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微型热光电系统多孔介质生物质燃烧机性能的实验研究

摘要：为保证微型热光电动力系统能稳定、高效地工作生物质燃烧机壁面需有较高的温度，且分布均匀对采用哆孔介质结构的微型生物质燃烧机进行了实验研究，分析了孔隙率、CH4/02混合比等因素对生物质燃烧机性能的影响结果表明，采用多孔介质結构可以改善生物质燃烧机内的燃烧传热过程；合理选择孔隙率和工况参数可以优化生物质燃烧机壁面温度分布，提高系统工作性能．

迄今对RSCP的研究多集中在实验和数值研究还没有关于RSCP可燃极限和大半周期的研究报道。Bo reskov掣8提出了高切换频率的简化模型Nieken等‘8分析了往复半周期为无限大和无限小的两种极限隋况，通过简化一个准稳态乎衡模型得到了一个与重要的控制参数相关联的简化模型，模型可以预測燃烧区域高温度以及燃烧器两侧的温度梯度。Cittadini等‘1在前人研究的基础上通过简化推导，可以预测往复式催化生物质燃烧机的小长度、大半周期、大和小的气流入口速度等文献[8]报道了关于RS CP简化解的初步研究，该解适用于预混气体的、单一的惰性多孔材料往复式生物质燃烧机本文在此基础上，通过与实验和数值模拟的对比利用分段线性函数做进一步的推导构建生物质燃烧机接近可燃极限时的温度分咘，分析得出可燃极限、大半周期以及两者的影响因素 本装置开工，用燃烧天然气来起动加热当温度达到(673-1173k)时，由天然气过渡到煤煤嘚进料速度应足以维持燃烧。一般加热时间为1小时

TPV)能量转换系统发展而来．TPV系统的基本原理是把燃料燃烧所产生的热能以热辐射形式释放，使用光电池将其转换成电能．TPV系统作为一种清洁、静噪的电源具有很多优点：无运动部件、功率密度高、燃料范围广．近几年，由於低能带隙光电池和耐高温材料领域的进展MTPV系统的研究引起了人们的关注．MT-PV系统在空间足度上的缩小，使面积／容积比率增大可更充汾地利用燃烧辐射来激发热光电产生电流，提高能量转换效率[1-31

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侧往複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．该鋶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過电控阀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．

    MTPV系统主要包括3大部分：微型生物质燃烧机、可选择波长辐射器和光电池．其系统示意图见图1．微型燃烧器是MTPV系统中燃料燃烧释放热能的空间作为MTPV系统的能量源，研究其结构、燃烧和换热过程对改善燃烧、提高效率、降低污染排放、提高工作穩定性有重要意义．

3.2空截面流速对稳定时间的影响4 结果与讨论

多孔介质中的超绝热燃烧是国外在20世纪80年代末和90年代中发展起来的新型燃烧技术[4]．但笔者尚未见到在诸如MTPV等微动力系统中应用的研究报告．现有MTPV微型生物质燃烧机的大缺陷在于预混合气在微型火焰管内的驻留时间呔短，在其内部不能充分燃烧进而使经火焰管壁面的热传导和辐射所传递的能量比例降低‘5-6．为了延长预混合气在微型燃烧管内的驻留時间、强化燃烧和传热，本文提出了在MTPV系统中采用多孔介质生物质燃烧机的设想．让混合气在多孔介质燃烧室中燃烧利用其相对于自由涳间的气体而言强大得多的蓄热功能和辐射特性，实现热反馈从而使燃烧反应增强，提高燃烧速度使火焰温度升高，并扩展混合气的鈳燃极限．由于固体材料的热传导和辐射性能优于气体使得多孔介质生物质燃烧机具有燃烧率高、火焰稳定、易控制燃烧区温度、壁面溫度分布相对均匀等特点‘7]，这对于利用壁面辐射传递能量的MIPV动力系统来说是为理想的燃烧方式．

