加而增大。CO最大體積分數為10×10

，CO體積分數增大是由于過剩空氣系數增加，預混氣流速增大，導致部分烴類化合物停留時間縮短，未能及時完全反應就被排出。NO

最大體積分數為14×10

，NO

體積分數增大是由于過剩空氣系數增加，反應區逐漸向下游移動，在移動過程中，持續通過對流、輻射向上游傳遞熱量，增加了預混氣中氮氣和氧氣的停留時間，使得NO

緩慢增加。CH

體積分數隨著過剩空氣系數增加保持不變，始終為0，說明多孔介質催化燃燒CH

轉化率高。

李光北不說話，只是蹲在墻角抽煙，青瓷已經猜到了這結局，默默地朝門口走，突然就被一股蠻力往回扯，李光北說的是：“你受過那么多苦，今后我一定好好疼你！”

爐門關閉階段：始終保持過剩空氣系數為2.0進行完全預混多孔介質催化燃燒，調節輸入熱功率，在不同的輸入熱功率下，測量催化陶瓷板的表面溫度、爐膛溫度和煙氣的組分及含量。

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3 結果與討論

3.1 爐門開啟階段

.

.

一次點火升溫曲線

上部催化陶瓷板一次點火升溫曲線見圖3。曲線可以分為4個階段，Ⅰ階段為氣相燃燒階段(0～3 min)，催化陶瓷板表面溫度升高，此時火焰呈淡藍色，焰面處于催化陶瓷板表面，氣相燃燒釋放的熱量不斷以對流方式加熱催化陶瓷板表面。Ⅱ階段為火焰吸附階段(3～7 min)，催化陶瓷板表面溫度降低，催化陶瓷板表面火焰消失，氣相燃燒釋放的熱量依靠固體介質的導熱向堇青石陶瓷板孔道內部傳遞，對上游預混氣起到不斷預熱的作用。預混氣達到著火溫度的距離縮短，火焰逐漸被吸附入堇青石陶瓷板孔道內部，焰面由催化陶瓷板表面以上的位置逐漸過渡到堇青石陶瓷板內部。Ⅲ階段為緩慢升溫階段(7～17 min)，表面溫度逐漸增加，催化陶瓷板表面由暗紅色逐漸過渡到亮紅色，孔道內焰面趨于穩定，火焰區產生的熱量依靠固體介質的導熱穩定地向下游傳遞。Ⅳ階段為穩定燃燒階段，火焰傳播速度與預混氣氣流速度達到相對平衡，火焰區位置恒定，催化陶瓷板表面最高溫度維持在928 K左右。由圖3可以看出，點火升溫時間主要受到Ⅱ、Ⅲ階段時間的制約，在Ⅱ、Ⅲ階段中，氣相燃燒區與火焰區釋放的熱量主要依靠多孔介質的導熱向多孔介質孔道內上、下游傳遞。因此，在導熱量恒定且保證多孔介質不會發生脫回火的情況下，選擇熱導率較大的多孔介質，可以增大多孔介質孔道內上、下游的溫度，加快火焰吸附，提高Ⅲ階段升溫速率，從而進一步縮短一次點火升溫時間。

.

.

陶瓷板表面溫度和污染物排放

爐窯的輸入功率等于天然氣的體積流量乘以低熱值。當輸入功率為2.8 kW時，在不同的過剩空氣系數下，催化陶瓷板表面溫度分布見圖4。平均溫度

的計算式為：

經過市場的不斷開拓及產品的不斷研發，如今FA16-T設備已在民航空管行業廣泛應用。該產品成熟穩定，可靠性、實時性高，在專用綜合業務傳輸市場占有了極大的份額。在近期的民航通訊網項目中，中南地區和西北地區均采用了FA16-T設備，其功能與穩定性受到了一致好評。

(1)

式中

——催化陶瓷板表面平均溫度，K

——上部催化陶瓷板中心表面溫度，K

爐門關閉后，CO、NO

、CH

體積分數隨輸入功率變化見圖6。可以看出，實驗工況下，隨著爐窯輸入功率增加，CO、NO

、CH

體積分數均逐漸降低，三者體積分數最大值分別為12.9×10

、1.8×10

、14.9×10

。在輸入功率為3.4 kW時，NO

體積分數即為0，CO、CH

體積分數在輸入功率3.9 kW時，降至10

以下。當爐窯達到最大輸入功率4.5 kW時，三者體積分數均為0。CO體積分數受反應物體積分數的影響較為明顯，隨著爐窯輸入功率增加，反應物體積分數增加，CO體積分數降低。NO

