mild燃燒技術(shù)的發(fā)展與展望

mid燃燒是一種低氧稀釋條件下的溫和燃燒模式。當(dāng)在爐內(nèi)進(jìn)行燃燒（尤其是燃燒和輕油）時(shí)，整個(gè)爐的葉子是透明的，并且不會(huì)有局部高火。因此，也被稱(chēng)為“無(wú)火焰燃燒”或“無(wú)火焰氧化”。為了完成燃燒，燃燒空氣通常必須將燃燒空氣的高溫加熱到1000uf0c以上，因此也被定義為“高溫空氣燃燒”。燃燒也被稱(chēng)為“低溫燃燒”。嚴(yán)格地說(shuō)，上述不同名稱(chēng)的原始定義并不完全完全，但作者認(rèn)為mid的名稱(chēng)能準(zhǔn)確反映燃燒的本質(zhì)，并是目前國(guó)際燃燒界一致認(rèn)可的名稱(chēng)?，F(xiàn)在，國(guó)際燃燒協(xié)會(huì)（fluftschule，美國(guó)）將“mid燃燒”作為國(guó)際燃燒會(huì)議上新燃燒方法的一個(gè)主題，由燃燒研究人員參與和交流。MILD燃燒是一種容積燃燒或彌散燃燒,其特征是反應(yīng)速率低、局部釋熱少、熱流分布均勻、燃燒峰值溫度低且噪音極小.該燃燒與傳統(tǒng)小區(qū)域局部高溫燃燒相比,反應(yīng)在大區(qū)域、甚至整個(gè)爐膛內(nèi)進(jìn)行,火焰鋒面消失;NOx和CO等污染物的生成顯著減少;爐膛整體溫度提高、輻射傳熱增強(qiáng).該燃燒自20世紀(jì)90年代問(wèn)世后,迅速在德國(guó)、意大利、日本、美國(guó)、瑞典和中國(guó)等國(guó)家的鋼鐵和冶金行業(yè)得到應(yīng)用.大量的工業(yè)應(yīng)用證明,蓄熱式MILD(即熟知的日本HiTAC和德國(guó)FLOX)燃燒系統(tǒng)的使用可提高熱利用效率(故降低CO2排放)30%以上,同時(shí)減少NOx排放超過(guò)70%.另外,MILD燃燒對(duì)使用低熱值(劣質(zhì))燃料也有明顯的優(yōu)勢(shì).由于集節(jié)能、減排、環(huán)保于一身,該燃燒技術(shù)被國(guó)際燃燒界譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前途的新型燃燒技術(shù)之一[4~7].本文基于筆者對(duì)MILD燃燒的多年研究和最新進(jìn)展[8~22],首先綜述MILD燃燒的研究和發(fā)展現(xiàn)狀,分析目前該技術(shù)工業(yè)系統(tǒng)的局限性,接著報(bào)道筆者近年來(lái)的一些研究成果,最后給出利用MILD燃燒技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展高效低污染燃燒系統(tǒng)的建議.1mid燃燒的發(fā)展和現(xiàn)狀1.1空氣預(yù)熱和射流溫度對(duì)nox排放量的影響為提高燃燒系統(tǒng)的熱效率,需盡可能回收煙氣余熱,降低排煙溫度,進(jìn)而降低排煙熱損失.為此,通常采用換熱器或蓄熱式換熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)蓄熱器)回收煙氣余熱.換熱器和蓄熱器吸收煙氣余熱,將此熱量通過(guò)預(yù)熱后的空氣送回到燃燒系統(tǒng).燃燒系統(tǒng)中的換熱器最高能將空氣預(yù)熱到1000K,而蓄熱器可將空氣預(yù)熱到1300K以上.更高的空氣預(yù)熱溫度能增加燃燒強(qiáng)度,但對(duì)于常規(guī)燃燒系統(tǒng)而言,NOx的排放量隨空氣預(yù)熱溫度的增加而增加.20世紀(jì)90年代,德國(guó)和日本的研究者發(fā)現(xiàn)采用蓄熱器將空氣預(yù)熱到約1600K并將射流速度提高到90m/s時(shí),燃燒的火焰鋒面消失.當(dāng)在場(chǎng)人員以為反應(yīng)已經(jīng)停止時(shí),卻發(fā)現(xiàn)此時(shí)煙氣中的O2濃度很低,為正常燃燒反應(yīng)后的濃度.這說(shuō)明雖然火焰鋒面不可見(jiàn),但燃燒反應(yīng)仍在進(jìn)行.重要的是,系統(tǒng)的NOx排放量與傳統(tǒng)燃燒時(shí)NOx排放量隨空氣溫度提高而增加的趨勢(shì)不相符,此時(shí)NOx排放量極低,最高才80ppmv,甚至幾乎為零.顯然,應(yīng)用蓄熱器既實(shí)現(xiàn)了該燃燒方式,回收了煙氣余熱、滿足了節(jié)能的要求,又極大地降低了污染物(特別是NOx)的排放,于是也滿足了減排的要求.進(jìn)一步的研究結(jié)果證實(shí):在滿足空氣高溫預(yù)熱和射流高動(dòng)量的條件下,燃燒火焰面消失,反應(yīng)在整個(gè)爐內(nèi)均勻進(jìn)行,爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻,爐內(nèi)輻射換熱提高了超過(guò)30%,燃燒噪音極低因此,蓄熱式MILD燃燒技術(shù)具有無(wú)可置疑的節(jié)能與低NOx排放的優(yōu)勢(shì).1.2mild燃燒與煙氣內(nèi)部循環(huán)率德國(guó)[2,23,24,25,26,27]和日本最先開(kāi)始了對(duì)MILD燃燒的相關(guān)研究,瑞典[29~35]、意大利[4,27,36,37,38,39,40,41,42]、荷蘭、法國(guó)、澳大利亞[12~22]、美國(guó)和中國(guó)[8,9,10,11,12,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61]緊跟其后.上述國(guó)家的研究得到了以下初步共識(shí)(有關(guān)最新進(jìn)展,第2節(jié)會(huì)詳細(xì)討論):1)高溫預(yù)熱空氣并配合高速射流是實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的主要方式;2)卷吸高溫?zé)煔獠⑾♂屓伎諝馍淞魇蔷S持MILD燃燒的技術(shù)關(guān)鍵;3)建立MILD燃燒的重要條件是射流混合區(qū)以后爐內(nèi)任意位置的氧氣濃度低于5%~10%,且溫度高于燃料的自燃點(diǎn).這需要依靠爐內(nèi)高溫?zé)煔?富含N2和CO2的廢氣)的強(qiáng)烈內(nèi)部循環(huán)稀釋反應(yīng)物來(lái)實(shí)現(xiàn);4)采用蓄熱器回收高溫?zé)煔庥酂釙r(shí),MILD燃燒可提高熱效率30%以上,同時(shí)降低超過(guò)70%的NOx排放.為衡量反應(yīng)物被爐內(nèi)煙氣稀釋的程度,Wünning父子二人定義了煙氣內(nèi)部循環(huán)率來(lái)定量分析廢氣內(nèi)部循環(huán)對(duì)MILD燃燒的影響.如圖1所示,燃料射流MF和氧化劑射流MA的軸向演化和徑向擴(kuò)散都會(huì)導(dǎo)致其卷吸周?chē)鷼怏wME并與之混合,加上爐內(nèi)整體流場(chǎng)帶動(dòng)的氣體流動(dòng),反應(yīng)物被燃燒生成的廢氣(CO2和H2O)和不參與反應(yīng)的氣體(N2)逐漸稀釋.煙氣內(nèi)部循環(huán)率(Kv)定義為被燃燒射流卷吸的內(nèi)部循環(huán)煙氣(CO2,N2和H2O)與入射燃料和空氣的質(zhì)量流量之比,即:Wünning父子通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了甲烷在擴(kuò)散燃燒方式下Kv與溫度的關(guān)系,如圖2所示.在圖2中的MILD燃燒區(qū)域,廢氣內(nèi)部循環(huán)率(Kv)大于2.5,爐內(nèi)溫度大于1100K.