氢气富集条件下高速燃烧器辐射特性、NOx排放及适应性的数值研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation of radiation characteristics, NOx emissions, and adaptability in a high-speed burner with hydrogen enrichment

　　

张岩|陈志光|马欣|张亚东

中国上海同济大学

摘要

为了研究氢气掺入对燃烧特性的影响，研究人员在配备微混合器的180千瓦高速燃烧器上进行了富氢燃烧实验，并采用了计算流体力学模拟。随着氢气掺入比例从0%上升到50%，火焰形态从钝形逐渐变为细长的针状，燃烧器头部温度则从653开尔文上升至1312开尔文。炉膛最高温度与NO_x排放量之间存在显著关联，后者浓度在29到45 ppm之间，且在氢气掺入比例为45%时达到最大值。氢气掺入还增强了辐射传热作用，由于水蒸气浓度和燃烧温度的升高，总入射辐射强度增加了约18%。当氢气掺入比例低于20%时，燃烧器能够保持稳定运行。本研究为富氢工业燃烧系统的设计与优化提供了参考。

引言

在全球向低碳能源转型的背景下，氢气因其零排放特性以及与可再生能源的兼容性，已成为实现碳中和的关键能源载体[1]。与此同时，天然气依然是减缓气候变化的重要过渡燃料[2]。作为工业窑炉的核心部件，高速燃烧器以100-200米/秒的喷射速度工作，以此促进气体卷吸和内部循环，进而提升传热效率与温度均匀性。在“双碳”目标框架下，向天然气中掺入氢气已成为工业热处理领域减少碳排放的重要途径。然而，氢气与天然气在层流火焰速度、绝热火焰温度及辐射特性等方面存在显著差异，因此需要进一步研究。研究高速燃烧器中的富氢燃烧现象，不仅有助于了解高湍流条件下的火焰形态变化，还能帮助评估热态NO_x排放及回火风险。这些研究成果为现有工业燃烧器的适应性改造及燃烧策略优化提供了重要的科学依据。

氢气掺入会显著改变燃烧器火焰的几何形态。当氢气比例达到50%时，火焰表面从明显的波浪状变为更为平滑的形态。火焰核心区域在喷嘴下游迅速扩张。燃烧纯氢气时，火焰宽度几乎是燃烧天然气时的两倍，而长度基本保持不变[3]。Rajpara等人[4]认为，在相同的功率输入条件下，高氢浓度燃烧产生的火焰更短且更宽。在温度方面，有研究指出[5]，当氢气掺入比例从0%上升至100%时，火焰内部峰值温度的轴向位置会向燃烧室入口方向移动约56.10%。同时，当当量比增加时，平均温度先上升而后略有下降，温度均匀性则提升了3.34%至4.80%。关于高温辐射，Zhou[6]针对高氢燃料提出了一种新的灰气体加权求和模型，该模型在模拟氢气/天然气混合物的辐射传热方面表现出优异的适用性。此外，Zenou等人[7]将通过对流、化学反应和辐射的特征时间比所对应的耦合数整合到一维辐射模型中，实现了较高的预测精度。

氢气掺入对燃烧器污染物排放的影响较为显著。随着氢气比例的增加，CO和CO₂的排放量显著下降，但NO_x排放量的变化则呈现非线性特征。Meziane[8]通过研究证明，在燃烧器中掺入10%体积分数的氢气天然气，可使CO排放量降低60%，CO₂排放量降低14%。Salc?[9]发现，将20%的氢气掺入天然气中，可使CO排放量降低约5.8%。Hurren[10]研究了发动机停机时的低浓度氢气混合燃烧现象。实验结果表明，与RNG燃料相比，1%和3%浓度的氢气燃料可降低发动机尾气中的NO_x排放量，不过排气管处的NO_x排放量却有所上升。另有研究[11]表明，当氢气比例从60%上升至80%时，与纯甲烷燃烧相比，实验观测点处的NO峰值浓度分别上升了24.21%和79.47%。Al-ajmi[12]通过研究证明，50%氢气混合燃烧可使NO_x排放量降低5.39×10^?6。Coskun[13]通过实验比较了20%氢气燃料混合物与纯甲烷在冷凝锅炉中的表现，发现烟气排放量有所下降，NO_x排放量从19毫克/千瓦时降至12毫克/千瓦时。Park[14]运用化学动力学方法分析了氢气对甲烷-空气预混燃烧过程中氮氧化物生成的影响，他认为氢气增强了NO和NNH的生成机制，同时削弱了N₂O的生成机制。

