多孔介质燃烧技术现状-论文

（ ２） 多孔介质燃烧 器的结构紧凑 ，尺 寸大大减 小 ，制造成本低 ，系统效率较高 ，消除 了额外能耗 ； （ ３） 燃烧器对燃料 的适 应性很强 ，当量 比调节 范 围很 宽 ，可燃极 限最小 当量 比为０ ． ０ ２ ６ ，可实现 极
孑 Ｌ 基体 的存在 ，预 昆 气体流经多孑 Ｌ 介质 的同时 ，在多
础上 向工业化方 向发展 。
孔介质材料 的高孔 隙率结构 ，使得其本身力学性 能下
降 ，且 随着孑 Ｌ 隙率 的提高 ，力学性能下 降显著 ，且在
经历高温波 冲击时 ，热膨胀变形 引起 的热应力会导致 多孑 Ｌ 陶瓷的抗震性 降低 ，影 响和制约其在 高温燃烧 蓄
热领域 中的应用 。
１ 前言
化 石能 源一直 是世 界能 源结 构 的主体 ，当今世 界８ ０ ％以上 的能源都来 自于化石燃 料的燃 烧 。近年来 可再 生能 源等技术发展较快 ，但受资源总量 、技术水 平及工业 基础的限制 ，在相 当长 的时间内将维持化石 能 源 占能 源消费 主导地位 的状态 。 目前我 国正处于高 速经济发 展阶段 ，能源 与环境对经济发展 的制约作用
动特性进行研究 ，结果表 明火焰 面移 动速度 和混合气 体 的当量 比 、混合气体人 口速度 、多孑 Ｌ 介 质的材料特
性等 因素有关 。
３ ． ２ 国外 研 究进 展
范 围和辐射输 出能力 。由多孔介质材料作为 内芯 的燃
烧器可应用于家用采暖系统 、动力设备 、汽车发动机 及各种各样的工业用途 。
秸秆 的１ ０ ％用 来 生 产 秸 秆 气 ，则 每 年 产 量 约 折 合 ９ ０ ０ 万ｔ 标煤 ；若全 部收集利 用 １ ． １ 亿ｔ 生 活垃圾产 生的
预混气
［ ＝ ＝ ＝ ＝ ＝
燃烧产物
匕 ＝ ＝ ＝ ＝ ＝
化学 反应区起始
图１ 多孔 介质燃 烧原 理
填埋 气体 ，相 当于利用天然 气 ｌ Ｏ 亿ｍ 。 ７ ０ 亿ｍ ｓ 。煤 石 厂瓦斯 、污水处理 厂的沼气 、垃圾 填埋 气等这些可再 生 能源 ，每 年排空达 到４ ３ ０ 亿ｍ ， ，若加 以利用 ，相 当
热强度一般为３ ０ ０ ０ ｋ Ｗ／ ｍ ｚ ），燃烧器系统功率调节范 围可增大￣ Ｕ ｌ ： ５ Ｏ（ 常规预混式燃烧器的功率调节范 围
只有 １ ： ２ ． ５ ）。
鲜燃气 ，同时利用 多孑 Ｌ 介质 自身 的蓄热能力 回收燃烧 产生 的高温 烟气余 热 。这样不仅 提高气体燃料 的燃烧 效率 ，降低 污染物 排放 ，而且能够显著拓宽燃烧贫燃
孑 Ｌ 介质 中进行燃烧 ；气体 在多孑 Ｌ 介质孔隙 内部产生漩 涡 、分 流与汇合 ，剧烈扰动 ，燃烧产生 的热量通过多 孔介质 的导热 和辐射效应 不断地 向上游传递并预热新
稀薄气体或超低热值气体稳定燃烧 ；
（ ４） 燃烧热强度 可达３ ５ ０ ０ ｋ Ｗ／ ｍ ２（ 常规燃烧器
低热 值气体 ，而高炉煤气 、化工过程尾气 、生物质热
解气 化气等均为无 氧低热值气体 。根据其性质不 同 ，
利用方式也不尽相 同。
（ 燃料腔 气 ）
２ ０ ０ ４ 年 中国工程项 目报告ｒ ２ Ｊ 指出 ：我 国每年排空 近２ ０ ０ 亿ｍ３ 焦炉煤气 ， 约合１ １ ０ ｏ Ｔ Ｙ ｔ 标煤 ； 每年排空的 冶炼 尾气 占总量 ２ ０ ％以上， 约合８ ８ ０ 万ｔ 标煤 ； 每年产生 的沼气 折合 约７ ３ ０ 万ｔ 标 煤 ；若 我 国可利用 量 的３ ． ５ 亿ｔ
多孔介 质 材料具 有 足够 高 的硬度 和脆性 ，但 缺
乏一定 的刚度 和韧性 ，基本不具有机械加工性 能。多
自１ ９ ７ １ 年英 国学 者 提 出从 燃烧 产物 中提 取热 量 预热反应物 的热 量 回流概念以来 ，多孑 Ｌ 介质燃烧技术 的研究便蓬 勃发展起来 。 目前 ，包括美 国、 日本 、德 国 、澳大利 亚 、俄罗斯 、新加坡等 国家均对多孑 Ｌ 介质 燃烧进行 了深入 而全面的研究 ，并且在机理研究 的基
于增３ ｎ ８ 个“ 西气东 输” ， 用 于发电可达 １ ２ ０ ０ 亿ｋ Ｗｈ 。
多孔介 质 内预混 燃 烧 系统 的热输 运循 环 原理 如
图２ 。
预混燃 气流
同时直接排放 的低 热值气 体内的某些成 分也是温室气 体 ，如 甲烷 的温室效应相 当于二 氧化碳 的２ １ 倍 ，对臭 氧 的破坏能力是二氧化碳 的７ 倍［ ３ Ｊ 。 低热值气体的可燃成分稀薄 ，使用常规燃烧技术 难 以有效利用 ，如何 实现该种气 体的有 效燃烧 、减缓
直接排放造成 的环境 问题 ，一直是燃烧界的难题 。开
