多孔介質燃燒器研究及應用進展*

高懷斌 黃光宏 李洪峻 屈治國 陳媛媛

(1 中國人民解放軍總后勤部建筑工程研究所 西安 710032)(2 西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室 西安 710049)(3 中國建材檢驗認證集團(陜西)有限公司 西安 710116)

前言

自工業革命以來人類社會經歷了科技突飛猛進和經濟快速發展的兩百年，該時期同時也是歷史上能源消耗量最大和環境污染最嚴重的一個階段。能源的生產和消費為經濟發展提供了重要支撐，同時，能源低效利用以及由此帶來的環境污染制約著經濟的持續快速增長。為了實現能源與環境的協調發展，我國必須長期實施節能優先戰略，同時利用環境標準推動技術進步，發展高效率低污染，零排放的燃燒技術，降低單位經濟活動的能源消耗和環境污染。工農業生產中常見的低熱值氣體燃料主要有焦爐煤氣和高爐煤氣、煤礦通風氣、石油伴生氣、化工行業的低熱值尾氣、沼氣、垃圾填埋氣等以甲烷為主的可燃氣體。低熱值氣體燃料可燃成分濃度較小，通常情況下不能直接點火燃燒，一般直接排放至大氣中，不但浪費能源而且嚴重污染環境。借助輔助設備對空氣與燃料混合氣體進行預熱、循環燃燒或添加助燃燃料提高混合物的熱值進行燃燒，燃燒設備結構復雜，技術難度大。為解決這一問題，國內外學者提出了許多強化燃燒和污染物控制技術，其中多孔介質中的過焓燃燒(Excess Enthalpy Combustion)或稱超絕熱燃燒(Superadiabatic Combustion)是最有效的技術之一。該技術系統結構簡單、燃燒效率高、燃燒極限寬、火焰穩定性好、污染物排放低，比其他強化燃燒技術處理低熱值氣體燃料具有更大的優勢。

1 多孔介質燃燒技術特點

1.1 多孔介質燃燒機理

多孔介質預混燃燒是化學反應和物理傳熱的耦合過程，涉及多種傳熱方式，如氣體之間的對流換熱，氣體與固體之間的對流、輻射換熱，固體之間的導熱和輻射換熱等，如圖1所示[1]。在多孔介質大孔區即燃燒反應區，煙氣溫度高于多孔介質固體骨架的溫度，氣體燃燒釋放出的熱量通過對流換熱傳遞至固體多孔介質；固體多孔介質通過導熱和輻射將熱量傳遞至多孔介質小孔區即預熱區；預熱區內的固體多孔介質與新鮮預混氣體進行熱量交換，預熱來流未燃燒混合氣體。燃燒釋放的熱量通過多孔介質的輻射和導熱預熱來流預混氣體，導致火焰溫度超過絕熱火焰溫度，實現所謂的“超絕熱燃燒”或者“超焓燃燒”。

圖1 多孔介質預混燃燒器[1]

1.2 多孔介質材料特性

多孔介質材料影響燃燒器的壽命和燃燒性能，是多孔介質燃燒器設計時需要的重點考慮因素。氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、碳化硅(SiC)等陶瓷材料是目前燃燒器中使用最廣泛的多孔介質材料。氧化鋁具有耐磨損、耐高溫、硬度大、化學性質穩定且價格便宜等優點，是最常使用的多孔介質材料；其缺點是導熱系數較低、抗熱沖擊性較差。氧化鋯具有良好的耐高溫性能，非常低的導熱性能和較差的抗熱沖擊性。碳化硅具有良好的傳熱性能和抗熱沖擊性，是較好的多孔介質材料。燃燒所使用的多孔介質主要包括堆積顆粒、泡沫、蜂窩板、纖維、金屬絲網等形狀。蜂窩狀多孔介質結構規則有序可以精確描述其微觀結構，而自由堆積顆粒床、泡沫、纖維氈、金屬絲網等每個單元沒有規律可循或排列無規則，描述其幾何形狀比較困難。因此，目前研究主要引入了“容積平均”假設，將復雜的多孔體系視為宏觀尺度均勻分布的虛擬連續介質，不必研究微觀尺度的流動和換熱，使復雜的流動問題得以簡化。

