往復式惰性多孔介質生物質燃燒機的可燃極限及最大半周期
摘要：借助于先前推導的簡化理論解，利用分段線性函數，構建了生物質燃燒機內溫度分布曲線、可燃極限和最大半周期。該解適用于絕熱條件下往復式惰性多孔介質生物質燃燒機。結果表明，當流速小于012m。S-lH寸|理論解預測的可燃極限與實驗取得了相同的趨勢，增大流速可以獲得較小的可燃極限。而流速大于Q17m。S-I喊增大流速對擴展可燃極限的影響很小。同時，小孔徑的多孔介質更有利丁：擴展可燃極限。預測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系；生物質燃燒機的長度對最大半周期有顯著的影響。增大生物質燃燒機的長度將導致較大的最大半周期。預測的可燃極限和推導出的最大半周期為生物質燃燒機的設計和進一步改善提供了指導。
引 言
  預混氣體惰性多孔介質生物質燃燒機中往復流動下的超絕熱燃燒(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這些優良的特性，國外近年來開展了大量的研究。Hoffmann等¨1的實驗研究表明，甲烷／空氣混合物的貧可燃極限可以擴展到當量比0026，在所研究的工況范圍內，當燃燒溫度達到1500K左右時，尾氣中氮氧化物的體積分數小于1×10_6，而一氧化碳的排放對流速和使用的多孔介質有強烈的依賴關系。鄧洋波【21研究了多孔介質內往復式流動下的超絕熱燃燒。利用多孔介質中超絕熱燃燒還可以實現硫化氫自解成硫元素和氫氣舊，克服了常規熱分解法需要供給大量熱量和分解率低等的弊端。Contarin等H利用數值模擬的方法，分析了一種兩端帶有換熱器的往復式多孔介質生物質燃燒機，對于甲烷與空氣的混合物，在當量比015～07的范圍內，熱效率達到50%～80%。
  迄今對RSCP的研究多集中在實驗和數值研究，還沒有關于RSCP可燃極限和最大半周期的研究報道。Boreskov掣8提出了高切換頻率的簡化模型。Nieken等‘8分析了往復半周期為無限大和無限小的兩種極限隋況，通過簡化一個準穩態乎衡模型，得到了一個與重要的控制參數相關聯的簡化模型，模型可以預測燃燒區域最高溫度，以及燃燒器兩側的溫度梯度。Cittadini等‘1在前人研究的基礎上，通過簡化推導，可以預測往復式催化生物質燃燒機的最小長度、最大半周期、最大和最小的氣流入口速度等。文獻[8]報道了關于RSCP簡化解的初步研究，該解適用于預混氣體的、單一的惰性多孔材料往復式生物質燃燒機。本文在此基礎上，通過與實驗和數值模擬的對比利用分段線性函數做進一步的推導，構建生物質燃燒機接近可燃極限時的溫度分布，分析得出可燃極限、最大半周期以及兩者的影響因素。
1 簡化理論解的分析
11 構造生物質燃燒機內固體溫度分布
  文獻[8]通過往復式多孔介質生物質燃燒機與穩態逆流生物質燃燒機的類比將RSCP模型簡化為兩個常微分方程：多孔介質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火溫度的區域為高區域。其中溫度等于固體溫度最大值的區域稱為高溫平臺區域具有特指的意義。五。。是點火溫度，式(4)～式(8)為求解固體溫度分布的方程組。圖2是理論計算值與實驗值的比較，本文中的實驗結果均來自文獻[1]。為了驗證理論解的通用性，分別計算了多孔介質規格為5孔/cm（圖2）和12孔/cm（圖3）兩種生物質燃燒機。結果表明，多孔介質材料對RSCP有顯著的影響。圖2的當量比比圖3的當量比稍大，其他工況相同。如圖2、圖3所示，使用小孔徑多孔介質，更有利于形成高溫區域，而且小孔徑（12孔/cm）多孔介質生物質燃燒機比5孔/cm的生物質燃燒機的最高溫度高36K。如果兩種規格的生物質燃燒機的工況相同，則理論預測的最高溫度相應地高44K。這是因為實驗所用的兩種規格的多孔介質的孔隙率均為0875，但是孔徑不同導致了不同的多孔介質衰減系數和內孔表面積【11。小孔徑多孔介質具有單位面積內更大的內孔面積，有利于在上游預熱混合氣，而茌下游有利于熱量的蓄積，同時有大的衰減系數有利于形成局部高溫區。圖4為流速、半周期都較大時理論解和實驗的比較。可以看出，當流速與半周期的乘積較大時，溫度曲線向下游有明顯的位移。圖2～圖4中，理論計算的生物質燃燒機兩側的溫度曲線與實驗值相差不大，但最高溫度高于實驗值兩者的誤差在20%以內。這是由于推導理論解日寸，做了很多假設：實際的生物質燃燒機中變化很大的氣體的物性、對流傳熱系數等采用了常數；實驗[11中天然氣中甲烷占88‰與理論解的假設（100%甲烷）不符，這也可能是造成差異的一個原因；不考慮系統熱損失顯然會導致理論值高于實驗值。為更精確地預測最高溫度需要改進模型，如考慮系統的熱損失，氣體、固體物性參數的選取。
12可燃極限的預測及影響因素的討論
