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往复式惰性多孔介质生物质燃烧机的可燃极限及最大半周期
摘要：借助于先前推导的简化理论解，利用分段线性函数，构建了生物质燃烧机内温度分布曲线、可燃极限和最大半周期。该解适用于绝热条件下往复式惰性多孔介质生物质燃烧机。结果表明，当流速小于012m。S-lH寸|理论解预测的可燃极限与实验取得了相同的趋势，增大流速可以获得较小的可燃极限。而流速大于Q17m。S-I喊增大流速对扩展可燃极限的影响很小。同时，小孔径的多孔介质更有利丁：扩展可燃极限。预测的最大半周期与流速的乘积与固体和气体热容的比值呈线性关系；生物质燃烧机的长度对最大半周期有显著的影响。增大生物质燃烧机的长度将导致较大的最大半周期。预测的可燃极限和推导出的最大半周期为生物质燃烧机的设计和进一步改善提供了指导。
引 言
  预混气体惰性多孔介质生物质燃烧机中往复流动下的超绝热燃烧(RSCP)不仅能够拓展可燃极限，而且具有可控的污染物排放。鉴于RSCP这些优良的特性，国外近年来开展了大量的研究。Hoffmann等¨1的实验研究表明，甲烷／空气混合物的贫可燃极限可以扩展到当量比0026，在所研究的工况范围内，当燃烧温度达到1500K左右时，尾气中氮氧化物的体积分数小于1×10_6，而一氧化碳的排放对流速和使用的多孔介质有强烈的依赖关系。邓洋波【21研究了多孔介质内往复式流动下的超绝热燃烧。利用多孔介质中超绝热燃烧还可以实现硫化氢自解成硫元素和氢气旧，克服了常规热分解法需要供给大量热量和分解率低等的弊端。Contarin等H利用数值模拟的方法，分析了一种两端带有换热器的往复式多孔介质生物质燃烧机，对于甲烷与空气的混合物，在当量比015～07的范围内，热效率达到50%～80%。
  迄今对RSCP的研究多集中在实验和数值研究，还没有关于RSCP可燃极限和最大半周期的研究报道。Boreskov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，模型可以预测燃烧区域最高温度，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最小长度、最大半周期、最大和最小的气流入口速度等。文献[8]报道了关于RSCP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布，分析得出可燃极限、最大半周期以及两者的影响因素。
1 简化理论解的分析
11 构造生物质燃烧机内固体温度分布
  文献[8]通过往复式多孔介质生物质燃烧机与稳态逆流生物质燃烧机的类比将RSCP模型简化为两个常微分方程：多孔介质温度的最大值和组分的微分方程
  本文中称固体温度高于点火温度的区域为高区域。其中温度等于固体温度最大值的区域称为高温平台区域具有特指的意义。五。。是点火温度，式(4)～式(8)为求解固体温度分布的方程组。图2是理论计算值与实验值的比较，本文中的实验结果均来自文献[1]。为了验证理论解的通用性，分别计算了多孔介质规格为5孔/cm（图2）和12孔/cm（图3）两种生物质燃烧机。结果表明，多孔介质材料对RSCP有显著的影响。图2的当量比比图3的当量比稍大，其他工况相同。如图2、图3所示，使用小孔径多孔介质，更有利于形成高温区域，而且小孔径（12孔/cm）多孔介质生物质燃烧机比5孔/cm的生物质燃烧机的最高温度高36K。如果两种规格的生物质燃烧机的工况相同，则理论预测的最高温度相应地高44K。这是因为实验所用的两种规格的多孔介质的孔隙率均为0875，但是孔径不同导致了不同的多孔介质衰减系数和内孔表面积【11。小孔径多孔介质具有单位面积内更大的内孔面积，有利于在上游预热混合气，而茌下游有利于热量的蓄积，同时有大的衰减系数有利于形成局部高温区。图4为流速、半周期都较大时理论解和实验的比较。可以看出，当流速与半周期的乘积较大时，温度曲线向下游有明显的位移。图2～图4中，理论计算的生物质燃烧机两侧的温度曲线与实验值相差不大，但最高温度高于实验值两者的误差在20%以内。这是由于推导理论解日寸，做了很多假设：实际的生物质燃烧机中变化很大的气体的物性、对流传热系数等采用了常数；实验[11中天然气中甲烷占88‰与理论解的假设（100%甲烷）不符，这也可能是造成差异的一个原因；不考虑系统热损失显然会导致理论值高于实验值。为更精确地预测最高温度需要改进模型，如考虑系统的热损失，气体、固体物性参数的选取。
12可燃极限的预测及影响因素的讨论
