利用SF6示踪技术对热解气体燃烧器的喷射与混合行为进行的实验研究

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Experimental Study on Injection and Mixing Behavior of Pyrolysis Gas Burners by Means of SF 6 Tracer Technology

通过SF6示踪法研究废塑料裂解气燃烧器喷射与混合特性，发现旋流燃烧器中涡流强度增强缩短混合长度并提高径向均匀性，间隔板可抑制内外气流相互作用；轴向流动中火焰持留器开口面积比与空气流速差增大改善混合但影响稳定性，孔隙喷嘴和高速喷射扩展混合区并降低火焰峰值温度。验证了SF6示踪法在冷流诊断中的可靠性，为高效低排放工业应用提供技术支撑。

　　

赵家宝|徐江荣|叶旭新|徐健|袁定坤|凌忠倩|刘茂生

中国吉利朗大学，杭州，310018，中华人民共和国

摘要

在全球向低碳能源系统转型的背景下，热解气体作为一种可再生、低碳的替代燃料在工业燃烧中得到了广泛应用。热解气体富含氢气、一氧化碳和轻质烃类，具有中等的热值、稳定的燃烧性能以及显著的环境和经济优势。然而，其复杂的成分和热值波动对燃烧器的适应性、混合均匀性和低NO_x排放性能提出了严格要求。为了解决这些问题，本研究采用了SF₆示踪方法来研究热解气体燃烧器的喷射和混合特性。结果表明，该方法具有较高的空间分辨率和检测精度，能够有效捕捉复杂的流动混合行为。在旋流燃烧器中，较强的旋流强度可以缩短混合长度并提高径向均匀性，而内外气流之间的间隔层可以抑制流间相互作用；在轴流燃烧器中，增大火焰挡板的开口面积比和空气速度差可以改善混合效果，但可能会影响燃烧稳定性。多孔喷嘴进一步促进了燃料与空气的混合，较高的喷射速度扩展了混合区域，降低了火焰峰值温度。这些发现证实了SF₆示踪方法在冷流诊断中的可靠性，并为优化燃烧器设计和燃烧控制提供了关键数据。研究结果为热解气体在工业加热和废热利用中的高效、低排放应用奠定了技术基础。通过CFD模拟验证了使用SF₆示踪气体的冷流实验结果，验证了SF₆示踪方法在研究燃烧器喷射混合过程中的有效性。

章节摘录

引言

在全球追求碳中和和可持续能源转型的背景下，由于热解气体具有可再生性和显著的碳减排潜力，它已成为工业加热和废热利用领域的一种有前景的低碳燃料[1]、[2]。作为一种富含H₂、CH₄和CO[3]、[4]的多功能气体燃料，热解气体具有中等到高的热值，可以在现场生产且不会产生额外的碳排放。这些特点使其成为

燃烧器冷流测试系统

如图1所示，实验装置包括空气供应系统、实验燃烧器、测试设备和SF₆示踪系统。空气供应系统使用高压离心风机向实验燃烧器的管道输送高速气流，每个管道都装有蝶阀以调节气流，SF₆可以分别定量添加到各个管道中。炉膛通过法兰连接与燃烧器相连。

中心气流与主流气流的混合

图10展示了基于SF₆示踪剂的中心喷射流与主流气流之间的混合特性。中心气流的浓度在喷嘴附近最高，随后迅速沿轴向衰减；当X/D > 1时浓度急剧下降，而径向扩散主要局限于R/D = 0.5范围内，呈现出对称分布。高浓度区域（X/D < 1.0, R/D < 0.5）由等浓度线界定

模型设置

选择了一个带有30°旋流叶片的旋流燃烧器（图2）作为代表性的工作条件进行冷流CFD验证研究，研究中采用了物种传输模型和k-ε湍流模型。为了确保验证结果的可比性，数值模拟中的几何模型、边界条件、SF₆喷射比例等设置与冷流实验中的参数保持一致。同时，CFD数值采样也与实验结果相匹配

结论

本研究采用SF₆示踪方法对热解气体燃烧室进行了冷流实验，实验研究了燃烧器各喷射流的混合特性（包括旋流和轴流）以及燃料气体与燃烧空气之间的混合过程。分析了关键结构和操作参数对气体混合的影响，主要结论如下：

1.

SF₆

示踪方法具有较高的准确性和抗干扰能力

CRediT作者贡献声明

刘茂生：撰写 – 审稿与编辑。徐健：正式分析。叶旭新：数据整理。徐江荣：资源提供。赵家宝：初稿撰写。凌忠倩：软件开发。袁定坤：方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金[项目编号LQZSZ24E060002]和浙江省“先锋”及“领头雁”研发计划[项目编号2023C01124]的共同支持。

注释

作者声明没有其他财务利益冲突。