惰性多孔介质中预混燃烧的研究进展

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

近年来，我国环保力度不断加大。作为能源消费大国，开发高效低污染的燃料燃烧技术，并利用这些先进燃烧技术治理挥发性有机物污染等重大环境问题，对社会可持续发展具有重要意义。

多孔介质燃烧(Porous Media Combustion)，是一种在燃烧装置中填充多孔介质的高效低污染的新型燃烧方式[1-9]，也称为“过滤燃烧” (Filtration Combustion)[10-14]。根据多孔介质在燃烧中所起的作用，多孔介质燃烧可以分为惰性多孔介质燃烧和多孔介质催化燃烧[15-16]。本文重点介绍预混气体燃料在惰性多孔介质中的燃烧，即多孔介质在燃烧中只起强化燃烧、蓄热和传热的作用，不参与反应。

1 多孔介质燃烧的原理、分类和特点

1.1 多孔介质

多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质。燃烧器中的多孔介质具有适当的孔隙率，耐高温，耐热震，蓄热能力强，传热性能好。主要有蜂窝、泡沫、颗粒堆积、纤维、金属丝网等结构，其材质有氧化硅、氧化铝、耐热铸铁和不锈钢等[17]。

1.2 惰性多孔介质燃烧的分类

1.2.1 单向流动多孔介质燃烧

预混气体在多孔介质中的燃烧十分复杂，是一个化学反应和传热相耦合的过程。如图1所示，气体燃料在多孔介质燃烧区域燃烧放热，热量向四周传递，部分热量被烟气携带至下游区域，下游区域的多孔介质吸收高温烟气热量后，又将部分热量传递给燃烧区域的多孔介质；燃烧区域的多孔介质也会直接吸收气体燃料燃烧放出的热量，并把部分热量传到上游区域的多孔介质，形成热量回流。下游区域多孔介质和燃烧区域多孔介质之间以导热和辐射的方式换热；燃烧区域中气体燃料燃烧放出的热量是以对流和辐射的方式传给多孔介质；燃烧区域多孔介质和上游多孔介质之间也是以导热和辐射的方式换热。在此过程中，由于部分热量回流到上游区域的蓄热体，当回流热量大于蓄热体向环境的散热损失时，富余的回流热量就会通过蓄热体传递给流入的预混气体，使预混气体的温度不断升高，到达燃烧区域后能够快速燃烧，并且可达到比未经预热的预混气体在绝热条件下的理论燃烧温度更高的烟气温度，实现“超焓”燃烧，也称“超绝热燃烧”[17-19]。

1.2.2 往复流动多孔介质燃烧

对于单向流动多孔介质燃烧器，如果预混气体中燃料的体积分数很低，会产生火焰持续向下游移动的情况。此时，只有燃烧器中的多孔介质无限长，才能使燃烧过程一直持续下去。在实际过程中，多孔介质不可能是无限长，但如果将往复式流动技术和多孔介质燃烧技术相结合，周期性地切换燃烧器进气和排气的方向，就可以达到类似多孔介质无限长的效果。往复流动多孔介质燃烧的原理见图2。燃烧器从冷态启动，经过一段时间的加热，燃烧器内的多孔介质达到了设定的预热温度，然后开始通入预混气体。在前半周期内，气体燃料从燃烧器左侧进入，经过多孔介质预热后着火燃烧，燃烧区域的部分热量会通过导热、对流和辐射的方式传到燃烧器两侧的多孔介质处，燃烧产生的高温烟气继续向右流动的过程中，右侧多孔介质吸收烟气的热量，温度升高，同时烟气温度逐渐降低后从右侧排出，燃烧区域逐渐右移；同理，在后半周期内，气体燃料从右侧进入，经过右侧高温多孔介质的预热后着火燃烧，燃烧产生的高温烟气继续向左流动的过程中，左侧多孔介质吸收烟气的热量，温度升高，蓄积热量，同时烟气温度逐渐降低后从左侧排出，燃烧区域逐渐左移。每经过半个周期，燃烧器的进出口方向就会切换，燃烧区域也周期性地往复移动，形成稳定的往复式多孔介质燃烧状态[19]。

