CN117722698A - 一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无焰燃烧减排技术领域，提供一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法及系统，方法包括：步骤1：利用PSR、PFR以及OFR，或CFD进行等效化，构建对应的分区低排放无焰燃烧装置的理论模型，创建燃烧仿真方案；步骤2：选定燃料、氧化剂种类，对上游带烟气回流常规无焰燃烧区域和下游平推流无焰燃烧区域的数据进行组合，通过参数化计算进行优选，在燃烧室内形成烟气回流区域和平推流区域；步骤3：若上游需与分级无焰燃烧或其他无焰燃烧方式相结合，选择合适的分级级数范围、富氧程度、催化方式，对数据进行优选；步骤4：基于最佳方案，结合实际应用情况进行燃烧。本发明能较佳地进行分区低排放无焰燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及无焰燃烧减排技术领域，具体地说，涉及一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法及系统。
背景技术
目前，燃烧仍然是电力生产、动力和推进等过程的主要能量转换方式，研发高效、清洁的先进燃烧技术对全球经济发展和环境保护具有重要意义。在众多的新型燃烧技术中，与传统燃烧相比，无焰燃烧(Flameless combustion，也称MILD combustion)技术具有污染物排放量低、温度分布均匀、稳定性好、燃烧噪声小等典型特征。上述特点使得无焰燃烧受到了燃烧学界的重点关注，也成为了未来高效低排放燃烧技术的发展方向之一。
相比于传统燃烧，无焰燃烧方案可以有效降低燃烧中的污染物排放，其中氮氧化物(NOx)的减排效果可以达到70％以上。例如，中国专利申请CN202310131219.4公开了一种燃烧锅炉装置，通过在锅炉中添置持续进行无焰燃烧的内燃烧室的方式，使得锅炉在供热负荷变化较大时无需频繁启停，从而达到节能减排的目的。中国专利申请CN202210120985.6公开了一种无焰燃烧航空发动机，利用双循环气路实现空气预热和烟气稀释，以建立和维持燃烧室内的无焰燃烧。另一方面，在全球碳减排的大背景下，氢氨燃料、生物燃料等可再生燃料的应用逐渐受到重视，但无焰燃烧技术应用于这些燃料的高效清洁燃烧中仍需改进。已有研究表明，这些燃料的无焰燃烧中，燃料氮导致NOx排放高的问题仍待解决，尤其是氨燃料的无焰燃烧，降低NOx排放和减少氢氨逃逸之间存在显著的矛盾。当前公开的解决方案有采用无焰燃烧与分级燃烧相结合，形成分级无焰燃烧，通过富燃-贫燃的组合方式，降低NOx排放的同时提高燃尽度，如中国专利申请CN202310322747.8；或者进一步结合富氧燃烧技术，大幅度减少氧化剂中的氮气以降低NOx生成，如中国专利申请CN201911283349.X；或者进一步结合催化燃烧提高燃料活性使得无焰燃烧的实现更为稳定，如中国专利申请CN202111392204.0。
可见，现有无焰燃烧技术主要通过燃烧器预燃和烟气循环等方式实现无焰燃烧，结合已有的分级燃烧、富氧燃烧、催化燃烧等技术，重点着眼于降低NOx的排放，而对燃烧室设计和燃烧后其他污染物的排放优化缺乏关注。实际上，更进一步的无焰燃烧综合减排困难重重。尤其是在高燃烧强度的无焰燃烧工况下(>500kW/m3)，降低氮氧化物(NOx)排放的方法常常会导致碳氧化物(COx)和未燃尽碳氢化合物(UnburnedHydrocarbon，UHC)排放的增加。中国专利申请CN202180087691.1在公开的一种用于电力生产或能源热电联产装备的燃烧设备中考虑了通过无焰燃烧进行NOx和CO的同步减排，但需要在燃烧室内增加燃烧管、套筒及端壁等部件以形成较为复杂的回流。上述提及的公开技术，或未能充分考虑燃烧污染物的综合减排，或增加了系统复杂度以及制造运维成本，难以满足工业锅炉、燃气轮机、航空发动机等应用中的先进燃烧需求。因此，需要进一步发展燃烧室结构简单紧凑、燃烧操作方式便捷、具备燃料灵活性、适用于不同燃烧强度且综合排放低(NOx、COx、UHC以及氢氨逃逸)的无焰燃烧技术及燃烧装置。
