基于WSR 反应器不同稀释介质条件下MILD 燃烧分区特性研究

栾聪聪，涂垚杰，谢逸豪，刘 豪

(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)

2015 年北京市发布新锅炉大气污染物排放标准：2017 年4 月1 日后，在用锅炉氮氧化物排放浓度限值为80 mg/m3，新建锅炉氮氧化物排放浓度限值为30 mg/m3.MILD(moderate or intense low oxygen dilution)燃烧是温和的、低氧稀释条件下的一种燃烧模式，因其具有均匀的温度分布、良好的燃烧稳定性、非常高的燃烧效率以及极低的NOx排放等特点[1-2]，被国际燃烧界誉为21 世纪最具发展前途的新型燃烧技术之一.

Wünning 等[3]根据CH4在FLOX(flameless oxidation)燃烧器中炉膛温度和内部卷吸率的关系将燃烧分为 4 个区域：traditional combustion(TC)、unsteady combustion(USC)、flameless oxidation combustion(FLOX)、NO reaction(NR)，当炉膛温度高于自燃温度且内部烟气卷吸率 Kv＞3 时才可发生FLOX 燃烧.然而Kv并不容易通过实验测得，考虑Kv和氧气浓度关系，Rao 和Levy[4]通过实验建立初始温度和氧浓度的燃烧分区图，其中FLOX 燃烧发生在初始温度高于自燃温度且氧浓度小于12%的区域.Katsuki 和Hasegawa[5]通过预热空气至Tair＞Tsi，研究了C3H8在空气中的自燃温度和熄火温度极限，将燃烧分为HiTAC(high temperature air combustion)、TC、NR 3 个区域，发现在各氧浓度下只要空气预热至较高温度就可发生HiTAC.Tsuji 等[6]深入研究HiTAC 技术发现当降低空气中氧浓度时，C3H8燃烧的火焰逐渐变为蓝色，表明火焰温度相对降低，这种燃烧模式和FLOX 的燃烧特征相似，也被之后的Gupta 研究团队称作无焰燃烧(colorless distributed combustion)[7].此外，HiTAC 通常应用于回收废气中热量的再生燃烧器系统(regenerative burner system，RBS)[8-9]，同时RBS 系统通过高速空气射流给炉膛创造烟气卷吸环境，这样在实际应用中HiTAC 的燃烧特性将会和FLOX 燃烧特性很接近.Cavaliere 和de Joannon[10]分析了FLOX 和HiTAC 燃烧特性，将这些燃烧定义为MILD 燃烧.

Cavaliere 等[10]对MILD 燃烧定义是：混合反应物的进口温度(Tin)高于自燃点温度(Tsi)，燃烧过程中相对于进口温度下的最大温升(ΔT＝Tmax-Tin)低于自燃点温度，也就是：Tin＞Tsi，ΔT＜Tsi.Wang等[11-12]根据此定义利用WSR 模型通过改变反应物的稀释率、当量比和燃料进口温度做出了燃烧分区图，即根据不同的条件把燃烧分为传统燃烧区、MILD 燃烧区、准MILD 燃烧区和高温燃烧区，研究表明在高氧浓度下只要预热温度足够高就能达到MILD 燃烧条件.然而，MILD 燃烧是降低NOx排放的新燃烧技术，而热力型NOx对高温极为敏感，虽然在高氧浓度下提升预热温度可降低温升并达到MILD 燃烧条件，但必然导致NOx的大量生成，显然与MILD 燃烧低NOx排放特性不符，因此明确MILD 燃烧分区预热温度上限显得尤为重要，但如今的研究却并未考虑过这一问题.

此外，Oxy-steam 和Oxy-fuel 燃烧技术能进一步降低NOx的排放，因为H2O 和CO2的物理化学性质都与N2有显著差异.H2O 和CO2的化学活性比N2高，同时O2分子在不同介质下的扩散速率也有所不同.因此，当氧化剂中含有H2O 和CO2时，燃料燃烧特性及分区也会有所改变，而当前H2O 和CO2对燃烧分区的影响研究较少.因此，本文首先考虑NO 排放问题确定预热温度上限，进一步明确CH4在O2/N2中的MILD 燃烧区；其次，考虑不同当量比和稀释介质(H2O、CO2)对CH4在WSR 反应器中燃烧特性和分区的影响.

