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脉动燃烧技术. 主要内容. 1. 脉动燃烧的发现 2. 脉动燃烧技术简介 3. 脉动燃烧技术的研究. 1. 脉动燃烧的发现. 1.1 脉动燃烧的发现 不稳定燃烧：产生压力振动 会唱歌的火焰： 1777 年 Dr. Higgins 对音乐“敏感的火焰”：上世纪中叶 Le Conte. 脉动燃烧. 1. 脉动燃烧的发现. 1.2 脉动燃烧 两个基本激励过程： 燃烧可以在某种条件下激发燃烧器中的声学脉动；反过来，声脉动可以改变燃烧的特性。
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主要内容 • 1. 脉动燃烧的发现 • 2. 脉动燃烧技术简介 • 3. 脉动燃烧技术的研究
1. 脉动燃烧的发现 • 1.1 脉动燃烧的发现 • 不稳定燃烧：产生压力振动 • 会唱歌的火焰：1777年Dr. Higgins • 对音乐“敏感的火焰”：上世纪中叶Le Conte 脉动燃烧
1. 脉动燃烧的发现 • 1.2 脉动燃烧 • 两个基本激励过程： • 燃烧可以在某种条件下激发燃烧器中的声学脉动；反过来，声脉动可以改变燃烧的特性。 • 燃烧与声振之间存在着相互依存的关系，即所谓的热-声耦合。对这种热声相互转换和耦合作用的研究逐渐发展成了一个新的学科领域——脉动燃烧。
1. 脉动燃烧的发现 • 1.3 脉动燃烧的发展 • 1900年Gobble申请了第一个脉动燃烧装置的德国专利 • 1906年Esnault一Pelterie申请了机械膜片式自激振荡脉动燃烧器法国专利 • 1908年Lorin设计了脉动燃烧喷气发动机 • 1909年Marconnet研制出了不使用机械式单向阀门，而采用一个带扩散段的空气动力阀、可用于产生推进动力的脉动燃烧器 • 1931年，德国人Schmidt研制出了用于产生推力的脉动燃烧装置，申请了德国专利。
1. 脉动燃烧的发现 • Schmidt的研究成果在第二次世界大战中，被德国用于V-1导弹的推进器，并用于轰炸伦敦的战役中。 • 1933年F.H.Reynst申请了一个名为“CombustionPot”的专利，它是脉动燃烧技术最早的研究成果，其实质是一种在脉动状态下燃煤的炉子。
2. 脉动燃烧技术简介 • 2.1 脉动燃烧 • 脉动燃烧是指声振条件下发生的一种周期性的燃烧过程。在燃烧区内，表征这个过程的状态参数，如温度、压力、气流速度及热释放率等稳态变量都随时间周期性波动。
2. 脉动燃烧技术简介 • 2.2 脉动燃烧的特点 • 脉动燃烧最根本的特点是燃烧器中的气流脉动强化了燃烧器及尾管中颗粒与颗粒之间、颗粒与气流之间的质量、动量和能量传递，具体表现为：
2. 脉动燃烧技术简介 • 优点： • （1）燃烧强度高，效率高 • （2）传热效率高 • （3）排烟污染小 • （4）结构紧凑，节省固定投资
2. 脉动燃烧技术简介 • 缺点 • （1）噪声 • （2）振动
2. 脉动燃烧技术简介 • 2.3 脉动燃烧器 • 2.3.1 脉动燃烧器工作原理 • 脉动燃烧器的工作循环由以下4个基本过程组成
2. 脉动燃烧技术简介 • 2.3.2 脉动燃烧器分类 • （1） Schmidt型
2. 脉动燃烧技术简介 • （2）Helmholtz型
2. 脉动燃烧技术简介 • （3）Rijke型 在Rijke管中激发起基波振型的关键在于，金属网对管内气体的加热在管内建立起由下面进入、从上面排出的一股稳态气流。
2. 脉动燃烧技术简介 • 2.4 脉动燃烧技术的应用 • （1） 喷气推进和燃气涡轮 • （2） 加热、采暖锅炉 • （3） 脉动燃烧干燥 • （4） 焚化、煅烧领域