发明内容
本发明的内容是提供一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法及系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法，其包括以下步骤：
步骤1：结合实际应用情况利用化学动力学充分混合反应器PSR、化学动力学平推流反应器PFR以及对冲燃烧反应器OFR化学反应动力学基本模型，或者计算流体力学CFD模型进行等效化，构建对应的分区低排放无焰燃烧装置的理论模型，创建燃烧仿真方案；
步骤2：基于实际应用情况，选定燃烧所需的燃料、氧化剂种类，利用燃烧仿真程序对上游带烟气回流常规无焰燃烧区域和下游平推流无焰燃烧区域的燃料注入量Qf、燃料纯度、氧化剂注入量Qox、氧化剂纯度、氧化剂预热温度Tox、全局当量比Φ、燃烧室温度T、停留时间τ、压强P、烟气回流比例Kν、燃烧室长度数据进行不同的组合，通过参数化计算进行优选，在燃烧室内形成烟气回流区域和平推流区域；
步骤3：若上游需与分级无焰燃烧或其他无焰燃烧方式相结合，基于步骤2中得到的带烟气回流的常规无焰燃烧区域的全局方案以及优选方法，结合实际应用情况选择合适的分级级数范围、富氧程度、催化方式，利用燃烧仿真程序对分级级数、每一级的燃料注入量Qf,n、每一级的燃料纯度、每一级的氧化剂注入量Qox,n、每一级的氧化剂纯度、每一级的氧化剂预热温度Tox,n、每一级的稀释剂纯度、每一级的催化剂种类、每一级的当量比Φn、每一级的燃烧温度Tn、每一级的停留时间τn、每一级的压强Pn、每一级的烟气回流比例Kν,n、每一级的几何形状数据进行优选；
步骤4：基于步骤2或步骤3中的最佳方案，结合实际应用情况进行燃烧。
作为优选，步骤1中，具体为：
步骤1.1：通过设计足够大的燃烧室的长径比，与燃料和氧化剂的进口速度进行匹配，使得燃烧室流场上游的烟气回流无焰燃烧区域充分发展，无法在更下游维持烟气回流的流场结构，转而形成类似平推流的流场结构，因此实现分区燃烧的流场控制；
步骤1.2：上游的单级或多级带烟气回流的常规无焰燃烧区域通过流体仿真或者化学动力学充分混合反应器PSR模型配合烟气回流设置对燃烧状态进行模拟；
步骤1.3：下游的平推流无焰燃烧区域通过流体仿真或者化学动力学平推流反应器PFR模型对燃烧状态进行模拟。
作为优选，步骤2中，具体为：
步骤2.1：所有参数的改变范围需要基于实际应用情况，优选每一项参数时，基于正交参数计算的原则，以烟气中NOx、COx、UHC以及氢氨体积分数折算至相同氧浓度条件作为对比，依据污染排放对参数变化的响应规律优选最佳参数组合；为了实现分区无焰燃烧，燃烧方案采用直喷射流或旋流的反应物入射方式，主反应区内射流的当地流速应当大于当地预混反应物的湍流燃烧速度；
步骤2.2：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，需要保持平推流反应器的直径与上游最后一个充分混合反应器的直径相同；
步骤2.3：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，先把平推流反应器的长径比取长，最后选取排放最为合适的长径比作为优选工况；
步骤2.4：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，如果需要结合分级燃烧，平推流段的工况与长径比的优选在步骤3进行，以节省计算资源，加快优选速度。
作为优选，步骤3中，具体为：
步骤3.1：与分级燃烧相结合时，优选分级级数为1～4；
步骤3.2：优选每一级的燃料、氧化剂注入量时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂总量应当与步骤2中优选得到的燃料、氧化剂注入量相同；
步骤3.3：优选每一级的燃料、氧化剂纯度时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂、稀释气体等成分的总量应当与步骤2中优选燃料、氧化剂纯度时得到的各成分注入的总量相同；
