民用多孔介质燃气灶具的研究进展

方 楠，徐江荣，王关晴，陈翔翔，周 航

(杭州电子科技大学理学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

随着我国经济快速发展，燃气灶具平均消费水平不断提高，高端燃气灶具消费比重上升，节能减排要求不断提高，对燃气灶具燃烧性能等方面提出了新的要求，比如高燃烧温度、低燃烧污染物排放、高热效率等。多孔介质燃烧技术是目前最新的燃烧技术，具有燃烧速率快、燃烧稳定、温度分布均匀、功率密度高、负荷变化范围广及NOx和CO排放低等优势[1-3]。王恩宇等[4]提出一种渐变型多孔介质燃烧器，研究渐变结构对燃烧火焰特性的影响，结果表明，渐变孔径的多孔介质燃烧器温度分布更加均匀，燃烧更加稳定，CO和NOx等污染物排放更低。Gao等[5]研究堆积型双层结构的多孔介质燃烧器的燃烧特性，分析小球直径对燃烧特性的影响，研究发现，随着填充小球直径的增加，稳定燃烧区域增大且污染物排放降低。Wan等[6]通过改变多孔介质燃烧器中通道初始压力和布封板长度，探究布封板的防回火性能，结果表明，穿孔板狭缝通道对火焰起抑制作用，通道越长，火焰热量的损失越大，防回火效果越好。Wang等[7]研究燃烧器入口气体流量、当量比和氧化铝颗粒直径对燃烧器燃烧温度的影响，结果表明，颗粒直径越小或入口空气流量越大，超绝热燃烧对应的临界当量比越大。Shi等[8]研究当量比对火焰倾角和破裂的影响，提出一种二维双温度模型。Keramiotis等[9]研究两层矩形多孔介质燃烧器的污染物排放特性，结果表明，氮氧化物排放量小于等于31 mg/kWh，一氧化碳排放量小于等于29 mg/kWh。Ghorashi等[10]研究中心穿孔型多孔介质燃烧器的污染物排放，结果表明，穿孔型燃烧器CO排放低于传统多孔介质燃烧器，且中心孔直径的增加使得CO排放减少。本文介绍了多孔介质燃烧在其他领域的研究应用，着重阐述多孔介质燃烧技术在民用燃气灶具上的研究现状和进展，对比燃烧温度分布、污染物排放及热效率的研究结果，分析并提出PMC技术在燃气灶具结构、材料、适应性等方面的改进建议。

1 多孔介质燃烧原理与形式

20世纪70年代初，英国学者Weinberg提出“超焓燃烧”概念：提高燃料混合物自身能量或通过燃烧热量再循环可以改善燃烧效果，使得燃烧温度超出燃料绝热燃烧的最大理论燃烧温度[11]。目前，“超焓燃烧”实现主要有两种方式，一是利用外部热量再循环，通过高效换热器吸收高温烟气余热，如“高温空气燃烧技术”(Highly Temperature Air Combustion，HTAC)；二是利用燃烧区自身热量再循环，如多孔介质燃烧(Porous Media Combustion，PMC)技术，通过燃烧区域内多孔介质实现热量传递，对预混燃气进行预热，实现“超焓燃烧”。根据多孔介质燃烧火焰稳定位置，多孔介质燃烧方式主要有浸没燃烧(基层稳定燃烧)与表面辐射燃烧[12]。浸没燃烧是指火焰稳定后浸没在多孔介质孔隙的内部燃烧，燃烧时不能直接观测到火焰形态；表面燃烧是指火焰稳定于多孔介质上层或多孔介质表面的燃烧，通常出现自由火焰形态，燃烧时能直接观测到蓝色火焰形态。

