第1章 导 论
1.1 多孔介质与多孔介质中燃烧分类
在自然界和工程中存在着多样的多孔介质。研究多孔介质中输运、反应和相变取决于目前已经掌握的研究自由空间中这些现象的知识与技能。在自由空间中引入多孔介质后，多孔介质的孔隙结构和性质对反应和输运等过程产生显著的影响。一般而言，多孔介质通常是指由固体基体(骨架)和具有相互连接的孔隙所构成的多相体系，固体骨架遍及多孔介质所占据的体积空间，孔隙空间相互连通。每个相可以是连续或分散的，其中固相可能具有规则的或随机的几何形状和结构，而流体相可以是气相、液相或二者兼有。自然界中存在的多孔介质大多是非规则的，孔隙结构是随机无序的，如土壤、煤炭、雪、岩石、动物器官和生物组织等。工程中应用的多孔介质较多的是氧化铝、碳化硅小球和泡沫陶瓷等，孔隙当量直径为0.4～5mm。图1-1是燃烧场所常用到的泡沫陶瓷和氧化铝小球。
图1-1 燃烧场所常用到的泡沫陶瓷与氧化铝小球
广义上的多孔介质燃烧涵盖的范围很宽，包括惰性(活性)的多孔介质通入气体或液体燃料(氧化剂)场合下的燃烧，以及气体燃料在催化填充床内的催化燃烧。本书研究气体燃料在惰性多孔介质中的预混燃烧，具有特定含义，第2～7章中所指多孔介质燃烧均指本书的特定含义。
近几十年来各国学者对多孔介质中燃烧开展了系统深入的研究。多孔介质中燃烧涉及的范围很宽，预混燃烧只是多孔介质中燃烧的一个主要分支。为叙述方便，本节首先将多孔介质中燃烧做简要的分类。本书主要体现著者研究团队近几年所取得的成果和进展，因此内容并不追求全面，对于未涉足的领域或者某一类别的多孔介质中燃烧，只做简单的分类，方便读者从总体上把握和理解。
与传统的自由空间燃烧相类比，按照燃烧方式分类，多孔介质燃烧可分为多孔介质中预混燃烧与多孔介质中扩散燃烧。多孔介质中预混燃烧是指燃料和氧化剂在进入多孔介质之前进行充分完全的混合；而多孔介质中扩散燃烧是指燃料、氧化剂通过各自的喷口进入多孔介质后发生混合与燃烧，燃料与氧化剂在进入多孔介质之前未进行混合。按照燃烧状态分类，可分为稳态、非稳态和具有周期特征的准稳态。预混气体完全浸没于均质的多孔介质中燃烧为非稳态燃烧，其中低速过滤燃烧就是典型的非稳态燃烧，国内外研究者对此开展了大量的研究，取得了丰硕的成果。非稳态燃烧的典型特征是出现向上游或下游稳定传播的燃烧波，或者在特定的当量比()下，火焰驻定于燃烧器内的某一位置(火焰传播速度为零)，燃烧波传播速度与当量比的函数关系类似于U形曲线，该现象在多种多孔介质、多种气体燃料中得到证实，如图1-2所示。
图1-2所示的超绝热燃烧(superadiabatic combustion)，或者过焓预混燃烧(excess enthalpy premixed combustion)，是指预混气体在多孔介质中燃烧，由多孔介质的存在而导致的部分反应热利用固体的导热和辐射，通过自我组织的热回流，使得反应物在未达到反应区域就得到了有效的预热。因此，在反应区域，气体的温度可高于相应燃料的绝热燃烧温度。而亚绝热燃烧是指多孔介质中燃烧温度低于理论燃烧温度。如图1-2(a)所示，可以根据是否发生超绝热燃烧，将当量比的范围分为超绝热燃烧区与亚绝热燃烧区。图1-3通过比较混合气在不同燃烧系统中焓值的变化来描述超绝热燃烧的概念，虚线表示没有预热的自由空间燃烧系统中焓值的变化，实线表示预混气体多孔介质中燃烧时焓值的变化。在没有预热的燃烧系统中，由于存在热损失，温度难以达到绝热燃烧温度，尾气温度较高，尾气余热无法回收。而在实线表示的燃烧系统中，由于蓄热和传热能力较好的多孔介质的存在，蓄积在火焰区下游多孔介质中的部分热量，通过多孔介质的辐射和导热，产生了向上游的热回流，使混合气在到达反应区前已被充分预热，温度迅速提高，混合气到达反应区后发生燃烧反应，预热量叠加燃烧热，产生了超绝热燃烧现象。
图1-2 燃烧波波速随当量比的变化及气体多孔介质中燃烧照片
图1-3 超绝热燃烧的形成机理
预混气体多孔介质中燃烧，按照气流流动方向可分为单向流动与往复流动下的燃烧。常规的多孔介质燃烧器能够扩展预混气体的可燃极限，但其降低贫可燃极限的程度毕竟是有限的。Zhdanok等[1]在实验中将甲烷/空气在气体单向流动的小球填充床的贫可燃极限扩展到0.153。为了进一步扩展贫可燃极限，使得低热值甚至超低热值的燃料或工业污染物也可以稳定燃烧，研究者提出了往复流多孔介质燃烧技术。对往复式超绝热燃烧的研究*早出现在化工催化反应领域。往复流多孔介质燃烧技术，就是将预混气流过多孔介质的方向实行周期性交替改变，即预混气体以往复流动方式分别从多孔介质的两端流入，实现周期性循环燃烧。往复流多孔介质燃烧技术与普通多孔介质燃烧技术*大的不同在于它不仅利用了多孔介质的热反馈作用，而且通过来流气体的不断往复，不断吸收上个半周期下游多孔介质储存的尾气热量。因此预混气体的预热效果得到改善，从而拓展了预混气体的可燃极限。预混气体在多孔介质内往复流动下燃烧，气流流动方向在一定的半周期下交替往复换向，当运行达到一定的半周期后，在相邻的两个半周期内，燃烧和流动等表现出相似的状态而不再随周期的变化而变化，称为具有周期特征的准稳态。
