生物質燃燒機性能的實驗研究
摘要：為保證微型熱光電動力系統能穩定、高效地工作，生物質燃燒機壁面需有較高的溫度，且分布均勻，對采用多孔介質結構的微型生物質燃燒機進行了實驗研究，分析了孔隙率、CH4/02混合比等因素對生物質燃燒機性能的影響，結果表明，采用多孔介質結構可以改善生物質燃燒機內的燃燒傳熱過程；合理選擇孔隙率和工況參數，可以優化生物質燃燒機壁面溫度分布，提高系統工作性能．
徼型熱光電（micro thermophotovoltaic，MTPV）動力系統是一種新概念的微動力系統，由熱光電( TPV)能量轉換系統發展而來．TPV系統的基本原理是把燃料燃燒所產生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉換成電能．TPV系統作為一種清潔、靜噪的電源，具有很多優點：無運動部件、功率密度高、燃料范圍廣．最近幾年，由于低能帶隙光電池和耐高溫材料領域的進展，MTPV系統的研究引起了人們的關注．MT-PV系統在空間足度上的縮小，使面積／容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來激發熱光電產生電流，提高能量轉換效率[1-31．
MTPV系統主要包括3大部分：微型生物質燃燒機、可選擇波長輻射器和光電池．其系統示意圖見圖1．微型燃燒器是MTPV系統中燃料燃燒釋放熱能的空間，作為MTPV系統的能量源，研究其結構、燃燒和換熱過程，對改善燃燒、提高效率、降低污染排放、提高工作穩定性有重要意義．
多孔介質中的超絕熱燃燒是國外在20世紀80年代末和90年代中發展起來的新型燃燒技術[4]．但筆者尚未見到在諸如MTPV等微動力系統中應用的研究報告．現有MTPV微型生物質燃燒機的缺陷在于預混合氣在微型火焰管內的駐留時間太短，在其內部不能充分燃燒，進而使經火焰管壁面的熱傳導和輻射所傳遞的能量比例大大降低‘5-6．為了延長預混合氣在微型燃燒管內的駐留時間、強化燃燒和傳熱，本文提出了在MTPV系統中采用多孔介質生物質燃燒機的設想．讓混合氣在多孔介質燃燒室中燃燒，利用其相對于自由空間的氣體而言強大得多的蓄熱功能和輻射特性，實現熱反饋，從而使燃燒反應大大增強，提高燃燒速度，使火焰溫度升高，并擴展混合氣的可燃極限．由于固體材料的熱傳導和輻射性能優于氣體，使得多孔介質生物質燃燒機具有燃燒率高、火焰穩定、易控制燃燒區溫度、壁面溫度分布相對均勻等特點‘7]，這對于利用壁面輻射傳遞能量的MIPV動力系統來說是最為理想的燃燒方式．
筆者通過實驗研究，探討了多孔介質微型生物質燃燒機在MIPV系統中的可行性，分析主要參數對燃燒過程的影響．
1 實驗裝置
本實驗所用燃料為CH4，并以02為助燃劑．實驗裝置如圖2歷示．流量控制系統采用美國MSK流量控制器，用來精確控制CH4和02的體積流量，按一定的混合比向生物質燃燒機提供燃料混合氣．
生物質燃燒機為圓管狀結構，其材料選用了具有較強耐高溫性能的Al2 03陶瓷．生物質燃燒機直徑為10 mm，長度為25 mm.在管內填充不同直徑的陶瓷球形成多孔介質結構．陶瓷球的直徑為1~3 mm不等，經過認真篩選，使每種測試的多孔介質結構具有相同直徑的陶瓷球．
燃燒狀況通過測量生物質燃燒機管壁和出口端面的溫度進行考察．用直徑為0.3 mm的S型鉑銠一鉑熱電偶進行測量．在沿燃燒管長方向布置5個測溫點，在出口沿徑向有5個測溫點．
2 實驗結果及分析
2.1 孔隙率￡的影響
孔隙率占是多孔介質中空隙容積v.與多孔介質總容積v之比，是影響多孔介質內燃燒傳熱的重要參數之一．根據在生物質燃燒機管內填充的陶瓷球直徑的不同，形成的多孔結構的孔隙率不同，在實驗研究中，采用了孔隙率占分別為0. 37、0.42、0.68的燃燒管和不填充陶瓷球的空管（占=1）．
表1為在不同的孔隙率8、不同面容比以（固體骨架總表面積A與多孔介質總容積v之比）、不同的入口流量Q時，混合燃氣化學當量比在a=l的條件下，通過實驗得到的燃烷器壁面的平均溫度（生物質燃燒機壁面