4结论 (8)用途广适用于各种加热炉、锻造爐等。

    笔者通过实验研究探讨了多孔介质微型生物质燃烧机在MIPV系统中的可行性，分析主要参数对燃烧过程的影响．

    本实验所用燃料为CH4並以02为助燃剂．实验装置如图2历示．流量控制系统采用美国MSK流量控制器，用来精确控制CH4和02的体积流量按一定的混合比向生物质燃烧机提供燃料混合气．

    生物质燃烧机为圆管状结构，其材料选用了具有较强耐高温性能的Al2 03陶瓷．生物质燃烧机直径为10 mm长度为25 mm.在管内填充不同直徑的陶瓷球形成多孔介质结构．陶瓷球的直径为1~3 mm不等，经过认真筛选使每种测试的多孔介质结构具有相同直径的陶瓷球．

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     燃烧状况通过测量生

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．随着空截面流速嘚增加，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，在上述条件丅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；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．嶊荐一种新型的生物质燃烧机物质燃烧机管壁和出口端面的温度进行考察．用直径为0.3 mm的S型铂铑一铂热电偶进行测量．在沿燃烧管长方向布置5个测温点，在出口沿径向有5个测温点．

1 试验装置与方法5结论

    孔隙率占是多孔介质中空隙容积v.与多孔介质总容积v之比是影响多孔介质内燃烧传热的重要参数之一．根据在生物质燃烧机管内填充的陶瓷球直径的不同，形成的多孔结构的孔隙率不同在实验研究中，采用了孔隙率占分别为0. 37、0.42、0.68的燃烧管和不填充陶瓷球的空管（占=1）．

51这种燃烧技术已经在瑞典成功应用于汽车喷漆车间排气中有机污染物的燃烧淨化[q。该技术在提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料、改善环境以及处理各类垃圾和废弃物等方面具有其他燃烧技术不可比拟的优越性 这种煤的操作性能非常好，无故障运行达3小时在每次试验结束对，观察到有很小的结块坏的情况下曾发现有两个结块复盖了大约10%嘚分布板面积。只要操作温度控制在800℃以下床内不会形成明显的结块。由于这种煤无热塑性供煤也无问题。A级次烟煤(4号煤)

    表1为在不同嘚孔隙率8、不同面容比以（固体骨架总表面积A与多孔介质总容积v之比）、不同的入口流量Q时混合燃气化学当量比在a=l的条件下，通过实验嘚到的燃烷器壁面的平均温度（生物质燃烧机壁面

5点测温的算术平均值）．

(3)当高温平台移动到出口处且其长度小于临界值日寸认为生物質燃烧机接近丁。…并推导了其表达式。结合实验结果得到了RSCP供气参数、多孔介质比热容、大和小半周期之间的制约关系。1．法国标准NF P50-503规定了透明复盖物吸收器和太阳能收集器的反射器的光学性能。

    由表l可见人口流量Q= 105 CII13／mlll时，多孔介质生物质燃烧机的壁面平均温度均達到1 000 K以上而空管生物质燃烧机在Q= 150 CI113／IIUI1时壁面平均温度才达到1 000 K，这也说明采用多孔介质结构可以获得较高的燃料利用率．

图3为不同的孔隙率對生物质燃烧机壁面温度和出口温度影响的实验结果．由图3(a)可见当孔隙率占等于1（空管）时，生物质燃烧机壁温从人口端到出口端逐渐升高且变化幅度较大这说明由于在空管中燃气驻留时间短，混合气在通过生物质燃烧机时初期的燃烧放热量较小，主要燃烧放热集中茬生物质燃烧机的后段；当采用多孔介质结构时混合气体在其孔隙中流动、燃烧，多孔介质固体骨架对其进行了有效的加热使之燃烧充分，多孔介质生物质燃烧机管壁温度明显高于空昝生物质燃烧机．由图3(b)可见空管生物质燃烧机的出口温度则比较高，说明燃烧损失增加．

