雙層多孔介質(zhì)燃燒器材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化.pdf

1、多孔介質(zhì)燃燒是一種新穎獨特的燃燒方式，是改善能源環(huán)境問題的一項新途徑。國外已經(jīng)成功將其應用在許多工業(yè)領域中，但我國在多孔介質(zhì)燃燒器的中高溫(≥800℃)工業(yè)應用方面并未成熟。因此本文針對中高溫工業(yè)領域進行了多孔介質(zhì)燃燒器材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究，主要工作包括以下兩個部分:
　　(1)針對帶鋼涂層干燥工藝要求，自主研制了大型單層和雙層泡沫陶瓷燃燒器裝置，并搭建了多孔介質(zhì)預混燃燒實驗系統(tǒng)，根據(jù)干燥工藝對輻射板面的溫度要求，進行了天然氣

2、/空氣的預混燃燒實驗。考察了多孔介質(zhì)材質(zhì)對預混氣體在大面板泡沫陶瓷燃燒器中燃燒輻射面溫度和穩(wěn)定燃燒特性的影響。結(jié)果表明，相比于Al2O3，SiC和ZrO2均表現(xiàn)出優(yōu)良的可穩(wěn)定使用特性。實驗測得了18種穩(wěn)定燃燒工況，其中單層燃燒裝置中孔密度35PPI，厚度35mm的ZrO2材質(zhì)在熱負荷270kW/m2，過量空氣系數(shù)0.69時表現(xiàn)最優(yōu)，孔密度35PPI，厚度35mm的SiC材質(zhì)在熱負荷324kW/m2，過量空氣系數(shù)0.67時表現(xiàn)最優(yōu);雙層燃

3、燒裝置中SiC+SiC結(jié)構(gòu)在熱負荷324kW/m2，過量空氣系數(shù)0.69時表現(xiàn)最優(yōu)，SiC+ZrO2結(jié)構(gòu)在熱負荷270kW/m2，過量空氣系數(shù)0.64時表現(xiàn)最優(yōu)，雙層燃燒裝置中大、小孔介質(zhì)孔密度分別為60PPI和25PPI，厚度分別為25mm和35mm。燃燒區(qū)介質(zhì)在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，雙層燃燒裝置可以增加熱負荷調(diào)節(jié)范圍，表現(xiàn)更優(yōu)，且雙層燃燒裝置中上游預熱區(qū)介質(zhì)應選擇導熱系數(shù)較小的材料，這樣可以適當降低熱負荷調(diào)節(jié)下限，從而增加穩(wěn)定燃燒范圍。

4、
　　(2)泡沫陶瓷材料及其微觀結(jié)構(gòu)對多孔介質(zhì)燃燒特性影響的數(shù)值模擬研究。首先，基于FLUENT14.5軟件建立了雙層多孔介質(zhì)燃燒器的二維瞬態(tài)雙溫物理數(shù)學模型;并進行了網(wǎng)格無關(guān)性和有效性驗證;然后基于Kelvin模型，建立了泡沫陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔筋長度、孔筋半徑、微立方體節(jié)點邊長）與其孔隙率和導熱系數(shù)的關(guān)系式;討論了泡沫陶瓷材料種類及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙層多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)甲烷/空氣預混燃燒性能的影響。結(jié)果表明，當量比為0.6時，

5、三種材料的穩(wěn)定燃燒范圍以SiC、ZrO2和Al2O3的順序依次降低，SiC泡沫陶瓷是燃燒區(qū)最優(yōu)的材質(zhì)。在考慮溫度對材料熱物性參數(shù)的影響時，相同的工況下燃燒區(qū)氣、固相溫度均降低，且燃燒區(qū)內(nèi)三種材質(zhì)的氣、固溫度梯度不同。燃燒區(qū)材質(zhì)只會影響燃燒區(qū)的氣、固溫度分布，而預熱區(qū)材質(zhì)對燃燒器預熱區(qū)和燃燒區(qū)的溫度分布均會造成影響，預熱區(qū)應選擇導熱系數(shù)較小的材料，ZrO2為最優(yōu)的預熱區(qū)材質(zhì)。泡沫陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)無量綱參數(shù)d（微立方體節(jié)點邊長與孔筋長度之比