.1376 北京科技大学学报 第35卷 基于多孔介质的预混燃烧技术被认为是利用 孔隙率 多孔介质区 低热值气体的有效方法.与传统燃烧技术相比，该 方法具有稳定性好、燃烧效率高、污染物排放低、 负荷调节范围广、燃烧强度高等优点-刃.利用数 燃气 烟气 人口 出口 值计算方法对多孔介质燃烧器进行研究可以缩小实 120mm 20 mm 验操作误差，观测难以测量物理量，具有独特优势 20 mm 国内外已有很多研究者利用数值计算对多孔介质燃 图1燃烧器二维几何模型 烧进行了深入研究8-1. Fig.1 2D geometric model of the burner 目前国内外学者做了很多关于在燃气中添加 表1多孔介质区域的热物性参数 辅助物的研究.Tsengl14研究了氢气对多孔介质中 Table 1 Thermophysical parameters of the porous 瓦斯燃烧的影响，发现氢气可以将瓦斯贫燃极限降 media zone 参数 取值 低到当量比为0.26，当量比为0.8时可以将燃烧速 PPI数 20 度提高到118cms-1,同时氢气对污染物C0和 孔径/mm 1.3 NO,排放均有影响.邢丹等可研究了催化剂对多 孔隙率，中 0.853 孔介质中瓦斯燃烧的作用，发现催化剂加入后火焰 散射率，E 0.794 衰减系数，Bm-1 498 面前移，温度分布更加均匀，能缩小燃烧器尺寸和 散射系数，os/m-1 395 降低污染物排放.Alavandi和Agrawalll6实验研究 吸收系数，a/m-1 102 H2和CO的加入对多孔介质中瓦斯燃烧的影响，发 有效导热系数，/(W-(mK)-1) 27.5 现H2和CO可以降低污染物CO和NOz排放. (2)动量方程. 然而，添加水汽后瓦斯燃烧的研究尚属空白.由于 V·(φpg）=-tp+V·(μV+B. 煤层瓦斯的赋存条件及抽采瓦斯管道输送抑爆的要 求，矿井抽采瓦斯往往都含有一定量的水汽.因此， 式中，p为气体压力，R1=-(华+Ct是 a 2 研究水汽对燃烧的影响对于推进煤矿低浓度瓦斯利 由多孔介质引起的流体黏性阻力和惯性阻力项，其 32 用具有重要的现实意义. 中，a= od2 是黏性阻力系数，μ为黏度系数，d为 本文采用数值计算的方法，基于改进的多孔介 8F 质燃烧数学模型，研究了水汽对多孔介质中低浓 孔隙平均直径，C= d vo 是惯性阻力系数，F 度瓦斯燃烧及污染物排放特性的影响，为多孔介 为泡沫陶瓷结构相关系数 质燃烧器的设计及燃烧污染物的排放控制提供理论 (3)组分守恒方程. 指导. 7·(oPguYi)=-7·(ppgY）+uiW 1数学物理模型 式中，Y、、:和W:分别是第i种组分的质量分 本文模拟的燃烧器是圆柱体结构，内部的多孔 数、扩散速度、体积生成率和相对分子质量。水汽作 介质模型属于整体框架式，其轴向物理量分布只与 为一种气体组分，其扩散系数根据斐克定律求解 圆柱体截面半径有关，由此将三维圆柱问题简化为 (4)能量守恒方程 二维问题. V.(ouh)=V.(okg VTg)+hv(Ts-Tg)+oQ, 1.1物理模型 V.(keVTs)+hv(Tg -Ts)=0. 本模型将圆柱体结构的燃烧器进行截面切割， 式中：h是气体的格，T和Ts分别是固体和 得到如图1所示二维平面图.图中，燃烧器横截面 气体温度，Q=∑⊙h,:是气体反应的释热 直径为40mm,燃气入口和烟气出口长度均为20 率；多孔介质内气、固间的体积对流换热系数为 mm,多孔介质区域长度为120mm.为了使模型 hy Nuvkg/d2,Nuy 2+1.1Pr1/3 Re0.6,Re 贴近实验，多孔介质区域热物性参数设置参照文献 pguodp/u9,20,Ks为气体的导热系数，dp为堆积 [17],具体数值如表1所示. 小球直径，Pr为普朗特数，Re为雷诺数：固体多 1.2控制方程 孔介质的有效传热系数为信=+5，是多孔 (1)连续性方程. 介质的有效热传导系数，：是有辐射引起的等效热 7·(ppg）=0. 传导系数 式中，Pg表示气体密度，立为速度，中为多孔介质 (⑤)修正的燃烧反应速率方程.· 1376 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 基于多孔介质的预混燃烧技术被认为是利用 低热值气体的有效方法. 与传统燃烧技术相比，该 方法具有稳定性好、燃烧效率高、污染物排放低、 负荷调节范围广、燃烧强度高等优点 [4−7] . 