  實驗和數值模擬的結果顯示，當量比越贏燃燒器高溫區域越寬。在生物質燃燒機的中心部位固體溫度變化很小，存在高溫平臺，溫度曲線類似于梯形。隨著當量比的減小，高溫平臺的寬度減小，溫度曲線逐步衰減為類似于三角形的形狀。據此，當高溫平臺寬度為零日寸，認為達到可燃極限。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，對于一個給定的生物質燃燒機，通過反復試算，尋找一個使得能夠穩定燃燒的最小當量比。式(9)利用一個很小的程序求解，在幾秒之內即可完成。而數值模擬則需20多個周期，用試算法尋求最小當量比。
  圖5為理論解求得的可燃極限與實驗值的比較。結果表明，同樣的工況下，小孔徑多孔介質更適合于擴展可燃極限且效果顯著；總的來說，增大流速可以擴展可燃極限，但在不同的流速范圍內，可燃極限對流速的依賴程度不同。當流速較小時，可燃極限對流速有強烈的依賴關系，此時增大流速可顯著擴展貧可燃極限。因此，燃燒極低熱值的燃氣不宜采用小流速。流速小于Q12m。s_1日寸，理論解預測的趨勢與實驗值相符。而流速大于0.12m。s_1時，5孔/cm生物質燃燒機的預測結果與實驗值預測的趨勢相反，而12孔／cm預測的可燃極限變化很小。這說明，理論解財可燃極限的預測，只適用于流速小于Q12m。s_1。而在流速大于Q17m。s_1時，流速對可燃極限的影響很小，對于5孔/cm的生物質燃燒機，過大的流速對可燃極限的擴展并不顯著。
  圖3和圖5表明，孔隙率相同的多孔介質，燃氣在小孔徑的多孔介噴燃燒，能夠形成較寬的高溫區域和溫度最大值，獲得了更小的可燃極限。為了進一步理解多孔材料對最大溫度和可燃極限的影響，圖6比較了兩種規格的多孔介質生物質燃燒機的最高溫度。結果表明，在005～03m。s_1的流速范圍內，12孔/cm的多孔介質生物質燃燒機中的溫度值最大值始終高于5孔／crri溫度最大值。
  圖7表明增加三可以擴展可燃極限。流速較小時，增加三對擴展可燃極限的效果很顯著，但是在流速大于015m。s_1時，流速對可燃極限的影響很小，與圖5的趨勢相同。但是三的增大意味著較大的壓力降。實驗將三由020m延長到035m，同時增大了生物質燃燒機的內徑，結果可燃極限由0028擴晨到0026，與圖7理論解預測的趨勢相同。
13最大半周期的推導及討論
  RSCP需要選擇合適的半周期。半周期過小，譬pm葚adLu31第8期  史俊瑞等：往復式惰性多孔介質生物質燃燒機的可燃極限及最大半周期新鮮混合氣未達到燃燒區就可能被吹出，燃燒效率降低，生物質燃燒機也沒有得到有效的利用。實驗表明，當燃氣的入口速度與半周期的乘積等于或大于20倍的生物質燃燒機長度時，即生物質燃燒機的燃燒效率較高。而過大的半周期，又導致過高的出口溫度，不利于熱量的蓄積。當半周期高于臨界值時，高溫平臺的寬度低于臨界值反應不能夠完全進行，火焰被吹出生物質燃燒機外，將此臨界半周期作為Ttyp，。。。目前，還沒有丁。。…的研究，但可以借助數值模擬來加以分析。數值計算是用FLUENT61完成的。數值模擬的模型和算法、甲烷的單步反應機理見文獻[4]。圖8為數值模擬的兀。，…與理論解的比較。在正向半周期結束日寸，在距生物質燃燒機入口很長的一段距離內，固體溫度與環境溫度的差異不大，取為To。而生物質燃燒機出口端溫度為固體最大溫度，存在著長度最小的高溫平臺。很顯然，此時若利用式(4)～式(8)來構建生物質燃燒機內溫度曲線是不合理的。根據L。max工況下固體溫度的分布特征，重寫式(7)右端是生物質燃燒機的L。…。式(14)綜合考慮了生物質燃燒機長度、供氣參數、燃氣熱值（△丁甜）和多孔介質物性相互間的制約關系，對于實驗、生物質燃燒機的設計和操作具有普遍的指導意義。此外，過大的半周期導致火焰靠近出口位置，出口溫庋明顯升高，對燃燒是極其不利的，也不能充分發揮往復式生物質燃燒機的優勢。
  圖9為生物質燃燒機長度對最大半周期的影響。丁。。。。曲線將圖分為兩個區域，在曲線的上方，半周期大于最大半周期，火焰被吹出生物質燃燒機外，因此本文稱為熄火區域，而在曲線下方，半周期小于最大半周期，可以進行往復燃燒，稱為可往復區域。圖9表明，氣流速度和/對半周期有很大的影響。
2結 論
  (1)在生物質燃燒機接近可燃極限日寸，將生物質燃燒機進口溫度假設為環境溫度，可以構建任意半周期、流速和多孔介質的生物質燃燒機內的固體溫度曲線。
  (2)當高溫平臺寬度為零時，認為生物質燃燒機達到了可燃極限。流速小于Q12m。s_1時，理論解預測的趨勢與實驗相同；流速大于012m。s_1時，對于5孔/cm的生物質燃燒機，理論解預測的趨勢與實驗相反，而12孔/cm生物質燃燒機的預測與實驗相同；流速大于017m。s_1時，流速對可燃極限的影響很小。

  (3)當高溫平臺移動到出口處且其長度小于臨界值日寸，認為生物質燃燒機接近丁。…。并推導了其表達式。結合實驗結果，得到了RSCP供氣參數、多孔介質比熱容、最大和最小