图２ 多孔介质 内预混燃 烧 系统 的热 输运 循环 原理
发新型 的低热值气体燃烧 技术 ，对缓解 能源紧张 、提
高能源利用率 、改 善居住 环境 ，具有重要的意义 。而
与传 统 自由空 间燃 烧火 焰相 比， 多孔介 质燃烧 技
多孔 介 质燃烧 技 术正 是能 够满 足这 些要 求 的新型燃
Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｔ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｑｉ ｎ Ｃ ｈ ａ ｏ ｋ ｕ ｉ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｌ ｕ
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ： Ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ｏ ｆｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｒ ｏ ｕ ｓ ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｗａ ｓ ｂ ｉｅ ｒ ｌ ｆ ｙ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｗｉ ｔ ｈ ｍａ ｉ ｎ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ａ ｎ ｄ ｎ ｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ． Ｐｏ ｒ ｏ ｕ ｓ ｍｅ ｄ ｉ ａ ｃ ｏｍｂ ｕｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｌ ｏ ｗｅ ｒ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ， ｈｉ ｇ ｈ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ， ｈｉ ｇ ｈ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ － ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ，ｃ ｏ ｍｐａ ｃ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ，ａ ｎｄ ｂｅ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｂｌ ｅ ｏ ｆ ｈ ａ ｎｄ ｌ ｉ ｎ ｇ ｌ ｏ ｗ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｉｃ ｆ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｇ ａ ｓ ａ ｎ ｄ Ｓ Ｏ ｏ ｎ． Ｄｕ ｅ ｔ ｏ ｉ ｔ ｓ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ，ｉ ｔ ｈ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｍｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｐｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ｉ ｎ ｌ ｏ ｗ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｉｃ ｆ
烧技术
术是一种新颖独特 的燃烧方 式， 其特点包括 以下几点：
（ １ ） 功率大 、极低 的Ｃ Ｏ 和Ｎ Ｏ 排放量 、燃烧安
全稳定 ；
２ 多孔介质 燃烧技 术概述
多孔 介 质燃 烧技 术 ，又称 为Ｐ ＭＣ 技术 （ Ｐ ｏ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ Ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ）。多孔介质燃烧过程 中，由于多
