达冠往复式多孔介质生物质燃烧机温度分布的试验研究

往复式多孔介质生物质燃烧机温度分布的试验研究
摘要：研究了往复式多孔介质生物质燃烧机在热态试验条件下的温度分布，分析了当量比、空截面流速、切换半周期对多孔介质中温度分布的影响，以及切换半周期对生物质燃烧机出口温度的影响．随着系统周期性地运行，多孔介质中的温度呈动态周期性变化．在当量比为0.3～1.4时，随着当量比的增大，多孔介质中的温度先上升后下降．在切换周期和当量比一定日寸．随着空截面流速的增太多孔介质中的温度随之升高；在当量比和燃气质量流量保持不变时，随着切换半周期的增大．多孔介质中的温度先升高后降低，*后基本保持不变，而生物质燃烧机出口温度随切换半周期的增大而升高．与单个多孔介质燃烧相比往复式多孔介质中的温度整体分布较均匀．
往复式多孔介质燃烧技术( reciprocating superadiabatic combustion in porous media, RSCP)*早是H anamura等人‘”在1993年提出的，又称为多孔介质中往复流动下的超绝热燃烧技术．RSCP在提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料、改善环境以及处理各粪垃圾和废弃物等方面具有其他燃烧技术
往复式多孔介质生物质燃烧机温度分布的试验研究不可比拟的优越性【11，与预混气体在惰性多孔介质中的燃烧相比优点更加突出H'51，目前这种燃烧技术已经开始得到应用[6．
国内外在冶金工业炉中应用的高温低氧燃烧(high temperature air combustion, HTAC)‘1是把RSCP的原理应用到冶金工业炉中．与RSCP相比，HATC仅将多孔介质作为蓄热体燃烧是在自由大空间完成的，而RSCP不仅将多孔介质作为蓄热体，而且燃烧也发生在多孔介质中．目前相关研究主要集中在没有换热器或有内置换热器的RSCP生物质燃烧机‘旷m1．
本文提出的往复式多孔介质生物质燃烧机是基于RSCP外置式换热器的一种新型燃烧系统，主要研究了往复式多孔介质生物质燃烧机在不同实验条件下系统内的温度分布，为该燃烧系统的设计和运行提供依据．
1 试验装置与方法
往复式多孔介质生物质燃烧机如图1所示，主要包括换热器、蓄热式多孔介质燃烧室、缓冲箱、电控阀、预混室、质量流量计、空气供给系统、燃气供给系统、烟测量系统、数据采集系统．
燃气和空气通过质量流量计进入预混室，预混后的气体通过电控阀1进入A侧往复式多孔介质燃烧室燃烧（电控阀2、3是关闭的】，燃烧完成后，经换热器和B侧多孔介质冷却（B侧的多孔介质被加热），经电控阀4排出．该流程完成后，通过可编程控制系统将电控阀1、4关闭，同时将电控阀2、3打开．新的燃气和空气通过质量流量计进入预混室，预混后的气体通过电控阀2进入B侧往复式多孔介质燃烧室燃烧，燃烧后的气体经换热器和A侧多孔介质冷却后（A侧的多孔介质被加热）由电控阀3排出，试验中，上述过程不断地重复进行．
试验系统中电控阀的开关时间可以预先设定，以控制A、B侧实验气体进出生物质燃烧机的时间．试验中定义两组电控阀相互切换的间隔时间为切换半周期，即A或B侧单侧燃烧时间．
在往复式多孔介质生物质燃烧机中，内芯由刚玉管构成，内径为40 mm，蓄热段高度为80mm，燃烧段高度为180 mm．将孔径为1.0 mm的泡沫陶瓷片填装燃烧段和蓄热段中，试验中可以通过改变泡沫陶瓷片的片数来改变燃烧段和蓄热段的高度．所用的多孔介质泡沫陶瓷片的主要成分为Al203．孔隙率为0. 82～0.86．采用质量流量计控制燃气和空气的量，通过调节气体流量可以改变进入生物质燃烧机的实验气体的空截面流速和当量比．
试验系统中在A、B两侧沿高度方向布置20个热电偶，以测量多孔介质中不同高度处的温度，测点分布如图2所示．图3～6中温度曲线旁的数字对应图2中的测点编号，试验所用燃气为东海天然气，测
量其成分如表1所示．
2试验结果与分析
试验研究了A、B两侧多孔介质中的温度分布随运行时间的变化规律、当量比和预混气体空截面流速对多孔介质中的温度分布的影响，以及切换半周期对多孔介质中的温度分布和生物质燃烧机出口温度的影响．