1.3 多孔介质燃烧的特点

燃烧速率高。多孔介质结构复杂，气体燃料进入多孔介质后扰动非常剧烈，气体的弥散作用增强，且多孔介质具有良好的传热性能，气体燃料燃烧产生的热量可以迅速向四周传递，燃烧过程中的传热传质增强，燃烧得到强化，燃烧反应加快[1,17]。

燃烧区域宽，温度分布更均匀。与传统燃烧方式不同，多孔介质燃烧不是发生在自由空间中的，而是气体燃料在固体基质孔隙中的燃烧，形成的火焰也不是峰面火焰[20]，孔隙中的一个个“小型火焰”，呈现出离散状态，而且由于多孔介质具有良好的传热性能，燃烧区域的热量能够快速地传到上游去预热新的燃料，高温烟气的热量也会被下游的多孔介质吸收，因而拓宽了燃烧区域，避免了传统燃烧中局部温度过高的情况，温度分布更均匀[21]。在往复式多孔介质燃烧中，由于气体进出口周期性切换，前半个周期和后半个周期内，燃烧发生在不同的区域，并作周期性往复移动，也有利于拓宽燃烧区域，提高温度分布的均匀性。

污染物排放低。传统燃烧过程中排放的污染物主要有CO、NOx和烟黑等。在多孔介质燃烧中，由于燃烧区域变宽，燃料停留时间变长，反应更加完全，燃烧效率提高，CO的生成量减少；多孔介质燃烧中温度分布均匀，避免了传统燃烧中因局部温度过高而生成大量热力型NOx的情况[22]。

贫燃极限低。低热值燃料在进入燃烧器后，经过燃烧区域回流热量的充分预热，可将气流温度升高到着火点以上，而在燃烧过程中，燃烧区域分布范围广且温度分布均匀，各部分之间传热效果好，有利于低热值燃料稳定燃烧，和不预热的燃烧相比，大大拓展了贫燃极限[23]。在往复流多孔介质燃烧中，燃烧器进出口周期性切换，多孔介质预热区和热量回收区就会周期性切换，更大限度地进行热量回收，对新的气体燃料有了更加充分的预热，可进一步拓展贫燃极限。Vandadi等人[24]对三维多孔燃烧器中的辐射传热进行了研究，研究结果表明，通过多孔介质内部的热循环和外部的预热，可以有效地拓宽贫燃极限和强化燃烧的稳定性。

2 多孔介质燃烧中火焰传播特性

2.1 火焰传播

气体燃料在多孔介质燃烧器中稳定燃烧时，火焰会以一定的速度向着上游或者下游移动，此时火焰面的移动速度是稳定的，称为燃烧波波速[25-26]。Babki等人[27-28]根据燃烧波的波速对多孔介质中的燃烧模式的分类见表1。

表1多孔介质中气体的燃烧模式和火焰传播机理[27]

燃烧模式波速/m·s-1 火焰传播机理低速(Low velocities)0～10-4固体基体导热,界面热交换高速(High velocities)0.1～100均匀压力下的热对流音速(Sound velocities)100～300压力梯度作用下气体对流运动低速爆炸(Low velocity detonation)500～1 000爆震波下的自燃正常爆炸(Normal deto-nation)1 500～2 000热量和脉冲损失下的爆炸

多孔介质燃烧器中，气体燃料燃烧放热，热量以导热、对流、辐射的方式传播到燃烧器的上下游区域，形成热力学波，简称热波[29]。研究结果表明，在一定当量比下，多孔介质区域中的热波和燃烧波会出现叠加现象，燃烧波和热波相互增强。燃烧效率高，燃烧波稳定，燃料燃烧时放出的热量多，热波就会稳定，对上游区域预混气体的预热效果也就越好，越有利于强化燃烧。