2 民用燃气灶具研究进展

在“超焓燃烧”概念的基础上，Takeno等[13]向火焰内部插入高导热系数多孔介质材料，利用多孔介质来改变火焰内部结构，通过导热和辐射方式使得热量从下游向上游传递，实现了自身结构的热量再循环。随后，Takeno等[14]研究了内部热再循环，发现持续燃烧存在一个临界质量流速。Buckmaster等[15]针对燃烧火焰稳定位置的影响因素展开研究，解释了燃烧火焰的吹脱和回火现象。Wang等[16]针对燃烧系统的流动过程进行分析，结果表明，系统中添加多孔介质结构能获得更高的辐射率，同时能有效回收烟气余热，降低排烟温度。Wang等[17]分析了预热空气温度对火焰前锋倾角和传播速度的影响，结果表明，提高预热空气温度有助于提高火焰的稳定性，提高最高燃烧温度。目前，多孔介质燃烧技术已初步应用于内燃机、燃气轮机、微型燃烧系统及家用热交换器等领域。Park等[18]在柴油发动机中加入多孔介质结构，观察到多孔介质结构能改善燃料与空气混合效果，从而进一步改善内燃机燃烧效率。Pan等[19]研究微型多孔介质燃烧室燃烧特性，结果表明，多孔介质可以提高火焰稳定性，获得更高的转化效率。Vasquez等[20]通过添加燃烧器外部隔热壳，研制了一种新型多孔介质CH4燃烧的低温热水系统。Dehaj等[21]设计的一种运用多孔介质燃烧器的家用热交换器可以获得更高的热交换效率。Jugjai等[22]运用多孔介质结构构建内部热量再循环系统，设计了新型的多孔介质辐射再循环燃烧器(Porous Radiant Recirculated Burner, PPRB)，结果表明，PPRB在燃烧热效率、稳定性范围和污染物排放都优于多孔介质辐射燃烧器(Porous Radiant Burner, PRB)。近年来，多孔介质燃烧技术开始应用于新型民用燃气灶具的开发，本文从温度分布、污染物、热效率等3个方面来分析民用多孔介质燃烧器灶具的燃烧性能。

2.1 温度分布

温度分布是衡量燃烧效果的重要参数之一。Mujeebu等[23]针对多孔介质燃气灶的表面燃烧和浸没燃烧的温度分布进行研究，发现浸没型燃气灶的平均温度低于表面型燃气灶。Abdelaal等[24]分析空气中氧气浓度对燃烧特性的影响，使用预混辐射多孔介质燃烧器进行研究，结果表明，多孔介质燃烧器的表面温度高于传统燃气灶具(Conventional Burner，CB)，表面温度与燃烧功率呈正相关且几乎不受氧气浓度影响。Mishra等[25]设计了一种自吸式多孔介质燃烧器，针对轴向和径向温度分布进行研究，发现PRB的温度分布更均匀，且随着功率增大，燃烧区最高温度逐渐升高。Pantangi等[26]测量多孔介质层双层辐射燃气灶轴向温度分布，研究发现燃烧反应稳定于预热区和燃烧区交界处，随热功率的增加，燃烧区向上游偏移。Mishra等[27]研究中型(5～10 kW)双层多孔介质辐射燃气炊具径向温度和轴向温度的分布，结果表明，最高温度随着当量比的增加而增加，当量比越大，燃烧区域的最大温差越大。沈敏[28]对自行设计的多孔介质智能灶进行表面温度分布研究，结果表明，在当量比一定时，随着预混燃气流速的增加，稳定时的燃气灶表面平均温度逐渐升高，表面温度趋向均匀分布。Bubnovich等[29]研究网状泡沫氧化铝、蜂窝泡沫氧化铝和碳化硅等3种多孔介质泡沫板对燃烧波传播特性的影响，通过改变混合物当量比和流量来研究燃烧特性，结果表明，燃烧器顶部放置蜂窝泡沫，底部放置网状泡沫，可以提高火焰燃烧的稳定性。

本文针对民用燃气灶具燃烧温度分布特性，对比分析了典型民用燃气灶文献的轴向温度与表面温度分布数据，结果如图1所示。图1(a)是无量纲轴向距离与燃烧温度的数据图，采用误差棒来统计温度波动范围，中心数据为平均温度。图1(b)为燃气灶具表面温度分布数据图。