目前對(duì)MILD燃燒的研究也大多通過(guò)考察Kv對(duì)燃燒的影響實(shí)現(xiàn).Cavigiolo等人詳細(xì)研究了天然氣MILD燃燒時(shí)Kv對(duì)反應(yīng)溫度、NOx和CO生成的影響,發(fā)現(xiàn)由于MILD燃燒穩(wěn)定性好,其能降低NOx和CO排放的優(yōu)勢(shì)不隨爐溫、燃料類(lèi)型和燃料熱值的變化而改變;他們還發(fā)現(xiàn)因燃料的燃點(diǎn)和熱值不同,采用不同燃料實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的Kv值不同,如以甲烷為燃料時(shí)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒需Kv大于4且爐溫大于800uf0b0C~850uf0b0C,而采用乙烷為燃料時(shí)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒只需Kv大于3.5,爐溫高于600uf0b0C~650uf0b0C即可.Galletti等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD模擬發(fā)現(xiàn),MILD燃燒爐的三維模擬在工程中可簡(jiǎn)化為二維,以此節(jié)約計(jì)算強(qiáng)度和時(shí)間,且二維模擬得出的Kv值與三維下的結(jié)果差別不大.Galletti等人還發(fā)現(xiàn),減小空氣進(jìn)口面積能即增加射流動(dòng)量,并能以此加強(qiáng)反應(yīng)物射流與爐內(nèi)煙氣的混合和卷吸,因此增加爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性,降低反應(yīng)的峰值溫度,并因此降低了NOx排放.Effuggi等人和Derudi等人[62~64]發(fā)現(xiàn)在滿足高煙氣卷吸率(Kv大于5)和高爐溫(大于800uf0b0C)的條件下也能實(shí)現(xiàn)低熱值生物質(zhì)氣體的MILD燃燒,他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得MILD燃燒發(fā)生時(shí)炭黑(Soot)和PAH排放值都很低.他們還根據(jù)比較不同燃料在不同燃燒工況下的Kv與反應(yīng)溫度,分析了天然氣與生物質(zhì)氣體MILD燃燒的區(qū)別,并將MILD燃燒區(qū)域劃分為混合區(qū)(MixedZone)和純MILD燃燒區(qū)(CleanMILDCombustionZone).Awosope等人通過(guò)數(shù)值模擬確認(rèn)了MILD燃燒在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用的可能性,其分析也是基于討論Kv對(duì)流場(chǎng),反應(yīng)溫度和NOx排放等的影響進(jìn)行的.我們的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)初始燃料的稀釋能提高射流局部位置的標(biāo)量耗散率,并以此影響火焰鋒面結(jié)構(gòu)和燃燒反應(yīng),降低反應(yīng)峰值溫度.關(guān)于射流動(dòng)量比,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于文獻(xiàn)的爐膛和燃燒器結(jié)構(gòu),當(dāng)燃料與空氣射流動(dòng)量比大于0.006,且燃料和空氣射流的混合高度(Zj)大于260mm時(shí),才能實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,而配置射流動(dòng)量比的根本考慮為推遲燃料與空氣的混合,讓它們?cè)诨旌锨熬捅淮罅繜釤煔庀♂?我們還利用20kW實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MILD燃燒爐對(duì)天然氣MILD燃燒進(jìn)行了多種運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量.Krishnamurthy等人發(fā)現(xiàn)即使采用純氧作為氧化劑,MILD燃燒的實(shí)現(xiàn)仍然須滿足高煙氣循環(huán)率(即高Kv值)的條件.上述研究成果都說(shuō)明Kv和爐溫是衡量MILD燃燒狀態(tài)與低NOx特性的重要參數(shù).對(duì)于非受限射流燃燒,我們的研究確認(rèn)了反應(yīng)物的低氧狀態(tài)對(duì)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的重要性.我們通過(guò)LIF技術(shù)測(cè)量發(fā)現(xiàn),增加對(duì)氧化劑的稀釋能增大火焰體積,降低反應(yīng)強(qiáng)度.我們還測(cè)量了不同氧氣濃度下反應(yīng)區(qū)域中OH組分與溫度關(guān)系,發(fā)現(xiàn)MILD燃燒發(fā)生的區(qū)域,OH組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比傳統(tǒng)燃燒的低且分布更廣.這些研究也驗(yàn)證了反應(yīng)物稀釋對(duì)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的重要性.在數(shù)值模擬方面,基于自身對(duì)非受限射流MILD燃燒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們對(duì)相應(yīng)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,詳細(xì)評(píng)估了多種湍流模型(如標(biāo)準(zhǔn)k-uf065模型、RNGk-uf065模型和可實(shí)現(xiàn)k-uf065模型),多種燃燒模型(混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)模型(uf078/PDF)、火焰面模型、渦耗散模型(EDM)、渦耗散/有限反應(yīng)速率模型(EDM/FR)和渦耗散概念模型(EDC)),以及分子擴(kuò)散效應(yīng)和不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理與GRI-3.0詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理)對(duì)MILD燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)由于模擬MILD燃燒過(guò)程需考慮高速射流導(dǎo)致的火焰提升和爐內(nèi)整體的慢反應(yīng)現(xiàn)象,只有EDC燃燒模型配合GRI-3.0詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比得最好.爐內(nèi)平均速度和溫度結(jié)果的誤差在5%以內(nèi).我們還利用條件矩模型對(duì)MILD燃燒進(jìn)行了模擬,該模型模擬的結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)吻合得較好,誤差低于5%,可被基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用接受.燃料方面,雖然目前絕大多數(shù)MILD燃燒的研究都針對(duì)氣體燃料進(jìn)行,但少數(shù)采用其他燃料(如含氫燃料、油、煤粉)的研究[52,63,64,67,68,69]表明,無(wú)論采用氣體、液體還是固體燃料,MILD燃燒都可實(shí)現(xiàn).例如,文獻(xiàn)[63,64,68,69]對(duì)含氫燃料的MILD燃燒進(jìn)行了初步研究,發(fā)現(xiàn)隨著天然氣中氫氣含量的升高,需更大的初始速度(>70m/s)和更高的煙氣循環(huán)率(Kv>9)維持MILD燃燒.Yu等人研究了不同煙氣稀釋比例對(duì)含氫燃料MILD燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)稀釋量的增強(qiáng)會(huì)降低反應(yīng)溫度;當(dāng)反應(yīng)物被高度稀釋后(Kv>10),NOx和CO排放對(duì)稀釋量不再敏感.