微尺度火焰阵列的燃烧场特性和清洁燃烧机制研究

电加热具有清洁、温度场均匀、控制方便的优点，广泛应用于各行各业，由于发电效率的制约，电加热的能源利用总效率不会超过现在的发电水平；用火焰直接或间壁式加热，无疑可以大幅度提高能源利用效率，但难题是如何组织火焰能够形成电加热那样的温度场。本项目旨在研发基于微型火焰阵列应用的火焰直接加热技术。据前期研究发现，微尺度火焰具有燃烧负荷强度大，火焰清洁、方向性不敏感等优点，由微尺度火焰组成的阵列有可能构成能够替代电加热的新型装置。本项目将研究微尺度火焰阵列的燃烧特性、热负荷特性以及污染物生成特性，研究单个微火焰的污染物抑制尺度效应，微尺度火焰阵列稳定性增强机制和优化组合规则，以期实现微尺度火焰阵列的可控清洁燃烧，项目同时研制一种基于微尺度火焰阵列的燃烧加热器原型，并测试和评价其性能。研究结果将为开发新型的火焰直接加热技术提供实验依据和有力指导，也是微尺度燃烧研究在清洁燃烧和节能降耗应用的一个探索。

为了研发利用微尺度预混合火焰矩阵直接加热的新型用能系统，以大幅度提高能源利用效率，本项目重点研究了微火焰阵列中火焰间相互影响规律、均匀温度场形成条件、污染物控制等特性，以及微火焰矩阵最佳排列结构参数等关键问题。首先从单个甲烷微火焰组成的三个直列喷管火焰间干涉行为和特性入手，搭建调节精度高、测温精确的微火焰实验台，研究了微喷管间距/喷管内径(L/D)、喷管出口预混气流速(U)和燃料当量比(ER)对微火焰间干涉特性的影响规律；其次，构建微火焰阵列燃烧模型，考察喷管排列对火焰间相互影响规律进行了数值研究，发现随着管间距减小，微火焰阵列中的火焰相互发生作用，吹熄极限速度增加，火焰稳定性增强；管间距继续减小，微火焰矩阵向大火焰聚并，火焰吹熄极限速度急剧下降，说明微尺度火焰阵列通过空间布局优化，可以形成温度均匀、热负荷高、稳定性得以强化的面热源。第三，在此基础上，研究了微阵列火焰场中污染物生成特性，发现由于微尺度火焰中反应物的停留时间非常短，因此NOx的生成非常少，布局合理的微火焰阵列同样可行实现超低NOx排放。项目的实验和数值研究结果表明，由微喷嘴矩阵形成燃烧场可在离喷口很近的轴向位置处形成清洁、达到加热炉温度分布高等级要求的均匀温度场，火焰温度可以根据热负荷要求通过燃料流速、当量比精细调控，为开发微尺度火焰阵列加热器提供了重要的基础数值和理论分析依据数据。