步骤3.4：优选每一级的当量比Φn时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂总量应当满足步骤2中优选得到的全局当量比Φ的约束；
步骤3.5：优选每一级的氧化剂预热温度Tox,n、每一级的燃烧温度Tn、每一级的压强Pn、每一级的烟气回流比例Kν,n时，以步骤2中优选得到的氧化剂纯度、压强P、烟气回流比例Kν数据作为基准，以节约计算量。
本发明提供了一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧系统，其采用上述的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法。
本发明提出一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方式及装置，通过合理设置边界条件和燃烧室长径比AR(即燃烧室长度L与燃烧室横截面等效直径D的比值，AR＝L/D)，在燃烧室的上游形成带烟气回流的常规无焰燃烧区域，在下游形成平推流无焰燃烧区域，燃烧室中不同种类的无焰燃烧同时存在，形成分区的无焰燃烧。在烟气回流的常规无焰燃烧区域中，可以通过合理地优选燃烧工况，实现最低的氮氧化物(NOx)和碳氧化物(COx)排放；针对常规无焰燃烧降低NOx和COx排放导致的未燃燃料(如NH3、H2)、未燃碳氢(UHC)排放量大幅度上升的问题，下游的平推流无焰燃烧区域在合适的优选长度下可以将上游的未燃燃料与未燃碳氢基本燃尽，同时维持原有的氮氧化物(NOx)和碳氧化物(COx)排放水平或进一步减排。通过烟气回流与平推流的组合，在相同的燃料使用量和燃烧室体积条件下可显著降低燃烧污染物的排放和燃烧尾气中未反应燃料的含量。与分级燃烧不同的是，本发明提出的分区无焰燃烧无需多级反应物入口或多级烟气出口，但本燃烧方式的上游无焰燃烧不限于常规的烟气回流无焰燃烧，可与分级无焰燃烧、富氧无焰燃烧、催化无焰燃烧、掺混无焰燃烧等多种燃烧方式进行有机结合，并进行相应的工况优选，以满足实际应用中对燃烧性能与燃烧排放的要求。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1)本发明在无焰燃烧固有的低排放、低噪音等优点下实现了多种燃料的进一步燃烧减排增效，NOx进一步减排效果达到92％以上、H2减排效果达到82％以上、NH3减排效果达到99％以上、CO减排效果达到99％以上、UHC减排效果达到95％以上。为了实现无焰燃烧，燃烧室的炉壁温度应当保持在所用燃料的自燃点以上；
2)本发明的核心，即基于流场控制的分区无焰燃烧，只需通过调节燃烧室长径比和燃烧反应物进口速度实现，与分级燃烧不同，无需分阶段额外注入燃料或氧化剂，因此无需在壁面多处、特别是侧壁面中部安排开口，燃烧室所需流场特征显著，结构简单、成本低、改造方便；
3)本发明具备技术方案灵活性，既可单独应用以实现显著的综合减排效果，也可以与分级无焰燃烧、富氧无焰燃烧、催化无焰燃烧等方案有机结合以增强原有的减排效果或燃烧稳定性；
4)本发明提出的减排增效方案可以使用数值模拟方法实现，方案优化无需进行大量的燃烧实验，可大幅度节省时间与费用；
5)本发明可以作为一种减排方法广泛应用于所有领域的无焰燃烧减排优化工作中，针对不同应用场景的实际条件可以选择不同的燃烧减排增效方案，灵活性高，应用范围较广，适用于多种燃料，预混、部分预混和非预混燃烧，同时可与现有燃烧方式如分级燃烧、富氧燃烧、催化燃烧、掺混燃烧等多种方式进行有机结合，进一步显著降低现有燃烧方式的综合排放。
附图说明
图1是实施例2中燃烧室内烟气循环和平推流流场示意图。
图2是实施例2中采用的PSR+PFR数值仿真模型示意图。
图3是实施例2中减排方案优选结果示意图。
图4是实施例3中分级燃烧流场示意图。
图5是实施例3中采用的分级PSR+PFR数值仿真模型示意图。
图6是实施例3中的减排方案优选结果示意图。
图7是实施例4中燃烧室长径比优选的释热率与流场分布示意图。
图8是实施例4中燃烧室长径比优选的减排结果示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法，其包括以下步骤：