荷蘭國(guó)際火焰研究基金(IFRF)和清華大學(xué)的張海等人對(duì)煤粉MILD燃燒進(jìn)行過(guò)研究,確認(rèn)了實(shí)現(xiàn)煤粉MILD燃燒的可能性.Stadler等人研究了不同氣氛下煤粉MILD燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的排放機(jī)理,特別是焦炭燃燒與氣化對(duì)NOx的排放影響.我們最新的研究已將MILD燃燒技術(shù)成功應(yīng)用于生物質(zhì)鋸末的燃燒過(guò)程,我們?cè)诎拇罄麃咥delaide大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)降低固體鋸末在爐內(nèi)的停留時(shí)間,有可能在較高的射流動(dòng)量條件下實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,這時(shí)應(yīng)注意固體鋸末的停留時(shí)間不能太低,否則固體鋸末有未燃盡的問(wèn)題.采用固體燃料時(shí),MILD燃燒降低NOx排放的機(jī)理可以從NOx的兩種路徑來(lái)考慮:熱力型和燃料型NOx路徑(這兩種路徑生成的NOx占總NOx的95%以上).MILD燃燒能降低70%以上的熱力型NOx,而降低40uf0b0C~60%的燃料型NOx.這就是MILD燃燒能降低煤粉燃燒過(guò)程N(yùn)Ox排放的原因.在國(guó)內(nèi),自從1999年于北京召開(kāi)了高溫空氣燃燒技術(shù)國(guó)際研討會(huì)后,有關(guān)高校和工業(yè)企業(yè)都對(duì)MILD燃燒進(jìn)行了研發(fā)工作.北京大學(xué)的米建春等人[8~12]對(duì)MILD燃燒的研究發(fā)現(xiàn)將射流初始動(dòng)量(或雷諾數(shù))提高到一定程度,能在無(wú)需預(yù)熱空氣的條件下實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,還利用高動(dòng)量射流實(shí)現(xiàn)了預(yù)混MILD燃燒.我們發(fā)現(xiàn)MILD燃燒在燃?xì)馀c空氣非預(yù)混、部分預(yù)混和完全預(yù)混3種初始混合模式下都可以發(fā)生.但MILD燃燒的發(fā)生并不能保證燃料的完全氧化.為實(shí)現(xiàn)清潔的MILD燃燒,除需關(guān)注爐內(nèi)火焰鋒面狀態(tài)和煙氣NOx排放量外,還需考察煙氣CO排放量,以確保燃料被充分氧化.我們?cè)?.5,10,15kW三種功率下MILD燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果都發(fā)現(xiàn),雖然三種燃?xì)饪諝獬跏蓟旌夏Ｊ組ILD燃燒狀態(tài)下的NOx排放量較低,但相對(duì)而言,部分預(yù)混MILD燃燒產(chǎn)生的NOx最多,而完全預(yù)混MILD燃燒的NOx最低.初始混合模式對(duì)MILD燃燒的影響體現(xiàn)在其對(duì)射流初始動(dòng)量的影響上.完全預(yù)混時(shí),射流初始動(dòng)量最高(射流動(dòng)量的不同是由于燃燒器結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的),爐內(nèi)卷吸更充分,MILD燃燒效果最好,因此NOx最低.部分預(yù)混時(shí),射流初始動(dòng)量最低,爐內(nèi)卷吸效果相對(duì)較弱,局部可能存在富氧狀態(tài),因此NOx最高.非預(yù)混時(shí)的情況介于兩者之間.清華大學(xué)祁海鷹等人[46~48]對(duì)高溫空氣燃燒系統(tǒng)中蓄熱體的傳熱性能以及高溫低氧燃燒條件下NOx的生成特性進(jìn)行過(guò)研究,確認(rèn)了MILD燃燒反應(yīng)區(qū)域火焰呈彌散的狀態(tài),發(fā)現(xiàn)NO排放濃度隨進(jìn)口空氣預(yù)熱溫度呈指數(shù)變化關(guān)系,這為蓄熱體的設(shè)計(jì)與高溫空氣燃燒技術(shù)的應(yīng)用提供了依據(jù);清華大學(xué)張海等人擯棄了使用爐外熱交換器對(duì)二次風(fēng)高溫加熱的方法,改用利用燃燒器的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多級(jí)高溫?zé)煔饣亓鞯姆椒?將部分煤粉氣流在還原性氣氛下快速升溫,達(dá)到高溫空氣MILD燃燒的條件,在國(guó)際上率先成功地在12MW工業(yè)燃燒爐上實(shí)現(xiàn)了煤粉的MILD燃燒;中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的林其釗等人[50~52]成功利用常溫空氣實(shí)現(xiàn)了氣體燃料MILD燃燒,并利用Chemkin對(duì)含氫燃料的MILD燃燒進(jìn)行過(guò)研究,最近還將MILD燃燒成功應(yīng)用于煤氣化過(guò)程(后文會(huì)對(duì)此研究?jī)?nèi)容和意義進(jìn)行討論);北京科技大學(xué)的蒼大強(qiáng)等人對(duì)MILD燃燒的燃燒特性與低NOx特性進(jìn)行了機(jī)理討論,在鍛造爐上實(shí)行新穎的燃料不換向和空氣馬蹄形循環(huán)技術(shù)后,簡(jiǎn)化了蓄熱式MILD燃燒系統(tǒng),避免了燃料噴嘴的結(jié)焦和堵塞隱患同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超低NOx效果;華南理工大學(xué)對(duì)MILD燃燒應(yīng)用于生物質(zhì)燃料進(jìn)行了嘗試,發(fā)現(xiàn)采用生物質(zhì)燃料稻殼燃燒時(shí),NOx的生成濃度隨空氣預(yù)熱溫度增加而增加,在一定溫度(1000uf0b0C~1050uf0b0C)以后,NOx排放值增加更有加快趨勢(shì),但仍比常規(guī)燃燒方式低,這時(shí)NOx降低的原因?yàn)镸ILD燃燒均勻緩慢的反應(yīng)降低了燃料型和熱力型NOx;同濟(jì)大學(xué)的朱彤等人發(fā)現(xiàn)在燃料噴嘴兩側(cè)布置兩個(gè)矩形空氣噴嘴,相比于圓形空氣噴嘴結(jié)構(gòu)形式,能降低NOx排放量;且隨著燃料射流速度提高,NOx排放減少.中南大學(xué)的蕭澤強(qiáng)和蔣紹堅(jiān)[56~59]對(duì)MILD燃燒進(jìn)行過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間研究,相關(guān)著作總結(jié)了他們?cè)贛ILD燃燒基礎(chǔ)研究和與工業(yè)企業(yè)合作的經(jīng)驗(yàn);東北大學(xué)對(duì)MILD燃燒爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符.除我們?cè)诒贝蟮难芯客?目前國(guó)內(nèi)對(duì)MILD燃燒的絕大多數(shù)研究都針對(duì)燃料與空氣非預(yù)混燃燒方式下進(jìn)行,還沒(méi)有關(guān)于部分預(yù)混和完全預(yù)混條件下MILD燃燒的報(bào)道.總體而言,國(guó)內(nèi)對(duì)MILD燃燒的研究已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,這主要反映在如下幾個(gè)方面:率先進(jìn)行了煤粉MILD燃燒的嘗試、率先進(jìn)行了無(wú)需預(yù)熱實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的系統(tǒng)研究、率先實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物預(yù)混的MILD燃燒[8~10]、已著手氧燃料MILD燃燒的研究、已開(kāi)始MILD燃燒在煤氣化中應(yīng)用的研究,這些后文還會(huì)繼續(xù)討論.1.3mild燃燒的節(jié)能減排MILD燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用設(shè)備與系統(tǒng)依其回收煙氣余熱方式的不同,可分為換熱式MILD燃燒系統(tǒng)和蓄熱式MILD燃燒系統(tǒng).