生物质气化气体在温和燃烧（MILD combustion）过程中NOx排放减少、空间分布及反应途径的分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Analysis of emissions reduction, spatial distribution, and reaction pathways of NOx during MILD combustion of biomass gasification gas

生物质气化合成气（BGG）在MILD燃烧中通过温度均质化和氧稀释显著降低NOx排放，实验与数值模拟结合揭示NO再燃主导减排机制，量化不同氧浓度下减排效果（26%-51%），并区分氮源贡献。

　　生物质气化气（BGG）作为一种碳中性的可再生能源和重要的氢载体，在可持续能源系统中展现出广阔的应用前景。然而，其实际应用仍面临一些挑战，如燃烧不稳定性和较高的氮氧化物（NOx）排放，这主要是由于氢含量导致的局部高温区域。为了克服这些问题，一种称为中等或强烈低氧稀释（MILD）燃烧的技术被应用于BGG的喷射-热协流（JHC）燃烧系统中，该技术不仅能够稳定燃烧，还能显著降低NOx排放。本文通过实验研究、计算流体力学（CFD）和详细的化学动力学分析，系统地探讨了MILD燃烧条件下NOx排放的减少路径。研究结果表明，MILD燃烧能够将NOx排放降低26%–51%，在较低的氧浓度下观察到最大的减排效果。在MILD条件下，BGG对NOx的贡献相对较小（<16%）。尽管热协流引入了氮气，可能会促进NOx的形成，但MILD燃烧模式通过温度均匀化和氧稀释抑制了热NO路径。此外，BGG本身固有的高稀释特性进一步限制了NOx的生成。这一效果通过反应重燃（reburning）分析得到定量支持，结果显示在3%、6%和9%的O?浓度下，归一化的NO重燃速率分别超过总生成速率的1.1倍、1.3倍和0.7倍，进一步表明重燃是MILD燃烧中主导的减排机制。重燃主要发生在火焰区的内侧。此外，NO主要在OH自由基浓度高的区域形成，并在CH?自由基浓度高的区域减少。

在可持续能源转型中，生物质作为可再生和碳中性的能源资源，扮演着至关重要的角色。其广泛的可得性和碳循环闭合特性使生物质成为清洁能源生产的重要原料。气化技术将固体生物质转化为主要由可燃成分（如H?、CO、CH?）和稀释剂（如CO?、N?）组成的气体混合物。BGG在氢能应用中具有独特的优点，包括易于储存、运输兼容性以及作为天然气的碳中性替代品的潜力。这些特性使其特别适用于分布式能源系统，例如村庄供暖和分散式发电，这些系统对氢载体的需求正在不断增加。

传统的BGG燃烧方式在燃烧稳定性和NOx排放控制方面存在困难，主要是由于氢成分引起的局部高温区域。为了解决这些问题，先进的燃烧技术如MILD燃烧受到了关注。较高的初始温度可以通过燃料/氧化剂预热、烟气再循环、热协流等方式获得，这可以提升平均反应温度，从而创造局部自燃条件，并促进燃料和中间产物的氧化。高稀释和湍流由高速喷射、JHC燃烧器或烟气再循环产生，形成了分布式的反应模式。这种模式可以降低峰值温度，抑制NOx的形成。因此，MILD燃烧通常提供了燃料灵活性和火焰稳定性。BGG在燃烧过程中表现出的高稀释性和低燃烧温度特性，与MILD燃烧所需的特征和条件高度契合。

以往的研究表明，BGG（类似）的MILD燃烧是可行且具有优势的，如表1所示。Dudynski等人在工业炉中研究了高氮气化气体的MILD燃烧，发现不同组成的气化气体在15%O?浓度下的NOx排放均低于40 ppm。在我们之前的研究中，BGG的MILD燃烧表现出的CO和NOx排放远低于液化石油气（LPG）。与CH?相比，建立BGG MILD燃烧所需的临界低氧浓度从9.7%增加到11.7%，使得MILD燃烧更容易实现。BGG产生的CHi自由基可以促进NO的还原反应，并有效减少MILD燃烧过程中热协流中的NOx排放。更重要的是，BGG的MILD燃烧所需的稀释程度较低，减少了实际应用中的限制。

目前，关于BGG MILD燃烧的NOx形成机制的研究主要集中在燃料组成和操作条件对MILD燃烧建立及污染物排放的影响上。然而，BGG MILD燃烧中的NOx形成机制仍缺乏系统性的研究。表1总结了近期在与BGG组成相似的多组分气体MILD燃烧中关于NOx形成机制的研究进展。为了清晰起见，“-”表示不同成分的混合，而“/”则表示对不同成分的单独研究。Boussetla等人研究了生物气体（CH?-CO?）和合成气（H?-CO）系统中的NOx形成，发现当燃料中的氮气比例较低时，NNH-NO路径占主导地位。相反，当CH?和H?的比例较高时，prompt-NO路径成为主要的形成机制。此外，在较高的O?浓度下，热NOx路径占主导地位，而CH?/H?的比例几乎不影响。Ali等人证明了在煤气化气体的MILD燃烧中，稀释是减少NOx最有效的方法，其中燃料稀释的效果优于氧化剂稀释。在燃料稀释过程中，NNH和N?O路径在NOx形成中发挥了重要作用，而prompt路径则被抑制。Yepes等人利用CFD模拟研究了合成气（H?-CO）对天然气MILD燃烧建立的影响，发现合成气的添加显著增加了炉内循环的CO?，从而降低了热NOx的形成。由于H自由基的大量消耗，NNH和N?O路径被抑制，导致NOx排放减少。Pashchenko等人验证了使用CFD模拟来获取合成气（CH?-H?-CO-CO?）MILD燃烧的NOx排放数据的可行性。尽管这些研究方法可以为BGG提供参考，但对BGG MILD燃烧的研究仍较为有限，特别是关于NOx形成路径和氮源的问题。

