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
数流动时，压力梯度主要用来克服粘性阻力，所以Darcy 定律适用；而当流动速度增加到一定程度时，流动中的惯性力作用增强，压力梯度除了用于克服粘性阻力外，还要用于克服惯性力，流动速度越大惯性力的影响越明显，这时压力梯度和流动速度间的关系的描述需要增加惯性项，对Darcy 定律进行修正，以得到适用的动量方程，而有了适合高流速情况的关系式。

其中较为典型的有Forhheimer —Ward 关系式：22
1V k F V k u d d ρχρ+=-。

这里的渗透率k 和二次项系数F 通常由实验确定，学者们对达西流动还做了多种修正方案。

一般认为，达西定律适合低孔隙率多孔介质，Forhhei —mer 扩展达西式适用于中、高孔隙率多孔介质。

2．3多孔介质材料
多孔介质材料需具有较好的热力学和化学特性，良好的传热特性，耐热脆性，耐化学腐蚀及一定的力学强度。

此外，还应该具有较高的孔隙率，以减小压力损失。

国内外针对多孔介质燃烧研究采用的材料，按照其外形可以分为以下几类：颗粒堆积型、管束型、多孔板型、多孔陶瓷、多孔纤维层等。

涉及到的多孔介质固体材质有不锈钢、合金、玻璃、 陶瓷等，堆积颗粒包括球体或其他结构体。

多孔介质燃烧器中的最高温度一般在1200—1500℃之间，甚至可达到
1700℃，金属材料由于耐热性不足(比如镍基合金和铁铬铝
合金的最高极限温度大约为14000C)，限制了其在多孔介质燃烧器中的广泛使用。

而且，金属材料比热容较小，所以蓄热能
力较差。

多孑L陶瓷由于具有透过性高、比表面积大以及耐高温和耐腐蚀等优点而受到普遍青睐。

用于燃烧器的多孔陶瓷主要包括蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷两种。

蜂窝陶瓷孔的形状一般为方形，孔隙率为20％一60％，可以采用热压注工艺、注浆、注凝成型或挤出方法生产。

泡沫陶瓷的制造方法一般为前驱体法(有机泡沫浸渍工艺)，制成的泡沫陶瓷一般为通孔，孔径为100斗m一5mm，孔隙率可以达到70％一90％Et3]，体积密度较小，而比表面积很大。

此外德国Erlangen—Nuremberg大学的Pickencker等还用到了多孔陶瓷纤维结构体。

泡沫陶瓷是一种造型上像泡沫的多孑乙陶瓷，它是继颗粒堆积型陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后，最近发展起来的第3代多孔陶瓷产品。

目前可以提供很多种材料制造多孔泡沫陶瓷，它们由一种母体材料和另一种作为粘结剂的材料混合而成。

母体材料有：碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、氧化锆以及氧化铣，粘结材料有镁土和钇等。

材料的类型对于燃烧器抗高温及抗高温疲劳破坏能力有举足轻重的作用。

而泡沫陶瓷致命的缺点是其抗热震性能较差，这也限制了它的发展和应用。

3.工业应用现状和前景
3．1 国内外的应用情况
学者们对惰性多孔介质中的燃烧技术进行了几十年的研究，发现该技术与传统的燃烧技术相比具有很多优点，克服了自由流中燃烧的诸多不足。

设计出来的多孔介质燃烧器具有功率大、范围可调、高功率密度、极低的CO和NO，排放量、安全稳定燃烧等优点。

而且很重要的一点是，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。

在其他燃烧设备无法使用的条件下，多孔介质燃烧器更显出其独特优势。

比如Trimis等设计了一台换热器与燃烧器一体化的多孔介质燃烧器样机，体积比已有的燃烧器和热交换器减小20倍，而负荷调节范围分别达1：10和l：20，烟气温度可以降到低于水蒸气凝结温度，有效提高了系统热效率，而且污染物排放量很低(在过量空气系数为1．1～1．7时，CO排放小于30 ms／kWh，NO，排放小于50 rag／kWh，而欧洲标准中规定CO排放限值为(50～100)rag／kWh，NO，排放限值为(60—200)mg／kWh)。

