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往復(fù)式惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的可燃極限及最大半周期
摘要：借助于先前推導(dǎo)的簡(jiǎn)化理論解，利用分段線性函數(shù)，構(gòu)建了生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)溫度分布曲線、可燃極限和最大半周期。該解適用于絕熱條件下往復(fù)式惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)。結(jié)果表明，當(dāng)流速小于012m。S-lH寸|理論解預(yù)測(cè)的可燃極限與實(shí)驗(yàn)取得了相同的趨勢(shì)，增大流速可以獲得較小的可燃極限。而流速大于Q17m。S-I喊增大流速對(duì)擴(kuò)展可燃極限的影響很小。同時(shí)，小孔徑的多孔介質(zhì)更有利丁：擴(kuò)展可燃極限。預(yù)測(cè)的最大半周期與流速的乘積與固體和氣體熱容的比值呈線性關(guān)系；生物質(zhì)燃燒機(jī)的長(zhǎng)度對(duì)最大半周期有顯著的影響。增大生物質(zhì)燃燒機(jī)的長(zhǎng)度將導(dǎo)致較大的最大半周期。預(yù)測(cè)的可燃極限和推導(dǎo)出的最大半周期為生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步改善提供了指導(dǎo)。
引 言
  預(yù)混氣體惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)中往復(fù)流動(dòng)下的超絕熱燃燒(RSCP)不僅能夠拓展可燃極限，而且具有可控的污染物排放。鑒于RSCP這些優(yōu)良的特性，國(guó)外近年來(lái)開展了大量的研究。Hoffmann等¨1的實(shí)驗(yàn)研究表明，甲烷／空氣混合物的貧可燃極限可以擴(kuò)展到當(dāng)量比0026，在所研究的工況范圍內(nèi)，當(dāng)燃燒溫度達(dá)到1500K左右時(shí)，尾氣中氮氧化物的體積分?jǐn)?shù)小于1×10_6，而一氧化碳的排放對(duì)流速和使用的多孔介質(zhì)有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。鄧洋波【21研究了多孔介質(zhì)內(nèi)往復(fù)式流動(dòng)下的超絕熱燃燒。利用多孔介質(zhì)中超絕熱燃燒還可以實(shí)現(xiàn)硫化氫自解成硫元素和氫氣舊，克服了常規(guī)熱分解法需要供給大量熱量和分解率低等的弊端。Contarin等H利用數(shù)值模擬的方法，分析了一種兩端帶有換熱器的往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)，對(duì)于甲烷與空氣的混合物，在當(dāng)量比015～07的范圍內(nèi)，熱效率達(dá)到50%～80%。
  迄今對(duì)RSCP的研究多集中在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，還沒(méi)有關(guān)于RSCP可燃極限和最大半周期的研究報(bào)道。Boreskov掣8提出了高切換頻率的簡(jiǎn)化模型。Nieken等‘8分析了往復(fù)半周期為無(wú)限大和無(wú)限小的兩種極限隋況，通過(guò)簡(jiǎn)化一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)乎衡模型，得到了一個(gè)與重要的控制參數(shù)相關(guān)聯(lián)的簡(jiǎn)化模型，模型可以預(yù)測(cè)燃燒區(qū)域最高溫度，以及燃燒器兩側(cè)的溫度梯度。Cittadini等‘1在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)化推導(dǎo)，可以預(yù)測(cè)往復(fù)式催化生物質(zhì)燃燒機(jī)的最小長(zhǎng)度、最大半周期、最大和最小的氣流入口速度等。文獻(xiàn)[8]報(bào)道了關(guān)于RSCP簡(jiǎn)化解的初步研究，該解適用于預(yù)混氣體的、單一的惰性多孔材料往復(fù)式生物質(zhì)燃燒機(jī)。本文在此基礎(chǔ)上，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的對(duì)比利用分段線性函數(shù)做進(jìn)一步的推導(dǎo)，構(gòu)建生物質(zhì)燃燒機(jī)接近可燃極限時(shí)的溫度分布，分析得出可燃極限、最大半周期以及兩者的影響因素。
1 簡(jiǎn)化理論解的分析
11 構(gòu)造生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)固體溫度分布
  文獻(xiàn)[8]通過(guò)往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)與穩(wěn)態(tài)逆流生物質(zhì)燃燒機(jī)的類比將RSCP模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)常微分方程：多孔介質(zhì)溫度的最大值和組分的微分方程
