摘要：研究了往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)在熱態(tài)試驗條件下的溫度分布，分析了當(dāng)量比、空截面流速、切換半周期對多孔介質(zhì)中溫度分布的影響，以及切換半周期對生物質(zhì)燃燒機(jī)出口溫度的影響．隨著系統(tǒng)周期性地運(yùn)行，多孔介質(zhì)中的溫度呈動態(tài)周期性變化．在當(dāng)量比為0.3～1.4時，隨著當(dāng)量比的增大，多孔介質(zhì)中的溫度先上升后下降．在切換周期和當(dāng)量比一定日寸．隨著空截面流速的增太多孔介質(zhì)中的溫度隨之升高；在當(dāng)量比和燃?xì)赓|(zhì)量流量保持不變時，隨著切換半周期的增大．多孔介質(zhì)中的溫度先升高后降低，最后基本保持不變，而生物質(zhì)燃燒機(jī)出口溫度隨切換半周期的增大而升高．與單個多孔介質(zhì)燃燒相比往復(fù)式多孔介質(zhì)中的溫度整體分布較均勻．

    往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)( reciprocating superadiabatic combustion in porous media, RSCP)最早是H anamura等人‘”在1993年提出的，又稱為多孔介質(zhì)中往復(fù)流動下的超絕熱燃燒技術(shù)．RSCP在提高燃燒效率、擴(kuò)展可燃極限、節(jié)約燃料、改善環(huán)境以及處理各糞垃圾和廢棄物等方面具有其他燃燒技術(shù)

往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)溫度分布的試驗研究不可比擬的優(yōu)越性【11，與預(yù)混氣體在惰性多孔介質(zhì)中的燃燒相比優(yōu)點(diǎn)更加突出H'51，目前這種燃燒技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用[6．

    國內(nèi)外在冶金工業(yè)爐中應(yīng)用的高溫低氧燃燒(high temperature air combustion,  HTAC)‘1是把RSCP的原理應(yīng)用到冶金工業(yè)爐中．與RSCP相比，HATC僅將多孔介質(zhì)作為蓄熱體燃燒是在自由大空間完成的，而RSCP不僅將多孔介質(zhì)作為蓄熱體，而且燃燒也發(fā)生在多孔介質(zhì)中．目前相關(guān)研究主要集中在沒有換熱器或有內(nèi)置換熱器的RSCP生物質(zhì)燃燒機(jī)‘曠m1．

    本文提出的往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)是基于RSCP外置式換熱器的一種新型燃燒系統(tǒng)，主要研究了往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)在不同實驗條件下系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布，為該燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行提供依據(jù)．

1  試驗裝置與方法

    往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)如圖1所示，主要包括換熱器、蓄熱式多孔介質(zhì)燃燒室、緩沖箱、電控閥、預(yù)混室、質(zhì)量流量計、空氣供給系統(tǒng)、燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、煙測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．

    燃?xì)夂涂諝馔ㄟ^質(zhì)量流量計進(jìn)入預(yù)混室，預(yù)混后的氣體通過電控閥1進(jìn)入A側(cè)往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒室燃燒（電控閥2、3是關(guān)閉的】，燃燒完成后，經(jīng)換熱器和B側(cè)多孔介質(zhì)冷卻（B側(cè)的多孔介質(zhì)被加熱），經(jīng)電控閥4排出．該流程完成后，通過可編程控制系統(tǒng)將電控閥1、4關(guān)閉，同時將電控閥2、3打開．新的燃?xì)夂涂諝馔ㄟ^質(zhì)量流量計進(jìn)入預(yù)混室，預(yù)混后的氣體通過電控閥2進(jìn)入B側(cè)往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒室燃燒，燃燒后的氣體經(jīng)換熱器和A側(cè)多孔介質(zhì)冷卻后（A側(cè)的多孔介質(zhì)被加熱）由電控閥3排出，試驗中，上述過程不斷地重復(fù)進(jìn)行．

    試驗系統(tǒng)中電控閥的開關(guān)時間可以預(yù)先設(shè)定，以控制A、B側(cè)實驗氣體進(jìn)出生物質(zhì)燃燒機(jī)的時間．試驗中定義兩組電控閥相互切換的間隔時間為切換半周期，即A或B側(cè)單側(cè)燃燒時間．

    在往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)中，內(nèi)芯由剛玉管構(gòu)成，內(nèi)徑為40 mm，蓄熱段高度為80mm，燃燒段高度為180 mm．將孔徑為1.0 mm的泡沫陶瓷片填裝燃燒段和蓄熱段中，試驗中可以通過改變泡沫陶瓷片的片數(shù)來改變?nèi)紵魏托顭岫蔚母叨龋玫亩嗫捉橘|(zhì)泡沫陶瓷片的主要成分為Al203．孔隙率為0. 82～0.86．采用質(zhì)量流量計控制燃?xì)夂涂諝獾牧?，通過調(diào)節(jié)氣體流量可以改變進(jìn)入生物質(zhì)燃燒機(jī)的實驗氣體的空截面流速和當(dāng)量比．

