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燃燒過程的組成因反應區域而異，是以在整個模拟過程中無需使用相同的化學反應機理。動态自适應機理簡化算法可以實時簡化反應區的詳細機理到精确的子機理，進而通過簡單地耦合适合各反應局部位置反應區域的大多數組和反應數的簡化機理來實作計算加速。目前，存在一種具有簡化耦合動态自适應機理的氣液燃料燃燒數值模拟，基于動态自适應反應的煤粉燃燒數值模拟很少報道。
為了提高煤粉無火焰燃燒的仿真精度和計算效率，研究煤粉無火焰燃燒燃料的氮素轉化機理，華中科技大學李鵬飛副教授首先介紹了動态自适應機理簡化算法的原理，然後耦合了自主開發的含氮骨架機理，并采用了動态自适應機理 簡化算法，進行煤粉無焰燃燒燃料氮素轉化限速仿真，仿真結果系統驗證後，對煤粉無焰燃燒氮轉化動态分析進行。
總結
無火焰燃燒是近年來備受關注的新型高效清潔燃燒技術之一，具有體積式低反應速率燃燒面積和典型中低溫燃燒的特點，有必要結合詳細的反應機理，考慮湍流與化學反應的互相作用，以提高無火焰燃燒和ITS産生的數值模拟精度。基于動态自适應反應機理，對煤粉無火焰燃燒和NO生成特性進行了高保真數值模拟。仿真過程利用動态自适應機理對算法進行簡化，進而實時簡化了含氮骨架機構的獨立開發。評價發現，在不犧牲計算精度的情況下，動态自适應反應可以達到計算加速度的3倍左右，爐内NO生成的預測精度明顯優于傳統的NO後處理模拟方法。在實驗和驗證模拟結果的基礎上，得到了HCN、NH3等典型含氮前驅體的爐分布，并進一步分析了煤粉無火焰燃燒燃料的氮轉化路徑、活性組分和活性反應等氮轉化的關鍵資訊。結果表明，煤粉無焰燃燒NO的生産主要依賴于NH3、HCN和N2O中間體，而NCO和HNO是關鍵的中間體組分。HCN中間體主要通過HNCO / CN和NCO路徑産生NO。NH3中間體由HNCO産生并進一步轉化為NH2和HNO，産生NO。N2O路徑主要參與NO恢複，對NO生成的貢獻較小。CH3CN也是産生NO的重要中間元件，可以通過NCO路徑産生。
1 基于動态自适應反應的數值模拟方法
圖1 ISAT-DAC計算過程
圖2 IfRF爐幾何形狀
本文中，ifRF煤粉無焰燃燒試驗采用高速直噴一、二風射流，高動量射流具有很強的射流擴散和吸力作用，在整個燃燒區域引起煙氣大範圍循環，反應混合物被再循環煙氣稀釋并加熱到自燃點以上，實作無火焰燃燒。
由于試驗爐是對稱的，是以僅為燃燒爐的1/4進行模拟，以節省模拟消耗。使用三維六角形結構網格，通過對網格的獨立分析，所選網格的總數約為600，000。
該計算采用詳細的含氮反應機理，并将燃燒氧化過程與氮素轉化過程相結合，模拟煤粉無焰NOx産生的燃燒。本文對多種廣泛使用的含氮詳細反應機理進行了評估、開發和簡化，發現PG2018的機理在氮轉化模拟精度方面優于其他含氮詳細機理。在保證仿真精度的條件下，僅包含35個組分和259個步驟反應的骨架反應機理是基于PG2018機理的開發和簡化。在數值模拟中，采用高精度骨架反應機理，結合DAC算法實作計算加速，可應用于煤粉無焰燃燒仿真。
數值模拟基于Fluent平台。湍流模型采用标準k-ε模型，将模型系數C1從1.44校正為1.60，提高圓管射流的預測精度。化學滲透消散部件（CPD）模型用于模拟揮發性分析。利用離散坐标法（DO）求解輻射傳遞方程，引入灰階氣體權重和（WSGG）氣體輻射模型，WSGG模型中總發射速率的空間變化是氣體成分和溫度的函數。利用渦流耗散概念模型（EDC）耦合PG2018含氮骨架機理（35組分和259步反應）由作者團隊自主開發，模拟相位燃燒和燃料氮素轉化，是利用ISAT算法，結合DAC算法實作計算加速。速度-壓力耦合使用SIMPLE算法，方程離散使用高階QUICK格式。
