氨氢混合燃烧在旋流燃烧器中的动力学特性与NO x 减排机理研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23183

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 171-179.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23183

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氨氢混合燃烧在旋流燃烧器中的动力学特性与NO _x 减排机理研究

王凯卉¹^,², 刘斌¹^,², 折晓会¹^,², 刘伟³, 范昊¹^,², 康宗耀¹^,², 徐礼¹^,²

^1.石家庄铁道大学机械工程学院，河北省石家庄市 050043
^2.国家能源多模式工业储能技术研发中心，河北省石家庄市 050043
^3.河北省科学院能源研究所，河北省石家庄市 050081

收稿日期:2023-12-29 修回日期:2024-03-23 出版日期:2025-02-28 发布日期:2025-02-27
通讯作者: 刘斌
作者简介:王凯卉(2000)，女，硕士研究生，主要研究方向为氨氢掺混燃烧，18832172206@163.com；
刘斌(1985)，男，博士，副教授，主要研究方向为氨氢掺混燃烧，本文通信作者，liubin@stdu.edu.cn。
基金资助:
河北省科技厅战略专项(23319904L);河北省科学院科技计划项目(2023PF03)

Kinetic Characterization and NO _x Reduction Mechanism of Mixed Ammonia-Hydrogen Combustion in Cyclone Combustor

Kaihui WANG¹^,², Bin LIU¹^,², Xiaohui ZHE¹^,², Wei LIU³, Hao FAN¹^,², Zongyao KANG¹^,², Li XU¹^,²

^1.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei Province, China
^2.National Energy Multi-Mode Industrial Energy Storage Technology R&D Center, Shijiazhuang 050043, Hebei Province, China
^3.Institute of Energy Resources, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050081, Hebei Province, China

Received:2023-12-29 Revised:2024-03-23 Published:2025-02-28 Online:2025-02-27
Contact: Bin LIU
Supported by:
Science and Technology Program of Hebei(23319904L);Science and Technology Program of Hebei Academy of Sciences(2023PF03)

摘要/Abstract

摘要：

目的氨在实现“双碳”目标方面发挥着关键作用，然而氨燃烧速度低且NO _x 排放较高。为提高燃烧速度，提出了采用氨氢掺混燃烧的方法。方法采用计算流体力学与氨氢混合燃烧机理相结合的方法，对氨气、氢气和空气的预混燃烧进行了数值模拟，并分析了当量比和入口空气流量对燃烧特性和NO _x 排放的影响。此外，为了更好地控制燃烧过程中NO _x 的排放，使用Chemkin软件进行了氨氢掺混燃烧反应动力学分析。结果在旋流燃烧器中，增加入口空气流量和当量比可以有效降低NO的排放；NO的主要生成途径为亚氨基的氧化。结论研究结果为旋流燃烧器中氨氢掺混燃烧特性的分析以及降低NO _x 排放提供了参考。

关键词: 双碳, 氨气掺氢, 预混燃烧, 数值模拟, NO _x 排放, 燃烧动力学特性, 旋流燃烧器

Abstract:

Objective Ammonia plays a key role in achieving the “dual carbon” goal, but ammonia has a low combustion rate and high NO _x emission. In order to improve the combustion rate, a method of ammonia-hydrogen blending combustion was proposed. Methods The combined computational fluid dynamics and ammonia-hydrogen mixed combustion mechanism are used to numerically simulate the premixed combustion of ammonia, hydrogen and air. The effects of equivalent ratio and inlet air flow on combustion characteristic and NO _x emission are analyzed. In addition, in order to better control the emission of NO _x during combustion, the kinetic analysis of ammonia-hydrogen blending combustion reaction is carried out using Chemkin software. Results Increasing the inlet air flow rate and equivalent ratio can effectively reduce NO emission in cyclone burners, and the main way of NO formation is the oxidation of imino groups. Conclusion The results provide a reference for the characterization analysis of ammonia-hydrogen miscible combustion and the reduction of NO _x emissions in cyclone combustors.

Key words: double carbon, ammonia doped with hydrogen, premixed combustion, numerical simulation, NO _x emission, characteristics of combustion kinetic, cyclone combustor

中图分类号:

TK 19

王凯卉, 刘斌, 折晓会, 刘伟, 范昊, 康宗耀, 徐礼. 氨氢混合燃烧在旋流燃烧器中的动力学特性与NO _x 减排机理研究[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 171-179.

Kaihui WANG, Bin LIU, Xiaohui ZHE, Wei LIU, Hao FAN, Zongyao KANG, Li XU. Kinetic Characterization and NO _x Reduction Mechanism of Mixed Ammonia-Hydrogen Combustion in Cyclone Combustor[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(1): 171-179.

图/表 9

图1 燃烧室物理模型

Fig. 1 Physical model of the combustion chamber

图2 燃烧室不同截面平均轴向速度和径向速度分布

Fig. 2 Average axial velocity and radial velocity distribution of different cross-sections of the combustion

图3 不同当量比条件下层流火焰速度对比

Fig. 3 Comparison of laminar flame velocities under different equivalent ratios

图4 燃烧室截面轴向速度分布(x/RC=1)

Fig. 4 Axial velocity distribution of combustion chamber sections (x/RC=1)

图5 当量比对燃烧室温度分布和NO排放的影响

Fig. 5 Effect of equivalent ratio on combustion chamber temperature distribution and NO emission

图6 当量比对燃烧室出口烟气排放浓度的影响

Fig. 6 Effect of equivalent ratio on the emission concentration of flue gas at the outlet of the combustion chamber

图7 入口空气流量对燃烧室温度分布和NO排放的影响

Fig. 7 Effect of inlet air flow on combustion chamber temperature distribution and NO emission

图8 入口空气流量对燃烧室出口烟气排放浓度的影响

Fig. 8 Effect of inlet air flow on the concentration of flue gas emission at the outlet of the combustion chamber

图9 燃烧反应路径带箭头线段的粗细表示反应速率的相对大小，箭头越粗表明反应速率越大。

Fig. 9 Combustion reaction path

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