Study on Low Nitrogen Combustion Characteristics of Metal Fiber Burner in Limited Space

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250027

Abstract

Abstract:

Metal fiber surface combustion technology has become one of the most promising low nitrogen combustion technologies for gas boilers because of its advantages of stable combustion process and uniform temperature distribution. Based on the low-nitrogen combustion experimental data of metal fiber surface in limited space, this study established a three-dimensional physical model of metal fiber surface combustion and carried out the full-premixed combustion numerical solution based on the porous medium resistance model, metal fiber turbulence model and EDC combustion model. It obtained the flame combustion conditions and the velocity characteristics of hot smoke flow field of metal fiber surface combustion in limited space, as well as the temperature field distribution and fuel distribution in furnace. Considering the influence of different excess air coefficient, it studied the emission characte-ristics and average generation rate distribution of prompt NO _x and thermal NO _x on metal fiber surface. The results show that under different excess air coefficients, the generation rate of prompt NO _x is faster than that of thermal NO _x . However, limited by the effective reaction space and reaction duration, the volume occupied by prompt NO _x in the furnace is much smaller than that of thermal NO _x .With the increase of excess air coefficient, the generation rate and emission of thermal NO _x gradually decrease. When α=1.6, the emission of NO _x from flue gas outlet is 22.55 mg/m³, which meets the standard of low nitrogen combustion. Therefore, in addition to changing the flame temperature, oxygen concentration and combustion mode, the generation of thermal NO _x can be suppressed by controlling the excessive air coefficient, and ultra-low nitrogen combustion of industrial gas boilers can also be effectively achieved.

Key words: low nitrogen combustion, metal fiber burner, surface combustion, numerical simulation

CLC Number:

TK223.2

GAN Yunhua, CHEN Kui, CHEN Ningguang, CHENG Jing, XU Yan. Study on Low Nitrogen Combustion Characteristics of Metal Fiber Burner in Limited Space[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2026, 54(1): 1-9.

