MILD combustion of low calorific value gases（低热值燃气MILD燃烧）
作者：周生权1，颜蓓蓓1*，Mohy Mansour2，李中山3，程占军1，陶俊宇4，陈冠益4 *，白雪松3 *
单位：1.天津大学，2.开罗大学，3.隆德大学，4.天津商业大学
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摘要
低热值燃气大量不可燃组分和组分波动导致燃烧设备面临点火、持续稳定燃烧的挑战。MILD燃烧（无焰燃烧）具有高燃烧效率、低污染物排放和高燃料灵活性，应用于低热值燃气具有显著优势。然而，当前低热值燃气MILD燃烧的研究普遍局限于单一组分，不同组分和不同燃烧器的研究偏向破碎化，不同学者之间的研究难以比较，阻碍了MILD燃烧的理论发展和低热值燃气的实际应用。本文对低热值燃气的常规燃烧和MILD燃烧进行了全面综述。为了理解组分变化对MILD燃烧的影响，逐一解析了所有可燃组分和不可燃组分的影响，深入探讨了化学和物理影响，包括反应动力学和湍流混合，并综述了不同燃烧器建立MILD燃烧的机制，据此提出了MILD燃烧的时间尺度界定方法。此外，计算流体动力学（CFD）模型和MILD燃烧中的化学动力学也进行了详细讨论。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101163
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研究背景
生物质/有机固废/低阶煤等通过气化、热解、发酵以及工业冶炼等过程产生的低热值气体（低热值燃气）在分布式能源供应中发挥重要作用，低热值气体的利用对于双碳目标实现也具有重要意义。不同种类的低热值燃气具有显著的组分差异（图1），常规方式难以实现清洁稳定燃烧，组分波动下对燃烧组织方式和燃烧设备设计与运行带来更大的挑战。MILD燃烧（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution combustion）是中度或重度稀释下的一种低氧燃烧技术，兼具燃烧效率高、污染物排放低的优点，陈冠益教授团队前期研究揭示了该技术的低氧和分布燃烧模式天然契合低热值气燃气特性，NOx和CO等污染物可以达到超低排放水平，因此将MILD燃烧技术应用于低热值燃气具有良好的应用前景。但低热值燃气种类繁多、组分复杂且波动，当前的研究普遍局限于单一组分的低热值燃气；另外MILD燃烧的定义和界定方式尚未完全统一，建立方法和燃烧器构造也并不相同。这造成了当前低热值燃气MILD燃烧的研究偏向破碎化，不同学者之间的研究难以比较，阻碍了这一领域理论和技术的迅速发展。
图1 不同种类低热值燃气的来源及特征组分
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研究方法
基于此，该文章基于当前已有研究，从低热值燃气的基础可燃组分（CH4、H2、CO）出发，逐一分析可燃组分和稀释组分的影响，并分析其化学效应、湍流与混合效应，耦合热传导，明晰组分对污染物、温度场、火焰结构的影响（图2）；最终揭示富氢燃气、合成气、沼气、煤气化气、生物质气化气等低热值气体的MILD燃烧特性和组分影响机制。
图2 低热值燃气MILD燃烧组分影响分析方法
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结论与展望
① 低热值燃气MILD燃烧的界定方法
不同燃烧器中，反应物预热、反应物稀释、内部EGR、外部EGR、旋流、逆流、热同流等方式（图3），均是为了保证点火延迟时间约等于化学反应时间尺度，此时自点火和火焰传播同时维持火焰，存在局部自点火现象。
图 3 不同种类低热值燃气 MILD 燃烧建立方式
在相同的热输入功率下，MILD燃烧的NOx排放显著低于传统燃烧，虽然燃烧器可能具备实现MILD燃烧的能力，但必须调整最优条件以适应特定燃料，以实现最低的污染物排放水平；另外，CO的排放与功率和燃烧器显著相关，CFD研究和优化设计对于CO控制更加重要（图4）。
图4 常规燃烧（CC）和MILD燃烧条件下NOx和CO排放随着热输入功率的变化规律
② 低热值燃气组分对MILD燃烧的影响机制
H2的影响：H2的点火延迟较短且层流燃烧速度较快，这增强了其点火和火焰传播能力。H2的添加还增加了绝热燃烧温度，因此，要实现超低NOx排放的MILD燃烧需要显著的稀释、高喷射速度或高EGR率。
稀释剂的影响：CO2、N2和H2O对MILD燃烧的稀释效应涉及物理和化学效应。稀释效应最终体现在混合后反应物的氧气浓度上。在考虑物理效应时，CO2和H2O的热容高于N2，这有助于降低反应区的整体温度，从而明显减少NOx排放。在化学效应方面，CO2和H2O导致反应区更广泛，可以促进反应性或提供高度反应的自由基。因此，它们可以促进MILD燃烧的建立。影响NOx排放的关键因素是氧气浓度和空气预热温度。
