多孔陶瓷板催化燃烧炉窑特性研究

1 概述

随着技术的进步和社会生活水平的提高，人类对化石燃料的消耗日益增加，能源短缺、环境污染等问题不断加剧

。传统燃气燃烧方式主要以大气式燃烧为主

，燃烧不完全，热效率不高，CO、NO

排放量高

，因此，迫切需要改变传统燃气燃烧方式。多孔介质燃烧技术是解决上述问题的有效方法。多孔介质燃烧是完全预混燃烧，燃烧发生在多孔介质空间内部，燃烧区产生的热量首先以对流、辐射方式与多孔介质骨架进行热量交换，再通过多孔介质的导热向上、下游传递。向上游传递的热量通过辐射、对流对上游预混气进行预热，向下游传递的热量最终通过多孔介质骨架的辐射和烟气的对流向大空间释放

。多孔介质燃烧具有污染物少、节约能源、辐射效率高、贫燃极限低、火焰稳定、燃烧效率高、温度均匀等优点

。此外，采用多孔介质燃烧方式的燃烧器还具有体积小巧、结构紧凑、负荷调节范围广、燃烧稳定等优点

。

为了比较不同密度材料的磨损强度，需同时比较单位面积材料被磨损的体积.因为有些低密度材料的质量损失小而其体积磨损特别大，体积损失大，其磨损强度同样不好.设备部件尺寸的变化对其工作性能的影响要比其质量变化大很多.因此，采用体积损失计算更合理.但考虑实际情况中，破坏痕迹是不均匀的，体积磨损难于测量，在质量磨损强度Qm的基础上定义体积磨损强度Qv= Qm /ρ，ρ为试样密度，单位mm.即由理论公式推算可知，体积磨损强度Qv的物理意义为单位面积内试样的平均磨损深度.

式中,α0表示纯气体在吸收线中心的吸收系数,νg和δν分别为对应吸收线的中心频率和吸收线半宽。当光源输出中心频率精确锁定在甲烷气体的吸收峰即ν0=νg时,将式(3)代入式(2),可得

多孔介质材料主要分为陶瓷和金属两大类，结构包括颗粒堆积床、蜂窝板、金属丝网、泡沫陶瓷等

。依据多孔介质在燃烧中所起的作用，可以将多孔介质的燃烧分为惰性多孔介质燃烧和多孔介质催化燃烧

。基于以往的研究工作，多孔介质燃烧研究的重点较多地集中在惰性多孔介质的燃烧，例如，Kawaguchi等人

通过实验研究了在金属丝网表面进行的甲烷/空气预混气燃烧，辐射热流密度为6 W/cm

，随着流速的增大，火焰远离金属丝网表面，辐射效率下降。徐吉浣等人

研制复合多孔陶瓷板燃气辐射器，排烟中CO体积分数降低，辐射器表面温度均匀，辐射效率提高。刘明侯等人

以SiC泡沫为多孔介质材料，设计顶部辐射式燃烧器，研究了在不同混合气流速和当量比条件下，燃烧器表面温度均匀性、多孔介质燃烧稳定范围和污染物排放情况等等，但对多孔介质催化燃烧的应用研究较少。

本文基于催化堇青石蜂窝陶瓷板研制完全预混循环水冷燃烧器，将其应用于工业炉窑，设计多孔介质催化燃烧炉窑系统，在炉门开启工况下，研究炉窑的一次点火升温曲线、陶瓷板表面温度分布及过剩空气系数对炉窑污染物排放的影响。在炉门关闭工况下，研究输入功率对炉窑污染物排放、辐射热流量、辐射效率的影响。

2 实验

2.1 实验装置

——斯忒藩-玻耳兹曼常量，W/(m

·K

)，取5.67×10

W/(m

·K

)

——炉膛内壁平均温度，K

2.2 实验方法

实验分为2个阶段，炉门开启阶段和炉门关闭阶段。炉门开启阶段：将耐高温铜导管(直径4 mm)一端紧贴催化陶瓷板表面，位置见图2，另一端与橡胶软管相连接入红外线烟气分析仪。通过微调旋钮调节燃气体积流量为0.3 m