步骤1：结合实际应用情况利用化学动力学充分混合反应器(Perfect stirredreactor，PSR，又称均匀搅拌器、射流混合反应器等)、化学动力学平推流反应器(Plug flowreactor，PFR，又称推流式反应器、活塞流反应器等)以及对冲燃烧反应器(opposedflowreactor，OFR，又称counter flow reactor,CDF等)等化学反应动力学基本模型，或者计算流体力学(CFD)模型进行等效化，构建对应的分区低排放无焰燃烧装置的理论模型，创建燃烧仿真方案；
步骤2：基于实际应用情况，选定燃烧所需的燃料、氧化剂种类，利用燃烧仿真程序对上游带烟气回流常规无焰燃烧区域和下游平推流无焰燃烧区域的燃料注入量Qf、燃料纯度、氧化剂注入量Qox、氧化剂纯度、氧化剂预热温度Tox、全局当量比Φ、燃烧室温度T、停留时间τ、压强P、烟气回流比例Kν、燃烧室长度数据进行不同的组合，通过参数化计算进行优选，在燃烧室内形成烟气回流区域和平推流区域；
步骤3：若上游需与分级无焰燃烧或其他无焰燃烧方式相结合，基于步骤2中得到的带烟气回流的常规无焰燃烧区域的全局方案以及优选方法，结合实际应用情况选择合适的分级级数范围、富氧程度、催化方式，利用燃烧仿真程序对分级级数、每一级的燃料注入量Qf,n、每一级的燃料纯度、每一级的氧化剂注入量Qox,n、每一级的氧化剂纯度、每一级的氧化剂预热温度Tox,n、每一级的稀释剂纯度、每一级的催化剂种类、每一级的当量比Φn、每一级的燃烧温度Tn、每一级的停留时间τn、每一级的压强Pn、每一级的烟气回流比例Kν,n、每一级的几何形状数据进行优选；
步骤4：基于步骤2或步骤3中的最佳方案，结合实际应用情况进行燃烧。
步骤1中，具体为：
步骤1.1：通过设计足够大的燃烧室的长径比(燃烧室的长度要大于工况范围内的火焰长度)，与燃料和氧化剂的进口速度进行匹配，使得燃烧室流场上游的烟气回流无焰燃烧区域充分发展，无法在更下游维持烟气回流的流场结构，转而形成类似平推流的流场结构，因此实现分区燃烧的流场控制，优选长径比范围为1～20，燃料与氧化剂的进口速度范围为10～250m/s；
步骤1.2：上游的单级或多级带烟气回流的常规无焰燃烧区域可以通过流体仿真或者化学动力学充分混合反应器(Perfect stirred reactor，PSR，又称均匀搅拌器、射流混合反应器等)等模型配合烟气回流设置对燃烧状态进行模拟；
步骤1.3：下游的平推流无焰燃烧区域可以通过流体仿真或者化学动力学平推流反应器(Plug flow reactor，PFR，又称推流式反应器、活塞流反应器等)等模型对燃烧状态进行模拟。
步骤2中，具体为：
步骤2.1：所有参数的改变范围需要基于实际应用情况，优选每一项参数时，基于正交参数计算的原则，以烟气中NOx、COx、UHC以及氢氨体积分数折算至相同氧浓度条件作为对比，依据污染排放对参数变化的响应规律优选最佳参数组合；为了实现本发明所述的分区无焰燃烧，燃烧方案可采用直喷射流或旋流等多种的反应物入射方式，主反应区内射流的当地流速应当大于当地预混反应物的湍流燃烧速度；一般情况下，全局当量比应当控制在0.3～1.3范围内，反应温度控制在900～1700K；
步骤2.2：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，需要保持平推流反应器的直径与上游最后一个充分混合反应器的直径相同；
步骤2.3：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，可以先把平推流反应器的长径比取得尽可能长(如20)，最后选取排放最为合适的长径比作为优选工况；
步骤2.4：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，如果需要结合分级燃烧，平推流段的工况与长径比的优选在步骤3进行，以节省计算资源，加快优选速度。
步骤3中，具体为：
步骤3.1：与分级燃烧相结合时，优选分级级数为1～4，特别是航空发动机以二级分级为宜，否则会增加燃烧室结构的复杂性，也可能导致燃烧室可靠性的降低；