③在低热值燃气 MILD燃烧的数值模拟和建模方面
MILD燃烧模型的进展：DNS已被应用于MILD燃烧的研究，以识别不同的燃烧模式和分析反应区结构。此外，DNS在开发和评估TCI模型方面也起到了重要作用。LES、RANS模拟及相关的TCI模型，以及化学动力学机制，已广泛用于模拟低热值燃气 MILD燃烧。低热值燃气 MILD燃烧中的反应区是分布的，使得传统的火焰模型通常不适合精确预测。高分辨率的LES结合FGM在预测中表现出了良好的准确性，但该方法需要在更广泛的案例中进一步验证其可靠性。耦合有限速率化学的模型，如PaSR、EDC和TPDF，已显示出良好的预测准确性。相较于TPDF，PaSR和EDC因计算需求较低而较为常用。
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论文的主要贡献
回顾了MILD燃烧的不同定义和界定方式，解析了9种MILD燃烧器的运行方式和建立机制，并据此提出了适应性更广的MILD燃烧时间尺度界定方法：实际的MILD燃烧下点火延迟时间≈化学反应时间尺度，局部自点火和火焰传播同时维持MILD燃烧。该界定方式可以解决目前空气是否需要预热和层流条件是否能建立MILD燃烧的争议。对MILD燃烧的数值模拟方法和预测表现（尤其是直接数值模拟DNS）进行了系统性回顾和分析，也为低热值燃气MILD燃烧的DNS研究发展提出了建议。
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参考文献
[1] Zhou S, Yan B, Mansour M, Li Z, Cheng Z, Tao J, Chen G, Bai X-S. MILD combustion of low calorific value gases. Prog Energy Combust Sci. 2024;104:101163.
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作者介绍
周生权，天津大学博士后/助理研究员，天津市可再生能源学会生物质能专委会委员。主要研究领域为低热值燃气清洁高效燃烧。主持国家自然科学基金青年项目，国家重点研发计划项目子课题、天津市自然科学基金青年项目等项目。以第一/通讯作者在Progress in Energy and Combustion Science等期刊发表学术论文13篇，其中中科院1区/2区SCI论文10篇、EI论文1篇，参编专著1部；获2022年天津市科技进步一等奖（R6/12）。
颜蓓蓓，天津大学教授。主要从事有机固废热解、气化、燃烧及过程污染物控制的研究。获国家自然科学基金优秀青年基金和天津市杰出青年基金资助，现为天津市生物质废物利用重点实验室副主任、天津市可再生能源学会生物质能专委会主任、国际标准化组织ISO-TC255生物质燃气：环境与安全技术委员会委员、Science of Total Environment 客座编辑。主持/承担国家重点研发计划国际合作项目、国家科技部支撑计划课题等多项科研项目，以第一/通讯作者在Progress in Energy and Combustion Science、Energy Conversion and Management、Environmental Science & Technology等期刊发表SCI论文70余篇，参编专著3部，H index 41，获授权发明专利40余项，国际专利7项，参编国际标准1项，地方标准1项，获2022年天津市科技进步一等奖（R1）。
陈冠益，天津商业大学副校长、天津大学环境科学与工程学院教授、西藏大学理学院教授。从事生物质/废弃物热化学转化和生物转化及过程建模、环境污染物控制等研究30余年。现为《Biomass & Bioenergy》期刊副主编，国际标准组织(ISO/TC255)的成员，负责沼气的安全和环境问题。自2021年起，担任国际能源署（IEA）生物质气化项目的中国专家。发表论文300余篇，专利40余项(中国、美国、日本等)，获得国家科技进步二等奖2项。
白雪松，隆德大学教授。于1995年4月加入隆德大学能源科学系，他领导着流体力学部门的一个研究小组，专注于反应流体动力学。1994年获瑞典皇家理工学院流体力学博士学位。自2002年以来，他一直担任隆德大学能源科学系流体力学教授。在同行评议期刊上发表论文200余篇。研究方向包括火焰传播与熄灭理论、化学反应流中污染物形成机制、湍流/化学相互作用建模、湍流反应流的直接数值模拟和大涡模拟、固/气和液/气两相湍流反应流建模，并应用于内燃机、燃气轮机和工业炉的不同能量转换过程。2018年当选为国际燃烧学会Fellow。
本期编辑：刘洋 审校：胡皓玮
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