燃烧器对燃料的适应性很强，当量比调节范围也很宽。

目前，多孔介质燃烧器在国外己得到广泛应用。

实际应用有民用加热器与暖风机、多孔介质燃烧器与预混式工业燃烧器的联合利用、干燥器的空气加热系统、燃气轮机燃烧室、蒸汽锅炉(图3)、汽车加热系统等。

他们设计的多孔介质燃
烧装置具有显著的优点：热负荷强度可以达到3500kW/m2(常规气体燃烧器热负荷强度一般为3000kW/m2)，燃烧器系统功率调节范围可增大到l：50(常规预混式燃烧器的功率调节范围只有l：2．5)，体积可以大大减小，而污染物排放量可以达到较低水平。

一些学者利用多孔介质的蓄热作用，采用循环往复式燃烧方式的多孔介质燃烧器，火焰温度比自由空间中普通火焰理论值高出1.3倍，可燃极限最小当量比为0.026，可以实现极稀薄混合气或超低热值的气体稳定燃烧，比如用于矿山废气、有害垃圾及各种废弃物的处理等。

瑞典的ADIEC公司已成功应用在汽车喷漆车间排气中有机污染物的燃烧净化。

基于多孔介质往复式燃烧的热电管具有很高的效率，能够方便地将热能转化为电能，可以作为便携式电源运用于各种场合。

Hanamara设计的热电管，由陶瓷多孔介质催化反应器和两层的多孔热电器件组成，热电材料选用
FeSi，计算表明该热电
2
管的电能转化效率可达4．7％。

图3 基于多孔介质燃烧的蒸汽锅炉
此外，对于把多孔介质燃烧技术应用到内燃机的基本理论，美国、日本和德国都有研究(图4)。

图4 多孔介质内燃机示意图
比如Humamura等对多孔介质中超绝热燃烧的内燃机进行理想循环的热力学考察(图5)，进行反应动力学的一维数值模拟，结果表明：采用高辐射吸收系数的多孔介质材料可以使燃烧室温度升高，有效扩大热机的可燃极限。

同时，他们还发表了试验发动机的试验结果，并阐明了利用低压缩比有可能制造出环保性好的高功率新型内燃机，引起社会的关注。

而Durst和Weclas也以实验室已经发展的民用或工业用多孔介质中稳态燃烧技术为基础，应用到非稳态过程，提出一种全新内燃机的概念，并制出原理性样机。

初步的试验结果验证了其高效、低污染的显著特点。

图5 基于多孔介质超绝热燃烧技术的热电管
3．2宝钢的研发及应用
宝钢研究院于2007年启动多孔介质燃烧技术的研究，仅用了不到3年的时间就完成了该技术从小试、中试、工业试验到工业应用的全部工作(目前已获得3项专利)，自主开发出3根系列4种规格的多孔介质材料。

宝钢特钢事业部鉴于该技术的前景，在通过多方论证后同意在条钢厂棒材三分厂钛合金双室加热炉上进行示范应用，从2010年4月1日开始热调，用了1个半月的时间实现了热调成功，系统的稳定运行，自动烧钢功能的试用成功。

该加热炉使用PMC技术的燃烧总功率达到2 MW，与具有国际水平的德国PEOMOES公司的工业
用无焰装置达到相同的功率，填补了国内多孔介质燃烧技术应用的空白。

4. 结论
目前，多孔介质燃烧技术在国外己得到广泛应用。

实际应用有民用加热器与暖风机，多孔介质燃烧器与预混式工业燃烧器的联合利用，干燥器的空气加热系统，燃气轮机燃烧室，蒸汽锅炉、汽车加热系统等。

多孔介质燃烧装置具有显著的优点：热负荷强度可以达到3500kW／m2(常规气体燃烧器热负荷强度一般为3000kW／m2)，燃烧器系统功率调节范围可增大到l：50(常规预混式燃烧器的功率调节范围只有l：2．5)，体积可以大大减小，而污染物排放量可以达到较低水平。

由此可见，多孔介质燃烧技术不仅可以代替原来常规的燃烧器，获得更为优良的效果，还可以在原来常规燃烧装置无法应用的场合使用，开辟新的燃烧技术应用领域，具有极好的应用前景和现实意义。

在现实工业应用中还有很大的发展潜力，国内工业中的许多领域还有其广阔的发展空间。