煤粉部分气化燃料燃烧过程中NOx生成机制的数值模拟与优化研究

针对煤粉气化-燃烧技术中氮氧化物(NOx)控制难题，研究人员通过实验与CFD模拟结合，建立了九步NOx生成机制模型，揭示了二次空气喷嘴位置/数量/速度及三次空气分级对NOx排放的影响规律，优化后出口NO浓度降至67.9 ppm，为大型燃煤锅炉低氮燃烧设计提供理论支撑。

　　

随着中国可再生能源装机容量突破11.8亿千瓦（2024年数据），燃煤电厂正从主力电源转向电网调峰角色。然而，煤质波动大、低负荷稳燃困难及NO_x排放控制等问题，严重制约其灵活性。西安交通大学团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究，创新性地将煤粉部分气化与燃烧技术结合——煤粉先在低氧条件下气化为高温燃料气（含CO/H₂/H₂O_(g)），再通过特殊设计的燃烧器完成燃尽。这种技术虽能提升稳燃性，但高温气化燃料中氮元素转化路径不明，传统NO_x模型难以适用。

研究团队基于实验室级常压气流床气化-燃烧系统，采用计算流体力学(CFD)耦合自主构建的九步NO_x机制（涵盖H₂O_(g)对HCN/NH₃转化的影响），通过250万网格的精细化模拟，系统探究了燃烧器结构参数与NO_x生成的关联性。关键技术包括：1）两竞争速率模型描述气化焦炭脱挥发分；2）自定义Vol=C_0.43H_4.07O_0.63N_0.4366作为挥发分伪物种；3）网格独立性验证（温差<100 K）；4）Mitchell机理优化NO再燃反应。

主要发现

1. 二次空气喷嘴位置：当径向位置比r/R>0.5时，出口NO降至95 ppm，高温回流区扩大增强稳燃；
2. 喷嘴数量优化：六喷嘴设计使温度峰值位置向燃烧器缩短0.25米，NO出口浓度较两喷嘴降低28.1%；
3. 二次空气速度：36 m/s流速可显著扩展高温烟气回流区，促进燃料充分燃尽；
4. 三次空气分级：合理布置高度使还原区停留时间延长，HCN/NH₃向N₂转化效率提升；
5. H₂O_(g)作用机制：模型证实水蒸气参与NH₃+OH→NH₂+H₂O等反应链，修正后模拟误差<15%。

该研究首次阐明了气化燃料燃烧中氮物种的演化规律，提出的喷嘴优化方案（六喷嘴/0.55节距比）已应用于工业燃烧器放大设计。成果不仅为煤电灵活性改造提供关键技术支撑，其建立的NO_x预测模型更填补了高温富氢燃料燃烧模拟的空白。Tan Houzhang团队特别指出，未来需结合化学相似准则解决工业放大中湍流-化学反应耦合的尺度效应问题。