典型的換熱式MILD燃燒系統(tǒng)為MILD燃燒輻射管.因MILD燃燒輻射管內(nèi)空間較小,流場(chǎng)的大尺度再循環(huán)較容易在管內(nèi)實(shí)現(xiàn).MILD燃燒輻射管利用燃燒產(chǎn)生的輻射熱間接加熱爐內(nèi)工件,這類(lèi)間接利用燃燒熱的設(shè)備不是本文討論的重點(diǎn).需指出的是,目前關(guān)于MILD燃燒節(jié)能減排的原因還存在誤解.誠(chéng)然,回收煙氣余熱能極大地提高熱利用效率,但這并不是MILD燃燒提高熱利用效率的全部原因.普通的蓄熱式常規(guī)燃燒系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)余熱回收.MILD燃燒提高熱利用效率的機(jī)理有兩點(diǎn):1)MILD燃燒發(fā)生時(shí),爐內(nèi)溫度場(chǎng)更均勻,這降低了燃燒與傳熱過(guò)程的不可逆損失;2)雖然MILD燃燒的峰值溫度比常規(guī)燃燒的低,但前者利用更小的爐膛使?fàn)t內(nèi)平均溫度提高,這增加了平均傳熱、特別是輻射傳熱效率.因此,無(wú)論是從不可逆損失的角度考慮還是從熱效率和傳熱的角度考慮,MILD燃燒的能效都比常規(guī)燃燒高.這只與該燃燒方式有關(guān),與是否回收煙氣無(wú)關(guān).減排方面,MILD燃燒降低NOx的機(jī)理為燃燒區(qū)域無(wú)局部高溫區(qū),峰值溫度低.眾所周知,熱力型NOx只有在燃燒溫度超過(guò)1500uf0b0C后才大量生成.所以,無(wú)論MILD燃燒是否回收煙氣余熱,它都具有節(jié)能減排的效果.當(dāng)然,該方面還需開(kāi)展進(jìn)一步的研究,詳細(xì)測(cè)量MILD燃燒發(fā)生時(shí)對(duì)流換熱和輻射換熱的增強(qiáng)程度.MILD燃燒不在燃燒器附近區(qū)域發(fā)生,反應(yīng)區(qū)域離燃燒器噴嘴距離較遠(yuǎn),這樣更安全且噴嘴不易損壞.MILD燃燒無(wú)點(diǎn)火和熄火問(wèn)題,且噪音低,峰值溫度更低.總的來(lái)說(shuō),安全性相比常規(guī)燃燒有所提高.蓄熱體是高溫空氣燃燒技術(shù)最關(guān)鍵的部件之一.其性能指標(biāo)要求為:1)蓄熱量(即材料比熱容)大;2)換熱速度(即熱導(dǎo)率)高;3)高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好,可承受巨大溫差、壓強(qiáng)和高頻變換;4)抗氧化和腐蝕;5)經(jīng)濟(jì).可選材料主要有:1)陶瓷類(lèi)(碳化硅及其他非金屬耐火材料);2)耐熱耐蝕鋼類(lèi)(不銹鋼、耐熱鋼和耐熱鑄鐵);3)碳素鋼類(lèi).如圖3所示的蓄熱式MILD燃燒系統(tǒng)是針對(duì)氣體和液體燃料開(kāi)發(fā)的,其應(yīng)用于這類(lèi)燃料具有節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì).但任何一種燃燒技術(shù)都有一定的應(yīng)用范圍和局限性.若想推廣蓄熱式MILD燃燒系統(tǒng)在固體燃料(如煤粉)和其他燃燒方式下的應(yīng)用,有以下技術(shù)限制:1)高溫空氣燃燒系統(tǒng)預(yù)熱空氣的要求限制了MILD燃燒技術(shù)更廣泛的應(yīng)用;2)高溫空氣燃燒系統(tǒng)的蓄熱器為蜂窩體或蓄熱球,為防止蓄熱介質(zhì)的堵塞而對(duì)煙氣中的粉塵含量有一定限制.煤粉燃燒后的大量粉塵極易堵塞蓄熱器,因而該系統(tǒng)無(wú)法采用煤粉等固體燃料;3)高溫空氣燃燒系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行了預(yù)熱,為避免回火的危險(xiǎn),該系統(tǒng)很難采用燃料與空氣部分預(yù)混和全預(yù)混的燃燒方式.還需指出,各種高速燒嘴在工業(yè)燃燒上有很多應(yīng)用,高速射流卷吸了大量高溫?zé)煔?其與MILD燃燒的聯(lián)系要看這類(lèi)燃燒是否為受限射流的燃燒(即整體氣氛溫度)和卷吸的煙氣量(即Kv值).如果高速燒嘴為封閉燃燒室內(nèi)的擴(kuò)散式受限射流燃燒(封閉腔內(nèi)溫度大于800uf0b0C)且卷吸了足夠多的煙氣(對(duì)甲烷而言Kv大于3),即,使反應(yīng)達(dá)到圖2所示的MILD燃燒區(qū)域,此時(shí)的燃燒模式很可能就是MILD燃燒.當(dāng)然,該方面還需進(jìn)一步研究.1.4蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)蓄熱式MILD燃燒系統(tǒng)的缺陷阻礙了該技術(shù)更廣泛的應(yīng)用.這是對(duì)MILD燃燒機(jī)理及特性認(rèn)識(shí)的缺乏造成的.目前,國(guó)際上普遍認(rèn)為實(shí)現(xiàn)MILD燃燒需將空氣預(yù)熱到自燃點(diǎn)以上,且認(rèn)為初始反應(yīng)物射流在反應(yīng)前需要被大量爐內(nèi)煙氣稀釋,因此,燃料噴嘴與空氣噴嘴間的距離不能太近;同時(shí)由于整個(gè)蓄熱式燃燒系統(tǒng)比較復(fù)雜,換向閥門(mén)工作不理想等諸多限制,因此現(xiàn)場(chǎng)許多蓄熱式燃燒系統(tǒng)的燃燒效果不佳.工業(yè)應(yīng)用方面,該技術(shù)的應(yīng)用僅限于鋼鐵和冶金行業(yè)中氣體或液體燃料的燃燒,這些系統(tǒng)都配置了蓄熱式換熱器和換向閥,這不僅增加了設(shè)備的成本和復(fù)雜性,還降低了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和壽命.蓄熱器方面,性能較好的氧化鋁材料蜂窩狀的蓄熱器較為昂貴.換向閥方面,雖然經(jīng)換熱后的煙氣溫度很低,對(duì)換向閥無(wú)材料上的特殊要求,但煙氣含較多小粉塵或微細(xì)顆粒物時(shí),勢(shì)必對(duì)頻繁動(dòng)作的部件構(gòu)成磨損.事實(shí)上,如果只收集煙氣余熱,完全不需要配置蓄熱式換熱器和換向閥(配置設(shè)計(jì)緊湊的換熱器即可).誠(chéng)然,蓄熱同時(shí)解決了節(jié)能和預(yù)熱的問(wèn)題,存在技術(shù)特色,但只能應(yīng)用于液體和氣體燃料也是事實(shí).而且,自20世紀(jì)末蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用以來(lái),該系統(tǒng)還未有重油及煤粉燃料應(yīng)用的記錄.要使MILD燃燒技術(shù)應(yīng)用于更廣闊的工業(yè)領(lǐng)域,擺脫HiTAC蓄熱要求實(shí)現(xiàn)MILD燃燒則十分必要.另外,目前MILD燃燒的研究主要局限于天然氣等氣體燃料,對(duì)其他燃料特別是煤粉的MILD燃燒研究還很不夠.在我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法改變的背景下,開(kāi)發(fā)以煤粉為燃料的MILD燃燒系統(tǒng)很有必要.而蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)無(wú)法以煤粉為燃料,正因如此,Weber等人和張海等人對(duì)煤粉MILD燃燒的實(shí)驗(yàn)并不是在蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)上進(jìn)行的,他們都對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)熱空氣溫度方式和加強(qiáng)卷吸方面的考慮和改進(jìn).2mild燃燒2.1不預(yù)熱空氣條件下的mild燃燒目前,受到蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)能極大地回收余熱并同時(shí)預(yù)熱空氣這個(gè)技術(shù)特色的影響,實(shí)現(xiàn)MILD燃燒需高溫預(yù)熱空氣的思想幾乎已經(jīng)根深蒂固,這極大地限制了MILD燃燒技術(shù)更廣泛地應(yīng)用(當(dāng)然,我們并未否認(rèn)蓄熱式MILD燃燒技術(shù)在鋼鐵和冶金行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)).MILD燃燒概念的提出者之一Wünning父子也提到希望該技術(shù)最好不對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱.如果可以在不預(yù)熱空氣的條件下實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,更多的燃燒系統(tǒng)與設(shè)備,如各種工業(yè)爐、電廠鍋爐、供熱鍋爐等,都可采用MILD燃燒技術(shù).Kumar等人用實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)爐內(nèi)卷吸程度較大(Kv>3)且體積熱負(fù)荷也較大時(shí)(>10MW/m3),MLD燃燒可以無(wú)需預(yù)熱空氣實(shí)現(xiàn),并在氧氣代替空氣助燃條件下實(shí)現(xiàn)了不預(yù)熱時(shí)的MILD燃燒,此時(shí)為保證足夠的卷吸率,空氣噴嘴的速度非常高,甚至接近音速.法國(guó)學(xué)者就空氣溫度對(duì)MILD燃燒的影響進(jìn)行了初步研究,發(fā)現(xiàn)不預(yù)熱空氣時(shí)燃燒主反應(yīng)區(qū)相比預(yù)熱的情況向射流下游轉(zhuǎn)移.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)也實(shí)現(xiàn)了天然氣燃料不預(yù)熱空氣條件下的MILD燃燒,并將其應(yīng)用于鍋爐煤改氣項(xiàng)目.遺憾的是,上述研究還未上升到機(jī)理層次.筆者對(duì)MILD燃燒的實(shí)驗(yàn)和模擬研究也都是在不預(yù)熱空氣的情況下進(jìn)行的.重要的是,筆者不僅在不預(yù)熱空氣的條件下實(shí)現(xiàn)了天然氣燃料的MILD燃燒,還在不預(yù)熱空氣的條件下實(shí)現(xiàn)了固體燃料(鋸木粉)的MILD燃燒(圖4).筆者的實(shí)驗(yàn)和模擬都證實(shí),在不預(yù)熱空氣的條件下,無(wú)論是氣體燃料還是固體燃料,MILD燃燒都能夠穩(wěn)定維持.筆者的研究已基本弄清了空氣初始溫度對(duì)MILD燃燒的影響,這能解釋不預(yù)熱空氣也能實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的原因.射流經(jīng)預(yù)熱后,在相同質(zhì)量流量下,射流速度會(huì)因密度減小而提高,而射流混合物的粘性會(huì)因溫度增加而增加.射流速度的提高會(huì)增加射流對(duì)周?chē)黧w的大尺度引射和卷吸;而射流混合物粘性的增加會(huì)因增加射流對(duì)周?chē)黧w剪切力而加強(qiáng)小尺度混合,而且,強(qiáng)剪切作用提高了局部標(biāo)量耗散率,抑制了火焰鋒面的形成.這兩種尺度的作用都加強(qiáng)了周?chē)黧w對(duì)射流混合物的稀釋,進(jìn)而降低了射流中的氧氣濃度.這兩方面的作用都有利于實(shí)現(xiàn)MILD燃燒.另外,預(yù)熱空氣降低了空氣雷諾數(shù),但此時(shí)射流仍處于湍流狀態(tài),已有的研究和筆者最近的實(shí)驗(yàn)都表明:射流處于湍流狀態(tài)而預(yù)熱空氣的雷諾數(shù)降低時(shí),射流對(duì)周?chē)黧w的混合作用會(huì)提高.而不預(yù)熱空氣時(shí),射流對(duì)周?chē)黧w也有卷吸與混合,只是此作用并不強(qiáng)烈而已.若提高射流動(dòng)量,射流卷吸能力增強(qiáng).當(dāng)射流動(dòng)量提高到反應(yīng)物被周?chē)鸁煔獬浞窒♂寱r(shí),MILD燃燒也可實(shí)現(xiàn).此時(shí)的射流動(dòng)量即為實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的臨界動(dòng)量.因此,預(yù)熱使MILD燃燒更易實(shí)現(xiàn).而不預(yù)熱時(shí),只要射流動(dòng)量大于臨界動(dòng)量,MILD燃燒也能實(shí)現(xiàn).這就是預(yù)熱對(duì)MILD燃燒的影響.2.2mild燃燒的溫度和時(shí)間對(duì)mild燃燒的影響目前,過(guò)分強(qiáng)調(diào)煙氣稀釋作用對(duì)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒重要性的思想有較大局限性.首先,不同爐型中射流演化與發(fā)展的過(guò)程不盡相同,且不同射流發(fā)展斷面上Kv的取值也不同,即:不同場(chǎng)合得到的Kv不能簡(jiǎn)單比較.如果必須利用該參數(shù)研究MILD燃燒的機(jī)理則須定義其適用的爐型和射流斷面位置.然而現(xiàn)有研究并未將此問(wèn)題說(shuō)明,因而對(duì)Kv的研究難以獲得涉及MILD燃燒機(jī)理的結(jié)論.其次,雖然高溫?zé)煔獾膬?nèi)部循環(huán)對(duì)維持MILD燃燒具有重要作用,但其并不是建立MILD燃燒的全部條件,即:Kv并不是影響MILD燃燒的唯一因素.目前研究認(rèn)為實(shí)現(xiàn)MILD燃燒要求燃料與空氣射流在反應(yīng)前不能及早混合,否則其來(lái)不及被煙氣稀釋.此時(shí),射流還未充分卷吸周?chē)鸁煔?因而Kv值較低.筆者的研究證明這一觀點(diǎn)存在片面性.筆者發(fā)現(xiàn),只有燃料與空氣射流在爐內(nèi)匯合點(diǎn)位置處的Kv才對(duì)建立MILD燃燒有重要影響,其他射流斷面處的Kv并不直接影響反應(yīng)過(guò)程,而且,燃料與空氣射流結(jié)合點(diǎn)位置處的速度(或剪切率)對(duì)MILD燃燒有同等重要性,這一結(jié)論已被筆者的實(shí)驗(yàn)和模擬證明:射流速度(或剪切率)足夠高時(shí),即使燃料與空氣噴嘴的間距非常近(此時(shí),兩股射流噴出后來(lái)不及被煙氣稀釋就立即混合,Kv幾乎為零),MILD燃燒仍然能夠發(fā)生.即:實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的條件不僅與氧濃度和溫度有關(guān),還與反應(yīng)發(fā)生處的局部混合物速度有關(guān).若局部氧濃度和速度較低,但混合物溫度較高,MILD燃燒能夠發(fā)生;若局部氧濃度和溫度都較高,但混合物速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣?此時(shí)火焰鋒面不能形成,但MILD燃燒仍然能夠發(fā)生.2.3預(yù)混燃燒與hcci受到實(shí)現(xiàn)MILD燃燒需預(yù)熱空氣的傳統(tǒng)思想的限制,燃料與空氣預(yù)混方式下的MILD燃燒很少受到關(guān)注(因?yàn)轭A(yù)熱空氣再預(yù)混反應(yīng)物會(huì)有爆炸危險(xiǎn)).之前幾乎所有的研究都基于擴(kuò)散火焰.前文已提及,MILD燃燒不僅受到混合物氧氣濃度和溫度的影響,也受到混合物速度的影響.預(yù)混方式下,當(dāng)射流速度大于湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí),難以形成穩(wěn)定的火焰鋒面,而爐內(nèi)煙氣的強(qiáng)卷吸過(guò)程會(huì)持續(xù)加熱與稀釋反應(yīng)物,反應(yīng)并不會(huì)停止.