发布时间：2024-09-02
天津大学环境学院以第一单位在能源和燃烧领域国际顶级期刊《Progress in Energy and Combustion Science》发表了题为“MILD combustion of low calorific value gases”的论文。周生权博士后/助理研究员为第一作者，天津大学环境学院颜蓓蓓教授、天津大学/天津商业大学陈冠益教授、瑞典隆德大学白雪松教授为共同通讯作者（图1）。
图1 论文封面及作者单位信息
《Progress in Energy and Combustion Science》创刊于1974年，以编辑邀稿的形式收录能源、燃烧科学领域最新相关前沿专题的综述类论文。该期刊在机械工程（180个期刊）和热力学（76个期刊）两个领域中排名第一（数据来源：Journal Citation Reports 2023），每年发文量仅30~50篇。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101163。
该文章的主要内容：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（LCVG）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2），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。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3）；最终揭示了富氢燃气、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 不同种类低热值燃气的来源及特征组分
图3 低热值燃气MILD燃烧组分影响分析方法
该文章的主要贡献在于：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（图4），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。
图4 不同种类低热值燃气MILD燃烧建立方式
陈冠益、颜蓓蓓教授团队长期专注于生物质/固体废物处置与资源化研究，推动碳污协同减排与资源化利用，服务无废城市、循环经济、双碳目标等国家战略，响应国家和社会发展的重大需求和社会关切。当前主要研究方向包括：面向氢-肥联产的温和气化、基于厌氧发酵预处理的新型气化、低热值燃气MILD燃烧技术、多源工业有机固废热解技术、热解/气化/燃烧过程模拟、面向未来固废的光氧化-热解等。本研究获得国家自然科学基金(52122609)的资助支持。
（来源：周生权 编辑：田淑洁）