早在1997年，日本学者成功利用往复流多孔介质燃烧技术将天然气/空气预混气体的贫可燃极限扩展到了0.026[2]。利用往复流多孔介质燃烧技术，实现极低热值瓦斯气的焚烧发电，并已经在国内外实现了商业化利用。根据文献报道[3]，往复流多孔介质燃烧器-换热器可实现当量比仅为0.021的甲烷/空气的低热值气体稳定燃烧，而当量比达到0.041可实现取热利用，被视为极具吸引力的高效清洁燃烧技术。瑞典MEGTEC公司于2007年建成了处理量为25万m3/h瓦斯气的发电厂，燃料是当量比仅为0.09的瓦斯气，可见往复流多孔介质燃烧器-换热器具有工业化处理低热值气体和取热利用的应用前景。
根据火焰与多孔介质的相对位置，分为火焰稳定在多孔介质出口表面的表面燃烧和火焰完全浸没于多孔介质孔隙中的浸没燃烧，前者主要用于工业加热和食品加工等领域，如红外燃气灶就是基于多孔介质表面燃烧技术研发的一类燃烧器，其节能环保性能优异，备受业界好评。燃烧器内布置不同结构或材料的多孔介质时，在一定的工况范围内，火焰会自适应地驻定在多层多孔介质交界面附近，此时多为稳定状态。基于两种不同材料或结构组合，并将火焰控制在两种材料交界面的燃烧器称为两层多孔介质燃烧器。该燃烧器技术相对成熟，在工业加热等领域已经开始推广应用。国内外研究者对稳定燃烧开展了大量的研究[4-12]。
过去几十年，研究者对多孔介质预混燃烧开展了大量的研究工作，并取得了显著的进展。但是对多孔介质扩散燃烧的研究则关注极少[13-23]。气体在多孔介质中扩散燃烧，必然具有扩散燃烧的某些特性和新的特征。研究者先后在实验中观测到两种火焰结构：浸没于多孔介质填充床内的浸没火焰和在多孔介质表面的扩散火焰，且随着小球直径、当量比和流速等的变化，火焰明显表现出类似于自由空间中燃烧(燃料在开敞和封闭空间内的燃烧)的变化规律[13-14]。多孔介质复杂多变的通道，增强了气流的传热传质和横向掺混；同时由于弥散作用，火焰结构又有别于自由空间扩散燃烧的火焰结构。图1-4是著者团队在实验中观测到的不同流速下多孔介质中扩散燃烧的火焰结构[24]，甲烷质量分数(YCH4)为0.188。从图中可以看出，同时存在着两种火焰：浸没于填充床中的火焰与小球表面的火焰，浸没于小球填充床中的火焰是近似于平行的蓝色火焰，而表面火焰呈现锥形结构。因此可以看出扩散过滤燃烧仍然具有自由空间扩散燃烧的某些属性。
图1-4 扩散火焰形态随流速的变化[h(填充床高度)=40mm，
YCH4=0.188，d(小球直径)=2.5mm]
近二十年来，研究者开展了多孔介质中微尺度和介观尺度燃烧的研究。根据Ju和Maruta[25]的建议，可以根据燃烧器尺寸、火焰淬熄直径和相对长度尺寸对微尺度和介观尺度燃烧进行分类。燃烧器的尺度小于1mm是微尺度燃烧，燃烧器尺度介于1～10mm之间，则认为是中尺度燃烧[26-29]，其他两类分类见文献[25]。过去二十年，国内研究者对微尺度燃烧开展了深入细致的研究，极大推进了对微尺度稳定燃烧和可燃极限等的认识[30-39]。
Babkin等[40]根据预混气体在多孔介质中燃烧波传播速度的区段及相应的形成机理，将过滤燃烧分为低速、高速、声速、低速爆炸和爆震波等五种稳定的燃烧。其中低速过滤燃烧的燃烧波传播速度的数量级为0.1mm/s，是目前研究较为集中的热点。过去十年内，著者团队在该方向开展了系统深入的研究。按照燃料的相态分类，多孔介质中燃烧可分为多孔介质中气体燃烧和多孔介质中液体燃烧。
在理论分析和数值研究中，研究者通常采用体积平均法，假设火焰锋面是连续、稳定的平面波，且火焰厚度为无限薄或是毫米量级燃烧波，但这与实际燃烧器内的火焰结构相去甚远，甚至在本质上是错误的。由于多孔介质本身是随机无序的，因此其火焰形态可能是不连续且多维的，甚至在一定条件下火焰会产生失稳变形等非稳定现象。研究者先后在实验中观测到了火焰出现破裂、倾斜、热斑、胞室和熄火等非稳定燃烧现象，火焰形态不再保持初始时刻平整的火焰形状[41-46]。因此按照气体多孔介质中的燃烧状态，可分为稳定燃烧与非稳定燃烧。图1-5是著者团队实验中观测到的多孔介质中燃烧火焰倾斜和热斑现
图1-5 火焰倾斜与热斑
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