步骤3.2：优选每一级的燃料、氧化剂注入量时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂总量应当与步骤2中优选得到的燃料、氧化剂注入量相同；
步骤3.3：优选每一级的燃料、氧化剂纯度时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂、稀释气体等成分的总量应当与步骤2中优选燃料、氧化剂纯度时得到的各成分注入的总量相同；
步骤3.4：优选每一级的当量比Φn时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂总量应当满足步骤2中优选得到的全局当量比Φ的约束；
步骤3.5：优选每一级的氧化剂预热温度Tox,n、每一级的燃烧温度Tn、每一级的压强Pn、每一级的烟气回流比例Kν,n时，以步骤2中优选得到的氧化剂纯度、压强P、烟气回流比例Kν数据作为基准，以节约计算量。
与富氧无焰燃烧、催化无焰燃烧等燃烧方式进行多燃烧技术的有机结合时，采取类似的优选方式，在此不一一重复。
本实施例提供了一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧系统，其采用上述的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法。
实施例2
按照如图1所示的核心流场，根据实施步骤，本实施例使用一个PSR和一个PFR建立如图2所示的PSR+PFR化学动力学数值模型，燃料选用氨，氧化剂选用空气作为燃烧方式和燃烧装置设计优选的说明。本实施例中，纯氨与空气从反应物入口1注入到气体混合器3中，与再循环烟气5混合后输入到充分混合反应器4中进行无焰燃烧反应，充分混合反应器4产生的烟气以1:Kν的比例输送到平推流反应器6中，其中Kν为烟气回流比例，其余烟气作为再循环烟气5继续参与充分混合反应器4中的计算。在此之后，烟气在平推流反应器6中完成进一步反应后从出口2排出。
按照实施步骤2，燃料和氧化剂的注入量将与燃烧的当量比直接相关，这三者满足Φ＝2*QNH3/QO2的关系式。选定燃料、氧化剂种类及纯度后，以全局当量比Φ＝0.9、燃烧温度T＝1350K、PSR内停留时间τ＝1.0s、压强P＝1.0atm、烟气回流比例Kν＝1.0作为典型工况，在全局当量比Φ＝0.7-1.3、燃烧温度T＝1100-1400K、停留时间τ＝0.1-5s、压强P＝0.5-20atm、烟气回流比例Kν＝0.0-5.0、平推流段长径比AR＝0-4.5范围内进行优选，结果如图3所示。
由图3可得到本实施例中方案1为优选方案，即全局当量比Φ＝0.98、燃烧温度T＝1300K、PSR内停留时间τ＝2.0s、压强P＝30.0atm、烟气回流比例Kν＝2.0、平推流段长径比AR＝0.36。与常规无焰燃烧(可简化为带烟气循环的单个PSR)相比，本实施例方案1实现了94.9％的NOx减排、99.9％的H2减排、99.99998％的NH3减排，排放均折算至15％氧浓度的干烟气标准。相较于方案1，方案2仅将燃烧室压强调整为了常压(P＝1atm)以适应最广泛的燃烧工况，此时本实施例依然有着极好的减排效果。由此可见，本实施例中可以在实际应用条件的限制下，最大程度地利用好各项有利条件，灵活选择最佳的无焰燃烧减排增效方案，并取得较好成效。在实际应用条件允许时还可以采用结合其他燃烧技术、调整燃料配比、调整氧化剂纯度、预热氧化剂等措施进一步改进燃烧性能，本实施例不再一一列举。
实施例3
按照实施例1的实施步骤，本实施例针对甲烷(CH4)与空气的预混燃烧进行了结合分级无焰燃烧的无焰燃烧分区减排燃烧方式和燃烧装置设计的优选。根据图1所示的流场，首先建立如图2所示的PSR+PFR模型，甲烷与空气从反应物入口1注入到气体混合器3中，与再循环烟气5混合后输入到充分混合反应器4中进行无焰燃烧模拟，充分混合反应器4产生的烟气以1:Kν的比例输送到平推流反应器6中，其余烟气作为再循环烟气5继续参与充分混合反应器4中的计算。在此之后，烟气在平推流反应器6中完成进一步反应后从出口2排出。仿照实施例2，本实施例优选得到了全局当量比Φ＝0.7、燃烧温度T＝1600K、PSR内停留时间τ＝1.0s、压强P＝1.0atm、烟气回流比例Kν＝1.0的工况。
