合成气入口位置对生物质热解器中无焰燃烧优化的分析

《Fire》：Analysis of Syngas Inlet Position for Optimization of Flameless Combustion in a Biomass Pyrolyzer

　　

研究人员开发了一种名为生物炭炉（Biochar Oven）的新型生物质热解器，采用无焰燃烧（flameless combustion）技术，在热解反应器中提供均匀高温。研究人员构建了无焰燃烧的计算流体动力学（CFD）模型，分析燃料入口深度如何控制反应及对垂直生物质热解反应器的传热。燃烧室采用k–ε湍流模型、离散坐标（discrete ordinates, DO）辐射模型及包含反应的组分输运进行建模。研究人员改变燃料喷嘴相对深度比（RDR）与当量比（ER），以优化燃烧和传热性能。计算内部再循环比（Z）评估无焰燃烧条件，每个ER下最大值通常出现在RDR 0.73处。增加深度使混合区更靠近反应器壁。在ER为0.9且RDR为0.73时，壁面热流高达16.36 kW m^-2，平均反应器壁温达900 °C，传热效率达59.79%。这些流动模式及燃烧室–反应器结果表明，较深的喷嘴插入（RDR 0.73）通过改善再循环强度、壁面热流和传热效率，同时降低CO排放，提供更优的整体性能。

**论文解读：合成气入口位置对生物质热解器中无焰燃烧优化的CFD分析**

**研究背景与问题**
随着全球能源需求增长，化石燃料储量枯竭及温室气体排放问题加剧，生物质作为替代能源受到关注。生物质热解可产生生物炭、合成气等高附加值产品，但传统热解系统存在传热效率低、温度不均等问题，影响产物收率与稳定性。无焰燃烧（flameless combustion）通过稀释反应物和强再循环实现均匀高温、低排放，适用于热解器供热。然而，燃料入口位置对无焰燃烧与热解反应器耦合传热的影响尚缺乏系统研究，现有CFD模型多独立分析燃烧或热解，缺乏集成模拟。为此，研究人员开发了三维CFD模型，分析不同燃料入口深度（以相对深度比RDR表征）和当量比（ER）下无焰燃烧的传热性能，旨在优化生物炭炉（Biochar Oven）的设计与运行。该论文发表在《Fire》。

**关键技术方法**
研究人员采用ANSYS Fluent (2023 R2) 建立燃烧室CFD模型。核心方法包括：1）使用雷诺平均Navier–Stokes（RANS）方程结合标准k–ε湍流模型模拟湍流混合；2）采用离散坐标（DO）辐射模型计算辐射传热；3）通过组分输运模型（species transport）模拟合成气（BOG）与空气的燃烧反应，采用简化全局反应机理（CH₄部分氧化、CO与H₂完全氧化）；4）基于实验生物炭炉（连续进料50 kg/h）数据设置边界条件，包括反应器壁（6 mm钢质，混合对流-辐射边界）、炉膛外壳（100 mm石膏）及质量流量入口/压力出口；5）通过网格依赖性分析（对比高、中、低密度网格，采用网格收敛指数GCI验证）确保数值精度，最终选用中等密度网格。性能参数包括传热效率（η）和内部再循环比（Z）。

**研究结果**

**3.1 无焰炉内的热流体现象**
通过CFD模拟速度场、燃料路径迹线、温度分布、氧浓度及CO浓度，研究人员发现：空气射流高速动量驱动燃烧气体内循环，燃料喷嘴深度（RDR）不影响整体动量但改变混合与反应结构。RDR增大时，燃料射流深入燃烧室下部，引发多次再循环，延长停留时间（从0.6 s增至2.4 s），促进充分反应。再循环比（Z）计算显示，ER较低（空气量较大）时Z更高，且RDR 0.73时Z达最大值。温度分布表明，RDR从0.28增至0.73，高温区域从远离反应器壁处下移并贴近壁面，增强传热。氧浓度分布确认反应区随RDR增大向下扩展并接触反应器壁，CO（不完全燃烧产物）集中于底部，顶部浓度骤降，表明燃烧更完全、排放更低。

**3.2 向热解反应器的传热**
通过实验数据验证（反应器壁温与炉膛温度对比，ER 0.9时模拟与实验值吻合良好），研究人员进一步分析传热特性。RDR 0.28–0.73时，反应器表面高温区向上扩展并向壁面偏移，最高温度从1300 K升至1500 K。传热效率（η）随RDR增大及ER接近1而提高：ER≥0.8且RDR≥0.65时η显著上升，最优条件为RDR 0.73、ER 0.9，此时η达59.79%，平均壁面热流16.36 kW m^-2，平均壁温900.87 °C。RDR加深使高温核心区下移、边界层增厚，增强辐射与对流换热；同时再循环稀释与预热作用使燃烧转为体积分布反应，温度均匀性提升，CO排放降低。

**总结讨论**
研究结论指出：燃料入口深度（RDR）与当量比（ER）协同控制无焰燃烧传热性能。较深的喷嘴插入（RDR 0.73）配合稍贫燃状态（ER 0.9）可实现最佳气动平衡，最大化内部再循环，将反应区移至壁面附近，提高热流与传热效率（59.79%）并减少CO排放。该CFD模型为生物炭炉热解过程提供了外部热源边界条件（壁面热流与温度），未来可进一步细化反应器内传热传质预测。研究局限性在于未讨论反应器内部现象，但为优化燃烧器设计、提升系统能效与稳定性提供了理论基础。