筆者已通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬(圖5)證實(shí),MILD燃燒可以在燃料與空氣部分預(yù)混和完全預(yù)混的條件下實(shí)現(xiàn)(爐膛結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn),圖5左圖和右圖除進(jìn)口噴嘴直徑不一樣外,所有其他條件都一樣,燃料為CH4,初始溫度300K,功率10kW,當(dāng)量比為0.8).而且,重要的是,由于完全預(yù)混燃料與空氣將兩股射流集中于一股,射流動(dòng)量對(duì)周?chē)鸁煔饩砦淖饔帽患信c放大,相比擴(kuò)散燃燒方式,使用相同質(zhì)量流量和初始溫度的反應(yīng)物,預(yù)混MILD燃燒更容易實(shí)現(xiàn)(即要求的初始速度更低),且煙氣中NOx和CO的含量更低.這是因?yàn)?如果不改變噴嘴面積,預(yù)混射流流量增大,必然速度增加,使未燃的低溫射流核心加長(zhǎng),這加強(qiáng)了對(duì)周?chē)鸁煔獾木砦?引起下游區(qū)域更強(qiáng)烈的稀釋,這樣,射流上游火焰鋒面無(wú)法存在,而射流下游因氧濃度極低,只能發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng),即強(qiáng)烈稀釋下的低氧燃燒,即MILD燃燒.因此,預(yù)混方式下實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的條件是:射流在爐內(nèi)軸向發(fā)展與徑向擴(kuò)散過(guò)程中還沒(méi)被足夠煙氣稀釋,局部氧氣濃度高于15%且溫度高于燃料自燃點(diǎn)時(shí),射流的局部速度需大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?此時(shí),在射流核心區(qū),雖然氧氣濃度高于15%且溫度高于燃料自燃點(diǎn),但因射流速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?火焰無(wú)法形成,當(dāng)?shù)乇３治慈紶顟B(tài),反應(yīng)物被熱煙氣逐漸加熱.而在射流外圍,氧氣濃度低于15%(被煙氣稀釋到低氧狀態(tài)),燃燒速率較低但并不會(huì)停止,反應(yīng)處于MILD燃燒模式.另外,預(yù)混燃燒方面,MILD燃燒與目前看來(lái)極具前景的均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(HomogeneousChargeCompressionIgnition,HCCI)在概念上有類(lèi)似性.HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)綜合了傳統(tǒng)汽油機(jī)均質(zhì)燃燒和傳統(tǒng)柴油機(jī)壓縮自燃的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)壓縮沖程快結(jié)束時(shí),汽油通過(guò)直噴油嘴噴進(jìn)汽缸,由于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比比普通的汽油機(jī)高,因此噴出的小油滴在壓縮沖程完成時(shí)有時(shí)間在汽缸內(nèi)形成均勻的分布(這與MILD燃燒的組分在爐內(nèi)的均勻分布類(lèi)似),這時(shí)汽缸的壓力足夠使均勻分布的油滴自動(dòng)壓燃,所有的燃料都在同一時(shí)間點(diǎn)燃,提高了燃油的使用效率,避免了火焰鋒面的傳播及局部高溫區(qū)的出現(xiàn)(這也與MILD燃燒無(wú)火焰鋒面及局部高溫區(qū)類(lèi)似),其熱效率較高,NOx和炭黑的排放被大幅降低(與MILD燃燒低NOx排放特性一致).雖然MILD燃燒與HCCI技術(shù)的燃燒反應(yīng)特征有類(lèi)似性,且都是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的,但這兩種技術(shù)的發(fā)展卻是獨(dú)立的.目前,HCCI技術(shù)的大范圍推廣應(yīng)用還有技術(shù)瓶頸,它還存在著火和燃燒速率難以控制以及運(yùn)行工況范圍有待拓寬等問(wèn)題.真正將MILD燃燒技術(shù)引入HCCI技術(shù),利用氣體MILD燃燒的大量研究成果,有望解決HCCI技術(shù)的某些難點(diǎn)問(wèn)題.文獻(xiàn)也討論了MILD燃燒與HCCI的技術(shù)類(lèi)似性和優(yōu)勢(shì)結(jié)合事宜.2.4國(guó)內(nèi)研發(fā)氧燃料mild燃燒技術(shù)應(yīng)考慮我國(guó)電廠舊鍋爐燃燒設(shè)備及設(shè)備在現(xiàn)有鍋爐改值得注意的是,MILD燃燒還可以和目前受推崇的基于CO2捕捉與封存的氧循環(huán)燃燒技術(shù)結(jié)合,形成所謂的氧燃料MILD燃燒技術(shù).單純的氧燃料循環(huán)燃燒技術(shù)指利用純氧或高濃度的商業(yè)氧氣與部分循環(huán)煙氣混合,代替空氣作為氧化劑參加反應(yīng).而燃料(無(wú)論是天然氣還是煤粉)的主要元素是碳和氫,理論上燃燒產(chǎn)物只含CO2和H2O,將水蒸氣冷凝即可收集高濃度的CO2,直接商業(yè)利用或地下封存.華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)氧燃料燃燒技術(shù)進(jìn)行了多年研究,但長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)始終存在燃燒穩(wěn)定性差、機(jī)械和化學(xué)未完全燃燒損失大、運(yùn)行效率低、存在安全與經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題.經(jīng)大量嘗試,近期將氧燃料燃燒與MILD燃燒技術(shù)相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)此時(shí)燃燒穩(wěn)定性好,燃盡度高,可有效地解決單純氧燃料燃燒的穩(wěn)定性和燃盡問(wèn)題.另外,在實(shí)際燃燒過(guò)程中,因燃燒不完全性和反應(yīng)過(guò)程生成污染物,煙氣還含有NOx,SO2和粉塵,需配備脫硝、脫硫和除塵系統(tǒng)分別除去這些污染物方可收集高濃度的CO2,因此燃燒系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備與運(yùn)行成本高.如將氧燃料燃燒與MILD燃燒技術(shù)結(jié)合起來(lái),并結(jié)合爐內(nèi)噴鈣技術(shù)和分級(jí)燃燒技術(shù),則可依靠MILD燃燒的優(yōu)勢(shì)將NOx與SO2排放降至最低程度,因此,可以省去昂貴的脫硫脫硝設(shè)備,將煙氣除塵與冷凝后即可收集高濃度的CO2,使后續(xù)的CO2分離和處理更加簡(jiǎn)單,兩種技術(shù)的結(jié)合即可適用于電廠舊鍋爐的改造,也可用于新建鍋爐.采用氧燃料MILD燃燒技術(shù),無(wú)論是天然氣還是煤粉燃料以及其他固體燃料都可實(shí)現(xiàn)化石燃料燃燒的“近零排放”,這將是傳統(tǒng)能源利用技術(shù)的一次革命.圖6為氧燃燒MILD燃燒系統(tǒng)的示意圖,相比于傳統(tǒng)鍋爐燃燒系統(tǒng),該系統(tǒng)只增加了空氣分離設(shè)備,而免去了脫硫脫銷(xiāo)設(shè)備,系統(tǒng)成本低.相比于同類(lèi)CO2大規(guī)模減排技術(shù),如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IntegratedGasificationCombinedCycle,IGCC),氧燃料MILD燃燒技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng),更易于應(yīng)用于現(xiàn)有鍋爐改造.氧燃料MILD燃燒技術(shù)的研究在瑞典、意大利和德國(guó)約于2005年開(kāi)始起步.