气 ，６ ． ２ ８ Ｍ Ｊ ／ ｍ ３ － １ ５ ． ０ ７ ＭＪ ／ ｍ 为 中热值燃 气 ，而热值 小
于６ ． ２ ８ ＭＪ ／ ｍ 的为低热值 燃气 。工业 中常见 的低热值 气体燃料 主要有 ：化工过程低 热值 尾气 、高炉煤气 、
日益明显 。然而在能源利用上 ，一方面存在效率低 、 污染环境 、浪费严重等 问题 ，另一方 面 ，大量 的低 品
秦朝 葵等 ・多孔介质燃烧技 术现状
多孔介质燃烧 技术现状
口 同济大学机械与能源工程学院 （ ２ ０ １ ８ ０ ４） 秦朝葵 郑璐
ห้องสมุดไป่ตู้
摘
要： 介绍 了多孔介 质燃烧技 术的概念及 其在 国 内外的发展 ，并 着重 阐述 了该技 术的试验研 究
和数值 模 拟情 况 ，以及 该技 术在 工业 方 面的应 用 。 多孔 介 质燃 烧技 术具 有显 著 的低 排
造行 业产生的沼气 ，垃圾气化 以甲烷为 主的可燃气体
面具有强 大的优 势 ，为天然气等气体燃料 ，特别低热 值气体燃料高效清洁燃烧提供一条新途径 。
多孑 Ｌ 介质燃烧原理如 图１ 。
预 热 区 燃 烧 区
也属 于低热值气体 。此外 ，低热值气体又可分为 富氧 和无 氧低热值气 体 。Ｖ Ｏ Ｃ ｓ 及煤 矿乏风 为典型 的富氧
极 限 ，同时无需传 统的换热设备来进行燃烧余热 的回
由于多孔介 质材料特殊的性质 ，对燃料有很好 的
适应性 ，因此可 以设计 出低热值 气体 燃烧系统 ，使低 热值气体稳定燃烧 ，实 现工业 中低热值气体能量 的极
限 回收和高效清 洁利用 。多孑 Ｌ 介质燃 烧器可 以很方便
收和传递 ，在减小设备体 积 、实现燃烧设备小型化方
式 ，改善能源结构 ，改进能 源消费方式 ，提高能源有
效利用率 ，必须充分利用工业生产及能源 生产 中的各
种低热值燃气 ，实现常规能源的高效清洁利用 。
低 热值燃气并没 有明确 的概念 。通 常根据气 体燃 料 的热值将其 分为３ 类＿ １ ＿ ，大 于１ ５ ． ０ ７ ＭＪ ／ ｍ ｓ 为高热值燃
放 、 高燃 烧 强度 、节 能 、结构 紧凑 、可 燃 用低 热值 燃 气等 优 势。 由 于其 特殊 的 结构形 式 ，在 处理低 热值 气体方面具有广 阔的前景 。
关 键 词： 多孔介质燃烧 低热值
火焰面 节能 低排放
Ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ Ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ｏ ｆ Ｐｏ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ Ｃｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
位 能源未 被开发 和利用 。要建立 可持续发展 的经济模
石油化工行业冶炼尾气 、煤矿低浓 度瓦斯 气等。在 自
然界及 Ｅ ｔ 常生 活中存 在大量 的生物质气化气 ，如生物
质热解产生 的Ｃ Ｈ 、Ｃ Ｏ、Ｃ Ｈ 等可燃气体 ，养殖和酿
城市燃气 ２ ０ １ ５ ／ ０ ７总第４ ８ ５ 期ｌ ７
ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｇ ａ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｐ ｏ ｒ ｏ ｕ ｓ ｍｅ ｄ ｉ ｕ ｍ ｃ ｏ ｍｂ ｕｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｗ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｉ ｆ ｃ ｖ ａ ｌ ｕｅ ｆ ｌａ ｍｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ — ｓ ａ ｖｉ ｎ ｇ ｌ ｏ ｗ ｅ ｍｊ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ
８ ｌ 城市燃 气２ ０ １ ５ ／ ０ ７总 第４ ８ ５ 期
秦朝葵等 ・ 多孔介质燃烧技术现状
地用于燃烧气体或液体燃料 ，包括 ：天然气 、生物质 气 、发动机燃料等多种燃料 ，其在燃烧煤油 、庚烷 、
等液体燃料时 ，表现出很好的燃烧稳定性 、功率调节
面附近 ，可防止 回火和吹脱。 史俊 瑞『 ８ Ｉ 通 过实验和数 值模拟方法对 火焰面 的移