当燃料燃烧所释放的热量低于热量损失时，燃烧过程就会逐渐衰减，不能形成稳定的燃烧波。多孔介质燃烧中火焰传播的稳定性受速度SL、当量孔隙平均直径dm、混合气体的比热容cp、混合气体的密度ρ、混合气体的导热系数k等参数的影响。对于层流火焰，判定火焰传播状态的准则数为修正佩克莱数Pe

(1)

对于多孔介质中的火焰传播，存在临界佩克莱数Pe*=65，当实际的Pe小于65时，火焰熄灭；当Pe大于或等于65时，火焰传播[30]。

2.2 驻定燃烧

多孔介质燃烧的理想运行工况是火焰稳定在燃烧器内的某一特定区域，火焰传播速度与气流速度相等，即驻定燃烧[31-32]，这样不仅可以提高燃烧器的效率，还可以减少CO和NOx的排放。目前有四种实现驻定燃烧的方法[33]：(1)设计一个两层的多孔介质燃烧器，一层的Pe数小于65，而另一层的比65稍大；(2)冷却燃烧区的后半部分；(3)周期性转换燃烧器的进出口，使火焰保持在特定区域；(4)使用具有变截面面积的多孔介质。Bubnovich等[33]通过实验研究了火焰在双层氧化铝小球堆积床内的驻定燃烧，研究结果表明在一定的当量比和进口气体速度范围内实现了驻定燃烧，可以拓宽燃烧的稳定范围。史俊瑞等[33]对气体燃料在两层多孔介质燃烧器内的超绝热燃烧和火焰的稳定性进行了数值模拟，结果表明在两层多孔介质内可实现超绝热燃烧，在一定的流速下火焰稳定在两层多孔介质的交界面上。

驻定燃烧中有一种特殊的情况是火焰主体稳定在多孔介质出口处，称为表面燃烧[34]。Janvekar等人[35]设计了一个圆柱形的多孔介质燃烧器来研究预热层厚度对表面燃烧和浸没燃烧的影响。该燃烧器分为两层——上游的预热区和下游的反应区，预热区的材料是陶瓷泡沫，厚度分别为5 mm、10 mm、15 mm，研究结果表明，在预热层为5 mm时，存在表面燃烧。

2.3 火焰传播的不稳定现象

预混气体多孔介质燃烧过程中的火焰传播，存在火焰倾斜、回火、脱火、胞室和淬熄等不稳定现象。

火焰倾斜主要是指在多孔介质燃烧中火焰前沿面垂直于过滤速度初始方向的现象逐渐消失，并产生倾斜等不稳定现象，如果不稳定现象继续发展，燃烧火焰前沿将出现衰减或破碎。火焰面倾斜是燃烧中最常见的不稳定现象，火焰前沿倾斜会引起不均匀的热分布，降低燃烧效率，缩短燃烧器的寿命，甚至导致严重的工业事故，燃烧器尺寸越大，发生火焰面倾斜的可能性也越大[36-37]。火焰面倾斜的缺点极大限制了多孔介质燃烧器的应用和发展。

多孔介质燃烧中，随着燃烧波的移动，燃烧也会出现一些特殊的情况。当燃烧波传播到燃烧器上游的燃料进口时，发生回火现象，回火可能会导致气体燃料的爆炸；当燃烧波向燃烧器下游区域移动且稳定在末端时，为表面燃烧；当燃烧波继续向下游传播，脱离多孔介质，发生脱火现象，出现脱火时，若气体燃料浓度较高，能够维持稳定燃烧，燃烧将变成自由空间燃烧，若燃料浓度不够，火焰熄灭[32,38]。无论是在实验研究还是在工程应用中，都应该尽力避免回火和脱火的发生。

胞室，是指热斑在燃烧器内的分布不均匀，各热斑连结起来组成的胞状结构不均匀地驻定在燃烧器内。胞室的形成会导致多孔介质局部平均温度升高，而整体温度逐渐降低，不利于预混气体在多孔介质中的稳定燃烧[39]。