意大利的國(guó)家電力公司ENEL投資了3.3億歐元研究傳統(tǒng)燃料的零排放技術(shù),在5MW試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了1~7bar壓力條件下的氧燃料MILD燃燒.ITEA(意大利的一家大型公司)開(kāi)發(fā)的注冊(cè)商標(biāo)為ISOTHERMPwr?FlamelessOxyfuelCombustion的氧燃料MILD燃燒技術(shù),已在中試示范性電廠中開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究,節(jié)能與污染物減排效果與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)燃料燃燒利用的“近零排放”.2.5mild燃燒氣化技術(shù)利用MILD燃燒穩(wěn)定性好,爐內(nèi)溫度場(chǎng)與組分濃度場(chǎng)分布均勻、燃料適應(yīng)性好及NOx生成量低的優(yōu)勢(shì),其可應(yīng)用于煤氣化技術(shù).在氣化爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,可能提高碳轉(zhuǎn)化率改善煤氣品質(zhì),使氣化特性對(duì)運(yùn)行操作參數(shù)的變化不敏感.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近期對(duì)基于MILD燃燒的煤粉氣化爐進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,成功實(shí)現(xiàn)了針對(duì)我國(guó)含量豐富但難以氣化的雙高煤種(高灰分、高熔點(diǎn))的氣化,驗(yàn)證了該思路的可行性.基于MILD燃燒的氣化技術(shù)可以應(yīng)用于固體燃料氣化燃料電池一體化系統(tǒng)(IntegratedGasificationFuelCell,IGFC)中,也可以應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)中.3繼續(xù)發(fā)展mild燃燒3.1mild燃燒的發(fā)生、發(fā)展及研究問(wèn)題從已有的知識(shí)可以斷定,無(wú)論對(duì)于氣體或固體燃料,MILD燃燒機(jī)理與常規(guī)燃燒都會(huì)是截然不同的:MILD燃燒要求反應(yīng)混合物在燃燒反應(yīng)前氧濃度很低(<10%~15%),并且反應(yīng)混合物的溫度要高于燃料的自燃溫度;MILD燃燒的維系也與傳統(tǒng)的燃燒方式不同,不是依靠燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來(lái)支持,而是依靠反應(yīng)混合物自身的足夠高的溫度來(lái)維系燃燒繼續(xù)發(fā)生,燃燒是在動(dòng)力-擴(kuò)散控制機(jī)制下進(jìn)行的.以煤為燃料的氣-固MILD燃燒中,在氧濃度很低以及CO2濃度很高的氣氛下,煤的自燃溫度確定顯然要比氣相燃料復(fù)雜得多,相比傳統(tǒng)的煤粉燃燒方式,或氧燃料燃燒方式下,二者之間也會(huì)存在很大的差別;除了氣氛差別外,燃燒空間的溫度均勻,波動(dòng)小的熱環(huán)境也使得煤的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性、停留時(shí)間和燃盡特性等都呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)燃燒和氧燃料燃燒方式不同的特征.在這些認(rèn)知的前提下,MILD燃燒的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題如下.1)氣體MILD燃燒的發(fā)生、發(fā)展和演變機(jī)制.過(guò)去認(rèn)為,要實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,燃燒空氣必須高溫預(yù)熱到燃料的自燃溫度以上(常常大于1000uf0b0C),然后通過(guò)噴嘴高速?lài)娙霠t膛,使整個(gè)爐膛內(nèi)形成強(qiáng)烈的混合,而且燃料和空氣必須由相隔較遠(yuǎn)的不同噴嘴分別射入爐膛.這些在工業(yè)應(yīng)用中常常被視為實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的“必要條件”.但最新研究已證實(shí),空氣預(yù)熱與否都可以實(shí)現(xiàn)MILD燃燒,還可在燃料與空氣完全預(yù)混條件下發(fā)生.顯然,這些發(fā)現(xiàn)已打破傳統(tǒng)的“必要條件”框框.雖然對(duì)擴(kuò)散火焰而言,燃料射流與空氣射流匯合處的氧濃度低和局部溫度高是建立MILD燃燒的要素,但預(yù)混燃燒能否實(shí)現(xiàn)MILD則取決于反應(yīng)物射流的初始動(dòng)量(或雷諾數(shù))大小,初始反應(yīng)物射流高雷諾數(shù)才能保證穩(wěn)定的MILD燃燒.概括而言,氣體MILD燃燒能否發(fā)生與混合物的氧濃度、溫度、流動(dòng)速度以及傳統(tǒng)火焰鋒面的傳播速度四者關(guān)聯(lián),而非僅取決于前二者(傳統(tǒng)基于爐溫和Kv的討論僅針對(duì)前二者).如何從定性和定量?jī)蓚€(gè)層面上弄清不同實(shí)驗(yàn)條件下MILD燃燒的發(fā)生、發(fā)展和演變與這些量的關(guān)系是研究該燃燒內(nèi)在的物理化學(xué)規(guī)律應(yīng)首先解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,也是發(fā)展和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)問(wèn)題.2)空氣作為氧化劑條件下煤粉MILD燃燒的機(jī)理.煤粉MILD燃燒的形成機(jī)理比氣體燃燒更復(fù)雜、條件更苛刻,需要特定的環(huán)境溫度、氧氣濃度、顆粒濃度、顆粒大小、停留時(shí)間和傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度等,煤粉顆粒所經(jīng)歷的加熱、熱解、揮發(fā)分析出與燃燒、顆粒的著火、燃盡過(guò)程,以及污染物的形成過(guò)程都具有特殊性.為了實(shí)現(xiàn)煤粉的MILD燃燒并掌握其燃燒規(guī)律,下列問(wèn)題必須弄清:(a)形成單顆粒煤粉和煤粉顆粒群的MILD燃燒的限制條件和主要影響因素;(b)在MILD燃燒條件下,煤粉化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué);(c)煤粉顆粒在MILD燃燒過(guò)程的中的加熱、熱解、揮發(fā)分析出與燃燒、著火和燃燒過(guò)程的控制機(jī)理;(d)煤粉MILD燃燒中的氣固兩相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)以及顆粒內(nèi)部物理化學(xué)等過(guò)程及其相互間耦合;(e)在煤粉MILD燃燒過(guò)程中,NOx的生成和還原過(guò)程與控制機(jī)理.另外,雖然研究發(fā)現(xiàn)高溫預(yù)熱等傳統(tǒng)的“必要條件”對(duì)氣體燃燒并非必要,但這一結(jié)論對(duì)煤粉燃燒是否適用需要研究.3)在純氧-高濃度CO2稀釋條件下實(shí)現(xiàn)非均相的MILD燃燒的機(jī)理:以高溫?zé)釤煔獾脑傺h(huán)為紐帶,將MILD燃燒和氧燃料(Oxyfuel)燃燒兩種燃燒方式相結(jié)合,是一種全新的燃燒理念和方式.MILD-氧燃料燃燒的難點(diǎn)在于,一方面,高濃度CO2的摻入,使混合介質(zhì)的比熱容、密度、粘性等物理特性和火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俾实然鹧嫣匦远及l(fā)生了根本性改變;另一方面,氧氣噴入方式的不同,比如預(yù)先摻混或者直接噴入,其氧濃度分布特性和火焰結(jié)構(gòu)也都將有顯著的變化,不合理的摻混方式會(huì)使得傳統(tǒng)火焰穩(wěn)定、污染物生成加劇,達(dá)不到節(jié)能減排的效果.