2.1 A，B两侧多子L介质中的温度动态分布
试验设定两组电控阀的切换时间相同，出了在切换半周期为40 s、燃气体积流量为0.051TI3／h、燃烧段高度为170 mm、蓄热段高度为80 mm、当量比为0.6的试验条件下，A、B两侧多孔介质中的温度e随着时间f的动态变化情况．
由图3可以看出，随着系统周期性地运行，A、B两侧多孔介质中的温度呈现出周期性的变化，虽然各个周期的温度变化幅度不完全相同，但变化趋势基本一致．A、B两侧多孔介质中相同高度处的温度基本相同，在*高温度截面附近的温度变化比远离*高温度截面处的温度变化大．在电控阀切换的瞬间，温度会然下降或突然上升，当预混气体在A侧开始燃烧时，A侧多孔介质中的温度突然上升，而此时B侧多孔介质中的温度突然下降．在同一时刻，一侧的温度发展趋势与对应另一侧的温度发展趋势相反，当A侧多孔介质中的温度上升日寸，B侧多孔介质中的温度反而下降；当A侧多孔介质中的温度达到*高时，B侧多孔介质中的温度就下降到*低，反之亦然，
如果改变切换半周期的大小，多孔介质中的动杰温度分布规律与上述规律一致．但当切换半周期特别小，燃气、烟气转化过于频繁时，燃烧的不稳定性增加，所以切换半周期不能太小；当切换半周期增大到一定程度时，燃烧的往复性能表现不突出，往复式多孔介质燃烧的优点表现不明显，所以切换半周期也不能太大．
2.2 当量比对多孑L介质中温度的影响
由图4可以看出，在燃气流量一定、切换半周期保持25 s不变的情况下，当中≈0.5日寸，多孔介质中的温度*高；当中> 0.5时，随着当量比的增大，多孔介质中的温度降低；当中<0.5对，随着当量比的增大，多孔介质中的温度升高．
往复式多孔介质燃烧是预混燃烧，燃烧基本发生在多孔介质的微孔中，若当量比过大，燃烧不完全；若当量比过小，过量空气的存在使得预混气体的空截面流速增加，火焰稳定燃烧的难度增大，燃烧质量不好，降低了多孔介质中的温度．因此预混燃气在多孔介质中燃烧，存在一个较佳的当量比，根据图4，在该实验条件下，当中一0.5时燃烧状况较佳．当中<0.5时，随着当量比的增大，过量空气造成的热损失减小，多孔介质中的温度升高，*高温度截面位置沿高度方向下移．当中>1.0时，由图4可知，随着当量比的增加，多孔介质中的温度反而有所降低．因为在这种情况下，燃烧所需的氧气不足，有一部分燃气没有完全燃烧，所以燃烧释放的热量减少，燃烧火焰中心温度降低，多孔介质中的温度也随之降低．
从图4还可以看出，在气流流动方向上，在当量比较小（中<0.6）时，随着当量比的减小，多孔介质中的温度变化较大；而在当量比较大(中>0. 6)时，随着当量比的增大，多孔介质中的温度变化较小．
2. 3空截面流速对多子L介质中温度的影响
在切换半周期保持25 s不变、中一0.8的情况下，试验通过增大燃气流量（空气流量同步增大】来增大预混气体空截面流速v，多孔介质中的温度变
由图5可知，随着空截面流速的增大，多孔介质中的温度随着升高，且增加趋势基本相同．随着空截面流速的增加，多孔介质中的*高温度也随着增加，此时整个生物质燃烧机中多孔介质中的温度沿高度方向变化比较平缓．究其原因，在上述条件下，随着生物质燃烧机内空截面流速的增大，燃气量增多，使得燃烧强度随着增大，燃烧产生的热量和多孔介质中的蓄热量也随着增加，所以多孔介质中的温度水平增高；多孔介质中的蓄热量的增加，提高了整个燃烧段的温度，使得多孔介质中的温度沿高度方向变化比较平缓．
另外，在切换半周期和燃气量保持不变的情况下，也可以通过增大空气量（当量比减小）来增大预混气体空截面流速，试验结果和图4所示当量比由大到小变化时的温度变化规律相似．
2.4切换半周期对多子L介质中温度的影响
切换半周期是往复式多孔介质生物质燃烧机的重要参数，通过改变切换半周期可以使燃气在多孔介质中燃烧和换熟的时间受控制地变化．切换半周期越小，表示燃烧进入A、B两侧多孔介质中的转换频率越快，在不同的切换半周期条件下，试验研究了多孔介质中的温度变化，结果如图6所示．可以看出，在燃气量不变、中一0.8的情况下，随着切换半周期r的增大，多孔介质中的温度升高，在r一25 s时达到*大值，接着温度略有降低，*后基本保持不变．所以此生物质燃烧机的*小切换半周期为5s，*大切换半周期为175 s．