/h保持不变，调节空气流量，在过剩空气系数为1.3时，在燃烧器外侧点火，测量自点火开始燃烧器的点火升温曲线。通过改变空气流量，测量在不同的过剩空气系数条件下，催化陶瓷板表面温度和燃烧所产生烟气的组分及含量。

炉门开启阶段，CO、NO

、CH

体积分数随过剩空气系数变化见图5。在过剩空气系数为1.1～2.1的范围内，CO、NO

体积分数随过剩空气系数的增加而增大。CO最大体积分数为10×10

，CO体积分数增大是由于过剩空气系数增加，预混气流速增大，导致部分烃类化合物停留时间缩短，未能及时完全反应就被排出。NO

最大体积分数为14×10

，NO

体积分数增大是由于过剩空气系数增加，反应区逐渐向下游移动，在移动过程中，持续通过对流、辐射向上游传递热量，增加了预混气中氮气和氧气的停留时间，使得NO

缓慢增加。CH

体积分数随着过剩空气系数增加保持不变，始终为0，说明多孔介质催化燃烧CH

转化率高。

李光北不说话，只是蹲在墙角抽烟，青瓷已经猜到了这结局，默默地朝门口走，突然就被一股蛮力往回扯，李光北说的是：“你受过那么多苦，今后我一定好好疼你！”

炉门关闭阶段：始终保持过剩空气系数为2.0进行完全预混多孔介质催化燃烧，调节输入热功率，在不同的输入热功率下，测量催化陶瓷板的表面温度、炉膛温度和烟气的组分及含量。

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3 结果与讨论

3.1 炉门开启阶段

.

.

一次点火升温曲线

上部催化陶瓷板一次点火升温曲线见图3。曲线可以分为4个阶段，Ⅰ阶段为气相燃烧阶段(0～3 min)，催化陶瓷板表面温度升高，此时火焰呈淡蓝色，焰面处于催化陶瓷板表面，气相燃烧释放的热量不断以对流方式加热催化陶瓷板表面。Ⅱ阶段为火焰吸附阶段(3～7 min)，催化陶瓷板表面温度降低，催化陶瓷板表面火焰消失，气相燃烧释放的热量依靠固体介质的导热向堇青石陶瓷板孔道内部传递，对上游预混气起到不断预热的作用。预混气达到着火温度的距离缩短，火焰逐渐被吸附入堇青石陶瓷板孔道内部，焰面由催化陶瓷板表面以上的位置逐渐过渡到堇青石陶瓷板内部。Ⅲ阶段为缓慢升温阶段(7～17 min)，表面温度逐渐增加，催化陶瓷板表面由暗红色逐渐过渡到亮红色，孔道内焰面趋于稳定，火焰区产生的热量依靠固体介质的导热稳定地向下游传递。Ⅳ阶段为稳定燃烧阶段，火焰传播速度与预混气气流速度达到相对平衡，火焰区位置恒定，催化陶瓷板表面最高温度维持在928 K左右。由图3可以看出，点火升温时间主要受到Ⅱ、Ⅲ阶段时间的制约，在Ⅱ、Ⅲ阶段中，气相燃烧区与火焰区释放的热量主要依靠多孔介质的导热向多孔介质孔道内上、下游传递。因此，在导热量恒定且保证多孔介质不会发生脱回火的情况下，选择热导率较大的多孔介质，可以增大多孔介质孔道内上、下游的温度，加快火焰吸附，提高Ⅲ阶段升温速率，从而进一步缩短一次点火升温时间。

.

.

陶瓷板表面温度和污染物排放

炉窑的输入功率等于天然气的体积流量乘以低热值。当输入功率为2.8 kW时，在不同的过剩空气系数下，催化陶瓷板表面温度分布见图4。平均温度

的计算式为：

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(1)

式中

——催化陶瓷板表面平均温度，K

——上部催化陶瓷板中心表面温度，K

炉门关闭后，CO、NO

、CH

体积分数随输入功率变化见图6。可以看出，实验工况下，随着炉窑输入功率增加，CO、NO

、CH

体积分数均逐渐降低，三者体积分数最大值分别为12.9×10

、1.8×10

、14.9×10

。在输入功率为3.4 kW时，NO

体积分数即为0，CO、CH

体积分数在输入功率3.9 kW时，降至10

以下。当炉窑达到最大输入功率4.5 kW时，三者体积分数均为0。CO体积分数受反应物体积分数的影响较为明显，随着炉窑输入功率增加，反应物体积分数增加，CO体积分数降低。NO