多孔介质燃烧中，可燃气体分子在与固体骨架的接触中，由于碰壁效应，部分活化分子会销毁；同时，由于固体介质传热性好，会带走气体携带的热量，导致靠近固体的气体温度降低，这种固体对于气体燃烧反应的抑制作用称为淬熄效应[40]。

2.4 火焰传播的影响因素

影响多孔介质燃烧火焰传播的因素主要有气体燃料的当量比、气体的进口速度、多孔介质的材料和孔径大小等。气体燃料的当量比是火焰传播的主要影响因素，会影响火焰的传播速度和传播方向，当量比过大或过小都会引起火焰的不稳定性。

浙江大学的朱茜茜[41]通过实验研究了甲烷/空气预混气体在泡沫陶瓷多孔介质燃烧器中的火焰传播特性。研究结果表明，存在合适当量比火焰可以实现驻定燃烧，例如在PPI(每英寸长度上多孔介质的小孔数目)为10的碳化硅多孔介质燃烧器中，气体进口速度为0.3 m/s,当量比为0.5左右时，火焰驻定燃烧。当量比较大时，火焰向上游传播，当量比过大会引起回火现象；当量比较小时，火焰向下游传播，当量比过小会引起脱火现象，而火焰的传播速度和当量比成反比例关系。进口气体速度对火焰传播速度的影响规律不明显，而材料的不同也会改变进口气体速度对火焰传播的影响规律。孔径大小是多孔介质材料的一个重要参数，多孔介质孔径增大时，Pe数增大，火焰传播能力加强，传播速度增加；孔径减小，火焰传播速度减小，到达临界值时火焰熄灭。材料对火焰传播的影响主要表现在其热物性参数上，通过燃烧器内多孔介质的传热特性影响火焰的传播，材料的传热性能越好，燃烧器内的热量交换越充分，火焰的传播速度越小。

气体燃料的当量比、气体进口速度和孔径大小对火焰传播过程中火焰面的倾斜程度有一定的影响。东北大学的于春梅[42]研究了甲烷/空气预混气体在多孔介质燃烧中的火焰面不稳定特性，在给定一个初始的倾斜角后，分别改变燃烧中的工况参数，观察倾斜角的变化情况。研究表明，当量比越大，火焰倾斜程度越小；气体进口速度越大，火焰倾斜程度越大；孔径越大，火焰倾斜程度越小。

3 多孔介质燃烧的数值模拟

近年来，许多研究人员通过建立模型来分析多孔介质燃烧过程中的传热传质过程，预测其温度特性、火焰传播特性、污染物的排放等等，并与实验结果进行对比验证，对多孔介质燃烧系统结构设计和运行的优化有重要的参考意义。

3.1 物理模型

多孔介质燃烧器一般可以根据其形状分为3种：轴流燃烧器、圆柱形燃烧器和球形燃烧器，其物理模型如图3所示[43]。

3.2 控制方程

在数值模拟研究中，为了简化模型和计算，需要先对模型做出一些假设，然后通过一系列的控制方程来表示燃烧过程和传热过程。通常假设条件有以下几点：空气的热物理性质(密度、热导率和比热)被假定为温度和组分浓度的函数；多孔介质燃烧器中压降不高，可以忽略其对热物性的影响；固相的性质恒定；固相和气相之间存在热不平衡；在给定的当量比和温度条件下，空气和燃料完全预混；固相吸收、发射、散射辐射，忽略气体辐射。以上述的三种模型为例，多孔介质燃烧过程的控制方程如下[43]：

(1)气相的能量方程

(2)

式中φ——孔隙率;

ρ——密度;

Cp——比热容;

T——温度;

ν——速度;

k——导热系数;

hv——体积传热系数;

ΔHc——燃烧焓;

Sfg——单位体积燃料消耗率;

下标g——气体;

下标s——多孔介质固体。

(2)固相的能量方程

(3)

Cs——固相的比热。

(3)质量守恒方程

(4)

式中mf——燃料质量分数;

DAB——扩散系数。

(4)气相边界条件

Tg|r=rin=Tin,r=rin

(5)