Figures/Tables 11

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References 27

[1]	中国石油和化学工业联合会．《中国天然气发展报告（2024）》预测：今年天然气消费将首超4 000亿方［J］．化工管理，2024（24）：60．
	China Petroleum and Chemical Industry Federation ．The “China Natural Gas Development Report （2024）”predicts that natural gas consumption will exceed 400 billion cubic meters for the first time this year［J］．Chemical Engineering Management，2024（24）：60.
[2]	张群力，苏媛，刘涛，等．燃气锅炉低氮排放技术应用与进展［J］．化学工程，2024，52（8）：18-24，83．
	ZHANG Qunli， SU Yuan， LIU Tao，et al ．Application and progress of low NOx emission technology for gas boilers［J］．Chemical Engineering，2024，52（8）：18-24，83.
[3]	靳苏毅，王登辉，惠世恩，等．天然气低氮氧化物燃烧研究进展与展望［J］．节能技术，2021，39（4）：291-298.
	JIN Suyi， WANG Denghui， HUI Shien，et al ．Research progress and prospects of low NO _x combustion of natural gas［J］．Energy Conservation Technology，2021，39（4）：291-298.
[4]	WANG Jinda， ZHOU Zhigang， ZHAO Jianing，et al ．Towards a cleaner domestic heating sector in China：current situations，implementation strategies，and suppor-ting measures［J］．Applied Thermal Engineering，2019，152：515-531.
[5]	殷凤荣．低氮燃烧改造综述［J］．设备管理与维修，2018（23）：87-88.
	YIN Fengrong ．Review of low nitrogen combustion modification［J］．Equipment Management and Maintenance，2018（23）：87-88.
[6]	：燃气锅炉及固定式燃气轮机大气污染物排放标准［S］．
[7]	张自丽．福建省燃气锅炉分布与能效环保调查分析［J］．节能技术，2020，38（1）：70-74.
	ZHANG Zili ．Investigation and analysis on distribution，energy efficiency and environmental protection of gas-fired boilers in Fujian province［J］．Energy Conservation Technology，2020，38（1）：70-74.
[8]	王浩渊．从源头控制降低锅炉烟气排放中NO _x 的方法［J］．节能，2024，43（7）：85-87.
	WANG Haoyuan ．Methods for reducing NO _x from boiler flue gas emission by source control［J］．Energy Conservation，2024，43（7）：85-87.
[9]	赵钦新，商俊奇，倪永涛，等．我国燃气锅炉的差距和突破（续）［J］．工业锅炉，2018（23）：87-88.
	ZHAO Qinxin， SHANG Junqi， NI Yongtao，et al ．The gap and breakthrough of gas boilers in China （Continued）［J］．Industrial Boilers，2018（23）：87-88.
[10]	梁恩广，张辰杰，余志健，等．燃气轮机轴向贫燃分级燃烧技术进展［J］．动力工程学报，2024，44（9）：1328-1339.
	LIANG Enguang， ZHANG Chenjie， YU Zhijian，et al ．Progress in axial lean combustion fractional combustion of gas turbines［J］．Journal of Power Engineering，2019，44（9）：1328-1339.
[11]	姬海民，王电，石敬恒，等．基于FGR系统的新型低氮燃气燃烧器在燃气锅炉NO _x 排放中应用［J］．热力发电，2018，47（2）：103-107.
	JI Haimin， WANG Dian， SHI Jingheng，et al ．Application of new low nitrogen gas burner based on FGR system in NO _x emission of gas boiler［J］．Thermal Power Generation，2018，47（2）：103-107.
[12]	廖艳芬，张曼玉，陈顺凯，等．基于FLUENT的垃圾热解气MILD燃烧研究［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2021，49（2）：9-16.
	LIAO Yanfen， ZHANG Manyu， CHEN Shunkai，et al ．Study on MILD combustion of MSW pyrolysis gas based on FLUENT［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2021，49（2）：9-16.
[13]	廖艳芬，陈顺凯，张曼玉，等．有机固废热解气MILD燃烧的数值分析［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2020，48（7）：28-35，46.
	LIAO Yanfen， CHEN Shunkai， ZHANG Manyu，et al ．Numerical analysis of MILD combustion of organic solid waste pyrolysis gas［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2020，48（7）：28-35，46.
[14]	张井坤，杜勇博，于吉明，等．低气压条件下甲烷预混燃烧CO和NO生成机理研究［J］．动力工程学报，2023，43（10）：1247-1253.
	ZHANG Jingkun， DU Yongbo， YU Jiming，et al ．Formation mechanism of CO and NO in methane premixed combustion at low pressure［J］．Journal of Power Engineering，2023，43（10）：1247-1253.
[15]	石运鑫，谢敏，刘宏，等．金属纤维燃烧技术研发现状［J］．节能技术，2021，39（5）：452-459.
	SHI Yunxin， XIE Min， LIU Hong，et al ．Research and development status of metal fiber combustion technology［J］．Energy Conservation Technology，2021，39（5）：452-459.
[16]	黄志甲，张旭，胡国祥．金属纤维表面燃烧技术的研究与应用［J］．工业加热，2002，31（4）：16-19.
	HUANG Zhijia， ZHANG Xu， HU Guoxiang ．Study and application of metal fibre combustion technology［J］．Industrial Heating，2002，31（4）：16-19.
[17]	汤慧萍，奚正平，廖际常，等．金属多孔材料表面燃烧器的发展现状［J］，稀有金属材料与工程，2006，35（S2）：423-427.
	TANG Huiping， XI Zhengping， LIAO Jichang，et al ．Progress for metal porous media surface burner［J］．Rare Metal Materials and Engineering，2006，35（S2）：423-427.
[18]	王天天，张扬，张海．金属纤维表面燃烧技术的研究与应用进展［J］．中南大学学报（自然科学版），2023，54（10）：4057-4070.
	WANG Tiantian， ZHANG Yang， ZHANG Hai ．Research and application progress of metal fiber surfacecombustion technology［J］．Journal of Central South University（Science and Technology），2023，54（10）：4057-4070.
[19]	YU Byeonghun， Sung-min KUM， LEE Chang-eon，et al ．Combustion characteristics and thermal efficiency for premixed porous-media types of burners［J］．Energy，2013，53：343-350.
[20]	向素平．全预混金属纤维燃烧器在蓝焰工况下的研究［D］．上海：同济大学，2008.
[21]	朱荣俊，潘登，高晗，等．金属纤维燃烧器表面燃烧模拟研究［J］．煤气与热力，2020，40（1）：36-43.
	ZHU Rongjun， PAN Deng， GAO Han，et al ．Study on surface combustion simulation of metal fiber burner［J］．Gas and Heat．2020，40（1）：36-42.
[22]	FURSENKO R， MAZNOY A， ODINTSOV E，et al ．Temperature and radiative characteristics of cylindrical porous Ni-Al burners［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，98：277-284.
[23]	SCHIRO F， STOPPATO A ．Experimental investigation of emissions and flame stability for steel and metal fiber cylindrical premixed burners［J］．Combustion Science and Technology，2018，191（3）：453-471.
[24]	姚雪．金属纤维燃烧器头部特性研究［D］．重庆：重庆大学，2020．
[25]	PEDRAS M H J， LEMOS M D ．Macroscopic turbulence modeling for incompressible flow through undeformable porous media［J］．International Journal of Heat & Mass Transfer，2001，44（6）：1081-1093．
[26]	NAKAYAMA A， KUWAHARA F ．A macroscopic turbulence model for flow in a porous medium［J］．Journal of Fluids Engineering，1999，121（2）：427-433.
[27]	林涛，廖艳芬，杨栩聪，等．350 t/d垃圾焚烧炉的结构优化［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2021，49（7）：116-124.
	LIN Tao， LIAO Yanfen， YANG Xucong，et al ．Structure optimization of 350 t/d waste incinerator［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2021，49（7）：116-124.

过量空气系数α	空气流量/m³·h^-1	氧气质量流量/kg·s^-1	燃料质量流量/kg·s^-1	甲烷质量分数/%	氧气质量分数/%
1.2	114.0	34.41	0.043	4.6	22.3
1.3	123.5	37.28	0.046	4.3	22.4
1.4	133.0	40.15	0.050	4.0	22.5
1.5	142.5	43.02	0.053	3.8	22.5
1.6	152.0	45.88	0.056	3.5	22.6