3. 脉动技术的研究 • 3.1 Rijke型脉动燃烧器试验研究 • Rijke型脉动燃烧器结构简单，负荷调节范围大，在燃用固体燃料方面表现出燃烧充分、燃烧效率高、污染排放少等优点，使其可以用于各种成分的块煤、煤粉及木质废料的燃烧。 • 可控的脉动燃烧能够提高氧化物向液体和固体燃料表面的扩散能力，从而提高反应物与燃烧产物的混合程度，提高燃烧效率。
3. 脉动技术的研究 • 3.1.1 Rijke型脉动燃烧器中固体燃料脉动燃烧特性研究 • （1）压力幅值和振动频率 • Ferreira研究 • 管径0.2m • 管长可调 • L=2400mm • L=3200mm • 颗粒大小2~4mm 振动频率和压力幅值随时间的变化
3. 脉动技术的研究 • Torres研究不同长径比、不同空气速度下压力幅值和脉动频率随空燃比的变化 • 压力幅值在燃料点燃12~16min后得到最大值，且随着试验的进行有所降低，振动幅值的最大值对应着燃料供给速度的最大值；脉动频率基本不随燃料供给速度和空燃比的变化而变，而随长径比L/d的增加而降低。
3. 脉动技术的研究 • 在脉动燃烧条件下，由于颗粒燃烧生热与压力振动之间的时间延迟，压力振动幅值并不是在燃烧开始时就达到最大，而是存在一定的时间差。 • 这个时间差和燃料的种类，即燃料的放热特性有关。而且在幅值达到最大后，由于燃料在燃烧过程中在燃烧床位置处有少量的颗粒集聚，增加了系统的声损失，所以压力幅值有所下降，但幅值变化较小。
3. 脉动技术的研究 • 压力幅值在空气流速较大时也较大，并不随燃烧器长径比的变化而变化。这是因为对于一定能够的空燃比，空气流速较大时，热量释放率也较大，从而有更多的能量可用于产生声振；但振动频率只与燃烧器的管长有关系，与操作条件无关。
3. 脉动技术的研究 • （2）燃烧效率 • Carvalho等测定了煤燃烧过程中CO、CO2浓度随时间的变化情况，并由此计算出了燃烧效率随时间的变化关系； • Ferreira和Torres等给出了在两种燃烧器长径比下燃料燃烧效率随空燃比的变化情况；Zinn和Carvalho等的试验中给出了不同供煤速度下的声压、燃烧方式及燃烧效率的变化情况。
3. 脉动技术的研究 • 影响燃烧效率的因素 • ① 燃料种类：燃料特性 • ② 空气流速：最佳空气流速值 • 较小不足以克服燃烧床阻力 • 较大不能和燃料充分反应 • ③ 空燃比：1.06~1.40 • ④ 脉动燃烧器长径比
3. 脉动技术的研究 • 3.1.2 Rijke型脉动燃烧器中固体燃料燃烧传热特性研究 • Zinn等的试验中通过对操作过程中燃烧器的直观观察发现，在燃料点然后燃烧器反应区附近的壁面很快变红，而非脉动条件下却为灰色的现象。这定性地说明了脉动燃烧强的传热特性。
3. 脉动技术的研究 • Ferreira等的定量研究结果表明：在同样的传热面积上，燃气在燃烧器中的停留时间和脉动幅值影响着传热率。停留时间越长、振幅越大，传热越强。 • Torres等研究表明当燃烧器长径比L/d=16时，不同空燃比下燃料放热传到冷却水的百分比范围为60%~80%，而L/d=12时，百分比为40%~60%，可见燃烧器越长，传热效果越好。
3. 脉动技术的研究 • 3.1.3 脉动燃烧条件下，污染物排放试验 • （1）颗粒排放 • （2）NOx和SO2排放
3. 脉动技术的研究 • Ferreira等有关颗粒排放量的研究结果：空气流速越大、燃烧器越短，排出的颗粒量越大 • Carvalho等的研究给出了颗粒相对排放量随操作条件的变化情况，生成的颗粒量受操作条件（脉动或非脉动）、声压级和无量纲空燃比α的影响：颗粒量随声压级和α的减小而明显增加，且非脉动条件下的颗粒排放量明显大于脉动操作条件的值。
3. 脉动技术的研究 • Miller等用分级送风的方法研究了煤燃料Rijke型燃烧器中NOx的减少情况。脉动条件下NOx的排放量在富燃料燃烧下的250×10-6和富氧燃烧下的700×10-6之间变化，与常规燃烧相比，在适当的分级送风下，NOx的浓度最高能减少56%。
