不同一次/二次空气喷射条件下煤粉MILD燃烧中多相反应行为与NOx排放的关联机制研究

为解决煤炭高效清洁利用中NOx排放控制难题，研究人员通过数值模拟系统探究了一次/二次空气入射速度(vsec)和间距(S)对煤粉MILD（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution）燃烧的影响。研究发现提高vsec可增强炉内烟气再循环(FGR)，扩大扩散/动力学控制区(0.1t,max<0.6)，而增大S则延缓燃料-氧化剂混合。两者均能强化气化反应，通过抑制燃料型NOx生成和促进NOx再燃实现减排，为工业燃烧器优化提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，煤炭因其储量大、经济性强仍是主要能源，但传统燃烧方式会产生大量温室气体和污染物。MILD（中度或强烈低氧稀释）燃烧技术通过高温预热和强烈稀释实现分布式自燃，能显著降低温度梯度和NO_x排放，但工业应用中存在燃烧稳定性与污染物控制的平衡难题。特别是煤粉燃烧特有的多相反应特性，使得char（焦炭）氧化与气化的竞争关系在MILD条件下更为复杂，直接影响燃料-N迁移路径和NO_x生成机制。

针对这一挑战，国内研究人员基于国际火焰研究基金会(IFRF)的0.58 MW_th煤粉MILD燃烧试验台，采用数值模拟方法系统研究了二次空气入射速度(52.8-100.7 m/s)和一次/二次空气喷嘴间距(0.2-0.4 m)的影响。研究通过RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）方法结合realizable k-ε湍流模型，采用EDC（涡耗散概念）模型处理湍流-化学反应相互作用，并利用CPD（化学渗透脱挥发分）模型描述煤粉热解过程。

4.1 内部流场特征
研究发现提高v_sec可增强烟气再循环率(K_v)，抑制温度波动，而增大S则延缓燃料-氧化剂混合。当v_sec从52.8 m/s提升至100.7 m/s时，内部再循环率峰值(K_v,max)显著增加，同时MILD燃烧区（T_r>1500 K且K_v>3）轴向分布范围扩大28%。

4.2 湍流与化学反应相互作用
通过Damk?hler数分析发现，均相反应处于扩散/动力学控制区(0.1<>_t,max<0.6)，而char氧化(Da_s-O2=0.73-1.43)受扩散/动力学共同控制，char气化(Da_s-CO2=0.002-0.014)则完全由动力学主导。降低v_sec会减弱湍流输运，促进char氧化的扩散效应，同时提升气化反应的动力学效应。

4.3 char燃尽特性
在典型工况下，char气化贡献超过40%。当v_sec从100.7 m/s降至52.8 m/s时，char氧化比例减少12%，而CO₂/H₂O气化比例分别增加8%和4%，合成气(CO+H₂)峰值浓度提升35%，形成更强的还原性气氛。

4.4 NO_x排放特性
研究揭示了NO生成的三阶段特征：初期燃料-N快速氧化形成峰值(X_NO,max)，中期O₂贫乏区(X_O2<1%)发生NO再燃，后期未燃尽燃料-N二次氧化。通过优化v_sec和S，可使出口NO浓度降低26%，其中char-H₂O气化与NO减排的线性相关性(R²=0.99)尤为显著。

该研究首次系统阐明了煤粉MILD燃烧中空气喷射条件-多相反应-NO_x排放的关联机制，证实通过调节v_sec和S可协同优化燃烧效率与减排效果。特别是发现char-H₂O气化对NO_x再燃的促进作用优于CO₂气化，为开发新一代低NO_x燃烧器提供了理论依据。研究成果发表于《Fuel》，对推动煤炭清洁利用技术工业化具有重要指导价值。