燃料分级燃烧和再燃对NH?/CH?/空气旋流火焰中NO?排放的影响

《Combustion and Flame》：Effects of fuel-staging and reburning on NO x emissions from NH 3/CH 4/air swirling flames

燃料分级与再燃对氨气/甲烷/空气旋流燃烧器中NOx及未燃氨排放的影响研究。通过调节氨摩尔分数（0.3-1.0）和当量比（0.6-1.0），结合不同高度（H1/H2/H3）的二次燃料喷射，发现分级燃烧在XNH3=0.3时全工况具有热脱硝效应，XNH3=0.6时喷射比超过阈值后NO排放回升，且喷射高度与火焰温度呈负相关，H3位置虽降低NO但导致未燃氨逃逸。氨分级较甲烷更高效减排。化学反应网络分析表明延长主燃区停留时间及降低次燃区温度可协同减排，但过低温易生成N2O和氨逃逸。

　　

王世兴|陈景业|Ayman M. Elbaz|王志华|William L. Roberts

浙江大学清洁能源利用国家重点实验室，中国杭州310027

摘要

高级再燃（AR）是一种利用燃料分级和热脱硝（thermal de-NO_x）技术来减少现代燃煤锅炉或燃气轮机中NO_x排放的方法。氨（NH₃）被视为实现碳中和目标的一种有前景的无碳燃料。然而，NH₃在旋流火焰中的排放特性会受到再燃和燃料分级强烈影响。本研究探讨了在燃料分级旋流燃烧器中NH₃/CH₄/空气混合物的NO_x和未燃尽氨的排放情况。氨的摩尔分数（X_NH3）范围为0.3至1.0，总当量比（?）范围为0.6至1.0。二次燃料喷射比例（η）从0增加到X_NH3，直至主火焰熄灭。采用了三种不同的二次燃料喷射位置（H1/D = 1.7、H2/D = 2.5和H3/D = 3.4，其中D为燃烧器出口直径），以代表不同的火焰温度。当X_NH3 = 0.3时，无论η值如何，二次燃料喷射均具有热脱硝效果；而当X_NH3 = 0.6时，二次燃料喷射起初会减少NO_x排放，但随着η值的增加，NO_x排放反而会增加。随着燃料喷射高度的提高，NO_x的减少效果更为显著，但由于火焰温度降低和停留时间缩短，N₂O排放及未燃尽氨逐渐增加。同时对比了甲烷和氨的燃料分级效果，结果表明氨分级在减少NO_x排放方面更为有效。NO-PLIF（光致离解火焰成像）测量显示，在最高喷射位置NO_x排放先减少后增加，这与实际测量结果一致。化学反应网络（CRN）分析表明，延长主反应区的停留时间和降低次级反应区的温度可以有效减少NO_x和N₂O排放；但次级反应区温度过低会导致大量N₂O排放和未燃尽氨的泄漏。结合燃料分级和再燃技术可能是未来实现极低NO_x和未燃尽氨排放的一种有前景的方法。

章节摘录

创新性与重要性声明

本研究是首次针对NH₃/CH₄/空气旋流火焰中的燃料分级燃烧进行实验研究，重点关注NO_x排放和未燃尽氨的泄漏问题。研究生成了在不同氨摩尔分数和总当量比下的全面定量数据集。二次燃料喷射比例从0增加到X_NH3，直至主火焰熄灭。通过火焰内温度测量和NO-PLIF技术分析了燃料分级对热过程和化学过程的影响。

燃烧器结构

图1展示了燃烧器的三维等轴视图、旋流燃烧器示意图以及化学反应网络模型。预混燃料/空气流从燃烧器底部的两侧入口管进入，经过装有蜂窝板的流动调节段形成均匀的总体流态，最后通过内径为23毫米的收敛段排出。旋流运动通过可调节的轴向旋流器实现。

燃料分级比例和燃料喷射位置的影响

图2显示，在X_NH3 = 0.3的条件下，所有燃料分级方案均比非分级方案减少了NO_x排放。比较不同当量比时，NO_x排放峰值出现在? = 0.8时。图2还表明，在三种不同的燃料喷射高度下，NO_x排放量依次为H1>H2>H3；但需要注意的是，在所有燃料分级方案中，H3情况下有大量的未燃尽氨从系统中泄漏。

结论

本文研究了燃料分级和二次燃料喷射位置对NH₃/CH₄/空气旋流火焰中NO_x排放及未燃尽氨的影响。两阶段燃烧过程中的NO_x排放显著受到主燃料流量与二次燃料流量比例的影响。比较不同氨含量的燃料混合物时，在X_NH3 = 0.3时，二次燃料喷射始终具有热脱硝效果；而在X_NH3 = 0.6时，二次燃料喷射的作用则有所不同。

作者贡献声明

王世兴：撰写初稿、数据整理、概念构思。陈景业：实验研究、数据分析、数据分析。Ayman M. Elbaz：方法论设计、实验研究、数据分析。王志华：撰写修订稿、验证结果、项目监督、资金筹措。William L. Roberts：撰写修订稿、资源协调、项目监督、资金筹措。