本书聚焦富氢燃气的燃烧特性及其在工业领域的应用，系统分析了生物质气、合成气、副产气等典型富氢燃气的燃烧机理与优化策略。随着全球能源结构转型与“双碳”目标的推进，富氢燃气作为低碳替代燃料的关键地位日益凸显，但其燃烧过程中存在的污染物排放、振荡燃烧及燃烧状态优化等问题仍是工业应用的瓶颈。

目录
第1章概述
1.1背景介绍
1.1.1工业应用场景
1.1.2富氢燃气分类及构成
1.2富氢燃气的燃烧组织方式
1.2.1传统燃烧
1.2.2多孔介质燃烧
1.2.3无焰燃烧
1.2.4富氧燃烧
1.2.5双燃料燃烧
1.3富氢燃气燃烧面临的技术挑战
1.3.1污染物排放问题
1.3.2振荡燃烧问题
1.3.3燃烧状态优化问题
第2章富氢燃气的燃烧特性
2.1物理模型
2.1.1化学平衡模型
2.1.2动力学机理模型
2.1.3预混火焰自由传播模型
2.1.4完全搅拌反应器模型
2.2燃烧特性分析
2.2.1动力学机理模型的验证
2.2.2燃烧温度
2.2.3层流火焰特性
2.2.4污染物排放特性
2.3关键特征参数的影响
2.3.1当量比的影响
2.3.2停留时间的影响
2.3.3烟气循环比例的影响
第3章富氢燃气的湍流燃烧特性
3.1数值计算方法
3.1.1控制方程
3.1.2湍流模型
3.1.3燃烧模型
3.2射流火焰
3.2.1射流火焰的基本配置
3.2.2射流火焰的典型特征
3.2.3核心边界条件的影响
3.3旋流火焰
3.3.1旋流火焰的基本配置
3.3.2旋流火焰的典型特征
3.3.3核心边界条件的影响
3.4钝体火焰
3.4.1钝体火焰的基本配置
3.4.2钝体火焰的典型特征
3.4.3核心边界条件的影响
第4章富氢燃气的燃烧不稳定性
4.1燃烧不稳定性机理
4.2物理模型
4.2.1燃烧状态模型
4.2.2振荡燃烧模型
4.2.3化学爆炸模态分析方法
4.3燃烧状态分析
4.3.1稳定运行空间和燃烧状态指数
4.3.2独立系统参数的影响
4.3.3燃烧状态演化
4.4振荡燃烧分析
4.4.1近熄火工况的自激振荡分析
4.4.2工业热风炉的振荡燃烧分析
第5章富氢燃气的燃烧状态优化及主动控制
5.1物理模型
5.1.1燃烧状态优化模型
5.1.2主动控制模型
5.2富氢燃烧系统的状态优化
5.2.1单变量调整的状态优化
5.2.2活性子空间方法
5.2.3多变量协同的状态优化
5.3纯氢燃烧器的主动控制
5.3.1纯氢燃烧器介绍
5.3.2流场特性分析
5.3.3振荡燃烧抑制
5.3.4模态分析
第6章富氢燃气的典型燃烧器设计
6.1“射流+钝体”型燃烧器
6.1.1结构组成
6.1.2燃烧特性分析
6.1.3工况参数的影响
6.2“旋流+射流”型燃烧器
6.2.1结构组成
6.2.2燃烧特性分析
6.2.3工况参数的影响
6.3“旋流+钝体”型燃烧器
6.3.1结构组成
6.3.2燃烧特性分析
6.3.3工况参数的影响
第7章富氢燃气燃烧器的应用案例
7.1加热炉应用案例
7.1.1案例概述
7.1.2额定工况的燃烧特性分析
7.1.3波动工况的燃烧特性分析
7.2管道燃烧室应用案例
7.2.1案例概述
7.2.2典型设计方案说明
7.2.3燃烧特性分析
7.3烟道升温系统应用案例
7.3.1案例概述
7.3.2典型设计方案说明
7.3.3燃烧特性分析
第8章总结与展望
参考文献
附录

前言

在全球工业化进程加速与化石能源日益枯竭的双重压力下，能源结构低碳化转型已成为国际共识。据国际能源署(IEA)统计，2022年全球能源相关二氧化碳排放量达368亿t，其中85%以上来自化石燃料燃烧。我国作为全球最大的能源消费国，2023年一次能源消费总量达48.3亿吨标准煤(tce)，碳排放量占全球总量的30%，“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的目标面临严峻挑战。在此背景下，富氢燃气作为一种典型的低碳燃料，因其高能量密度、低碳排放特性，成为工业领域替代传统化石燃料的重要选择。