1 化学动力学计算方法

采用CHEMKIN PRO 软件[13]中WSR 反应器模型，该模型是零维反应器，不考虑湍流和扩散作用，燃料可进行均相绝热燃烧.该模型可保证反应物与产物完全混合，已广泛应用于火焰稳定性分析、NOx生成机理、燃烧分区等方面[14-16].图1 给出了该模型结构示意图，当进口温度高于燃料自燃点时，反应器内燃料会剧烈燃烧.反应机理采用GRI-Mech3.0 机理[17]，该机理被广泛地应用于预测CH4、CO、H2气体燃料燃烧等燃烧特性[14-16,18-19]，并得到很好的验证.模拟工况在p＝0.1 MPa，停留时间τ＝1.0 s 下进行以保证燃料在反应器中充分燃烧，首先考虑NO 排放确定温度上限，重构CH4在O2/N2中Φ 为0.6、1.0、1.4 的MILD 燃烧分区图；其次由于H2O 和CO2的物理化学性质有很大差异，而稀释介质对MILD燃烧分区影响的研究较少，故本文研究了H2O 和CO2对CH4在WSR 反应器中燃烧特性和分区的影响，研究工况如表1 所示.

图1 WSR模型示意Fig.1 Schematic of well-stirred reactor(WSR)

表1 氧化剂各组分体积比Tab.1 Molar fractions of species in the oxidant

2 燃烧分区划分方法

根据MILD 燃烧定义，Tsi和Tex是CH4燃烧分区的关键因素，图2(a)给出了不同氧浓度下，反应器内温度(TWSR)随进口温度(Tin)在400～2 000 K 变化的曲线，即“S”曲线[20].曲线中上下两折点分别代表剧烈燃烧和缓慢氧化状态，所对应的温度就是甲烷的自燃温度(Tsi)和熄火温度(Tex)，两状态之间的部分是不稳定燃烧区域的趋势.当Tin＜Tsi时，未发生燃烧，反应器温度和入口温度相同；Tin＞Tsi时，反应器内温度急剧上升，并随进口温度的升高而升高.由图2(a)知CH4自燃温度(Tsi)和熄火温度(Tex)都随氧气浓度升高而降低，相对于Tsi，Tex对氧浓度变化更加敏感.同时，随氧气浓度升高反应更剧烈，反应器内温升也会升高，但在自燃温度处的温升(ΔTsi)最高，继续升高进口温度，反应器内温升(ΔT)将逐渐降低.这是因为：反应器内温度随进口温度升高而升高，过高的温度会使反应器内CO2和H2O 分解成CO 和H2，造成燃烧不完全，产热减少使得温升(ΔT)降低；另一方面WSR 反应器内各种气体比热容随温度升高而增大，在产热相同情况下，温升就会降低.

图2(b)给出了氧浓度0～40%范围内的自燃温度(Tsi)曲线和Tin＝Tsi时对应的温升曲线(ΔTsi)，可以发现存在临界氧浓度，低于此浓度ΔT＜Tsi，这符合MILD 燃烧的判定条件(Tin＞Tsi及ΔT＜Tsi)；高于此浓度时ΔT＞Tsi，但图2(a)表明继续升高进口温度会使ΔT 降低直至降至ΔT＝Tsi即可满足MILD 燃烧判定条件.这说明：时，MILD 燃烧不需要高温条件，当时，必须预热至高温使得ΔT＜Tsi才符合MILD 燃烧条件.

图2 不同氧浓度下的S 曲线和Tsi及△TsiFig.2 S curves，Tsiand ΔTsiat different oxyen molar fractions

图3 给出了氧浓度分别为10%、15%和20%时的反应器温升随进口温度变化曲线，反应器温升随进口温度增大而不断减小，当进口温度增加至1 124 K、1 740 K 和1 930 K 时，对应温升等于各氧浓度的自燃温度分别为975 K、947 K 和930 K，继续增大进口温度即可满足MILD 燃烧的ΔT＜Tsi条件.因此本文依据临界条件将这两种满足MILD 燃烧条件的方式划分为两个区域，时，定义该区域为受限MILD 燃烧(conditional MILD combustion，CMC)；时，定义该区域为绝对MILD 燃烧(unconditional MILD combustion，UMC).