  实验和数值模拟的结果显示，当量比越赢燃烧器高温区域越宽。在生物质燃烧机的中心部位固体温度变化很小，存在高温平台，温度曲线类似于梯形。随着当量比的减小，高温平台的宽度减小，温度曲线逐步衰减为类似于三角形的形状。据此，当高温平台宽度为零日寸，认为达到可燃极限。重写式(7)并将式(6)带入，得到式(9)中隐含着可燃极限，即给定入口气流速度，对于一个给定的生物质燃烧机，通过反复试算，寻找一个使得能够稳定燃烧的最小当量比。式(9)利用一个很小的程序求解，在几秒之内即可完成。而数值模拟则需20多个周期，用试算法寻求最小当量比。
  图5为理论解求得的可燃极限与实验值的比较。结果表明，同样的工况下，小孔径多孔介质更适合于扩展可燃极限且效果显著；总的来说，增大流速可以扩展可燃极限，但在不同的流速范围内，可燃极限对流速的依赖程度不同。当流速较小时，可燃极限对流速有强烈的依赖关系，此时增大流速可显著扩展贫可燃极限。因此，燃烧极低热值的燃气不宜采用小流速。流速小于Q12m。s_1日寸，理论解预测的趋势与实验值相符。而流速大于0.12m。s_1时，5孔/cm生物质燃烧机的预测结果与实验值预测的趋势相反，而12孔／cm预测的可燃极限变化很小。这说明，理论解财可燃极限的预测，只适用于流速小于Q12m。s_1。而在流速大于Q17m。s_1时，流速对可燃极限的影响很小，对于5孔/cm的生物质燃烧机，过大的流速对可燃极限的扩展并不显著。
  图3和图5表明，孔隙率相同的多孔介质，燃气在小孔径的多孔介喷燃烧，能够形成较宽的高温区域和温度最大值，获得了更小的可燃极限。为了进一步理解多孔材料对最大温度和可燃极限的影响，图6比较了两种规格的多孔介质生物质燃烧机的最高温度。结果表明，在005～03m。s_1的流速范围内，12孔/cm的多孔介质生物质燃烧机中的温度值最大值始终高于5孔／crri温度最大值。
  图7表明增加三可以扩展可燃极限。流速较小时，增加三对扩展可燃极限的效果很显著，但是在流速大于015m。s_1时，流速对可燃极限的影响很小，与图5的趋势相同。但是三的增大意味着较大的压力降。实验将三由020m延长到035m，同时增大了生物质燃烧机的内径，结果可燃极限由0028扩晨到0026，与图7理论解预测的趋势相同。
13最大半周期的推导及讨论
  RSCP需要选择合适的半周期。半周期过小，譬pm葚adLu31第8期  史俊瑞等：往复式惰性多孔介质生物质燃烧机的可燃极限及最大半周期新鲜混合气未达到燃烧区就可能被吹出，燃烧效率降低，生物质燃烧机也没有得到有效的利用。实验表明，当燃气的入口速度与半周期的乘积等于或大于20倍的生物质燃烧机长度时，即生物质燃烧机的燃烧效率较高。而过大的半周期，又导致过高的出口温度，不利于热量的蓄积。当半周期高于临界值时，高温平台的宽度低于临界值反应不能够完全进行，火焰被吹出生物质燃烧机外，将此临界半周期作为Ttyp，。。。目前，还没有丁。。…的研究，但可以借助数值模拟来加以分析。数值计算是用FLUENT61完成的。数值模拟的模型和算法、甲烷的单步反应机理见文献[4]。图8为数值模拟的兀。，…与理论解的比较。在正向半周期结束日寸，在距生物质燃烧机入口很长的一段距离内，固体温度与环境温度的差异不大，取为To。而生物质燃烧机出口端温度为固体最大温度，存在着长度最小的高温平台。很显然，此时若利用式(4)～式(8)来构建生物质燃烧机内温度曲线是不合理的。根据L。max工况下固体温度的分布特征，重写式(7)右端是生物质燃烧机的L。…。式(14)综合考虑了生物质燃烧机长度、供气参数、燃气热值（△丁甜）和多孔介质物性相互间的制约关系，对于实验、生物质燃烧机的设计和操作具有普遍的指导意义。此外，过大的半周期导致火焰靠近出口位置，出口温庋明显升高，对燃烧是极其不利的，也不能充分发挥往复式生物质燃烧机的优势。
  图9为生物质燃烧机长度对最大半周期的影响。丁。。。。曲线将图分为两个区域，在曲线的上方，半周期大于最大半周期，火焰被吹出生物质燃烧机外，因此本文称为熄火区域，而在曲线下方，半周期小于最大半周期，可以进行往复燃烧，称为可往复区域。图9表明，气流速度和/对半周期有很大的影响。
2结 论
  (1)在生物质燃烧机接近可燃极限日寸，将生物质燃烧机进口温度假设为环境温度，可以构建任意半周期、流速和多孔介质的生物质燃烧机内的固体温度曲线。
  (2)当高温平台宽度为零时，认为生物质燃烧机达到了可燃极限。流速小于Q12m。s_1时，理论解预测的趋势与实验相同；流速大于012m。s_1时，对于5孔/cm的生物质燃烧机，理论解预测的趋势与实验相反，而12孔/cm生物质燃烧机的预测与实验相同；流速大于017m。s_1时，流速对可燃极限的影响很小。

  (3)当高温平台移动到出口处且其长度小于临界值日寸，认为生物质燃烧机接近丁。…。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、最大和最小