3. 脉动技术的研究 • Wang等在长3m，直径为0.15m的Rijke型燃烧器中研究石灰石和白云石（CaCO3）对煤和石油的炭脉动燃烧条件下SO2的去除作用。研究了不同燃烧床温和CaCO3颗粒尺寸对降低SO2的影响。 • 当使用颗粒大小为0.5mm的CaCO3小颗粒时，床温控制在880℃时达到最佳去除效果。
3. 脉动技术的研究 • 3.2 脉动流化床燃烧技术 • 流化床技术：燃烧强度高、燃料适应性广、床温均匀、混合良好，但仍存在着排烟含尘浓度高、燃烧效率偏低、锅炉采用高压鼓风机，电耗高、脱硫效果不理想等缺点。 • 脉动燃烧技术：极高的热效率和燃烧效率，能在很大程度上降低污染物排放量，燃烧器大都具有自吸功能，无需用鼓风机，燃烧器结构简单、体积小，生产投资及制造成本低等。
3. 脉动技术的研究 • 浙江大学将上述两种技术结合起来，提出脉动流化床概念。这一概念把两种燃烧技术相结合，在流化床中引入气流脉动，期望形成自激式脉动流化装置，充分利用气流脉动可以强化传热、传质及降低环境污染的特性，在低生成污染物水平上强化燃烧、传热。
3. 脉动技术的研究 • 系统中将布风板布置在Rijke型脉动燃烧器的最佳发生位置（L/4处），在布风板以下的管壁上缠绕电热丝，以保证通过给煤装置传送到布风板上的煤达到着火温度。当煤被电热丝释放的热量点燃后，切断电热丝电源，由煤燃烧产生的热量来驱动管内的声振，完成燃烧和脉动的耦合。
3. 脉动技术的研究 • 3.3 脉动燃烧干燥技术 • 脉动燃烧产生的尾气流温度通常大于800℃,脉动频率为50～300 Hz;振荡气流速度可达100 m/s，这样的流场特性加之具有的强声波能，极大地强化了热、质传递过程。此外，其燃料来源广泛、燃料燃烧充分、排气污染低、结构简单、基本无运动部件。因而，是一种非常理想的干燥介质发生器。
3. 脉动技术的研究 3.3.1 脉动燃烧干燥装置 （1）美国Sonodyne公司开发的尾管作为干燥室脉动燃烧干燥装置。 脉动燃烧干燥装置
3. 脉动技术的研究 （2）尾管外连接干燥室的Unison脉动燃烧干燥装置。 脉动燃烧器排气温度为540～1200℃，脉动频率为125～150 Hz，功率为235 kW，去水率为300 kg/h。 Unison脉动燃烧干燥系统
3. 脉动技术的研究 （3）脉动燃烧器与传统流化床干燥器结合用于处理城市污泥的干燥装置。该干燥装置可在4 min内将污泥干燥到10 %的含湿量(干基)，年处理污泥能力为2万吨。脉动燃烧器也可与固定床、滚筒干燥机等联合使用。
3. 脉动技术的研究 • 3.3.2 脉动燃烧干燥优点: • （1）适应物料范围广 • （2）蒸发能力强 • （3）干燥产品质量高
3. 脉动技术的研究 • 3.3.3 脉动燃烧干燥存在的问题 • 脉动燃烧干燥具有许多优点, 大都限于对个别物料的实验研究 • 对于脉动燃烧干燥过程中的传热传质机理、声波能在干燥中的作用等研究十分有限 • 对于脉动燃烧产生的高温振荡气流能加速干燥过程，产生的声波能具有粉碎、助干作用等还没有定量描述的数学模型
3. 脉动技术的研究 • 脉动燃烧作为一种新型的燃烧技术日益得到重视，但至今人们对其机理还缺乏足够的认识。脉动燃烧技术进一步研究的重点在于:
3. 脉动技术的研究 • （1）对脉动燃烧机理的深入研究，结合计算流体力学、化学反应动力学及燃烧理论，建立脉动燃烧的精确的数学模型。 • （2）研究从而掌握脉动燃烧的声学特性，对声—燃烧的耦合机理作深入的研究，以期减少噪声污染并利用声波能。 • （3）研制脉动燃烧器的关键部件—进气阀，选择合适的材料，保证强度和使用寿命，或研制性能良好的气动阀。 • （4） 脉动燃烧技术在烘干、锅炉和采暖方面的应用前景十分广阔，应重点研究。 Thank You!