    試驗系統(tǒng)中在A、B兩側(cè)沿高度方向布置20個熱電偶，以測量多孔介質(zhì)中不同高度處的溫度，測點(diǎn)分布如圖2所示．圖3～6中溫度曲線旁的數(shù)字對應(yīng)圖2中的測點(diǎn)編號，試驗所用燃?xì)鉃闁|海天然氣，測

量其成分如表1所示．

2試驗結(jié)果與分析

    試驗研究了A、B兩側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度分布隨運(yùn)行時間的變化規(guī)律、當(dāng)量比和預(yù)混氣體空截面流速對多孔介質(zhì)中的溫度分布的影響，以及切換半周期對多孔介質(zhì)中的溫度分布和生物質(zhì)燃燒機(jī)出口溫度的影響．

2.1  A，B兩側(cè)多子L介質(zhì)中的溫度動態(tài)分布

    試驗設(shè)定兩組電控閥的切換時間相同，出了在切換半周期為40 s、燃?xì)怏w積流量為0.051TI3／h、燃燒段高度為170 mm、蓄熱段高度為80 mm、當(dāng)量比為0.6的試驗條件下，A、B兩側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度e隨著時間f的動態(tài)變化情況．

    由圖3可以看出，隨著系統(tǒng)周期性地運(yùn)行，A、B兩側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度呈現(xiàn)出周期性的變化，雖然各個周期的溫度變化幅度不完全相同，但變化趨勢基本一致．A、B兩側(cè)多孔介質(zhì)中相同高度處的溫度基本相同，在最高溫度截面附近的溫度變化比遠(yuǎn)離最高溫度截面處的溫度變化大．在電控閥切換的瞬間，溫度會然下降或突然上升，當(dāng)預(yù)混氣體在A側(cè)開始燃燒時，A側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度突然上升，而此時B側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度突然下降．在同一時刻，一側(cè)的溫度發(fā)展趨勢與對應(yīng)另一側(cè)的溫度發(fā)展趨勢相反，當(dāng)A側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度上升日寸，B側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度反而下降；當(dāng)A側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度達(dá)到最高時，B側(cè)多孔介質(zhì)中的溫度就下降到最低，反之亦然，

    如果改變切換半周期的大小，多孔介質(zhì)中的動杰溫度分布規(guī)律與上述規(guī)律一致．但當(dāng)切換半周期特別小，燃?xì)?、煙氣轉(zhuǎn)化過于頻繁時，燃燒的不穩(wěn)定性增加，所以切換半周期不能太小；當(dāng)切換半周期增大到一定程度時，燃燒的往復(fù)性能表現(xiàn)不突出，往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)不明顯，所以切換半周期也不能太大．

2.2  當(dāng)量比對多孑L介質(zhì)中溫度的影響

    由圖4可以看出，在燃?xì)饬髁恳欢?、切換半周期保持25 s不變的情況下，當(dāng)中≈0.5日寸，多孔介質(zhì)中的溫度最高；當(dāng)中> 0.5時，隨著當(dāng)量比的增大，多孔介質(zhì)中的溫度降低；當(dāng)中<0.5對，隨著當(dāng)量比的增大，多孔介質(zhì)中的溫度升高．

    往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒是預(yù)混燃燒，燃燒基本發(fā)生在多孔介質(zhì)的微孔中，若當(dāng)量比過大，燃燒不完全；若當(dāng)量比過小，過量空氣的存在使得預(yù)混氣體的空截面流速增加，火焰穩(wěn)定燃燒的難度增大，燃燒質(zhì)量不好，降低了多孔介質(zhì)中的溫度．因此預(yù)混燃?xì)庠诙嗫捉橘|(zhì)中燃燒，存在一個較佳的當(dāng)量比，根據(jù)圖4，在該實驗條件下，當(dāng)中一0.5時燃燒狀況較佳．當(dāng)中<0.5時，隨著當(dāng)量比的增大，過量空氣造成的熱損失減小，多孔介質(zhì)中的溫度升高，最高溫度截面位置沿高度方向下移．當(dāng)中>1.0時，由圖4可知，隨著當(dāng)量比的增加，多孔介質(zhì)中的溫度反而有所降低．因為在這種情況下，燃燒所需的氧氣不足，有一部分燃?xì)鉀]有完全燃燒，所以燃燒釋放的熱量減少，燃燒火焰中心溫度降低，多孔介質(zhì)中的溫度也隨之降低．

    從圖4還可以看出，在氣流流動方向上，在當(dāng)量比較?。ㄖ?lt;0.6）時，隨著當(dāng)量比的減小，多孔介質(zhì)中的溫度變化較大；而在當(dāng)量比較大(中>0. 6)時，隨著當(dāng)量比的增大，多孔介質(zhì)中的溫度變化較?。?/div>