多孔介质

0.引言

近年来，随着中国经济的迅猛发展，能源和环境问题越来越成为人们关注的重点。我国经济快速发展需要消耗大量的能源，同时要兼顾环境保护，走人类与自然协调发展的可持续发展道路。然而我国面临着能源供需矛盾突出、环境污染日趋严重和生态遭到持续破坏等一系列问题。其中能源供给紧张可能会成为我国经济发展的薄弱环节。因此，拓宽能源供给渠道、挖掘和开发使用低品位或低热值的能源，同时寻求有利于环境保护的高效洁净燃烧技术，无疑会成为解决上述问题的有力支持。近年来，许多新的燃烧技术不断涌现，其中多孔介质燃烧技术具有优越的特性和广泛的应用前景。

多孔介质燃烧技术又称PMC(PorousMediaCombustion)技术，是最近十余年国际燃烧领域发展的一种全新的燃烧方式。相比燃烧时存在局部高温的“有焰”燃烧，这种燃烧没有明火焰，NO，和CO等污染物的生成显著降低(可达70％以上)。由于整体温度的显著提高和辐射传热的增加，燃烧热利用效率大大提高(有些情况甚至超过50％)。另外PMC技术对使用低热值(劣质)燃料(高炉煤气、有机废气等)也有明显的优势。由于集节能、减排、环保于一身，PMC技术被国际燃烧界誉为是2l世纪最有发展前途的燃烧技术，国内哈工大秦裕琨院士的课题组称其为“划时代的燃烧技术”。目前在日本、德国和美国，PMC技术已成功应用于冶金、机械、化

工、陶瓷等行业的一些燃气炉窑上。鉴于该技术的重要性，国内的重点高校和研究所纷纷开展对该技术的研究，建立了相应的试验台，但是由于缺乏产学研的渠道以及没有解决多孔介质材料的寿命问题，PMC技术目前在国内没有实现工业化。宝钢研究院于2010年8月在一台2MW功率的加热炉上实现了多孔介质燃烧技术的应用，填补了国内空白。

1.多孔介质燃烧技术的概念

气体在多孔介质中的燃烧都可以称为滤过燃烧口，即气体(可燃气体和氧化剂)流过多孔介质孔隙过程中发生的燃烧过程。按照多孔介质性质及研究重点不同，可以划分为以下几个方向：多孔惰性介质中的燃烧技术、催化性多孔介质中的燃烧技术、可燃多孔介质中的燃烧、多孔介质的燃烧合成或烧结技术等。对于惰性多孔介质中的燃烧，又可以分为2种情况：火焰完全在多孔介质内部燃烧和主要在多孔介质表面燃烧。

相对于本生灯式的自由的预混燃烧方式来说，惰性多孔介质中的预混燃烧方式是一种完全不同的、新颖的燃烧方式。它是气体混合物在一种既耐高温、导热性能又好的特殊多孔介质材料里燃烧的过程。理论上说，多孔介质中火焰受限于多孔介质孔隙中，被分成若干个微小火焰，相互制约，相互影响，宏观上又表现为均匀的平面火焰。

多孔介质中的燃烧过程涉及到多种换热过程：气体间的

对流、气固间的对流、固体间的导热和辐射，以及气固间的辐射等。燃烧放热首先以对流和少量气体的辐射形式传给多孔介质固体，多孔介质固体又通过导热和辐射把热量传到上游，实现热量的回流，再把热量传给预混气体，并预热预混气体，从而提高燃烧强度和燃烧稳定性。同时，多孔介质及其中的气体与外界进行强烈的导热、对流和辐射换热，使多孔介质内部温度比较均匀。热量的自动回流甚至可以使燃烧温度高于正常燃烧的绝热燃烧温度，所以，多孔介质中的燃烧便涉及到“超焓火焰”或“超绝热燃烧”这样的概念。多孔惰性介质中预混燃烧机理如图l所示。图2为多孔介质燃烧原理示意图。