與傳統的半經驗後處理方法近似模拟燃料型NOx生成不同，本文考慮了有限和焦炭燃料氮轉化機理（即PG2018含氮骨架機理）來模拟耦合燃燒氧化反應和燃料氮轉化的有限速率。煤粉的揮發性成分使用CCPD模型計算，并被視為ch4，H2，CO2，CO，NO和HCN。揮發性氮被認為是以HCN的形式釋放的，焦炭氮以NO的形式釋放的。焦炭燃盡模型采用動态/擴散控制模型，假設焦炭表面反應速率受動态或擴散速率的影響，燃燒過程中粒徑保持不變，密度随密度變化。
2 仿真結果和讨論
<h3>2.1 基于動态自适應反應的煤粉無焰燃燒模拟與試驗驗證</h3>
通過将ISAT-DAC耦合算法的仿真結果與實驗資料進行對比，驗證ISAT-DAC算法在煤粉無焰燃燒數值模拟中的準确性和适用性。該模拟和測試基于軸向速度，爐溫，O2濃度，CO2濃度，CO濃度和NO濃度以及煙氣排放資料。
一般來說，速度和溫度場的仿真結果與測試結果吻合良好。速度模拟偏差主要在0zx/d=1.2）處發現，軸向速度應保持在初始射流速度（約65 m/s）下，是以測試測量值明顯較低。O2、CO2和CO組分濃度的預測結果與試驗值吻合良好。
圖3 爐内軸向速度和溫度的預測結果與測試資料進行比較
圖4 爐内O2、CO2、CO濃度的預測結果與試驗資料對比
基于ISAT-DAC算法的動态自适應反應NO模拟結果，與傳統後處理模拟和實驗資料對比表明，基于後處理方法的THE預測結果精度不高，在第3段和z≈0.3 m高處生成NO模拟，第4段的NO預測結果為NO， 5、6、0z和基于含氮骨架機理的ISAT-DAC算法更符合試驗值，可以更好地預測爐内各段的NO生成。基于含氮骨架機理耦合ISAT-DAC算法的NO預測結果比後處理模拟更準确，可以從三個方面來解釋：（1）與傳統的全包反應機理相比，骨架反應機理可用于煤粉燃料燃燒過程，對溫度群組分分布場的描述更準确， （2）含氮反應機理經過詳細驗證，精度較高，後處理模拟方法僅基于半經驗模型，精度有限;與傳統的基于快速化學反應的EDM渦流耗散燃燒模型相比，該模拟采用EDC渦流耗散概念燃燒模型，可以考慮湍流和反應互相作用過程的有限速率反應模拟，對無焰燃燒的有限速率反應得到了更好的預測結果。是以，與後處理方案相比，ISAT-DAC算法可以提高入火NO仿真的精度。
圖5 爐内NO濃度的預測結果與試驗資料比較
最後，比較爐膛煙氣出口的試驗資料和預測結果，排放溫度、煙氣CO2、O2、CO和NO預測結果和試驗值的相對誤差在5%以内。
結合以上結果，該模拟爐中各監測面和爐出口的預測結果與試驗資料吻合良好，采用PG2018骨架機構和耦合的ISAT-DAC算法适用于煤粉無焰燃燒模拟，與傳統的NO後處理模拟方法相比，燃料氮轉化的模拟精度有所提高。
<h3>2.2 煤粉無火焰燃燒燃料氮素轉化分析</h3>
在經過測試驗證的模拟結果基礎上，進一步分析了煤粉無焰燃燒燃料的氮轉化機理。溫度與燃料氮素轉化過程密切相關，無火煤粉的燃燒過程在爐内具有更均勻的溫度分布。進一步觀察表明，爐子位于兩個主要反應區，一個是由于燃料噴射下遊并與氧氣混合而形成的反應，另一個位于煤粉噴嘴處并通過高溫産生煙氣回流。
圖6 爐内溫度分布
詳細的含氮（骨架）機理模拟方法可以準确預測爐内無分布，基于含氮骨架機理ISAT-DAC模拟和總包機機構後處理模拟的NO分布雲圖顯示：高濃度NO分布在粉末管周圍高溫區，盡管爐下遊有高溫區， 但是NO和碳氫化合物燃料之間的強還原反應使NO濃度降低。高濃度NO分布在粉管出口位置，爐内下遊NO濃度估計值低，且實際NO分布偏倚，不适合進行準确的定量分析。
圖7 爐内無分布
基于含氮骨架機理ISAT-DAC算法的有限速率仿真，可以得到機理中所含典型含氮中間組分在煤粉無火焰燃燒過程中的分布。該爐具有較高的HCN含量，較少的HCN轉化為NH3，低NH3含量和僅約15×10-6的峰值，以及較低的N2O産生。HCN和NH3主要分布在粉體管的出口處，兩者均來自煤粉的變形揮發點，N2O分布在高溫區周圍并參與NO的産生和還原。
圖8 爐内HCN、NH3和N2O中間組分的分布