然后，本实施例依据图4所示的分级燃烧流场，使用两个PSR和一个PFR建立如图5所示的分级PSR+PFR模型，一级甲烷与空气从一级反应物入口7注入到一级气体混合器10中，与再循环烟气12混合后输入到一级充分混合反应器11中进行一级燃烧模拟，一级充分混合反应器11产生的烟气以1:Kν,#1的比例输送到二级气体混合器13中，其余烟气作为一级再循环烟气12继续参与一级燃烧器中的计算。在此之后，二级甲烷与空气从二级反应物入口8注入到二级气体混合器13中，与一级燃烧产物、再循环烟气15混合后输入到二级充分混合反应器14中进行二级燃烧模拟，二级充分混合反应器14产生的烟气以1:Kν,#2的比例从出口9排出，其余烟气作为二级再循环烟气15继续参与二级燃烧器中的计算。最终本实施例优选得到了一级当量比Φ#1＝1.4、二级当量比Φ#2＝0.4、一级燃烧温度T#1＝1600K、二级燃烧温度T#2＝1600K、一级停留时间τ#1＝0.5s、二级停留时间τ#2＝0.5s、一级压强P#1＝1.0atm、二级压强P#2＝1.0atm、一级烟气回流比例Kν,#1＝1.0、二级烟气回流比例Kν,#2＝1.0、平推流段长径比AR＝1.5作为分级优选工况，结果如图6所示。
与不采用分区减排方案的常规无焰燃烧相比，本实施例的单级分区无焰燃烧实现了8.7％的NOx减排、81.0％的CO减排、99.99999997％的UHC减排，分级分区无焰燃烧进一步实现了35.1％的NOx减排，同时保持分区无焰燃烧原有的CO、UHC减排能力。本实施例说明本实施例可与其他燃烧技术相结合进一步提高燃烧室的性能和减排效果，并可根据实际情况进一步增加分级级数，本实施例不再一一列举。
实施例4
为了验证本实施例提出的基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方式的可行性，本实施例在CFD流场仿真软件中构建了相同体积、不同长径比的无焰燃烧反应器，燃料和氧化剂分别选用丙烷和空气，燃烧体积功率(燃烧强度)为265kW/m3和1.06MW/m3。燃烧仿真的温度场与流场分布如图7所示，减排效果如图8所示。从图7可以得知，当无焰燃烧反应器的长径比AR＝3-5或更高时，燃烧室中即可形成如本发明所述的分区无焰燃烧，即在燃烧室的上游形成带烟气回流的常规无焰燃烧区域，在下游形成平推流无焰燃烧区域。从图8可以得知，与典型工况长径比AR＝2.65相比，长径比AR＝5的工况可以实现88％以上的NO减排、99％以上的CO减排、87％以上的UHC减排。本实施例不仅适用于高燃烧强度下的氢氨燃料的NOx、H2、NH3减排，也适用于碳氢燃料的NOx、COx、UHC减排，为电站锅炉、燃气轮机、航空发动机等应用提供低污染无焰燃烧方案。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，适用的燃料种类不限于气体，也可以是液体或固体燃料及其组合，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：结合实际应用情况利用化学动力学充分混合反应器PSR、化学动力学平推流反应器PFR以及对冲燃烧反应器OFR化学反应动力学基本模型，或者计算流体力学CFD模型进行等效化，构建对应的分区低排放无焰燃烧装置的理论模型，创建燃烧仿真方案；
步骤2：基于实际应用情况，选定燃烧所需的燃料、氧化剂种类，利用燃烧仿真程序对上游带烟气回流常规无焰燃烧区域和下游平推流无焰燃烧区域的燃料注入量Qf、燃料纯度、氧化剂注入量Qox、氧化剂纯度、氧化剂预热温度Tox、全局当量比Φ、燃烧室温度T、停留时间τ、压强P、烟气回流比例Kν、燃烧室长度数据进行不同的组合，通过参数化计算进行优选，在燃烧室内形成烟气回流区域和平推流区域；
步骤3：若上游需与分级无焰燃烧或其他无焰燃烧方式相结合，基于步骤2中得到的带烟气回流的常规无焰燃烧区域的全局方案以及优选方法，结合实际应用情况选择合适的分级级数范围、富氧程度、催化方式，利用燃烧仿真程序对分级级数、每一级的燃料注入量Qf,n、每一级的燃料纯度、每一级的氧化剂注入量Qox,n、每一级的氧化剂纯度、每一级的氧化剂预热温度Tox,n、每一级的稀释剂纯度、每一级的催化剂种类、每一级的当量比Φn、每一级的燃烧温度Tn、每一级的停留时间τn、每一级的压强Pn、每一级的烟气回流比例Kν,n、每一级的几何形状数据进行优选；
