西安交通大学能源与动力工程学院副教授、博士生导师。主要从事大气污染物生成与防治、清洁高效燃烧、先进蓄热储能等方面的科研工作。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、西安市科协青年人才托举计划等纵向科研课题以及企业委托横向研究项目多项。研究成果曾获陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖一等奖1项、中国电力企业联合会电力科技创新奖二等奖1项、中国能源研究会能源创新奖三等奖1项、中国电机工程学会电力科学技术进步奖三等奖1项。发表高水平论文数十篇，获授权专利数十项。在绿色智慧能源利用、大气污染物治理领域创造了良好的经济、社会效益。

      近年来，天然气低氮燃烧技术层出不穷，然而单一低氮技术的控制效果始终有限。为实现天然气清洁燃烧和低氮排放，设计了一种集分级燃烧、旋流燃烧和烟气再循环等低氮技术于一体的新型低氮燃烧器，以降低燃烧过程中氮氧化物的生成和排放。建立了功率14MW的燃烧器模型并对其进行数值模拟计算，分析了不同燃烧器结构和运行参数下燃烧器出口附近温度场、速度场以及氮氧化物(NO)浓度场，探究了混合气体旋流强度和二次风出口速度等因素对低氮燃烧性能的影响，优化该燃烧器的结构和运行参数使其达到最佳低氮性能。结果表明：优化前的燃烧器可使燃气在出口截面分布均匀并与空气充分混合，出口截面NO质量浓度已经低于30mg·m-3的低氮排放标准；燃气支管数量优化为8根时，高温区的集中度和氮氧化物的排放量最低，出口截面NO质量浓度低至7.61mg·m-3；一次风和燃气混合气体旋流强度S₀优化为0.6时，出口截面NO质量浓度低至5.04mg·m-3，S₀越大，产生的旋流效果越好，炉膛内的烟气内循环效应越明显；二次风出口速度优化到15~30m·s-1范围内时，能形成“山”字型的氮氧化物分布特征，有效降低氮氧化物的排放，炉膛出口截面NO的平均质量浓度能够降至4.91mg·m-3。优化后的新型低氮燃烧可使NO接近零排放，为后续的实验和工程实践提供重要参考。

      当今世界正处在前所未有的重大变革之中，国际关系日趋复杂，各国都面临着严峻的能源安全挑战。据国家统计局《中国统计年鉴2022》，我国2021年天然气生产占比和消费占比则达到了6.6%和8.9%，生产正缓慢降低，消费正逐步升高。煤炭在燃烧过程中除了会产生大量的温室气体CO2，还会产生大量对环境和人类健康有严重危害的污染物，而单位立方米天然气燃烧所产生的CO2不足煤炭的50%，燃料的燃尽率和发热量也比煤炭更优秀，属于名副其实的绿色能源。

      天然气燃烧时会产生有害的大气污染物——氮氧化物，是造成大气污染、酸雨和臭氧层破坏等环境问题的主要因素。近年来随着天然气消费量的不断增加，氮氧化物的控制与治理也成天然气发展需要直面的问题，据《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223—2011），全国范围内的新建燃气锅炉氮氧化物排放标准仅为100mg·Nm-3，而如河北、北京等地规定新建燃气锅炉执行30mg·Nm-3的排放标准。如何在不影响锅炉运行和电厂经济效应的同时又能降低氮氧化物排放达到国家排放标准，这是困扰各大厂家的难题。

      经过无数学者的辛勤研究，越来越多的低氮燃烧技术被提出并研究。MAlY等通过燃气分级技术将燃气分为主燃料和次燃料，沿轴向前后通入炉膛内进行燃烧，记录不同燃料比值下NO_x的排放。研究发现，如果主燃料是整个燃料的18%~20%，那么NO_x的排放就会降低到60%~71%。王惠使用数值模拟也对燃气分级的比例进行了研究，结果表明燃料分级燃烧技术使NO_x排放降低至30%~50%，取得了很好的低氮效果。Li等发现，烟气再循环技术减少NO_x排放与压力有关系，在恒定的火焰温度下，在低于五个大气压的压力下导致NO_x生成增加，而在高于五个大气压的压力下减少NO_x排放。WALTON等通过预热空气实现无焰燃烧，与传统燃烧方法相比，NO_x排放从1000ppm降低到30ppm，证明了在实现无焰燃烧之后氮氧化物的生成与排放量有着显著的降低。NGUYEN等通过数值模拟来研究贫燃预混燃烧器的NO_x排放特性，并与试验进行对比。其结果表明：在当量比为0.7以上时，热力型NO_x为主的氮氧化物占比超过64.3%。可见抑制预混燃烧中产生的氮氧化物的关键仍然在于控制火焰燃烧主反应区的温度。每种低氮技术都有其优势和局限性，仅使用单一低氮技术难以达到低氮排放要求，需要耦合利用多种低氮技术，协同结合工作，在保证燃烧稳定和高燃尽率的前提下控制氮氧化物的生成与排放。

      宋少鹏等为探究分级燃烧技术和烟气再循环技术的耦合效果，搭建了1.4MW试验台并创建物理模型进行数值模拟计算，通过耦合分级燃烧技术和烟气再循环技术，将NO_x排放从135mg·m-3降到120mg·m-3，再下降到70mg·m-3，NO_x排放降低了约50%，这表明了分级燃烧技术和烟气再循环技术耦合是可行的。

      目前低氮技术的主要发展方向为耦合各种较为成熟的低氮技术，通过设计和优化燃烧器结构参数以取得最具有经济适用性且满足国家排放的低氮燃烧器。本文在总结传统天然气低氮燃烧器的基础上，耦合燃气/空气分级燃烧技术、旋流燃烧技术和烟气内循环技术等多种低氮燃烧技术设计出一种新型低氮燃烧器，通过数值模拟，分析旋流强度、二次风强度等参数对燃烧器出口附近速度场、浓度场和温度场的影响，以低氮优化为主要目的对燃烧器的结构进行改型，根据仿真结果选取最优的结构和运行参数，为后续实验和工程实践做好准备。

图1 燃烧器整体结构示意图

图2 燃烧器出口结构示意图

图3 距离燃烧器出口不同截面的CH4浓度云图

编辑｜邵方嫄

审核｜金丽丽