低功率双区多孔惰性介质燃烧器中亚临界区几何结构对燃烧性能的影响研究

　　针对双区多孔惰性介质(PIM)燃烧器在低功率运行时亚临界(淬熄)区几何结构对燃烧性能影响的研究空白，研究人员通过系统改变开孔形状(圆形与槽式)和孔隙率(14.9%-25.0%)，发现槽式开孔结构在低功率下具有更优的稳定性和调制能力，同时保持超低NOx 排放水平，为高温应用设备设计提供了新思路。

　　

在能源利用和工业加热领域，传统自由火焰燃烧技术长期面临效率低下、排放控制困难等挑战。多孔惰性介质(Porous Inert Media, PIM)燃烧技术因其独特的三相传热机制(导热、对流、辐射)展现出显著优势，其中双区结构(亚临界区与超临界区组合)更因卓越的稳定性成为研究热点。然而现有研究多聚焦于超临界区，对亚临界区几何特性的影响认知严重不足，特别是低功率工况下的开孔形状与孔隙率优化亟待探索。

中国研究人员团队通过精心设计的实验系统，采用三种槽式开孔(孔隙率20.5%、22.3%、25.0%)与圆形开孔(14.9%)亚临界区结构，结合温度场测量与排放分析，系统研究了低功率(1-3 kW)LPG-空气混合气的燃烧性能。研究发现槽式开孔结构展现出突破性的低功率稳定性——20.5%孔隙率样本在3kW时将稳定极限扩展至当量比1.3，较传统圆形结构提升显著。这种结构通过优化热反馈机制，在保持超低NO_x
排放(<15 ppm)的同时，其CO排放水平在3kW时达到近乎检测极限的优异表现。更值得注意的是，20.5%孔隙率的槽式结构展现出卓越的功率调制能力，其操作窗口比圆形结构扩大达40%，这为需要频繁调制的工业燃烧器设计提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 采用模块化设计的双区PIM燃烧器系统，配备高精度质量流量计(Omega FMA-A2323)控制LPG-空气混合比；2) 通过K型热电偶矩阵测量轴向温度分布，绘制燃烧稳定相图；3) 使用烟气分析仪实时监测NO_x
和CO排放；4) 对比圆形与槽式开孔结构的孔隙率效应(14.9%-25.0%)。

【Combustion stability performance】章节揭示：槽式开孔结构通过增强径向热交换，显著提升贫燃极限。20.5%孔隙率样本的稳定区间覆盖当量比1.3-2.1，其温度梯度分析显示亚临界区存在明显的超绝热效应(温度峰值达1600K)，证实了优化的热反馈机制。

【Emissions characteristics】部分表明：所有结构的NO_x
排放均远低于环保标准(≤30 ppm)，圆形结构因更均匀的流场呈现最低值(8-12 ppm)。但槽式结构在3kW时CO排放接近检测下限(<50 ppm)，且随功率降低的排放增幅明显小于圆形结构，显示其优越的燃烧完整性。

该研究首次系统论证了亚临界区几何结构对低功率PIM燃烧器的决定性影响。20.5%孔隙率的槽式开孔设计实现了"高稳定性-低排放-宽调制"的性能三角突破，其物理机制在于：1) 槽式通道促进三维热回流，延缓淬熄；2) 优化孔隙率平衡了传热与流动阻力；3) 几何诱导的湍流增强混合效率。这些发现不仅为微型燃烧器、分布式能源系统设计提供了具体指导，更开创了通过亚临界区拓扑优化提升燃烧性能的新研究方向。值得关注的是，该研究揭示的"亚临界区主导低功率稳定性"规律，可能对超低热值燃料(如生物质气)的清洁利用具有重要启示。