层流与湍流多燃料空气/氧燃料火焰中OH*自由基化学发光对比及其对NOX生成的影响研究

为解决工业燃烧过程中温室气体排放与氮氧化物生成控制问题，研究人员开展OH*化学发光在层流/湍流多燃料燃烧中的对比研究，发现湍流效应远超过化学动力学影响，氧燃料燃烧强度比空气燃料高2个数量级，为氢能燃烧器设计与NOX减排提供关键理论依据。

　　

工业燃烧过程是全球温室气体排放的重要来源，据欧盟委员会统计，2023年工业燃烧领域贡献了全球17%的温室气体排放。面对严峻的碳减排压力，氢能富集天然气和纯氢燃料被视为实现高温工业过程脱碳的关键路径。同时，氧燃料燃烧技术因其能提升能源效率并实现碳捕集，也受到广泛关注。然而，燃料与氧化剂的切换会导致工业非预混燃烧过程的不稳定性，如何通过有效监测手段优化燃烧过程并降低污染物排放，成为当前研究的重要挑战。

在这项发表于《Fuel Processing Technology》的研究中，格拉茨工业大学的Stefan Schwarz团队通过结合实验室尺度的层流火焰与半工业尺度的湍流火焰实验，首次系统对比了多燃料多氧化剂燃烧条件下OH*化学发光特性及其与NO_X生成的关联机制。

研究采用了几项关键技术方法：首先使用1 kW预混层流McKenna平板火焰燃烧器进行基础研究，结合ANSYS Chemkin-Pro软件进行1D反应动力学模拟，扩展GRI-Mech 3.0机理加入了OH生成与淬灭反应子机制；其次在半工业规模试验炉（最高150 kW）中采用Messer Oxipyr Hydroflex多燃料多氧化剂燃烧器进行湍流燃烧实验，涵盖50-100 kW热输入功率；采用LaVision M-lite CCD相机配合IRO X图像增强器和310 nm紫外滤光片进行OH化学发光成像，通过1000张图像平均和背景噪声扣除处理确保数据可靠性；同时使用ABB advanced optima气体分析仪监测O₂、CO₂、CO、NO、NO₂和N₂O排放。

4.1. 平板火焰燃烧器结果

通过层流火焰实验与模拟对比发现，CH₄-空气燃烧产生最强的OH化学发光强度，而氢燃料和氧富集条件使强度降低4个数量级。反应路径分析表明，R2反应（CH + O₂ → CO + OH）是CH₄燃烧中OH主要生成路径，而氢燃烧中仅能通过R1反应（H + O + M → OH+ M）生成OH*，且水分淬灭效应（R8反应）在氧燃料条件下显著增强。

4.2. 湍流燃烧研究结果

与层流火焰相反，湍流燃烧中氧燃料工况显示出最强的OH强度，比空气燃料高2个数量级。氢-空气火焰因燃料喷射速度提高3.49倍而呈现延迟混合特性，形成中心低OH区域，火焰长度增加26.6%，最大强度降低68%。有趣的是，氢-氧与天然气-氧燃烧表现出相似的火焰形态和温度分布（仅差1.5K），表明现有氧燃料燃烧器可直接适配氢燃料。

4.2.1. 燃烧器功率变化

功率从50 kW增至100 kW时，天然气-空气火焰强度增加84.9%，而氢-空气仅增加29.5%。氧燃料燃烧中，氢火焰强度随功率增加而降低，这与高速流动下的碰撞淬灭增强有关。

4.2.2. 燃料氢含量变化

氢富集达75 vol%时，空气火焰开始出现中心低OH*区，燃料流速增加2.2倍而氧化剂流量仅降8%。氧燃料火焰形态对氢含量变化不敏感，显示更好的燃料适应性。

4.2.3. NO_X排放与OH化学发光对比*

氢富集至100%时，NO_X排放（按mg/kWh计）仅增加32.6%，中低富集度（20-50%）甚至略有降低。OH*强度分布直方图显示氢火焰中高强度区域(>0.6 I_max)比例增加，但峰值温度降低有利于控制热力型NO_X生成。

4.3. 综合结果解读

湍流燃烧中混合时间尺度(τ_t)远小于化学时间尺度(τ_c)，湍流达姆科勒数(Da_t = τ_t/τ_c)远大于1，使湍流效应主导化学效应。这表明实验室层流火焰结果不能直接外推至工业湍流燃烧过程。

研究结论表明，层流火焰中化学动力学主导OH生成，而湍流燃烧中混合过程的影响远超过化学反应本身。氧燃料燃烧产生的OH强度比空气燃料高2个数量级，且氢-氧与天然气-氧燃烧表现出高度相似的火焰特性，这意味着现有天然气氧燃料燃烧器可直接用于氢燃烧，极大降低了工业设备改造成本。研究发现的低 swirl 空气燃烧器在氢燃料应用中的局限性，为多燃料燃烧器设计提供了重要指导。OH化学发光成像技术被证明是优化燃烧过程和降低NO_X排放的有效诊断工具，尽管在不同燃料-氧化剂组合间的定量比较需谨慎。新开发的OH子机理为后续湍流燃烧模拟奠定了坚实基础，研究成果对推动工业燃烧过程脱碳和氢能经济转型具有重要意义。