图1 多孔介质民用燃气灶具的温度分布

从图1(a)可以看出，文献[27]的CB温度曲线最高温度达1 400 ℃左右，温度高于1 000 ℃的区域占比约10%。文献[25,27]的PRB温度曲线最高温度低于CB，但温度高于1 000 ℃的区域占比达50%。比较PRB与CB的温度数据可以看出，PRB技术的运用使得高温区域得到扩展，温度分布更均匀。图1(b)中，文献[25]的PRB曲线是1～3 kW热功率下预混多孔介质燃气灶的温度分布，可以看出，最高温度位于轴心，热功率的增加使得燃气灶具表面温度均匀升高。比较图1(a)和图1(b)温度数据可以看出，轴向最高温度高于燃烧器表面最高温度70 ℃左右。综上所述，多孔介质民用燃气灶具的轴向温度和表面温度随着热功率的增加而增加，最高温度位于950～1 300 ℃。

目前，稳定燃烧火焰的方法主要有：(1)利用不同孔隙率的多孔介质板来稳定燃烧火焰[29]；(2)通过添加往复流动结构，实现输入反应物和输出燃烧产物之间的周期变化来，从而实现稳定燃烧[30]；(3)通过在多孔介质燃烧器中构建可变截面限制火焰燃烧区域来实现稳定燃烧[31]。基于以上方法，Wu等[32]研究金属小球构成的多孔介质平面火焰燃烧器(Flat Flame Burner，FFB)的燃烧稳定性，结果表明，在最高温度相近情况下，平面火焰燃烧器的燃烧稳定性比喷射火焰燃烧器(Jet Flame Burner，JFB)更好，稳定性范围更广。沈敏[28]针对风门开度和热功率对于多孔介质智能灶着火稳定性的影响进行研究，结果表明，随着风门开度增大，卷吸空气量增大，燃气预混更彻底，燃烧更充分，燃气灶达到稳定所需时间减少；热功率增大，单位时间燃气产热量增多，加快升温速率。

2.2 污染物

为改善燃烧污染物排放情况，Mujeebu等[23]使用液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，LPG)作为燃料，针对多孔介质燃烧器的浸没燃烧和表面燃烧进行污染物排放研究，结果表明，浸没燃烧方式污染物排放低于表面燃烧。Mujeebu等[23]和Pantangi等[26]比较分析多孔介质燃气灶和CB的污染物排放，结果表明，使用多孔介质燃烧技术能有效降低污染物排放。Abdelaal等[24]研究氧气浓度对于多孔介质民用燃气灶污染物排放的影响，结果表明，NOx排放基本不受氧气浓度影响。Mishra等[25]研究自吸式多孔介质燃烧器的供气管道直径对污染物排放的影响，结果表明，混合室进气口管道为0.35 mm,燃烧室进气口直径为21.00 mm时，污染物排放最低。Mishra等[27]研究5～10 kW的PRB污染物排放情况，结果表明，多孔介质燃气灶污染物排放远低于CB。沈敏[28]研究2.5～3.5 kW引风式多孔介质燃气灶污染物排放，结果表明，NOx排放较低，CO排放高于65.50 mg/Nm3。Muthukumar等[33]研发的新式多孔介质预热燃烧器，CO和NOx排放在11.25～20.00 mg/Nm3和0～0.41 mg/Nm3的范围。本文汇总了典型文献中污染物排放的数据，结果如表1所示。

表1 多孔介质燃烧民用燃气灶具排放的污染物

从表1可以得出，多数污染物排放可实现：氮氧化物排放量小于等于41.00 mg/Nm3，CO排放量小于等于100.00 mg/Nm3。为掌握燃烧污染物变化特性，本文针对民用燃气灶具污染物变化特性，对比分析典型相关文献中当量比对于污染物排放的影响，结果如图2所示。从图2(a)可以看出，在相同热功率下，CO排放浓度最低值均出现在φ=0.55附近位置；当量比改变使CO排放增加；在相同当量比下，随着燃烧功率的增加，CO排放浓度均有所提高，但影响效果较小。从图2(b)可以看出，NOx排放都非常低，低于超低排放浓度50.00 mg/Nm3；NOx排放浓度均随着当量比的增加明显增加；随着燃气灶具功率的增加，NOx排放浓度逐渐增加。