在爐門關閉后為近零排放，因燃燒為催化燃燒，有效降低了化學反應的活化能，促使反應在較低溫度下進行，有效抑制了快速型、熱力型NO

的生成。CH

體積分數的降低與爐內氣壓趨于穩定有關，因在2.8 kW時，爐門關閉導致爐內氣壓突增，CH

未能及時完全反應就從多孔介質孔道內溢出，CH

體積分數從爐門開啟時的0增加至14.9×10

，隨著實驗進行，爐內氣壓趨于穩定，CH

體積分數逐漸下降。

可以看出，在過剩空氣系數為1.1～2.1的范圍內，隨著過剩空氣系數的增加，上、下2塊催化陶瓷板間的垂直溫度梯度逐漸減小，催化陶瓷板表面平均溫度先增后降且上部催化陶瓷板中心表面溫度高于下部催化陶瓷板中心表面溫度。表面平均溫度的增加，原因在于隨著過剩空氣系數的增加，預混氣流速增大，促使火焰區向下游移動，更接近輻射表面。火焰區通過對流、輻射所釋放的熱量到達輻射表面的距離縮短，致使表面溫度增加。過剩空氣系數為2.0時，表面平均溫度最大，為973 K，此時陶瓷板表面垂直溫度梯度為0.3 K/cm。當過剩空氣系數超過2.0時，因預混氣流速過大，超過火焰傳播速度，導致焰面從蜂窩孔道內吹出，表面平均溫度下降。上部催化陶瓷板中心表面溫度高于下部，原因在于燃燒器為豎直放置，下部催化陶瓷板燃燒產生的熱煙氣在向上流動過程中，遇到爐窯上壁面阻擋，在上部催化陶瓷板表面累積，形成熱渦旋，使得上部催化陶瓷板表面的散熱損失減少，中心表面溫度高于下部。

(4)文中所述鉆進取心工藝針對性較強，其它區域類似地層鉆進取心可將之作為參考，但最終還是得根據現場實際情況選擇最合理的鉆進取心工藝。

3.2 爐門關閉階段

.

.

污染物排放

——下部催化陶瓷板中心表面溫度，K

基于比對法，測得催化陶瓷板的發射率在0.7～0.8范圍，實驗中取催化陶瓷板的發射率

為0.75。爐門關閉階段，將催化陶瓷板表面與爐膛內壁的輻射換熱近似為封閉腔2個灰表面間的輻射換熱，輻射熱流量

的計算式為

：

.

.

輻射效率

“互聯網+”背景下，旅游業已進入智慧營銷階段，鄉村旅游經營者應具備網絡營銷思維，在做好線下營銷的同時，積極運用網絡營銷方法和工具，構建鄉村旅游智慧營銷體系，加大線上營銷的力度。

(2)

式中 Ф

——爐門關閉階段催化陶瓷板表面與爐膛內壁的輻射熱流量，W

多孔介質催化燃燒爐窯系統見圖1，該系統由供氣系統、燃燒器、爐窯主體和監測系統4部分組成，虛線框為催化多孔介質完全預混循環水冷燃燒器。爐窯主體內部尺寸長370 mm、寬150 mm、高300 mm，右側為燃燒器，煙氣出口位于爐窯主體左側下部，上部外接由陶瓷管絕緣的3個K型熱電偶探頭，分別用于測量爐膛溫度和上、下2塊多孔介質中心外表面溫度，測量多孔介質外表面溫度的探頭位置見圖2。實驗所用燃氣為天然氣，由北京燃氣集團供應，其低熱值為33.70 MJ/m

。通過微調旋鈕調控燃氣體積流量，通過西門子變頻器改變旋渦風機的轉速來調控通入的空氣流量，使用燃氣流量計和空氣流量計監測燃氣和空氣的體積流量變化。燃燒器由混合腔體、水冷裝置和多孔介質層3部分組成，一次預混氣經三通上下分流分別通入混合腔體中充分混合，經水冷裝置抵達多孔介質層，在多孔介質層孔道內部進行燃燒。水冷裝置內部為翅片式換熱器，通循環水冷卻降溫，其目的是降低燃燒溫度，避免熱力回火問題的發生