利用数 值计算方法对多孔介质燃烧器进行研究可以缩小实 验操作误差，观测难以测量物理量，具有独特优势. 国内外已有很多研究者利用数值计算对多孔介质燃 烧进行了深入研究 [8−13] . 目前国内外学者做了很多关于在燃气中添加 辅助物的研究. Tseng[14] 研究了氢气对多孔介质中 瓦斯燃烧的影响，发现氢气可以将瓦斯贫燃极限降 低到当量比为 0.26，当量比为 0.8 时可以将燃烧速 度提高到 118 cm·s −1，同时氢气对污染物 CO 和 NOx 排放均有影响. 邢丹等 [15] 研究了催化剂对多 孔介质中瓦斯燃烧的作用，发现催化剂加入后火焰 面前移，温度分布更加均匀，能缩小燃烧器尺寸和 降低污染物排放. Alavandi 和 Agrawal[16] 实验研究 H2 和 CO 的加入对多孔介质中瓦斯燃烧的影响，发 现 H2 和 CO 可以降低污染物 CO 和 NOx 排放. 然而，添加水汽后瓦斯燃烧的研究尚属空白. 由于 煤层瓦斯的赋存条件及抽采瓦斯管道输送抑爆的要 求，矿井抽采瓦斯往往都含有一定量的水汽. 因此， 研究水汽对燃烧的影响对于推进煤矿低浓度瓦斯利 用具有重要的现实意义. 本文采用数值计算的方法，基于改进的多孔介 质燃烧数学模型，研究了水汽对多孔介质中低浓 度瓦斯燃烧及污染物排放特性的影响，为多孔介 质燃烧器的设计及燃烧污染物的排放控制提供理论 指导. 1 数学物理模型 本文模拟的燃烧器是圆柱体结构，内部的多孔 介质模型属于整体框架式，其轴向物理量分布只与 圆柱体截面半径有关，由此将三维圆柱问题简化为 二维问题 [17] . 1.1 物理模型 本模型将圆柱体结构的燃烧器进行截面切割， 得到如图 1 所示二维平面图. 图中，燃烧器横截面 直径为 40 mm，燃气入口和烟气出口长度均为 20 mm，多孔介质区域长度为 120 mm. 为了使模型 贴近实验，多孔介质区域热物性参数设置参照文献 [17]，具体数值如表 1 所示. 1.2 控制方程 (1) 连续性方程. ∇ · (φρg~u) = 0. 式中，ρg 表示气体密度，~u 为速度，φ 为多孔介质 孔隙率. 图 1 燃烧器二维几何模型 Fig.1 2D geometric model of the burner 表 1 多孔介质区域的热物性参数 Table 1 Thermophysical parameters of the porous media zone 参数 取值 PPI 数 20 孔径/mm 1.3 孔隙率, φ 0.853 散射率, ε 0.794 衰减系数, β/m−1 498 散射系数, σs/m−1 395 吸收系数, α/m−1 102 有效导热系数, λ/(W·(m·K)−1 ) 27.5 (2) 动量方程. ∇ · (φρg~u~u) = −φ∇p + ∇ · (φµ∇~u) + R1. 式中，p 为气体压力，R1 = − µ µ α + C1ρg 2 |~u| ¶ ~u 是 由多孔介质引起的流体黏性阻力和惯性阻力项，其 中，α = 32 φd2 是黏性阻力系数，µ 为黏度系数，d 为 孔隙平均直径，C1 = 8F d r 2 φ 是惯性阻力系数，F 为泡沫陶瓷结构相关系数 [18] . (3) 组分守恒方程. ∇ · (φρg~uYi) = −∇ · (φρgYiV~ i) + φω˙iWi . 式中，Yi、V~ i、ω˙i 和 Wi 分别是第 i 种组分的质量分 数、扩散速度、体积生成率和相对分子质量。水汽作 为一种气体组分，其扩散系数根据斐克定律求解. (4) 能量守恒方程. ∇ · (φ~uh) = ∇ · (φkg∇Tg) + hv(Ts − Tg) + φQ, ˙ ∇ · (k s e∇Ts) + hv(Tg − Ts) = 0. 式中： h 是气体的焓， Ts 和 Tg 分别是固体和 气体温度， Q˙ = P i ω˙ihiwi 是气体反应的释热 率；多孔介质内气、固间的体积对流换热系数为 hv = Nuvkg/d2 p，Nuv = 2 + 1.1P r1/3Re0.6，Re = ρguφdp/µ[19,20]，kg 为气体的导热系数，dp 为堆积 小球直径，Pr 为普朗特数，Re 为雷诺数；固体多 孔介质的有效传热系数为 k s e = k c e + k r s，k c e 是多孔 介质的有效热传导系数，k r s 是有辐射引起的等效热 传导系数. (5) 修正的燃烧反应速率方程