图3 不同氧浓度下温升随进口温度变化Fig.3 Changes in temperature rise with the variation in inlet temperature at different oxygen molar fractions

图4 CH4/O2/N2在WSR模型下的燃烧分区(Φ＝1.0)Fig.4 Combustion regime maps for CH4/O2/N2in the WSR model(Φ＝1.0)

3 CH4在O2/N2气氛下燃烧分区的重构

由图4 可知，无论氧浓度高或低，只要预热温度足够高就可实现MILD 燃烧，然而进口温度过高必定导致WSR 反应器温度过高，在温度达到2 000 K以上时，导致大量热力型NOx生成，而MILD 燃烧的目的不仅是温度分布均匀，更重要的是实现低污染排放，这显然不符合MILD 燃烧目标.图5 展示了当前国际NO 排放标准150×10-6～180×10-6(O2浓度为3%)[21-22]，而MILD 燃烧技术可降低NO 排放50%左右，同时在MILD 燃烧实验中NO 排放最大值来自Szegö 等的实验中接近60×10-6(O2浓度为3%)[23].因此根据当前NO 排放标准、MILD 燃烧实验NO 排放值并结合2015 年北京市发布新的锅炉大气污染物排放标准：2017 年4 月1 日后，在用锅炉氮氧化物排放浓度限值为80 mg/m3[21-23]，综合以上因素，本文以＝100×10-6(O2浓度3%)为标准确定MILD 燃烧温度上限，同时，为满足更为严格的排放标准，也给出了 XNO＝60×10-6(O2浓度3%)和XNO＝30×10-6(O2浓度3%)时的温度上限.

图5 当前NO排放标准及MILD燃烧实验NO排放值Fig.5 Current NO emission standard and NO emissions in MILD combustion experiment

图6(a)给出了氧浓度在0～40%范围内，各氧浓度下满足MILD 燃烧所需最低进口温度和Tin＝Tsi的NO 排放曲线时，CMC 区虽满足MILD燃烧判定条件，但其NO 排放量显著增加并远超过NO 排放标准；由图6(b)知时，存在临界氧浓度时NO 生成大于100×10-6；时存在温度上限时，NO 生成大于100×10-6，将这两种NO 生成大于 100×10-6的区域同 CMC 区一起划分为Pseudo-MILD combustion(PMC)，时将此区域划分为UMC 区.图7 给出了Φ＝1.0 时的燃烧分区图，添加氧浓度上限后MILD 燃烧将只存在于低氧浓度.各区域判定条件如表2 所示.

图6 不同氧浓度下NO排放Fig.6 NO emissions at different oxyen molar fractions

图7 CH4/O2/N2在WSR模型下的燃烧分区图(Φ＝1.0)Fig.7 Combustion regime maps for CH4/O2/N2in the WSR model(Φ＝1.0)

表2 不同燃烧区判定标准Tab.2 Criteria for different combustion regimes

4 当量比对CH4在O2/N2气氛中燃烧分区的影响

图8 给出了不同进口温度、氧浓度下NO 生成量与当量比的关系，较低氧浓度下，NO 排放在Φ＝1.0左右达到最大值，这与Zabarnick 等[24]的模拟结果相同，当氧浓度和进口温度增加时，NO 排放最大值的当量比会减小，CH4实现MILD 燃烧需要低氧浓度条件，因此增大或减小当量比可有效降低NO 排放，扩大MILD 燃烧区.