在炉门关闭后为近零排放，因燃烧为催化燃烧，有效降低了化学反应的活化能，促使反应在较低温度下进行，有效抑制了快速型、热力型NO

的生成。CH

体积分数的降低与炉内气压趋于稳定有关，因在2.8 kW时，炉门关闭导致炉内气压突增，CH

未能及时完全反应就从多孔介质孔道内溢出，CH

体积分数从炉门开启时的0增加至14.9×10

，随着实验进行，炉内气压趋于稳定，CH

体积分数逐渐下降。

可以看出，在过剩空气系数为1.1～2.1的范围内，随着过剩空气系数的增加，上、下2块催化陶瓷板间的垂直温度梯度逐渐减小，催化陶瓷板表面平均温度先增后降且上部催化陶瓷板中心表面温度高于下部催化陶瓷板中心表面温度。表面平均温度的增加，原因在于随着过剩空气系数的增加，预混气流速增大，促使火焰区向下游移动，更接近辐射表面。火焰区通过对流、辐射所释放的热量到达辐射表面的距离缩短，致使表面温度增加。过剩空气系数为2.0时，表面平均温度最大，为973 K，此时陶瓷板表面垂直温度梯度为0.3 K/cm。当过剩空气系数超过2.0时，因预混气流速过大，超过火焰传播速度，导致焰面从蜂窝孔道内吹出，表面平均温度下降。上部催化陶瓷板中心表面温度高于下部，原因在于燃烧器为竖直放置，下部催化陶瓷板燃烧产生的热烟气在向上流动过程中，遇到炉窑上壁面阻挡，在上部催化陶瓷板表面累积，形成热涡旋，使得上部催化陶瓷板表面的散热损失减少，中心表面温度高于下部。

(4)文中所述钻进取心工艺针对性较强，其它区域类似地层钻进取心可将之作为参考，但最终还是得根据现场实际情况选择最合理的钻进取心工艺。

3.2 炉门关闭阶段

.

.

污染物排放

——下部催化陶瓷板中心表面温度，K

基于比对法，测得催化陶瓷板的发射率在0.7～0.8范围，实验中取催化陶瓷板的发射率

为0.75。炉门关闭阶段，将催化陶瓷板表面与炉膛内壁的辐射换热近似为封闭腔2个灰表面间的辐射换热，辐射热流量

的计算式为

：

.

.

辐射效率

“互联网+”背景下，旅游业已进入智慧营销阶段，乡村旅游经营者应具备网络营销思维，在做好线下营销的同时，积极运用网络营销方法和工具，构建乡村旅游智慧营销体系，加大线上营销的力度。

(2)

式中 Ф

——炉门关闭阶段催化陶瓷板表面与炉膛内壁的辐射热流量，W

多孔介质催化燃烧炉窑系统见图1，该系统由供气系统、燃烧器、炉窑主体和监测系统4部分组成，虚线框为催化多孔介质完全预混循环水冷燃烧器。炉窑主体内部尺寸长370 mm、宽150 mm、高300 mm，右侧为燃烧器，烟气出口位于炉窑主体左侧下部，上部外接由陶瓷管绝缘的3个K型热电偶探头，分别用于测量炉膛温度和上、下2块多孔介质中心外表面温度，测量多孔介质外表面温度的探头位置见图2。实验所用燃气为天然气，由北京燃气集团供应，其低热值为33.70 MJ/m

。通过微调旋钮调控燃气体积流量，通过西门子变频器改变旋涡风机的转速来调控通入的空气流量，使用燃气流量计和空气流量计监测燃气和空气的体积流量变化。燃烧器由混合腔体、水冷装置和多孔介质层3部分组成，一次预混气经三通上下分流分别通入混合腔体中充分混合，经水冷装置抵达多孔介质层，在多孔介质层孔道内部进行燃烧。水冷装置内部为翅片式换热器，通循环水冷却降温，其目的是降低燃烧温度，避免热力回火问题的发生