因此,如何合理組織氧氣和循環(huán)煙氣來(lái)達(dá)到良好的MILD燃燒需要被弄清.另外,在高CO2背景下,均相、非均相反應(yīng)的平衡性都發(fā)生了重大的改變,這將使焦炭、CO的燃盡過(guò)程以及NO的生成途徑受到顯著影響.所以,此時(shí)的均相、非均相燃燒動(dòng)力學(xué)也是值得研究的重要科學(xué)問(wèn)題.4)基于MILD燃燒的煤粉氣化機(jī)理.基于MILD燃燒的粉煤氣化過(guò)程是一種氣化反應(yīng)均勻、溫度分布均勻條件下的新型氣化過(guò)程,調(diào)控這種氣化過(guò)程的關(guān)鍵是煤粉在反應(yīng)空間如何均勻分布、低氧濃度條件下有限氧分子如何高效利用、碳如何高效轉(zhuǎn)化和灰渣如何高效凝聚,其中既有宏觀因素(如氣固兩相對(duì)流擴(kuò)散)的影響,又有微觀因素(如溫度、氧氣和水蒸汽濃度、活化能、壓力等)的作用.雖然中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)及國(guó)外學(xué)者的研究已指出基于MILD燃燒的煤粉氣化可以提高合成氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率,但關(guān)于這些因素的影響規(guī)律仍未認(rèn)識(shí)清楚,相關(guān)研發(fā)工作至今仍未取得重大突破.基于MILD燃燒的煤粉氣化過(guò)程非常復(fù)雜,主要表現(xiàn)在:反應(yīng)器內(nèi)氣化反應(yīng)為異相多表面反應(yīng),即氣化反應(yīng)發(fā)生在氣相空氣/水蒸汽和煤粉離散相之間,且氣化反應(yīng)為眾多基元反應(yīng)(如布多爾反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)和水煤氣變換反應(yīng),等)的綜合效果隨著氣化過(guò)程的進(jìn)行,粒子之間發(fā)生相互碰撞、破碎、聚合和凝聚結(jié)渣等現(xiàn)象;存在空氣和水蒸汽連續(xù)相氣流與離散相煤粉流間的相互交叉混合現(xiàn)象.現(xiàn)有的氣固兩相流數(shù)學(xué)模型,不能準(zhǔn)確地描述這種氣化過(guò)程的上述特征,現(xiàn)有的氣固兩相流動(dòng)傳熱相似設(shè)計(jì)和工業(yè)放大方法也不能照搬到基于MILD燃燒的煤粉氣化工程應(yīng)用.5)低品位燃料MILD燃燒的規(guī)律.這里低品位主要是指中、低熱值燃料,也包括熱值較高但不易組織燃燒的物質(zhì),如瀝青、重油、焦油等.當(dāng)前低品位燃料利用存在的普遍問(wèn)題是燃料熱值低(甚至熱值波動(dòng))導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定、效率低、污染物排放嚴(yán)重.對(duì)于中低熱值的合成氣煤氣(主要成分為CO和H2),由于含有大量氫氣組分及其氫氣組分的波動(dòng),采用常規(guī)的擴(kuò)散燃燒方式容易產(chǎn)生燃燒震蕩,同時(shí)火焰溫度較高,會(huì)產(chǎn)生大量的NOx.對(duì)低品位超低熱值燃料而言,僅僅依賴(lài)內(nèi)部的煙氣再循環(huán)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的高溫要素會(huì)變得比較困難,可能需要采用外部強(qiáng)化換熱來(lái)實(shí)現(xiàn).從效益分析的角度出發(fā),針對(duì)不同化學(xué)物理性質(zhì)的低品位燃料,需要建立系統(tǒng)方案來(lái)確定其實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的不同方式.由于低品位燃料組分的復(fù)雜性,針對(duì)含氫、鹵族元素、痕量元素等是污染物形成主要源泉,需要研究微量有毒有害物質(zhì)在燃燒中的作用與遷移規(guī)律等.為了解答上述科學(xué)問(wèn)題,通過(guò)研究必須弄清:(a)低品位燃料MILD燃燒穩(wěn)定的補(bǔ)償原理與方法;(b)典型的低品位燃料實(shí)現(xiàn)MILD燃燒所需外置加強(qiáng)換熱的臨界條件與判定準(zhǔn)則;(c)低品位燃料的MILD燃燒最優(yōu)實(shí)現(xiàn)條件,即與上游燃料特征參數(shù)與下游用能設(shè)備的匹配優(yōu)化;(d)低品位燃料MILD燃燒對(duì)熱力成因污染物,如Nox和CO所產(chǎn)生的抑制作用;(e)特種低品位燃料相關(guān)污染物(如二惡英,PAHs,痕量重金屬,氯化物)在MILD燃燒中的遷徙、演化及排放控制規(guī)律;(f)含氫低熱值燃?xì)釳ILD燃燒穩(wěn)定的特征參數(shù)與規(guī)律,以及MILD燃燒的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與原理.3.2不預(yù)熱空氣能實(shí)現(xiàn)mild燃燒的技術(shù)擺脫了實(shí)現(xiàn)MILD燃燒需高溫預(yù)熱空氣的傳統(tǒng)思想的束縛,開(kāi)發(fā)應(yīng)用范圍更廣、實(shí)現(xiàn)條件更簡(jiǎn)便、具同等余熱回收能力、成本更低的MILD燃燒設(shè)備已無(wú)技術(shù)瓶頸.這里再次強(qiáng)調(diào),高溫預(yù)熱空氣并不是實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的必要條件.高溫預(yù)熱空氣在某些條件下會(huì)讓MILD燃燒更容易發(fā)生,但不預(yù)熱空氣也能實(shí)現(xiàn)MILD燃燒.顯然,不預(yù)熱空氣實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛得多.4燃料的不完全燃燒MILD燃燒因具有均勻的溫度分布、良好的燃燒穩(wěn)定性、非常高的燃燒效率以及極低的NOx排放等優(yōu)良特性,具有巨大的市場(chǎng)潛力與廣闊的應(yīng)用前景,是新一代高效低污染燃燒技術(shù)的主要發(fā)展方向之一.目前對(duì)MILD燃燒形成機(jī)制、燃燒特性及控制準(zhǔn)則的認(rèn)識(shí)還很單薄,這嚴(yán)重制約了該技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用與推廣.最新研究表明,無(wú)論是氣體、液體還是粉狀固體燃料,不預(yù)熱空氣時(shí)MILD燃燒均可實(shí)現(xiàn);而且可以在空氣與燃料完全預(yù)混的方式下實(shí)現(xiàn).這些突破性的進(jìn)展無(wú)疑對(duì)MILD燃燒技術(shù)機(jī)理的理解和進(jìn)一步推廣應(yīng)用有極大的促進(jìn)作用.開(kāi)發(fā)無(wú)需高溫預(yù)熱的煤粉MILD燃燒系統(tǒng);進(jìn)一步拓寬MILD燃燒技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域;將氧燃料燃燒與MILD燃燒技術(shù)相結(jié)合開(kāi)發(fā)化石燃料利用“近零排放”的氧燃料MILD燃燒技術(shù),是MILD燃燒進(jìn)一步發(fā)展的方向.20世紀(jì)后幾十年,雖然眾多學(xué)者在高效低污染燃燒技術(shù)方面開(kāi)展了大量研究,提出了很多新型燃燒方式和燃燒理念,但現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)仍難以同時(shí)滿足高效率與低污染的要求.例如,旋流燃燒器和富氧燃燒器的應(yīng)用雖然提高了火焰溫度、燃燒強(qiáng)度與火焰穩(wěn)定性,卻造成了大量污染物排放(如NOx);又如,火焰冷卻技術(shù)(flamecooling),雖降低了火焰溫度,卻極易引起燃燒不穩(wěn)定性問(wèn)題,導(dǎo)致燃料的不完全燃燒,因而產(chǎn)生大