5點測溫的算術平均值）．
由表l可見，人口流量Q= 105 CII13／mlll時，多孔介質生物質燃燒機的壁面平均溫度均達到1 000 K以上，而空管生物質燃燒機在Q= 150 CI113／IIUI1時壁面平均溫度才達到1 000 K，這也說明采用多孔介質結構可以獲得較高的燃料利用率．
圖3為不同的孔隙率對生物質燃燒機壁面溫度和出口溫度影響的實驗結果．由圖3(a)可見，當孔隙率占等于1（空管）時，生物質燃燒機壁溫從人口端到出口端逐漸升高且變化幅度較大，這說明由于在空管中燃氣駐留時間短，混合氣在通過生物質燃燒機時，初期的燃燒放熱量較小，主要燃燒放熱集中在生物質燃燒機的后段；當采用多孔介質結構時，混合氣體在其孔隙中流動、燃燒，多孔介質固體骨架對其進行了有效的加熱，使之燃燒充分，多孔介質生物質燃燒機管壁溫度明顯高于空昝生物質燃燒機．由圖3(b)可見，空管生物質燃燒機的出口溫度則比較高，說明燃燒損失增加．
從實驗結果來看，采用多孔介質后，從入口到出口，隨著燃燒放熱量的增大，生物質燃燒機壁溫逐漸升高，同時孔隙內的燃燒產物也在增多，使得后期的燃燒放熱受到影響，導致生物質燃燒機壁溫有所降低，生物質燃燒機壁溫呈先升后降的變化．而且隨著孔隙率占的減小，壁溫達到值的位置也向人口段移動，說明在孔隙率占較小時燃燒產物的存在對未燃燃料的燃燒影響加大．
實驗結果表明，當孔隙率艿由1減小到0. 68、0. 42時，生物質燃燒機壁面溫度升高，且壁面溫度分布梯度減小，同時出口溫度降低．但當孔隙率占減小到0. 37時，生物質燃燒機壁面溫度反而有所降低，出口溫度有所提高．這是由于當孔隙率占減小到一定程度時，面容比力隨之增大所致．雖然固體骨架對燃料進行了有效的加熱，使之燃燒充分，但是面容比的加大，使散熱面積相應增加，影響燃燒穩定性，同時燃燒所占空間過小，使得燃料駐留時間減少，導致燃燒和換熱不充分．
2.2 CH4/02混合比的影響
燃燒反應的進行取決于燃料的濃度、溫度以及在高溫區的滯留時間，因此CH4/02混合氣的混合比是影響多孔介質內燃燒過程的一個重要因素．
孔隙率占為0. 42，？昆合氣流量Q為150 cm3/min時，CH。/02當量比a對生物質燃燒機壁溫和出口溫度的影響，見圖4．
由圖4可見，當孔隙率和混合氣流量不變時，隨著CH。/02混合比的變化，生物質燃燒機壁溫及出口溫度也相應變化，根據反應方程，完全燃燒時，CH4/02泥合氣的混合比為1：2.因此，CH4/02混合比在1:2左右，即當量比a=l時，生物質燃燒機壁溫及出口溫度較高；而隨著混合氣CH4的減少，生物質燃燒機壁溫及出口溫度隨之降低．所以，為了獲得熱光電轉換所必需的燃燒溫度，CH4/02混合比應保證在1:2左右．
(a)壁面溫度
(b)出口溫度
2.3入口流量Q的影響
孔隙率8為0. 42，CH4/02混合氣當量比a為1時，人口流量p對生物質燃燒機壁溫和出口溫度的影響見圖5．由圖5可見，在孔隙率和CH4/02混合比不變時，隨(a)壁面溫度 (b)出口溫度
著人口流量Q的增加，壁面溫度和出口溫度都會相應升高．要使生物質燃燒機壁溫達到一定的溫度，必須要保證足夠的人口流量Q．但入口流量也不宜過大，從圖中Q=150 cm3/min工況可看出，壁溫升高不明顯，而出口溫度顯著升高，熱損失增大，這是由于流量增加使流速增大，燃氣駐留時間減少，壁溫升高又使燃燒效率下降，因而會降低綜合效率．
3結論
(1)微型生物質燃燒機采用多孔介質結構可以改善燃燒器內的燃燒過程，多孔介質生物質燃燒機的壁面溫度明顯高于空管生物質燃燒機，并且分布均勻，出口溫度降低，這對改善MTPV系統中燃燒輻射器的性能，提高能量轉換效率，都有十分重要的指導意義．
(2)孔隙率占是影響多孔介質生物質燃燒機內燃燒的一個重要影響因素，孔隙率占過大或過小都會對燃燒產生不利的影響，在本研究條件下，孔隙率占為0. 42時．
(3)為了獲得熱光電轉換所必需的燃燒溫度，CH4/02混合比應保證在1:2左右（當量比a=l）的同時，還要保證適當的人口流量Q．