。多孔介质层由堇青石蜂窝陶瓷板(以下简称堇青石陶瓷板)和催化堇青石蜂窝陶瓷板(以下简称催化陶瓷板)前后上下各2块叠加组成，堇青石陶瓷板截面尺寸为150 mm×150 mm，厚度为20 mm，开孔率为0.78，孔密度为62孔/cm

，孔道尺寸为1 mm×1 mm，壁厚为0.18 mm。催化陶瓷板载体为堇青石陶瓷板，规格同上，先在堇青石陶瓷板上涂一层Al

O

，然后将活性组分钯(Pd)和ZrO

、BaO等助催化剂按一定比例配置好后一起镀涂在Al

O

层上。监测系统主要分催化陶瓷板表面温度监测、炉窑内部温度监测和烟气组分及含量的监测：催化陶瓷板表面温度和炉膛温度由希玛AS877四通道接触式热电偶测温仪测量，测量精度为±0.1%；烟气由MGA5型红外线烟气分析仪检测，其O

测量精度为±0.2%，CO、NO、NO

、C

H

测量精度为±2%。

——催化陶瓷板的发射率

——催化陶瓷板表面积，m

——催化陶瓷板表面对炉膛内壁的角系数，本文取1

——炉膛内壁发射率，壁面为石棉板，取0.96

假设炉膛内烟气与内壁间的表面传热阻无穷小，将炉膛温度视为炉膛内壁平均温度。辐射效率

的计算式为：

——炉膛内壁表面积，m

(3)

式中

——炉门关闭阶段辐射效率

——炉窑输入功率，W

3.“互联网+”促进了家长利益的最大化。互联网社会呈网状结构，任何组织个体都是嵌入其中的一部分，网络思维依靠群体寻找复杂问题的答案。既然如此，作为亲职教育的客体，应充分依托互联网的运营模式，实现自身利益的最大化。例如，当家长遇到育儿难题时，就可以利用各种形式的互联网平台，寻求专家、专业人士的指导；或与有相同问题的家长进行积极探讨，形成线上或线下的稳定联结。西方国家家长高度重视亲职教育，除了参与官方提供的免费育儿指导外，也会支付费用来参与营利性机构开设的亲职教育培训，培训费用从数十美元到上千美元不等，以此来满足自身的育儿需求。

辐射热流量Ф

、辐射效率

随输入功率的变化见图7。在炉窑输入功率范围内，随输入功率增加，辐射热流量逐渐增加，最大辐射热流量为1 347.67 W，辐射热流量的变化率逐渐降低，原因在于催化陶瓷板与内壁间温差逐渐缩小。炉窑的辐射效率随输入功率增加逐渐减小，从输入功率为2.8 kW时的0.46降至输入功率为4.5 kW时的0.30。

4 结论

① 燃烧器的一次点火升温经历气相燃烧—火焰吸附—缓慢升温—稳定燃烧4个阶段，通过选用适当热导率的多孔介质可以缩短燃烧器的点火升温时间。

② 炉门开启阶段，随过剩空气系数增加，燃烧器壁面垂直温度梯度逐渐减小，催化陶瓷板表面平均温度先增后减，当过剩空气系数为2.0时，垂直温度梯度为0.3 K/cm，表面平均温度达到最大值973 K。

研究结果显示，与对照组相比，死亡凸显和亲密关系丧失对高自尊被试职业认同的影响既有相似之处又有差异之别。 相似之处是，二者均显著降低了高自尊者的职业期望、职业承诺、职业价值观及职业认知的水平； 不同之处是，死亡凸显还显著降低了高自尊被试的职业情感，但亲密关系丧失无此效应。

③ 炉门开启阶段，CO、NO

体积分数随过剩空气系数增加而增大，当过剩空气系数为2.1时，CO、NO

的最大体积分数分别为10×10

和14×10

，CH

体积分数始终为0。

④ 炉门关闭阶段，随着炉窑输入功率增加，CO、NO

、CH

体积分数逐渐降低，最大体积分数分别为12.9×10

、1.8×10

、14.9×10

，当炉窑达到最大输入功率4.5 kW时，三者体积分数均为0。

⑤ 炉门关闭阶段，随着炉窑输入功率增加，辐射热流量增加，辐射效率降低，当达到最大输入功率4.5 kW时，辐射热流量和辐射效率分别为1 347.67 W和0.30。

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