富氢燃气主要包括生物质气、合成气、焦炉煤气、油田伴生气及高炉煤气等，其组分以氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)为主。据统计，2020年我国生物质气年产量约124亿m3，冶金行业副产气总量超过1500亿m3，这些燃气的高效利用对降低工业碳排放具有重要意义。然而，富氢燃气燃烧存在三大技术难题： 其一，氢气的快速燃烧特性导致火焰稳定性差，易引发回火或熄火； 其二，氮氧化物(NOx)与CO的排放控制难度大，尤其在低热值燃气燃烧时更为突出； 其三，振荡燃烧现象频发，可能造成设备振动、寿命缩短甚至安全事故。

针对上述问题，本书以富氢燃气的燃烧特性为核心，围绕燃烧组织设计、污染物控制及工业应用展开系统性研究。全书共分8章，主要内容如下：

第1章 概述： 阐述富氢燃气的应用背景与意义，分析全球能源消耗与碳排放现状，明确富氢燃气作为低碳替代燃料的技术优势与挑战，提出本书的研究目标与方法。

第2章 富氢燃气的燃烧特性： 基于低维物理模型(化学平衡模型、预混火焰自由传播模型、完全搅拌反应器模型)，系统分析生物质气、合成气等5类典型富氢燃气的燃烧温度、层流火焰速度及污染物生成规律，识别影响燃烧特性的关键特征参数(当量比、停留时间、烟气循环比例)。

第3章 富氢燃气的湍流燃烧特性： 采用雷诺平均(RANS)与大涡模拟(LES)方法，结合稳态火焰面模型(SFM)与加厚火焰模型(TFM)，对射流火焰、旋流火焰及钝体火焰的湍流燃烧特性进行数值仿真，揭示了湍流化学反应耦合机制及核心边界条件。

第4章 富氢燃气的燃烧不稳定性： 基于非稳态完全搅拌反应器模型与化学爆炸模态分析(CEMA)，研究近熄火工况与工业热风炉中的振荡燃烧现象，提出振荡燃烧的分类方法与自激振荡抑制策略。

第5章 富氢燃气的燃烧状态优化及主动控制： 构建燃烧状态指数(CSI)，结合图论优化算法与滑动多频段移相控制(CNNH)模型，实现燃烧状态的动态调节与振荡燃烧的主动抑制，并通过纯氢燃烧器实验验证控制策略的有效性。

第6章 富氢燃气的典型燃烧器设计： 针对不同燃气特性与工业场景，设计“射流+钝体”“旋流+射流”“旋流+钝体”三类典型燃烧器，分析其火焰结构、温度分布及污染物排放特性，提出核心部件(匀流板、旋流器、钝体稳焰盘)的优化设计方法。

第7章 富氢燃气燃烧器的应用案例： 结合油田井口加热炉、管道燃烧室及烟道升温系统等典型工业场景，对比分析不同燃烧器的运行性能，探讨富氢燃气在复杂工况下的适应性及工程应用潜力。

第8章 总结与展望： 总结全书研究成果，指出富氢燃气燃烧领域亟待解决的科学问题(如多燃料掺混燃烧特性、新型污染物控制方法等)，并提出未来研究方向。

本书的创新性体现在以下3个方面：

（1） 理论层面： 首次建立了富氢燃气燃烧特性的低维物理模型库，揭示了当量比、停留时间、烟气循环比例对火焰稳定性的影响规律，为燃烧器设计提供了理论依据；

（2） 方法层面： 提出了基于化学爆炸模态分析与滑动多频段移相控制的振荡燃烧抑制策略，实现了燃烧状态动态优化与污染物协同减排；

（3） 应用层面： 开发了适用于不同工业场景的系列化燃烧器设计方案，通过数值模拟与实验验证了其在油田、化工、冶金等领域的可行性。

本书的研究成果可为富氢燃气的高效清洁利用提供技术支撑，助力工业领域实现“双碳”目标。书中提出的分析方法与应用案例兼具理论深度与实用价值，可供能源工程、动力工程及工程热物理领域的研究人员、工程师及相关专业师生参考。

作者
2025年5月