。多孔介質層由堇青石蜂窩陶瓷板(以下簡稱堇青石陶瓷板)和催化堇青石蜂窩陶瓷板(以下簡稱催化陶瓷板)前后上下各2塊疊加組成，堇青石陶瓷板截面尺寸為150 mm×150 mm，厚度為20 mm，開孔率為0.78，孔密度為62孔/cm

，孔道尺寸為1 mm×1 mm，壁厚為0.18 mm。催化陶瓷板載體為堇青石陶瓷板，規格同上，先在堇青石陶瓷板上涂一層Al

O

，然后將活性組分鈀(Pd)和ZrO

、BaO等助催化劑按一定比例配置好后一起鍍涂在Al

O

層上。監測系統主要分催化陶瓷板表面溫度監測、爐窯內部溫度監測和煙氣組分及含量的監測：催化陶瓷板表面溫度和爐膛溫度由希瑪AS877四通道接觸式熱電偶測溫儀測量，測量精度為±0.1%；煙氣由MGA5型紅外線煙氣分析儀檢測，其O

測量精度為±0.2%，CO、NO、NO

、C

H

測量精度為±2%。

——催化陶瓷板的發射率

——催化陶瓷板表面積，m

——催化陶瓷板表面對爐膛內壁的角系數，本文取1

——爐膛內壁發射率，壁面為石棉板，取0.96

假設爐膛內煙氣與內壁間的表面傳熱阻無窮小，將爐膛溫度視為爐膛內壁平均溫度。輻射效率

的計算式為：

——爐膛內壁表面積，m

(3)

式中

——爐門關閉階段輻射效率

——爐窯輸入功率，W

3.“互聯網+”促進了家長利益的最大化。互聯網社會呈網狀結構，任何組織個體都是嵌入其中的一部分，網絡思維依靠群體尋找復雜問題的答案。既然如此，作為親職教育的客體，應充分依托互聯網的運營模式，實現自身利益的最大化。例如，當家長遇到育兒難題時，就可以利用各種形式的互聯網平臺，尋求專家、專業人士的指導；或與有相同問題的家長進行積極探討，形成線上或線下的穩定聯結。西方國家家長高度重視親職教育，除了參與官方提供的免費育兒指導外，也會支付費用來參與營利性機構開設的親職教育培訓，培訓費用從數十美元到上千美元不等，以此來滿足自身的育兒需求。

輻射熱流量Ф

、輻射效率

隨輸入功率的變化見圖7。在爐窯輸入功率范圍內，隨輸入功率增加，輻射熱流量逐漸增加，最大輻射熱流量為1 347.67 W，輻射熱流量的變化率逐漸降低，原因在于催化陶瓷板與內壁間溫差逐漸縮小。爐窯的輻射效率隨輸入功率增加逐漸減小，從輸入功率為2.8 kW時的0.46降至輸入功率為4.5 kW時的0.30。

4 結論

① 燃燒器的一次點火升溫經歷氣相燃燒—火焰吸附—緩慢升溫—穩定燃燒4個階段，通過選用適當熱導率的多孔介質可以縮短燃燒器的點火升溫時間。

② 爐門開啟階段，隨過剩空氣系數增加，燃燒器壁面垂直溫度梯度逐漸減小，催化陶瓷板表面平均溫度先增后減，當過剩空氣系數為2.0時，垂直溫度梯度為0.3 K/cm，表面平均溫度達到最大值973 K。

研究結果顯示，與對照組相比，死亡凸顯和親密關系喪失對高自尊被試職業認同的影響既有相似之處又有差異之別。 相似之處是，二者均顯著降低了高自尊者的職業期望、職業承諾、職業價值觀及職業認知的水平； 不同之處是，死亡凸顯還顯著降低了高自尊被試的職業情感，但親密關系喪失無此效應。

③ 爐門開啟階段，CO、NO

體積分數隨過剩空氣系數增加而增大，當過剩空氣系數為2.1時，CO、NO

的最大體積分數分別為10×10

和14×10

，CH

體積分數始終為0。

④ 爐門關閉階段，隨著爐窯輸入功率增加，CO、NO

、CH

體積分數逐漸降低，最大體積分數分別為12.9×10

、1.8×10

、14.9×10

，當爐窯達到最大輸入功率4.5 kW時，三者體積分數均為0。

⑤ 爐門關閉階段，隨著爐窯輸入功率增加，輻射熱流量增加，輻射效率降低，當達到最大輸入功率4.5 kW時，輻射熱流量和輻射效率分別為1 347.67 W和0.30。

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