当切换半周期较小时，预混气体着火困难，无法稳定燃烧；随着切换半周期的增大，预混气体开始逐渐稳定燃烧，多孔介质中的温度逐渐升高；当切换半周期增大到一定值多孔介质中的温度达到*高；切换半周期过大，蓄热体预热预混气体的能力降低，从而多孔介质中的温度开始下降，*后基本达到多孔介质中的温度不变．对于一定的系统存在一个较佳的切换半周期，且较佳切换半周期应随着蓄热体蓄热能力的增加而增大．
2.5切换半周期对生物质燃烧机出口温度的影响
当燃气流量和当量叱保持不变时，随着切换半周期的变化，生物质燃烧机出口温度e’在半周期内温度的动态变化如图7所示．可以看出，从电控阀换向开始，一侧开始燃烧，出口温度开始不断上升，直至电控阀换向结束，此时出口温度达到*高．
随着切换半周期的增大，生物质燃烧机出口温度升高；当切换半周期增大量相同时，随着切换半周期的增大，生物质燃烧机出口温度增大的幅度随着增大．切换半周期越大，燃烧后气体与多孔介质的换热时间越长，由于多孔介质的蓄热能力有限，多孔介质的换热能力相对越来越弱，出口温度因而越高．相反，切换半周期越短，燃烧后气体与多孔介质的换热效果越好，出口温度越低．
3往复式多孔介质燃烧与单个多孔介
质燃烧的动态温度对比试验
单个多孔介质燃烧( one way flow combustion,OWFC)[10]是往复式多孔介质燃烧仅在A或B-侧的燃烧，是往复式燃烧切换芈周期无限大的情况（试验中没有电控阀切换）．
为了比较往复式多孔介质生物质燃烧机在稳定运行后的动态温度分布和单个多孔介质燃烧时的动态温度分布，进行了燃气体积流量为0. 05 ITI3／h、中一0.8、r- 40 s的往复式多孔介质燃烧与同燃气体积流量和当量比下单个多孔介质燃烧的对比试验结果如图8所示．11～15表示往复式多孔介质燃烧测点11～15的温度变化曲线．11”～15”表示单个多孔介质燃烧测点11～15的温度变化曲线．图8往复式多7L介质燃烧与单个多子L介质燃烧的动态温度分布比较
由图8可以看出，在当量比和燃气流量保持不变的情况下，往复式多孔介质燃烧的多孔介质中的温度分布（用点表示）相对单个多孔介质燃烧（用实线表示）来说比较均匀，多孔介质中的*高温度高于单个多孔介质燃烧的*高温度，出口温度低于单个燃烧的出口温度．
往复式多孔介质燃烧的多孔介质中的温度随着系统的周期性运行，温度也发生周期性的变化，而单个多孔介质燃烧的多孔介质中的温度随着时间没有周期性变化，变化相对较大，
在往复式多孔介质燃烧中，多孔俞质既是蓄热体，也是燃烧空间的提供者．由于往复式流动，蓄热体预热预混气体的作用得到了加强，使得往复式燃烧温度高于单个多孔介质中的燃烧温度，随着气流与多孔介质的周期性的换热，其温度发生周期性波动；多孔介质蓄热体的存在，使得温度分布更加均匀．烟气排出之前，经过并加热了蓄热体，同时烟气的温度降低，使得出口温度低于单个多孔介质燃烧的出口温度．
4结论
在往复式多孔介质生物质燃烧机上进行了热态的实验研究，在不同的当量比、切换半周期、预混气体空截面流速下，试验研究了在往复式多孔介质燃烧下多孔介质中的温度分布，得出如下结论．
(1)随着系统周期性地运行，多孔介质中的温度出现动态周期性的变化．在同一时刻，往复式多孔介质生物质燃烧机两侧的温度变化是相反的，相同高度截的多孔介质中的温度基本相同．
(2)在当量比中<0.5时，随着当量比的增大，多孔介质中的温度上升；当中>0.5时，随着当量比的增大，多孔介质中的温度下降；在该实验条件下，当中一0.5时，燃烧较佳．
(3)在切换周期和当量比一定时，随着空截面流速的增大，多孔介质中的温度升高，且沿着高度方向温度变化趋于平缓．
(4)在燃气量和当量比保持不变时，随着切换半周期的增大，多扎介质中的温度先升高后降低，*后基本保持不变．
(5)在燃气量和当量比保持不变时，在适当的切换半周期内，随着切换半周期的增大，生物质燃烧机出口温度升高．
(6)对往复式多孔介质燃烧和单个多孔介质燃烧进行比较发现往复式多孔介质燃烧的温度分布更均匀，出口温度更低．

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