图8 CH4/O2/N2在不同氧浓度(2%、4%、8%)、进口温度(1 200 K、1 400 K、1 600 K)下NO 排放与当量比的关系Fig.8 Relationship between NO emissions and equivalence ratio for CH4/O2/N2at different oxygen molar fractions(2%，4%，8%) and different inlet temperatures(1 200 K，1 400 K，1 600 K)

通过分析，图9 考虑到NO 排放量确定进口温度上限，进一步明确了不同当量比下(Φ＝0.6，1.0，1.4)CH4/O2/N2在WSR 反应器中的燃烧分区图，可发现由于NO 排放原因，Φ＝1.0 时MILD 燃烧区将只存在于低氧浓度(小于8.2%)，这表明稀释氧浓度是MILD 燃烧的重要条件，氧浓度降低会使NO 生成量大大减小.另一方面，相对于Φ＝1.0 时的工况，Φ＝0.6 和Φ＝1.4 时的Tsi略微降低，NO 排放为100×10-6曲线大幅升高，就使得其UMC 燃烧区范围大大增大，能实现MILD 燃烧的氧浓度上限和温度上限增大，Φ为0.6、1.0 和1.4 时，实现UMC 燃烧的氧浓度上限分别为14.1%、8.2%、12.7%，由此可见适当减小或增大当量比可扩大UMC 燃烧区并提高实现UMC 燃烧的氧浓度上限和进口温度上限

图9 CH4/O2/N2在不同当量比下氧浓度0～40%范围内的燃烧分区图Fig.9 Combustion regime maps for CH4/O2/N2at different equivalence ratios and different oxyen molar fractions(0—40%)

5 H2O 和CO2对CH4在WSR反应器中燃烧特性的影响

5.1 H2O 和CO2对反应器温度和组分影响

笔者对比了不同稀释气氛对WSR 反应器温度的物理化学效应的差异，化学惰性组分FN2、FH2O、FCO2分别与N2、H2O、CO2的物理特性相同，而不参与任何化学反应.FN2与FH2O、FCO2之间的差异分别表示H2O、CO2的物理效应对反应器温升影响，而FN2与N2、FH2O 与H2O、FCO2与CO2间的差异分别表示N2、H2O、CO2的化学效应对反应器温升的影响.

图10 给出了CH4在MILD 燃烧状态下(XO2＝4%，T＝1 250 K，τ＝1.0 s)不同当量比和不同进口温度下，反应器温升随稀释气氛变化情况，由图10(a)可知，Tin＝1 250 K 时在不同当量比下，与N2相比，H2O 和CO2的物理效应均能降低反应器温升，且CO2物理效应降低温升效果大于H2O 的物理效应，因为在 T ＝1 250 K 时，比热容，在产热相同情况下，热容大温升相应减小.H2O 和CO2的物理效应对反应器温升的影响远大于化学效应对温升影响，物理效应在Φ＝1 时对温升影响达到最大.H2O 的化学效应在T＝1 250 K 时对温升影响不明显，而CO2的化学效应可降低反应器温升，并在 Φ＝1 时影响最大.由图10(b)知，Φ＝1 时不同进口温度下H2O 和CO2的物理化学效应都会使反应器温升降低，且随进口温度不断升高，H2O 和CO2的物理效应对温升影响几乎不变，而化学效应对温升的影响却不断增大，且CO2化学效应对温升影响更大.也就是说在温度不高情况下，H2O和CO2的物理效应是温升降低的主要来源，在高温情况下，H2O 和CO2的化学效应可使反应器温升大大降低，甚至高于其物理效应对温升的影响.图11展示了在XO2＝4%工况下，CO、NO 浓度随进口温度的变化情况，相对N2气氛，当φH2O＝20%时，CO 和NO 的浓度都大大降低，且都随进口温度升高而升高，因为高温情况下会使CO2向CO 转化增强.在工况下，NO 浓度都大大降低，而 CO 浓度升高，这是由于稀释气氛中存在CO2，增大了CO 浓度.通过以上分析可以发现，在当量比下预热温度升高以及H2O、CO2的稀释气氛都有利于CH4实现MILD 燃烧，且H2O 的稀释气氛可降低CO 排放，提高燃料燃尽率.