2 多孔介質燃燒器的應用

多孔介質燃燒可以提供長波、中波、短波輻射，適應于各種不同的加熱情況，可以替代常規燃燒器廣泛應用于商用和居住空間加熱、化工和金屬加工、玻璃退火、涂料和油漆干燥、食品加工、紙漿和造紙干燥、揮發性有機化合物的焚燒處理等領域。與傳統的燃燒器相比，多孔介質燃燒器減少了復雜的預熱和換熱設備，使其結構簡單、緊湊，燃燒器尺寸大大減小，既可以提高燃燒效率，又可以降低污染物(主要是NOx)排放。

2.1 民用燃燒器

圖2 家用30 kW多孔介質燃燒器/換熱器一體機[2]

多孔介質燃燒器可代替集中供熱系統應用于小型公寓，不需要設置獨立的加熱間，甚至可以安裝在壁龕里或者室外，實現功率最大化且可降低加熱成本。圖2為家用30 kW多孔介質燃燒器/換熱器一體機[2]，其輸出功率相同時，其體積僅為常規加熱系統的一半。GoGaS公司利用多孔介質燃燒有效地解決了工業或商業建筑物采暖的解決方案，廣泛應用于制造工廠、倉庫或倉庫用房、體育場館和體育設施、天井和甲板、教堂等場合。圖3是多孔介質燃燒器用于體育場館輻射供暖系統[3]。由于紅外線不被空氣吸收，能夠直接對設備和人體進行加熱，不需要對整個空間進行加熱，因此避免了大空間采暖的垂直失調、節約能源且采暖效果好。

圖3 多孔介質燃燒器用于體育場館輻射供暖系統[3]

2.2 工業燃燒器

工業生產中經常使用熱空氣蒸發和去除農產品、食品、紡織物、化工產品、皮革、木材、紙張等中的水分，可根據干燥工藝的要求通過調節燃燒尾氣和新鮮空氣的混合比例調節溫度。LSTM-Erlangen大學研制了一種用于空氣加熱的多孔介質燃燒系統[4]，通過多孔介質輻射傳熱，可直接加熱干燥物品，無需在煙氣和加熱物品之間安裝熱交換器，運行穩定可靠。GoGaS公司與Erlangen大學合作開發了一種短波氣體紅外輻射燃燒器[5], 已經應用于織物、紙漿和紙張、涂料和油漆干燥等工業領域，其特點是干燥速度快，生產效率高。圖4是粉末涂料燃氣紅外輻射固化區。紅外輻射燃燒器可以根據涂層和嵌入材料的性質調整輻射介質的散射，縮短固化時間、提高固化效果。2011年底，我國已建成通車的公路總里程達到近400萬km，其中高速公路通車里程已達8.5萬km，其中絕大多數是瀝青路面。鋪裝和維護瀝青路面需要消耗大量的瀝青和人力，瀝青路面加熱要求快速、均勻以及防止瀝青氧化和燃燒。廣州藍炬燃燒設備有限公司設計了利用多孔介質輻射燃燒器鋪裝和維護瀝青路面的熱墻式綜合養護車[6]，如圖5所示。多孔介質輻射燃燒器利用紅外線加熱瀝青路面，穿透力強，可以短時間內將瀝青料軟化，經過翻松、找平、壓實等工序即可完成路面修補。由于沒有傳統維修方式的冷熱接縫，修補后的質量好，壽命延長，維修費用降低，并且不受季節限制。

圖4 粉末涂料燃氣紅外輻射固化區[5]

圖5 熱墻式綜合養護車[6]

多孔介質燃燒器可以對鑄造前的玻璃進行預熱、對平板玻璃進行彎曲和焊接以及對玻璃表面提純(鏡頭拋光)等。玻璃器具成形后內部存在較大的熱應力、容易破損，采用多孔燃燒器快速加熱并冷卻退火可以有效消除熱應力，提高成品率。多孔介質燃燒器同樣對金屬材料進行退火，降低金屬材料內部應力，其特點是快捷、投資少、不受場地限制。多孔介質燃燒還可以應用于食品與藥品機械，如夾層鍋、炒鍋、殺菌釜以及茶葉殺青設備等。低燃燒速率的多孔介質燃燒器可以很好地滿足遠紅外輻射食品加工工業的要求[7]，可縮短加工時間、降低能量成本，促使輻射爐機構緊湊化和更加自動化，同時可以提高產品的質量，減少微生物污染[8]。此外，多孔介質燃燒器還可應用于合成材料回收容器的加熱、合成材料熱密封、汽車通風管道表面拋光，多層汽油管熱應力釋放、硫化橡膠的擠壓成形等。