综上所述，虽然以往的研究已经记录了BGG MILD燃烧的低NOx排放特性，但对其氮源（热协流、燃料和空气）和主导反应路径的系统量化分析仍显不足。本文旨在通过实验和数值模拟的结合，研究BGG MILD燃烧中NOx的氮源及其形成路径。首先，将使用JHC燃烧器建立MILD燃烧。其次，将热协流和燃料中的N?依次替换为Ar，以分离NOx形成中的氮源。第三，将使用CFD模拟研究NOx形成和减少区域的分布，并揭示火焰结构与NOx形成之间的关系。最后，将采用详细的化学动力学模拟进一步分析NOx形成的类型、反应敏感性和形成路径。我们的工作具体识别并量化了重燃作为主导减排机制的关键作用，为实际BGG MILD燃烧应用中的NOx控制提供了基础性的见解。

实验部分采用的JHC燃烧器如图1所示，该燃烧器已在之前的研究中详细描述过。燃烧器设有中心喷射通道（直径为5 mm）用于BGG的喷射。BGG的组成如表2所示，基于典型生物质气化过程的实际数据。围绕中心喷射通道的是一个环形扁焰燃烧器，外径为62 mm，内径为7 mm。如图1所示，扁焰燃烧器包含大约1500根直径为1 mm的管状结构，这些结构有助于形成稳定的火焰区域。在热协流环境中，BGG表现出持续稳定的火焰，没有局部熄灭和再点燃的现象。不同热协流稀释剂的对比显示，N?和Ar热协流的火焰在靠近燃烧器区域显示出显著不同的亮度，大约在100 mm范围内。这一现象表明，热协流的成分对火焰特性具有重要影响。

在燃烧过程的建立方面，本文通过实验和模拟相结合的方式，探讨了不同操作条件对MILD燃烧形成的影响。研究结果表明，热协流的引入有助于形成均匀的温度分布，从而降低燃烧过程中的峰值温度。这种温度分布的均匀化有效抑制了热NOx的形成路径。同时，燃料的高稀释特性也对NOx的生成起到了限制作用。在实验过程中，通过改变热协流的成分和浓度，可以观察到NOx排放的变化趋势。例如，当热协流中N?的浓度降低时，NOx的排放显著减少。这表明，在MILD燃烧条件下，氮源的类型和浓度对NOx的形成具有重要影响。通过实验和模拟的结合，可以更全面地理解NOx的形成机制，并为优化燃烧过程提供依据。

在计算流体力学（CFD）模拟方面，本文采用ANSYS Fluent软件进行模拟。图2展示了物理模型和二维轴对称网格的细节。标准的k-ε模型用于模拟湍流，其中在耗散率方程中对C?ε常数进行了调整，以提高预测的准确性。Eddy Dissipation Concept（EDC）模型被用于解决MILD燃烧中湍流与化学反应之间的耦合关系，其中特征时间常数Cτ被调整以优化模拟效果。通过CFD模拟，可以更直观地观察燃烧过程中温度分布和反应区域的变化，从而为NOx的形成和减少提供数据支持。

通过实验和模拟的结合，本文进一步探讨了BGG MILD燃烧中NOx的形成机制。研究结果表明，NOx的主要来源是热协流（占71.1%–75.6%），其次是BGG本身（占0.9%–15.5%），而空气中的氮源贡献较小。此外，NOx的形成路径主要发生在OH自由基浓度高的区域，而其减少则发生在CH?自由基浓度高的区域。这些发现为优化燃烧条件和减少NOx排放提供了重要的理论依据。同时，研究还表明，在MILD燃烧条件下，NO的重燃是主导的减排机制，这一机制通过燃料中的CHi自由基和热协流中的N?进行作用。通过调整热协流的成分和浓度，可以有效控制NOx的排放水平，从而实现更清洁、高效的燃烧过程。

本研究的结果对于推动可持续能源系统的应用具有重要意义。BGG作为一种碳中性的可再生能源，其在MILD燃烧条件下的应用不仅能够减少NOx排放，还能提高燃烧的稳定性和效率。这些特性使得BGG在分布式能源系统中具有更高的适用性，尤其是在村庄供暖和分散式发电等场景中。通过深入研究BGG MILD燃烧中的NOx形成机制，可以为未来能源系统的优化提供科学依据。此外，本研究还强调了在实际应用中，氮源的控制和反应路径的优化对于实现更低的NOx排放至关重要。通过实验和模拟的结合，可以更全面地理解燃烧过程中的化学反应机制，并为实际工程应用提供指导。

综上所述，本文通过实验和数值模拟的结合，系统地研究了BGG MILD燃烧中NOx的形成机制和减排路径。研究结果表明，MILD燃烧能够显著降低NOx排放，且其主要减排机制是NO的重燃。这一机制在火焰区的内侧尤为显著，且受到燃料组成和操作条件的调控。通过调整热协流的成分和浓度，可以有效控制NOx的排放水平，从而实现更清洁、高效的燃烧过程。这些研究结果不仅为BGG MILD燃烧的应用提供了理论支持，也为未来能源系统的优化提供了重要的参考。