图10 不同当量比和不同进口温度下H2O，CO2对反应器内ΔT 的物理化学效应影响Fig.10 Physical and chemical effects of H2O or CO2on ΔT in the reactor at different equivalence ratios and different inlet temperatures

图11 不同气氛下反应器内CO和NO浓度随温度变化Fig.11 Changes in molar fractions of CO and NO with temperature under different diluted atmospheres

5.2 H2O 和CO2对CH4燃烧分区的影响

由于H2O 和CO2的稀释气氛都可降低反应器温升和NO 浓度，会对燃烧分区产生影响，故本文研究了4 种工况下的Tsi、Tex、ΔT＝Tsi、φNO＝100×10-6(O2浓度为3%)各曲线变化并绘制了不同稀释气氛下CH4在WSR 反应器中的燃烧分区图，见图12 和13.

由图12 知，相对于O2/N2气氛，在φH2O＝20%和工况下，Tsi均有所降低；在φCO2＝20%工况下，Tsi变化不明显.在三种工况下，Tex均增大，ΔT＝Tsi的进口温度均降低，φNO＝100×10-6(O2浓度为3%)的进口温度均升高，且φH2O＝10%、φCO2＝10%的几条曲线均处于φH2O＝20%和φCO2＝20%的曲线之间.由此可见：H2O 对Tsi的影响大于CO2对其影响，可降低Tsi；H2O 和CO2可提高Tex，且CO2对Tex影响更大；在φCO2＝20%工况下ΔT＝Tsi的进口温度低于φH2O＝20%时ΔT＝Tsi的进口温度；在φCO2＝20%工况下φNO＝100×10-6(O2浓度为3%)的进口温度高于φH2O＝20%时φNO＝100×10-6(O2浓度为3%)的进口温度.

图12 不同气氛下各曲线的变化情况Fig.12 Tendency of each curve under different diluted atmospheres

图13 不同气氛下的CH4燃烧分区图Fig.13 Combustion regime maps of CH4under different diluted atmospheres

图13 给出了不同稀释气氛下的MILD 燃烧分区图，可以发现和O2/N2气氛比较：其他3 种工况下的HTC 区均有明显减小，而UMC 燃烧区均有明显增大，实现MILD 燃烧的氧浓度上限均有增大，4种工况的氧浓度上限分别为：8.2%、9.9%、10.4%、10.2%；在同一氧浓度下，实现MILD 燃烧的温度上限均有增大，当XO2＝5%时4 种工况的进口温度上限分别为：1 320 K、1 455 K、1 475 K、1 472 K.这表明CO2和H2O 可提高CH4实现MILD 燃烧的温度上限和氧浓度上限，且CO2的提高作用更显著.

6 结论

笔者首次考虑MILD 燃烧低污染特性，将NO 排放量考虑至分区标准，以φNO＝100×10-6(O2浓度为3%)为限值确定MILD 燃烧区的温度上限，对CH4在WSR 反应器中的燃烧分区进行重构，进一步明确MILD 燃烧区范围；其次研究了不同当量比和不同稀释介质(H2O、CO2)对CH4燃烧特性和分区的影响，得出的主要结论如下.

(1) 对于CH4在O2/N2中燃烧，存在极限氧浓度＝9.7%，低于此浓度时，预热温度大于Tsi即可满足MILD 燃烧基本条件，高于此浓度，预热温度必须足够高才可满足MILD 燃烧基本条件(ΔT＜Tsi)，但过高的预热温度会使热力型NOx大大增加.

(3) H2O 和CO2的物理效应和化学效应可降低反应器温度，Φ＝1.0 时物理效应影响达到最大值；Φ＝1.0 时在预热温度不是过高时，H2O 和CO2的物理效应远大于化学效应对反应器温升的影响；预热温度不断升高，H2O 和CO2的物理效应基本不变，而化学效应降低反应器温度程度不断增强.在当量比情况下预热温度的升高以及H2O、CO2的稀释气氛都有利于CH4实现MILD 燃烧.

(4) H2O 的稀释气氛可降低Tsi，而CO2稀释气氛对Tsi影响不大；H2O 和CO2的稀释气氛可提高Tex，降低NOx排放，且CO2对Tex影响更大.相对O2/N2气氛，H2O 和CO2的稀释气氛可减小HTC 区，增大UMC 燃烧区，并提高CH4实现UMC 燃烧的氧浓度上限和温度上限，且CO2的作用更加显著.