【摘 要】
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针对我国垃圾量与日俱增问题,垃圾热解处理获取中低热值可燃气（简称垃圾热解气）得到快速发展,气体低氧稀释混合燃烧（MILD）技术通过增加动量、稀释反应物来减少局部高温区、降低污染物排放,两者结合使垃圾热解气的MILD燃烧具有显著优势。本文以典型垃圾热解气为研究对象,通过数值模拟的方式研究其MILD燃烧特性和规律。首先,基于全混反应器（PSR）的化学动力学研究表明:反应器最大温升和NOx浓度随过量空气
【基金项目】
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国家重点研发计划项目子课题:高温热解气深度净化与高效利用技术（2018年12月至2022年12月,项目编号:2018YFC1901200）
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针对我国垃圾量与日俱增问题,垃圾热解处理获取中低热值可燃气（简称垃圾热解气）得到快速发展,气体低氧稀释混合燃烧（MILD）技术通过增加动量、稀释反应物来减少局部高温区、降低污染物排放,两者结合使垃圾热解气的MILD燃烧具有显著优势。本文以典型垃圾热解气为研究对象,通过数值模拟的方式研究其MILD燃烧特性和规律。首先,基于全混反应器（PSR）的化学动力学研究表明:反应器最大温升和NOx浓度随过量空气系数的增加先增后减;烟气循环率增加使各过量空气系数最大温升明显减小,对NOx浓度和CO浓度降低效果显著。烟气循环率为1和2时,对应NOx浓度值为100ppmvd15%O2时的过量空气系数约为1.36和0.76。GRI-Mech3.0机理较C2机理已足够用来描述MILD燃烧的特性。其次,采用封闭均质间歇式反应器（CHBR）燃烧模型进行瞬态分析,研究表明:热解气着火过程中,在0.0043s着火发生之前,CH4先转化为H2和CO,反应产物在高温区滞留时间与NO生成量紧密相关。对垃圾热解气MILD燃烧分区时,无烟气循环临界过量空气系数为0.5和2.33。随着烟气循环率增加,MILD燃烧区域在横向和纵向维度范围均增加,横向维度高温燃烧（HTC）区域和受限MILD燃烧（CMC）区域范围同步减少,绝对MILD燃烧（UMC）区域增加;纵向维度HTC区域逐渐缩小,CMC区域相对增加。相较于HTC工况,UMC工况不同点在于:在燃烧反应发生时热力学NO和非热力学NO的产率较低,燃烧发生后,NO产率趋近于零;三个燃烧阶段的反应路线不同,UMC工况在各阶段NO产率均低于HTC工况;NOx最终浓度在HTC工况下为143.8 ppmvd15%O2,UMC工况为7.6 ppmvd15%O2。再次,采用PSRN模型研究热解气MILD燃烧过程发现:烟气卷吸率的提高在卷吸率低时对燃烧结果影响更为显著;当卷吸率达到4.6之后,CO排放低于50ppmv;NOx排放量在11ppmv以下。提高过量空气系数会同步提高烟气量,其值过高会使燃料稀释程度过高而不利于燃烧稳定;过量空气系数为1.45时,CO浓度约为50ppmv,NOx排放量均在5ppmv以下。相对于燃料进口温度,稀释空气进口温度对燃烧影响较为显著,但其过高使高温对污染物排放量提高作用显著;进口稀释空气温度在1030K以下时,CO浓度低于50ppmv;NOx排放浓度均在7ppmv以下。热解气组分中氢含量提高对NOx排放量影响不大,但能显著降低CO排放浓度。最后,基于FLUENT软件对某燃烧器内的MILD燃烧进行三维模拟,结果表明:空气喷管数量增加,燃烧峰值温度升高,平均温度及NO排放浓度先降后升,本研究空气喷管数量n=4为宜;燃料喷管孔径增加不利于烟气回流及低氧浓度区域形成,燃烧峰值温度提高,但高温区占比小,NO排放量小幅波动,本研究Df=8 mm为宜;空气喷管孔径增加,温度水平、NO排放量提高,可超出清洁燃烧的范围,本研究Da=8 mm为宜;喷管间距增大,烟气稀释作用增强,对MILD燃烧有利,但间距过大影响燃烧稳定性,其最优值须考虑射流速度及整体设备尺寸,本研究喷管间距以S=15 mm为宜;热值波动在±20%时,MILD燃烧结果小幅变化,不影响设备整体运行。
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