(2)忽略石英玻璃管的散射热物性选为定值，并在所有边界面上的辐射符合镜面反射[q．┃ 旋流风 ┃ 240 ┃ 0.1 325 ┃ 0.6 894 ┃2 006 879. 742 ┃

    从实验结果来看采用多孔介质后，从入口到出口随着燃烧放热量的增大，生物质燃烧机壁温逐渐升高同时孔隙内的燃烧产物也在增多，使得后期的燃烧放热受箌影响导致生物质燃烧机壁温有所降低，生物质燃烧机壁温呈先升后降的变化．而且随着孔隙率占的减小壁温达到大值的位置也向人ロ段移动，说明在孔隙率占较小时燃烧产物的存在对未燃燃料的燃烧影响加大．

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）． 。2.7号炉加装钝体后由于着火热源充足，可使着火提前．飞灰较大帽度下降锅炉效率明显提高，并可完全脱油稳定运行是一项节约能源的有效措施。

    实验结果表明当孔隙率艿由1减小到0. 68、0. 42时，生物质燃烧机壁面温度升高且壁面温度分布梯度减小，同时出口温度降低．但当孔隙率占减小到0. 37时生物质燃烧机壁面温度反而有所降低，出ロ温度有所提高．这是由于当孔隙率占减小到一定程度时面容比力随之增大所致．虽然固体骨架对燃料进行了有效的加热，使之燃烧充汾但是面容比的加大，使散热面积相应增加影响燃烧稳定性，同时燃烧所占空间过小使得燃料驻留时间减少，导致燃烧和换热不充汾．

1 物理模型 煤粉锅炉在燃用贫煤和无烟煤时普遍存在着火困难，燃烧不稳飞灰含量高、锅炉效率低等问题。自l 97 3年以来华中t学院燃燒理论研究室在试验台上进行了锅炉钝体生物质燃烧机的水模、气模特性研究，并对湖南金竹山煤、资兴劣质烟煤进行了试烧1 981年9月，根據湖南省电机工程学会锅炉专业年会讨论的意见湖南省电力工业局决定，由华中工学院湖南电力中心试验研究所、岳阳电厂共同协作，在岳阳电厂7号炉上进行锅炉钝体生物质燃烧机的工业性试验”通过冷态和热态的测定，获得了满意的结果经国内有关单位的专家教授及工程技术人员鉴定，结论是：

    燃烧反应的进行取决于燃料的浓度、温度以及在高温区的滞留时间因此CH4/02混合气的混合比是影响多孔介質内燃烧过程的一个重要因素．

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Φ没有电控阀切换）． 在一定的温差下可以认为每个热电单元上的电流』是相等的，由于输出功率P =/2R显然如果热电器件上能够布置更多嘚热电单元，则输出功率会更大但对于微型热电设备而言，太多的热电单元会增加它的体积和重量不过由于热电材料布置的灵活性，應尽可能地考虑增大它在燃烧设备周围分布的面积本实验中热能的利用面积很小，热电元件的面积只占整个生物质燃烧机外表面的5.3%如果考虑将更多的外表面利用起来作为装置的热源，这样整个设备效率捉高的空间还很大另一方面，目前常用的热电器件有3类它们分别昰基于碲化铋、碲化铅和锗化硅材料工作的。由于材料特性的不同具有不同的佳运行温度范围，分别为     孔隙率占为0. 42？昆合气流量Q为150 cm3/min时CH。/02当量比a对生物质燃烧机壁温和出口温度的影响见图4．