(6)

式中 下标in——进口边界;

下标out——出口边界。

(5)固相边界条件

(7)

(8)

式中h——固相边界上与气体的对流换热系数;

ε——发射率。

(6)组分边界条件

mf=mf,in,r=rin

(9)

(10)

对于球形、圆柱形和轴流燃烧器，上述控制方程中的n值分别为2、1和0。

3.3 反应机理

多孔介质燃烧过程中气固相的界面十分复杂，很难做出严格的描述，传热传质过程也很复杂，需要通过传热和化学反应动力学的耦合来求解。所以在多孔介质燃烧的数值模拟研究中，通常考虑用单步反应或多步反应机理来描述反应过程。在一般研究中，单步反应机理能够满足多孔介质燃烧的建模问题，但要对反应中污染物的形成有一个较为准确的预测，必须加入详细的反应机理。

多孔介质燃烧研究中，最常见的是对甲烷/空气预混气体燃烧的研究。Zhou和Pereira[44]用四种不同的反应机理模拟了甲烷/空气在惰性多孔介质中的燃烧，并与实验结果做了对比分析，比较了采用不同的反应机理时燃烧器燃烧温度、燃烧速度和污染物排放的差异。四种模型分别为：一步全局反应机理(One-step global mechanism)、四步简化反应机理(Four-step reduced mechanism)、框架反应机理(Skeletal mechanism)和详细反应机理(Detailed mechanism)。研究结果表明，使用四步简化反应机理和详细反应机理能比较准确地模拟出燃烧器内的温度变化，而一步全局反应机理会较高地预测最高燃烧温度和反应速度；使用四步简化反应机理、框架反应机理和详细反应机理都能较为准确地预测出CO的排放；预测NO的排放时，四步简化反应机理、框架反应机理和详细反应机理模拟结果的准确性都不太令人满意；火焰传播速度方面，四步简化反应机理、框架反应机理和详细反应机理的模拟结果相近，而一步全局反应机理模拟出的火焰传播速度较高。所以，对于侧重点不同的研究内容，需选取合适的反应机理，并要与实验结果进行对比验证，才能得出合理的结论。

3.4 数值模拟的求解方法

建立流体力学模型时，因为多孔介质结构的复杂性，精确地描述多孔介质中孔隙的几何形状和流体在其中的物理化学现象十分困难，在研究时大多使用“体积平均”假设。“体积平均”是将微观孔隙尺度的研究转移到宏观尺度上，将多孔介质假想为大尺度上均匀分布的连续体，宏观表现为流体的黏滞形式。这样对于参数的选取就可以选择合适的平均参数，简化了整个过程的研究。ANSYS FLUENT是研究流动的一个比较常用的软件。在ANSYS FLUENT中，用控制体积法去离散控制方程，进行迭代求解。对于非均匀结构网格中的控制方程，要使用不同的网格大小测试网格独立性。对于瞬态流场的求解，常用SIMPLE算法来处理，比如压力-速度的耦合过程。现在许多研究人员用C语言编程来建立用户自定义函数(UDF)和用户定义的标量(UDS)，去动态地链接到求解器来进行求解。

模型计算中的燃烧模型，常用Chemkin软件去求解。研究人员需要先建立出燃烧模型，列出控制方程，编制相关的程序，然后建立燃烧过程中的化学反应机理。将化学机理和热力学数据库相结合，Chemkin的解释器会对化学机理进行处理，建立文件，代入到Chemkin的子程序库中进行对控制方程和化学反应的计算分析。

3.5 非常规数值模拟方法

格子玻尔兹曼方法(LBM)是一种不同于传统数值模拟方法的流体计算和建模方法，具有介于微观分子动力学模型和宏观连续模型的介观模型特点。与其他传统CFD计算方法相比，它具有以下优点：(1)流体相互作用描述简单；(2)易于设置复杂边界；(3)编程容易，计算处理简单；(4)并行性高；(5)可以直接模拟有复杂几何边界的通域流场，无须作计算网格的转换。Yamamoto等[45]就采用格子玻尔兹曼方法进行了多孔介质燃烧的数值模拟研究。