富氢燃烧面临的主要稳定性问题是回火风险，这一风险与氢气的高燃烧速度密切相关。Wan[15]提出了一种通过检测峰值温度来判断是否发生回火的方法，该方法适用于多孔介质家用燃烧器。研究表明，当氢气掺入比例超过40%时，多孔介质中会发生一系列反应，导致OH自由基浓度急剧上升，最终引发回火现象。Ali[16]发现，当氢气浓度从15%上升至20%时，火焰的回火形态会从扁平状变为倒V形；而当氢气浓度达到60%时，火焰又会恢复为扁平状。Tao[17]研究了氢气掺入比例为20%时的热声不稳定性与回火现象同时出现的情况。Mohamadi[18]则研究了氢气对燃烧回火的影响，其研究结果表明，压力升高以及氢气含量增加都会导致火焰向上游移动并变薄。燃烧器对富氢燃料的适应能力与其结构设计密切相关。微混合燃烧器结合了预混燃烧和扩散燃烧的优点，通过分布式的微喷嘴实现快速混合，不仅能提升燃烧效率，还能增强抗回火能力，因此在高氢含量条件下表现出良好的适应性[19]。Lei[20]设计了一种旋流微混合燃烧器，该燃烧器能够增强氢气与空气的混合，从而缩小火焰尺寸并降低NO_x的生成量，进而提高其对高氢燃料的适应能力。

尽管氢气燃烧的基本机制已得到广泛研究，但关于高速燃烧器对氢气掺入的适应能力的研究仍然有限。为了更好地发挥高速燃烧器在氢气燃烧中的应用优势，本研究旨在评估其在富氢条件下的性能。具体而言，本研究重点探讨氢气掺入对配备微混合器、空气旋流装置及扰流装置的工业高速燃烧器的影响。分析内容涵盖了不同氢气掺入比例下NO_x排放特性、火焰形态的变化，以及燃烧产物对气体辐射特性的影响。通过确定燃烧器对氢气的适应极限，本研究为现有工业燃烧设备向基于氢气的能源系统转型提供了技术指导。

章节节选

实验装置

本研究选择了180千瓦的高速燃烧器作为研究对象。该燃烧器由钢材和碳化硅陶瓷材料构成，由于其具有出色的耐高温、抗氧化、耐腐蚀及耐磨性能，能够在高达1600-1700摄氏度的环境中正常工作，如图1(a)所示。

图2(b)展示了该高速燃烧器的详细结构。该燃烧器采用同轴双层结构，包含空气通道、燃料通道、隔板等组件

模型与数值网格

图3展示了燃烧器及其燃烧区域的几何模型。为满足工业设备的正常运行要求，必须防止回火现象，因此该燃烧器没有设置二次空气进口。在计算过程中，工业设备的热输入量保持恒定，且仅考虑甲烷和氢气作为气体成分，过量空气系数设定为1.1。通过改变氢气掺入比例，可计算出燃烧特性及污染物排放情况

火焰分析

模拟结果显示，在燃烧头部位（z=0.00米），当氢气比例在0%到30%之间变化时，计算得到的温度保持在650开尔文到700开尔文之间。而当氢气比例从30%上升至50%时，计算温度则从702开尔文升至1312开尔文。在燃烧室内，随着氢气比例的变化，计算得到的温度大致保持在2200开尔文左右。在相同的氢气掺入条件下，不同轴向位置的

结论

本研究采用了结合GRI 3.0反应机制、EDC燃烧模型以及MC辐射模型的计算流体力学模型，分析了氢气掺入比例在0%到50%范围内，180千瓦工业高速燃烧器在燃烧过程中的火焰形态分布、NO_x排放性能以及辐射特性。此外，本研究还确定了该燃烧器对氢气掺入的适应范围，为工业燃烧应用提供了有益参考。以下是

CRediT作者贡献说明

张岩：数据整理、研究实施、方法设计、软件应用、结果验证、初稿撰写、论文修订。陈志光：资源提供、研究指导。马欣：数据整理、研究实施、结果可视化。张亚东：研究实施、结果验证、结果可视化、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。