气体燃料在惰性多孔介质中的燃烧技术，使预混火焰控制在多孔介质中的微孔中燃烧，利用了固体介质的高导热率和高辐射能力，克服了直流燃烧技术的一些不足，具有诸多优点：燃烧速率快、稳定性好、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小、污染物排放低、燃烧极限变宽等。多孔介质燃烧器的换热以高温固体介质的辐射为主，大大提高了换热效率，该项技术可以应用于工业和民用诸多领域，达到节能和环保的要求。而且，还可以解决一些其他燃烧方式无法解决的问题，比如，燃烧可燃成分极低的矿山排放有害气体，空间受限条件下的燃烧过程等，甚至可以对内燃机技术进行实质性的改革。

但是，由于多孔介质的阻力作用，多孔介质燃烧器燃气和空气的供给需要一定的压力，而且多孔介质材料的烧毁和破裂是影响多孔介质燃烧器大量使用的一个重要因素。

2.多孔介质内燃烧的研究进展

2.1多孔介质内燃烧

多孔介质中的预混燃烧是一个包含化学反应及导热、对

流和热辐射三种换热方式互相耦合的复杂过程。20世纪70年代初，英国学者Weinberg首先提出了超绝热燃烧或过焓燃烧的概念。随后又经过一系列的理论分析和试验研究，证明可以实现超绝热燃烧，而且能扩展火焰稳定性和可燃范围，而多孔介质内的燃烧正是可以实现这种超绝热燃烧的一种手段。随后，国内外学者们对多孔介质内燃烧的换热特性、燃烧稳定性、燃烧速度、烟气排放等各方面进行了深入的

研究。

Aldushin等运用理论分析方法探讨了固体燃料在多孔介质中的超绝热燃烧机理。通过分析多孔介质中燃烧波的结构，发现存在一个特征参数6(6正比于气体和固体的比热容比以及固体燃料和气体氧化剂的初始浓度比)，当δ=l时，能量积累效应达到最大，虽然该研究中的燃料不是流体，但其结论仍有一定借鉴价值。Mare等用实验和数值计算研究了甲烷、丙烷与空气的预混气的可燃极限，认为多孔介质的几何特征对可燃极限的影响比其物性的影响更大，而且流动与换热过程对可燃极限的影响也是不可忽略的。Slimane等建立了数学模型，选择了基于吉布斯最小自由能理论的化学动力学模型，研究了富硫化氢气体在多孔介质中部分氧化的绝热燃烧温度，预测了产物中气体的组成，并估计了硫化氢气体的可燃极限。

国内学者杜礼明、解茂昭建立了混合气体在惰性多孔介

质中预混燃烧的一维数学模型，模拟了不同情况下甲烷、空气预混燃烧的温度分布和燃烧速率，并与自由空间火焰相比较。通过模拟得到了在多孔介质内和自由空间火焰的温度和燃料质量分数的分布，以及有、无辐射项时的气体和固体 温度分布，并考查了多孔介质的平均孔径和吸收系数对气体温度峰值的影响。

2．2多孔介质内流动

研究多孔介质里的流动问题时，通常采用体积平均法。体积平均法要求考虑多孔介质的宏观尺寸和孔径的微观尺寸。在求解方程时，假定一个可以代表平均特性的最小体积，且假定像温度、压力这样的液体特性随孔径变化很小。多孔介质宏观流动的动量方程一般是基于实验数据得到的经验方程，当流速较低以及多孔介质孔径或颗粒直径相对流体动力长度尺寸比较小时，通常情况下可以忽略惯性力的作用，这时，流速U(多孔介质单位截面上的不可压缩流体容积流量，即比流量)与流体流动方向的水力梯度的关系满足Darcy 定律，即：x

u k u ∂∂⋅-=ρ ；描述多孔介质中的微观流体流动情况经常用孔隙雷诺数表示：υρp du =Re 。

随着后来对多孔介质中各种复杂流体流动的研究发现，Darcy 定律只适用于多孔介质中低速流体做定常流动的情况。在较高流速情况下，流动特性已偏离达西定律，出现所谓非达西流。比如，Pascal J P 和Pascal 就指出，在低雷诺