步骤4：基于步骤2或步骤3中的最佳方案，结合实际应用情况进行燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法，其特征在于：步骤1中，具体为：
步骤1.1：通过设计足够大的燃烧室的长径比，与燃料和氧化剂的进口速度进行匹配，使得燃烧室流场上游的烟气回流无焰燃烧区域充分发展，无法在更下游维持烟气回流的流场结构，转而形成类似平推流的流场结构，因此实现分区燃烧的流场控制；
步骤1.2：上游的单级或多级带烟气回流的常规无焰燃烧区域通过流体仿真或者化学动力学充分混合反应器PSR模型配合烟气回流设置对燃烧状态进行模拟；
步骤1.3：下游的平推流无焰燃烧区域通过流体仿真或者化学动力学平推流反应器PFR模型对燃烧状态进行模拟。
3.根据权利要求2所述的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法，其特征在于：步骤2中，具体为：
步骤2.1：所有参数的改变范围需要基于实际应用情况，优选每一项参数时，基于正交参数计算的原则，以烟气中NOx、COx、UHC以及氢氨体积分数折算至相同氧浓度条件作为对比，依据污染排放对参数变化的响应规律优选最佳参数组合；为了实现分区无焰燃烧，燃烧方案采用直喷射流或旋流的反应物入射方式，主反应区内射流的当地流速应当大于当地预混反应物的湍流燃烧速度；
步骤2.2：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，需要保持平推流反应器的直径与上游最后一个充分混合反应器的直径相同；
步骤2.3：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，先把平推流反应器的长径比取长，最后选取排放最为合适的长径比作为优选工况；
步骤2.4：使用平推流反应器对平推流无焰燃烧区域进行模拟时，如果需要结合分级燃烧，平推流段的工况与长径比的优选在步骤3进行，以节省计算资源，加快优选速度。
4.根据权利要求3所述的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法，其特征在于：步骤3中，具体为：
步骤3.1：与分级燃烧相结合时，优选分级级数为1～4；
步骤3.2：优选每一级的燃料、氧化剂注入量时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂总量应当与步骤2中优选得到的燃料、氧化剂注入量相同；
步骤3.3：优选每一级的燃料、氧化剂纯度时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂、稀释气体等成分的总量应当与步骤2中优选燃料、氧化剂纯度时得到的各成分注入的总量相同；
步骤3.4：优选每一级的当量比Φn时，各级燃烧室注入的燃料、氧化剂总量应当满足步骤2中优选得到的全局当量比Φ的约束；
步骤3.5：优选每一级的氧化剂预热温度Tox,n、每一级的燃烧温度Tn、每一级的压强Pn、每一级的烟气回流比例Kν,n时，以步骤2中优选得到的氧化剂纯度、压强P、烟气回流比例Kν数据作为基准，以节约计算量。
5.一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧系统，其特征在于：采用如权利要求1-4中任一所述的一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法。
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2023
- 2023-11-02 CN CN202311455442.0A patent/CN117722698A/zh active Pending
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