一种基于流场控制的分区低排放无焰燃烧方法及系统

本发明涉及无焰燃烧减排，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：

1、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。

2、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。

3、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(unburned hydrocarbon，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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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。

7、作为优选，步骤1中，具体为：

8、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；

9、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；

10、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。

11、作为优选，步骤2中，具体为：

12、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；

13、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；

14、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；

15、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。

16、作为优选，步骤3中，具体为：

17、步骤3.1：与分级燃烧相结合时，优选分级级数为1～4；

18、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；

19、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；

20、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；

21、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。

22、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。

23、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。

24、本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

25、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；

26、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；

27、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；

28、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；

29、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。