图2 多孔介质民用燃气灶具在不同当量比下的CO排放量和NOx排放量

不同热功率下，CO和NOx排放数据如图3所示。

图3 多孔介质民用燃气灶具在不同热功率下的CO排放量和NOx排放量

从图3(a)可以看出，热功率在6 kW以下时，CO排放浓度均低于300.00 mg/Nm3；当量比固定下，热功率的增加导致NOx迅速增加。从图3(b)可以看出，热功率为9 kW以下时，NOx低于50.00 mg/Nm3。

2.3 热效率

热效率是评价燃气灶具燃烧性能的重要指标。Wu等[32]通过传热分析和数值模拟，探究平面火焰燃烧器作为家用灶具的可行性，结果表明，平面火焰燃烧器热效率稳定于41.0%～56.0%。Jugjai等[34-35]在传统LPG明火燃烧器中，应用旋转中心火焰技术进行旋转预混，增强预混效果，提高了燃烧热效率；随后将旋转中心火焰技术运用到多孔辐射燃烧器中，结合热循环系统，使民用燃气灶具最大热效率达到60.0%，比传统燃气灶具高12.0%。Pantangi等[26]研制了几种带有PRB的液化石油气灶具，在不同当量比和热负荷工况下，对热效率进行研究，结果表明，其最大热效率可达68.0%。Muthukumar等[33]考虑环境温度对热效率的影响，在当量比为0.68和热负荷为1.24 kW的工况下，最大热效率从18.5 ℃的61.0%增加到31.0 ℃下的71.0%。Mujeebu等[23]开发了基于浸没燃烧或表面燃烧模式的两种小型多孔介质燃气灶，结果表明，表面燃烧模式的多孔介质燃气灶最大热效率可达71.0%。Muthukumar等[36]研究多孔介质孔隙率对燃烧效率的影响，结果表明，孔隙率为90.0%时，最大热效率可达75.0%。Mishra等[27]研究中型(5～10 kW)液化石油气两层多孔辐射燃烧器炊具的热效率，实验表明，燃气灶具水平面与煮水容器间隔30 mm时的热效率最高，热效率比同工况下CB高28.0%。Herrera等[37]研究多孔介质燃烧器贫燃情况下的热效率，与自由火焰燃烧器相比，热效率提高了7.0%～14.0%。Mishra等[25]研究自吸式多孔介质燃烧器进气口和燃烧器直径对热效率的影响，结果表明，最大热效率可达75.1%。Chaelek等[38]设计了一种新型自吸式多孔介质燃烧器，在外侧增加环形热量吸收器和发射器，将部分燃烧热再循环以预热自卷吸空气来提高热效率，能耗比CB低28.6%。选取以LPG为燃料的典型文献，对比分析其燃烧工况及热效率，结果如表2所示。

表2 多孔介质燃烧民用燃气灶具热效率对比

从表2可以看到，双层多孔介质结构燃气灶具研究占比更高，且双层多孔介质燃烧器热效率普遍较高；当量比取值范围一般位于0.50～0.80内，应提供过量空气以实现多孔介质的充分燃烧；最大热效率可达70.0%～75.1%；文献[32,35]的结果表明，当量比在超出1.00范围后，热效率降低；文献[25,27]结果表明，在多孔介质层结构和当量比工况一定时，随着燃气灶具功率的降低，多孔介质燃烧民用燃气灶具的热效率增加。

3 结论与展望

本文阐述了多孔介质民用燃气灶具的研究现状和进展，选取燃气灶具的燃烧温度分布、污染物排放及热效率3个性能参数进行对比分析。研究结果表明，现有燃气灶具表面温度可高达950～1 250 ℃；CO排放普遍低于100.00 mg/Nm3，NOx排放低于50.00 mg/Nm3，热效率高达70.0%～75.1%。但是，多孔介质民用燃气灶的燃烧性能仍需进一步改进，建议从稳定复合范围、PMC抗热震性及燃料适应性范围等3个方面进行深入研究和改善。