  本文中稱固體溫度高于點(diǎn)火溫度的區(qū)域?yàn)楦邊^(qū)域。其中溫度等于固體溫度最大值的區(qū)域稱為高溫平臺(tái)區(qū)域具有特指的意義。五。。是點(diǎn)火溫度，式(4)～式(8)為求解固體溫度分布的方程組。圖2是理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較，本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均來(lái)自文獻(xiàn)[1]。為了驗(yàn)證理論解的通用性，分別計(jì)算了多孔介質(zhì)規(guī)格為5孔/cm（圖2）和12孔/cm（圖3）兩種生物質(zhì)燃燒機(jī)。結(jié)果表明，多孔介質(zhì)材料對(duì)RSCP有顯著的影響。圖2的當(dāng)量比比圖3的當(dāng)量比稍大，其他工況相同。如圖2、圖3所示，使用小孔徑多孔介質(zhì)，更有利于形成高溫區(qū)域，而且小孔徑（12孔/cm）多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)比5孔/cm的生物質(zhì)燃燒機(jī)的最高溫度高36K。如果兩種規(guī)格的生物質(zhì)燃燒機(jī)的工況相同，則理論預(yù)測(cè)的最高溫度相應(yīng)地高44K。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的兩種規(guī)格的多孔介質(zhì)的孔隙率均為0875，但是孔徑不同導(dǎo)致了不同的多孔介質(zhì)衰減系數(shù)和內(nèi)孔表面積【11。小孔徑多孔介質(zhì)具有單位面積內(nèi)更大的內(nèi)孔面積，有利于在上游預(yù)熱混合氣，而茌下游有利于熱量的蓄積，同時(shí)有大的衰減系數(shù)有利于形成局部高溫區(qū)。圖4為流速、半周期都較大時(shí)理論解和實(shí)驗(yàn)的比較?？梢钥闯?，當(dāng)流速與半周期的乘積較大時(shí)，溫度曲線向下游有明顯的位移。圖2～圖4中，理論計(jì)算的生物質(zhì)燃燒機(jī)兩側(cè)的溫度曲線與實(shí)驗(yàn)值相差不大，但最高溫度高于實(shí)驗(yàn)值兩者的誤差在20%以內(nèi)。這是由于推導(dǎo)理論解日寸，做了很多假設(shè)：實(shí)際的生物質(zhì)燃燒機(jī)中變化很大的氣體的物性、對(duì)流傳熱系數(shù)等采用了常數(shù)；實(shí)驗(yàn)[11中天然氣中甲烷占88‰與理論解的假設(shè)（100%甲烷）不符，這也可能是造成差異的一個(gè)原因；不考慮系統(tǒng)熱損失顯然會(huì)導(dǎo)致理論值高于實(shí)驗(yàn)值。為更精確地預(yù)測(cè)最高溫度需要改進(jìn)模型，如考慮系統(tǒng)的熱損失，氣體、固體物性參數(shù)的選取。
12可燃極限的預(yù)測(cè)及影響因素的討論
  實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，當(dāng)量比越贏燃燒器高溫區(qū)域越寬。在生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心部位固體溫度變化很小，存在高溫平臺(tái)，溫度曲線類似于梯形。隨著當(dāng)量比的減小，高溫平臺(tái)的寬度減小，溫度曲線逐步衰減為類似于三角形的形狀。據(jù)此，當(dāng)高溫平臺(tái)寬度為零日寸，認(rèn)為達(dá)到可燃極限。重寫式(7)并將式(6)帶入，得到式(9)中隱含著可燃極限，即給定入口氣流速度，對(duì)于一個(gè)給定的生物質(zhì)燃燒機(jī)，通過(guò)反復(fù)試算，尋找一個(gè)使得能夠穩(wěn)定燃燒的最小當(dāng)量比。式(9)利用一個(gè)很小的程序求解，在幾秒之內(nèi)即可完成。而數(shù)值模擬則需20多個(gè)周期，用試算法尋求最小當(dāng)量比。
  圖5為理論解求得的可燃極限與實(shí)驗(yàn)值的比較。結(jié)果表明，同樣的工況下，小孔徑多孔介質(zhì)更適合于擴(kuò)展可燃極限且效果顯著；總的來(lái)說(shuō)，增大流速可以擴(kuò)展可燃極限，但在不同的流速范圍內(nèi)，可燃極限對(duì)流速的依賴程度不同。當(dāng)流速較小時(shí)，可燃極限對(duì)流速有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，此時(shí)增大流速可顯著擴(kuò)展貧可燃極限。因此，燃燒極低熱值的燃?xì)獠灰瞬捎眯×魉?。流速小于Q12m。s_1日寸，理論解預(yù)測(cè)的趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值相符。而流速大于0.12m。s_1時(shí)，5孔/cm生物質(zhì)燃燒機(jī)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值預(yù)測(cè)的趨勢(shì)相反，而12孔／cm預(yù)測(cè)的可燃極限變化很小。這說(shuō)明，理論解財(cái)可燃極限的預(yù)測(cè)，只適用于流速小于Q12m。s_1。而在流速大于Q17m。s_1時(shí)，流速對(duì)可燃極限的影響很小，對(duì)于5孔/cm的生物質(zhì)燃燒機(jī)，過(guò)大的流速對(duì)可燃極限的擴(kuò)展并不顯著。
  圖3和圖5表明，孔隙率相同的多孔介質(zhì)，燃?xì)庠谛】讖降亩嗫捉閲娙紵?，能夠形成較寬的高溫區(qū)域和溫度最大值，獲得了更小的可燃極限。為了進(jìn)一步理解多孔材料對(duì)最大溫度和可燃極限的影響，圖6比較了兩種規(guī)格的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的最高溫度。結(jié)果表明，在005～03m。s_1的流速范圍內(nèi)，12孔/cm的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)中的溫度值最大值始終高于5孔／crri溫度最大值。
