生物质气化产物流MILD燃烧室设计的优化研究：基于几何结构与运行参数的双阶段实验设计

本文针对生物质气化产物流(PG)因高N2和CO2稀释导致的低热值燃烧难题，创新性地采用两阶段全因子实验设计(DoE)结合CFD模拟，优化了中低氧稀释(MILD)燃烧室的几何结构与运行参数。研究发现圆形截面燃烧室(直径200mm/长度1000mm)在当量比(φ)0.9和燃料入口速度(Vf)100m/s时，可实现温度均匀分布(ΔT<710°C)、超低CO排放(3.4ppm)和NOx控制(19.9ppm)，为生物质能源高效清洁利用提供了关键技术方案。

　　

随着化石燃料枯竭危机加剧，生物质气化产物流(PG)作为碳中性替代燃料备受关注。然而PG因含40-45%的N₂和12-15%的CO₂导致热值仅3.99-7MJ/Nm³，传统旋流燃烧器存在效率低、污染物高等问题。中低氧稀释(MILD)燃烧技术通过高温废气循环实现温度均匀分布和低污染物排放，但现有研究多集中于与高品质燃料混烧，对纯低品位PG的MILD燃烧研究存在空白。

为解决这一难题，研究人员开展了PG专用MILD燃烧室的系统性优化研究。通过两阶段全因子实验设计，第一阶段对比圆形和方形截面几何结构，第二阶段优化当量比和燃料喷射速度。采用ANSYS-FLUENT进行CFD模拟，结合标准k-ε湍流模型和部分预混燃烧模型，评估了温度分布、CO/NOx排放和Damk?hler数(Da)等关键参数。

2.1 燃料特性
选用热值最低(3.99MJ/m³)的PG组分：5%H₂、29.2%CO、62.5%N₂，模拟最恶劣工况下的燃烧性能。

2.2 燃烧室优化
采用燃料-氧化剂-燃料(F-O-F)喷射布局促进内部气体循环。圆形燃烧室优化直径(D_c)200-1000mm和长度(L_c)500-1500mm；方形燃烧室通过等效直径公式计算高度(H_s)。

2.3 CFD建模
验证显示标准k-ε模型对射流混合流场预测误差<1.7%。修改耗散率常数C_1ε至1.6以提高MILD燃烧预测精度，采用Zimont湍流火焰速度模型捕捉高喷射速度下的火焰特性。

3.1 燃烧室几何效应
圆形燃烧室在L_c=1000mm时表现最优：Da=0.99满足MILD条件(0.01<Da<5.35)，ΔT=710°C，CO排放较500mm长度降低60%。方形燃烧室需更大尺寸(H_s=548.8mm/L_s=1500mm)才能达到相当性能，最终选择更紧凑的圆形设计。

3.2 运行参数优化
φ=0.9时NOx仅19.9ppm，较φ=1.1工况降低90%；V_f=100m/s已能建立稳定内部循环，继续提高速度对燃烧改善有限。温度云图显示最优工况下火焰分布均匀，无局部热点。

该研究首次实现了纯低品位PG在无旋流器的轴向燃烧室中的稳定MILD燃烧，突破传统燃烧技术对燃料品质的限制。通过DoE方法确立的"小直径+中等长度"几何准则(直径/长度比≈0.2)和"贫燃+适度喷射速度"运行策略，为生物质锅炉设计提供新范式。特别是将NOx控制在20ppm以下的技术路线，对解决农村地区生物质利用的污染难题具有重要实践意义。研究证实简单轴向结构无需复杂旋流器即可实现PG高效清洁燃烧，大幅降低设备制造和维护成本，推动生物质能源在分布式能源系统中的应用。