基于含氮骨架機理ISAT-DAC算法的有限速率仿真，不僅可以預測不同含氮組分的産生和爐内分布，還可以分析煤粉無火焰燃燒過程中的燃料氮素轉化路徑。煤粉無焰燃燒燃料的氮素轉化路徑表明，熱NO産生受到顯著抑制，燃料NO生成主要依賴于HCN、NH3和N2O中間體，NCO和HNO是比較關鍵的中間體組分。HCN中間體主要通過HNCO/CN和NCO路徑産生NO，NH3中間體由HNCO産生并進一步轉化為NH2，HNO，最後NO，N2O路徑主要參與NO恢複，對NO産生的貢獻較小。反應路徑分析表明，CH3CN也是産生NO的重要中間組分，可以通過NCO路徑産生。
圖9 煤粉無火焰燃燒燃料的氮素轉化路徑
由于動态自适應機理簡化（DAC）與局部自适應形态建構方法（ISAT）在仿真過程中耦合以實作計算加速，簡化的動态自适應機理後可以獲得爐内活性組分分布的雲圖。IsaAT-DAC簡化法，可以準确識别爐内模拟過程中的主要反應區域，簡化後的主反應區域最多保留32個組分，其他區域組得分為0（無反應面積），進而節省了計算成本。主反應區位于粉體管的下遊，煤粉從粉體管中排出後遇到高溫二次風，發生燃燒反應，主反應區對應高溫區。爐體上方的活性成分主要是由高溫煙霧的回流引起的。
圖10 爐内活性成分分布
動态自适應機理簡化在去除對目标組分貢獻較小的其餘組分時，還去除了含有目标組分的相關反應，進而獲得爐内活性反應分布的雲圖。活性反應較強的區域對應于活性組分較多的區域，主反應區保留多達240步反應，弱反應區依次減至80步反應，煙氣區域反應次數為0（即未發生反應）。
圖11 爐内活性反應的分布
統計計算時間發現，與基于骨架反應機理（35組分和259步反應）耦合ISAT算法的燃燒模拟相比，仿真可以進一步結合DAC算法獲得約3倍的計算加速度。由于骨架反應機理（35組分和259步反應）與原PG2018詳細反應機理（151組分和1，397步反應）相比，可以獲得約18.6倍的加速效果。也就是說，骨架反應機理耦合ISAT-DAC算法可以實作比原PG2018詳細反應機理近55倍的計算加速度，而不會犧牲計算精度。
3 結論
1）基于IFRF 0.58 MW燃燒爐，對煤粉無火焰燃燒的含氮骨架機理進行有限速率模拟，考慮燃燒過程中的湍流-化學-氮轉化反應互相作用，進一步耦合動态自适應反應機理簡化方法，實作計算加速。對爐膛監測面和爐出口的溫度、轉速、O2濃度、CO2濃度和NO濃度預測結果與試驗資料比對良好，驗證了PG2018骨架機構和ISAT-DAC算法在煤粉無焰燃燒模拟中的準确性和适用性。與骨架機理仿真相比，耦合DAC算法可以實作近3倍的計算加速度，使用詳細的反應機理可以實作近55倍的加速度效果。
2）煤粉無焰燃燒燃料氮轉化特性及含氮關鍵中間體組分研究表明，NO的産生主要依靠HCN、NH3和N2O中間體，NCO和HNO是關鍵的中間體組分。HCN中間體主要通過HNCO/CN和NCO路徑産生NO，NH3中間體由HNCO産生并進一步轉化為NH2，HNO，最後NO，N2O路徑主要參與NO恢複，對NO産生的貢獻較小。反應路徑分析還表明，CH3CN也是産生NO的重要中間組分，可以通過NCO路徑産生。
3）基于煤粉無焰燃燒燃料氮素轉化模拟實驗結果，首次得到爐内含氮氮遷移中含氮關鍵中間組分（HCN和NH3）的分布以及活性組分和活性反應的分布，可為NO減排技術的發展提供參考， 如根據爐内溫度群組分分布，提高爐内NO再燃和選擇性非催化還原（SNCR）的效果。
參考格式
劉偉， 李鵬飛， 程鵬飛等基于動态自适應反應的無火燃燒燃料氮素轉化機理研究.潔淨煤技術， 2021， 27（4）： 123-131.
劉璐，李鵬飛，程鵬飛，等.基于動态自适應化學的煤粉無焰燃燒燃料氮轉化機理研究[J].潔淨煤技術，2021，27（4）：123-131.
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