  圖7表明增加三可以擴(kuò)展可燃極限。流速較小時(shí)，增加三對(duì)擴(kuò)展可燃極限的效果很顯著，但是在流速大于015m。s_1時(shí)，流速對(duì)可燃極限的影響很小，與圖5的趨勢(shì)相同。但是三的增大意味著較大的壓力降。實(shí)驗(yàn)將三由020m延長(zhǎng)到035m，同時(shí)增大了生物質(zhì)燃燒機(jī)的內(nèi)徑，結(jié)果可燃極限由0028擴(kuò)晨到0026，與圖7理論解預(yù)測(cè)的趨勢(shì)相同。
13最大半周期的推導(dǎo)及討論
  RSCP需要選擇合適的半周期。半周期過(guò)小，譬pm葚adLu31第8期  史俊瑞等：往復(fù)式惰性多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的可燃極限及最大半周期新鮮混合氣未達(dá)到燃燒區(qū)就可能被吹出，燃燒效率降低，生物質(zhì)燃燒機(jī)也沒(méi)有得到有效的利用。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)燃?xì)獾娜肟谒俣扰c半周期的乘積等于或大于20倍的生物質(zhì)燃燒機(jī)長(zhǎng)度時(shí)，即生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒效率較高。而過(guò)大的半周期，又導(dǎo)致過(guò)高的出口溫度，不利于熱量的蓄積。當(dāng)半周期高于臨界值時(shí)，高溫平臺(tái)的寬度低于臨界值反應(yīng)不能夠完全進(jìn)行，火焰被吹出生物質(zhì)燃燒機(jī)外，將此臨界半周期作為Ttyp，。。。目前，還沒(méi)有丁。?！难芯?，但可以借助數(shù)值模擬來(lái)加以分析。數(shù)值計(jì)算是用FLUENT61完成的。數(shù)值模擬的模型和算法、甲烷的單步反應(yīng)機(jī)理見文獻(xiàn)[4]。圖8為數(shù)值模擬的兀。，…與理論解的比較。在正向半周期結(jié)束日寸，在距生物質(zhì)燃燒機(jī)入口很長(zhǎng)的一段距離內(nèi)，固體溫度與環(huán)境溫度的差異不大，取為To。而生物質(zhì)燃燒機(jī)出口端溫度為固體最大溫度，存在著長(zhǎng)度最小的高溫平臺(tái)。很顯然，此時(shí)若利用式(4)～式(8)來(lái)構(gòu)建生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)溫度曲線是不合理的。根據(jù)L。max工況下固體溫度的分布特征，重寫式(7)右端是生物質(zhì)燃燒機(jī)的L?！?。式(14)綜合考慮了生物質(zhì)燃燒機(jī)長(zhǎng)度、供氣參數(shù)、燃?xì)鉄嶂担ā鞫√穑┖投嗫捉橘|(zhì)物性相互間的制約關(guān)系，對(duì)于實(shí)驗(yàn)、生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)和操作具有普遍的指導(dǎo)意義。此外，過(guò)大的半周期導(dǎo)致火焰靠近出口位置，出口溫庋明顯升高，對(duì)燃燒是極其不利的，也不能充分發(fā)揮往復(fù)式生物質(zhì)燃燒機(jī)的優(yōu)勢(shì)。
  圖9為生物質(zhì)燃燒機(jī)長(zhǎng)度對(duì)最大半周期的影響。丁。。。。曲線將圖分為兩個(gè)區(qū)域，在曲線的上方，半周期大于最大半周期，火焰被吹出生物質(zhì)燃燒機(jī)外，因此本文稱為熄火區(qū)域，而在曲線下方，半周期小于最大半周期，可以進(jìn)行往復(fù)燃燒，稱為可往復(fù)區(qū)域。圖9表明，氣流速度和/對(duì)半周期有很大的影響。
2結(jié) 論
  (1)在生物質(zhì)燃燒機(jī)接近可燃極限日寸，將生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)口溫度假設(shè)為環(huán)境溫度，可以構(gòu)建任意半周期、流速和多孔介質(zhì)的生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)的固體溫度曲線。
  (2)當(dāng)高溫平臺(tái)寬度為零時(shí)，認(rèn)為生物質(zhì)燃燒機(jī)達(dá)到了可燃極限。流速小于Q12m。s_1時(shí)，理論解預(yù)測(cè)的趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)相同；流速大于012m。s_1時(shí)，對(duì)于5孔/cm的生物質(zhì)燃燒機(jī)，理論解預(yù)測(cè)的趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)相反，而12孔/cm生物質(zhì)燃燒機(jī)的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)相同；流速大于017m。s_1時(shí)，流速對(duì)可燃極限的影響很小。

  (3)當(dāng)高溫平臺(tái)移動(dòng)到出口處且其長(zhǎng)度小于臨界值日寸，認(rèn)為生物質(zhì)燃燒機(jī)接近丁?！?。并推導(dǎo)了其表達(dá)式。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了RSCP供氣參數(shù)、多孔介質(zhì)比熱容、最大和最小