2.3 在汽車工業中的應用

未來車輛的發展趨勢是更為舒適、安全，新的供暖系統變得越來越重要。傳統加熱器污染水平過高，而多孔介質燃燒技術可以實現結構緊湊和低污染排放的目標。圖6是基于多孔介質燃燒技術獨立汽車供暖系統[9]。20世紀90年代初，A J Ferrengerg[10]首先提出利用多孔介質對傳統汽油和柴油發動機進行改進成為蓄熱式發動機。多孔介質置于氣缸頂部，通過驅動桿與活塞同步運動。吸氣時，多孔介質固定在缸蓋上；燃燒過程中，多孔介質向上而活塞向下運動，高溫燃氣穿過多孔介質并將熱量蓄積在多孔介質內，壓縮過程中，多孔介質與活塞做反向運動，氣體穿過多孔介質吸收已經蓄積在多孔介質內的熱量。蓄熱器的性能取決于多孔介質的材料、結構和幾何形狀。實驗結果表明，相同的空氣燃氣比例，相對于普通柴油機多孔介質蓄熱式燃燒器熱效率可提高50%，油耗降低33%。

圖6 多孔介質燃燒器獨立汽車供暖系統[9]

圖7 單活塞多燃料燃燒器[14]

K Hanamura等[11～12]提出了超絕熱發動機的概念并數值模擬了往復式多孔介質燃燒。設計思路類似于普通的斯特林發動機，由兩個活塞(動力活塞和掃氣活塞)和一薄片多孔介質組成，通過聯動機構實現兩個活塞同步運動。采用往復流動系統將燃燒氣體剩余焓有效的蓄積至多孔介質內，實現超絕熱燃燒，壓縮比為2.3時熱效率達到58%。C W Park等[13]研究了蓄熱式柴油發動機中多孔介質對燃料的蒸發、燃燒以及發動機效率的影響，所研究的發動機熱效率為53%，高于傳統柴油機的43%。S M?βbauer等[14]測試了適用于汽車發動機的多孔介質燃燒零排放型蒸汽發動機，如圖7所示。該發動機的功率調節比是1∶20，大約是同類燃燒器調節比的5倍，功率密度約為3 000 kW/m2，約為其他預混低排放燃燒器技術的10倍，污染物遠遠低于車輛最低排放標準。Erlangen大學F Durst等[15～16]提出了多孔介質與氣缸保持永久接觸和周期性接觸兩種實施方案。應用多孔介質在發動機氣缸內的主要目標是實現均相、無焰、零排放燃燒。另一目標是增加發動機的熱回收效率，至少保持最佳發動機循環的效率水平。

2.4 其他領域的應用

多孔介質燃燒還可應用于熱電轉換、有害氣體消除等領域。A A Mohamad[17]提出利用多孔介質燃燒發電，使小型熱電組合或者熱電聯產得以實現。T K Hunt等[18]研制了適應于混合電動汽車堿性金屬熱電轉化系統超潔凈陶瓷多孔介質燃燒器。K Hanamura等[19]研究了基于雙熱電多孔原件往復式多孔介質燃燒發電的可行性，熱電轉換效率為0.2%。K Wawrezenik等[20]利用多孔介質燃燒技術將氫氣和氯氣合成氯化氫，結果分析表明，反應物中添加惰性元素可明顯提高火焰速度和絕熱燃燒溫度。此外，多孔介質燃燒可以消除高污染有機揮發物(VOC)如苯酚、甲醛、丙酮、粗苯等。K V Dobrego等[21～22]在利用多孔介質燃燒技術消除有機揮發物領域做了大量工作。黃志甲等[23]將多孔介質燃燒技術應用于中餐燃氣灶，灶具的熱效率從20%提高到43%，主要污染物的排放減少90%以上。

3 結語

與自由空間燃燒相比，多孔介質燃燒具有功率調節范圍大、燃燒穩定性好、燃燒強度和燃燒效率高、污染物排放低等優點，已經廣泛應用于民用取暖、汽車發動機、化工、金屬加工、尾氣處理等領域。多孔介質燃燒是燃燒與導熱、對流和輻射相互耦合的復雜過程，目前研究工作主要集中于氣體惰性多孔介質燃燒，需要進一步研究催化多孔介質燃燒以及液體多孔介質燃燒，理論和實驗探索其優良特征，為開發相關多孔介質燃燒設備提供技術支撐，推動多孔介質燃燒應用于更廣泛的民用、工業領域，創造良好的經濟和社會效益。