4 多孔介质燃烧技术的应用

4.1 挥发性有机物废气处理

挥发性有机物(VOC)广泛存在于工业废气中。大多数挥发性有机化合物会严重污染环境，危害人们的健康。基于多孔介质燃烧技术或蓄热式热氧化技术，用多孔介质材料作为蓄热床，可对低浓度有机废气进行高度预热，并极限回收挥发性有机物氧化放出的热量，维持反应系统的能量自平衡，减少辅助燃料的消耗，能耗水平低，挥发性有机物去除率高，安全可靠， CO和NOx等二次污染物的排放量也很低[46]。

4.2 多孔介质发动机

多孔介质燃烧效率高、传热效率高，反应区温度分布均匀，燃烧稳定、易于控制，污染物排放低，不仅可以燃烧气体燃料，还能燃烧液体燃料，可以应用在发动机上。1990年，美国人Ferrenberg提出了多孔介质发动机的概念，日本歧阜大学的Hanamura等人在1995年就提出了超绝热发动机的概念，并尝试制造了一台样机；解茂昭分析了多孔介质燃烧技术在内燃机方面的应用，并证实了其可行性[47]。

4.3 低热值燃料的燃烧

多孔介质燃烧技术具有燃烧速度快、传热速率高、温度分布均匀，与传统燃烧方式相比，大大地拓宽了贫燃极限，特别适合低热值燃料的燃烧[37]。以煤矿乏风为例，由于其排风量大、瓦斯浓度低等特点，很难通过传统的燃烧方式来处理，过去一般都是直接排向大气，不仅污染环境而且浪费资源，而现在已有采用多孔介质燃烧技术进行乏风氧化，并利用其热量进行发电的成功案例[48]。

4.4 燃气轮机

Ellzey等人[49]提出了多孔燃烧器在燃气轮机上的应用。多孔介质燃烧具有稀薄燃烧、火焰温度高、温度分布均匀、污染物排放低等特性，对燃烧器本身也没有冷却的要求，在燃气轮机的应用方面很有研究价值。

5 总结与展望

预混气体多孔介质燃烧具有燃烧速度快、燃烧效率高、温度分布均匀、贫燃极限宽、能耗水平和污染物排放低等优点，是一种节能环保的新型燃烧技术，在气体燃料高效低污染燃烧、矿井乏风和有机废气氧化等诸多领域，都有良好的应用前景。

国内外学者开展了大量关于预混气体多孔介质燃烧的研究工作，在火焰传播特性、火焰结构特性、火焰不稳定现象、热波运动规律、污染物排放特性、多孔介质燃烧器及燃烧系统设计与应用等方面，取得了丰富的研究成果，尚有一些问题有待进一步研究：

(1)低浓度挥发性有机物废气的多孔介质燃烧及污染物排放特性。现有多孔介质燃烧的研究中，大多是针对甲烷与空气的预混气体。多孔介质燃烧在挥发性有机物废气处理中具有巨大的应用潜力，尽管已有一些工程应用，但目前国内关于这方面的基础研究还比较缺乏。

(2)新型多孔介质材料的开发。多孔介质燃烧器的性能，与多孔介质的材料和结构密切相关。通过开发各种新材料和新结构，提升多孔介质燃烧的经济性、灵活性、环境友好性和可靠性，对于该技术的推广应用也有积极作用。

(3)负荷调节过程中多孔介质燃烧的动态特性研究。在多孔介质燃烧的实际过程中，都会涉及负荷调节，引起多孔介质燃烧器进口气体流量、可燃气体浓度等参数的变化。在一定的多孔介质初始温度分布下，进口参数的改变，必然会诱发一个动态变化过程，直至达到新的平衡状态。由于多孔介质的蓄热作用，多孔介质燃烧器会具有较大的热惯性，对其动态特性进行研究，是制定多孔介质燃烧系统控制策略、保证系统安全可靠运行的重要基础。