由图4可见，当孔隙率和混合气流量不变时随着CH。/02混合比的变化生物质燃烧機壁温及出口温度也相应变化，根据反应方程完全燃烧时，CH4/02泥合气的混合比为1：2.因此CH4/02混合比在1:2左右，即当量比a=l时生物质燃烧机壁温忣出口温度较高；而随着混合气CH4的减少，生物质燃烧机壁温及出口温度随之降低．所以为了获得热光电转换所必需的燃烧温度，CH4/02混合比應保证在1:2左右．

media,RSCP)是一项新兴的高效洁净燃烧技术与传统的燃气在自由空间的燃烧相比，多孔介质明显优于气体的传热性能和蓄热能力能够形成自我组织的逆向热回流，使得上游未燃气体得到了有效的预热提高了燃烧稳定性和燃烧效率，同日寸通过周期性的换向，进┅步增强了蓄热效应可实现极稀薄混合气或超低热值气体的稳定燃烧，而作为集燃烧区域、蓄热载体和回流功能于一体的惰性多孔介质材料本身由于材料在孔隙率和空间结构上的差异而决定的热惯性和对流场及温度场的影响，对RSCP有至关重要的影响因此，通过对生物质燃烧机内的多孔介质材料的优化组合可以实现提高燃烧效率和减少压力损失的目的，┃

2.3入口流量Q的影响

2往复式多孔介质生物质燃烧机试驗装置与试验方法 RMG型同流生物质燃烧机是日本中外炉工业公司生产的新产品在高速火焰生物质燃烧机内安装了同流换热器的节能燃气喷咀，它容易获得单独同流换热器所不能得到的高温预热空气从而大量节约能源。

    孔隙率8为0. 42CH4/02混合气当量比a为1时，人口流量p对生物质燃烧機壁温和出口温度的影响见图5．由图5可见在孔隙率和CH4/02混合比不变时，随(a)壁面温度    (b)出口温度

着人口流量Q的增加壁面温度和出口温度都会楿应升高．要使生物质燃烧机壁温达到一定的温度，必须要保证足够的人口流量Q．但入口流量也不宜过大从图中Q=150 cm3/min工况可看出，壁温升高鈈明显而出口温度显著升高，热损失增大这是由于流量增加使流速增大，燃气驻留时间减少壁温升高又使燃烧效率下降，因而会降低综合效率．

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铨相同，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變化大．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侧多孔介質中的温度突然下降．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侧多孔介質中的温度反而下降；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 本文在微尺度下对氢气一空气进行叻燃烧实验，实验中能够获得稳定的燃烧壁面的温度随着流量的增大而升高。在生物质燃烧机上表面布置了热电转化材料获得了相对較高的热电转化效率。实验表明尽管在较大的气体流量下有较大的功率输出，但在较小的气体流量下热电转化效率较高

    (1)微型生物质燃燒机采用多孔介质结构可以改善燃烧器内的燃烧过程，多孔介质生物质燃烧机的壁面温度明显高于空管生物质燃烧机并且分布均匀，出ロ温度降低这对改善MTPV系统中燃烧辐射器的性能，提高能量转换效率都有十分重要的指导意义．

    (2)孔隙率占是影响多孔介质生物质燃烧机內燃烧的一个重要影响因素，孔隙率占过大或过小都会对燃烧产生不利的影响在本研究条件下，孔隙率占为0. 42时佳．

由图2可以看出随着往复式多孔介质燃烧器中的气流周期性的换向流动，测点压力也随着周期性的变仳在每一个周期内，压力的突变发生在换向的时候一開始压力突然升高，然后迅速下降直至压力稳定。在压力稳定一段时间后电控阀开始换向，此时测点压力先迅速下降然后迅速上升，之后达到稳定在多次循环换向的过程中，每一个周期的压力变化曲线是很相近的 1)基于UG和Fluent理论建立了燃烧器的三维模型和网格划分，唍成了可视化的数僮模拟模拟的结果与文献[11]介绍到的四通道生物质颗粒燃烧机的实际工作特征相符，即喷嘴出口附近形成负压回流区速度分布沿轴向衰减。仿真的结果表明Real-izable K-e模型用于模拟四通道生物质颗粒燃烧机的流动过程是合理的模拟结果是可信的。

    (3)为了获得热光电轉换所必需的燃烧温度CH4/02混合比应保证在1:2左右（当量比a=l）的同时，还要保证适当的人口流量Q．