賈 楠，牛 芳，周建明，王乃繼，柳康信

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.山西晉中市瑞陽(yáng)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱有限責(zé)任公司，山西 晉中 030800)

0 引 言

逆向射流(reverse jet)是指在燃燒系統(tǒng)中射流方向與主氣流運(yùn)動(dòng)方向相反，又稱(chēng)為對(duì)流(opposing jet)[1]。Schaffer[2]于1954年首次提出在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域利用逆向射流替代加力燃燒室鈍體實(shí)現(xiàn)高速火焰穩(wěn)定燃燒。但在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝逆向射流裝置后會(huì)影響其整體效率，導(dǎo)致該技術(shù)無(wú)法得到應(yīng)用。后來(lái)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，逆向射流可通過(guò)改變射流的動(dòng)量、逆噴結(jié)構(gòu)、射流組分等條件同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效燃燒和NOx的超低排放[2-6]，是一項(xiàng)非常具有發(fā)展前景的燃燒技術(shù)，因此將逆向射流燃燒技術(shù)逐漸應(yīng)用于氣體和煤粉燃燒領(lǐng)域，但未涉及液體燃燒領(lǐng)域。

目前可通過(guò)一股獨(dú)立于主流方向的射流[2-9]或通過(guò)燃燒器的特殊結(jié)構(gòu)[10-15]2種方式實(shí)現(xiàn)逆向射流。前者的燃?xì)夂腿济喝紵餮邪l(fā)處于試驗(yàn)階段，但此理念在國(guó)內(nèi)的電站鍋爐爐內(nèi)布風(fēng)方式中有工程應(yīng)用；后者在氣體燃燒方面的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域有大量試驗(yàn)研究，但均處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，在固體燃燒方面的煤粉雙錐燃燒器已有工程應(yīng)用[16]。本文針對(duì)逆向射流技術(shù)的機(jī)理、研究現(xiàn)狀與工程應(yīng)用進(jìn)行綜述，分析該技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和局限性，對(duì)逆向射流燃燒技術(shù)的研發(fā)方向和應(yīng)用前景進(jìn)行展望，提出利用逆向射流燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效低污染的建議。

1 逆向射流燃燒技術(shù)機(jī)理

圖1 逆向射流流動(dòng)特征示意[20]Fig.1 Characteristics of reverse jet flow[20]

大量試驗(yàn)研究表明，穿透深度Xp主要與逆向射流幾何尺寸和射流流速比α(逆向射流流速Uj與環(huán)境流速Um的比值)有關(guān)。Beloleos等[21]利用皮托管測(cè)量風(fēng)洞中的逆向射流流場(chǎng)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到平均穿透深度Xp與α成正比，即

Xp/D=kα(k=2.7)

(1)

式中，D為逆向射流管直徑。

Morga等[22]通過(guò)目視觀察有色染料羽流確定圓形逆噴射流的穿透深度，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量Uj和Um，研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)逆向射流動(dòng)量通量小于主流動(dòng)量通量時(shí)，Xp與α成正比，比例系數(shù)k=2.5。K?nig等[23]基于流動(dòng)可視化利用普通相機(jī)研究了逆噴射流結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)逆向射流具有2種不同的特征狀態(tài)，α≤1.4時(shí)，流動(dòng)穩(wěn)定，射流具有幾乎恒定的下游范圍和規(guī)則的螺旋環(huán)；α>1.4時(shí)，流動(dòng)開(kāi)始變得不穩(wěn)定，射流從噴嘴處中斷，在體積流量不變的情況下增加了其穿透深度。Yoda等[24]利用平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser induced fluorescence，LIF)研究圓形逆向射流在水中的結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)的穩(wěn)定性，得出α>1.4時(shí)流動(dòng)開(kāi)始不穩(wěn)定，這與K?nig等的結(jié)論一致，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)平均穿透深度Xp與α成正比，即

Xp/D=2.8α(α>2.2)

(2)

最大穿透長(zhǎng)度Xpm為

Xpm/D=4.3α=1.5Xp

(3)

Lam等[25]利用LIF研究圓形逆向射流在水中的穿透和擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)平均穿透距離Xp隨α增加而增加。Lam等[20]采用激光多普勒測(cè)速儀(laser doppler velocimetry， LDV)分析圓形逆向自由射流的整個(gè)流場(chǎng)數(shù)據(jù)，認(rèn)為在時(shí)間平均(time-averaged)意義上，流動(dòng)可在徑向上分為前向射流動(dòng)量支配的外部區(qū)域和后向逆流發(fā)揮強(qiáng)烈作用的內(nèi)部區(qū)域，同時(shí)也證實(shí)了Beltaos等提出的k=2.7。Saghravani等[26]測(cè)量了射流軸線上的平均速度數(shù)據(jù)，證實(shí)了不存在限制效應(yīng)的某些情況下Xp/D與α之間的線性關(guān)系，但對(duì)于受限射流，該關(guān)系不成立。李志偉[18]利用PIV研究發(fā)現(xiàn)，逆向自由射流中穿透深度在低動(dòng)量時(shí)，與α滿足線性關(guān)系，且k=2.7，但當(dāng)逆向射流受限時(shí)，k隨與壁面距離的減小而增大。

(4)

(5)

綜上，逆向射流噴口的幾何尺寸和射流流速比決定了穿透深度和射流半寬，進(jìn)而影響逆向射流的流場(chǎng)分布與混合特性，這為逆向射流燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)夂腿济侯I(lǐng)域提供了支撐。但氣體燃料和煤粉生成NOx的途徑不同，因此逆向射流燃燒技術(shù)在2個(gè)領(lǐng)域所起的作用不同。氣體燃料在燃燒過(guò)程中生成的NOx主要為熱力型NOx[27]，逆向射流主要起穩(wěn)定燃燒的作用，其特征是形成一個(gè)近似均勻的熱流場(chǎng)，避免燃燒過(guò)程中出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放[28]。煤粉在燃燒過(guò)程中生成的NOx中70%～85%為燃料型NOx[27]，逆向射流形成一個(gè)可控射流介質(zhì)以及可控大小的回流區(qū)[2]，該技術(shù)與傳統(tǒng)火焰穩(wěn)定方式相比，火焰穩(wěn)定能力更強(qiáng)、停留時(shí)間更長(zhǎng)、污染更低，更適用于低階煤的高效燃燒[5]。

1.1 燃?xì)饽嫦蛏淞鳈C(jī)理

逆向射流應(yīng)用于氣體燃料燃燒的代表技術(shù)是SPRF滯點(diǎn)逆向回流(stagnation point reverse flow)和CDC無(wú)色分布式燃燒(colorless distributed combustion)。圖2為SPRF燃燒器示意，燃燒器反應(yīng)物通過(guò)開(kāi)口端中心的供料系統(tǒng)注入，供料系統(tǒng)可通過(guò)其環(huán)形管提供可燃的預(yù)混合反應(yīng)物，或分別通過(guò)中心管和環(huán)形管提供燃料和空氣，反應(yīng)物沿著燃燒器中心線到達(dá)封閉端后被強(qiáng)制回流，通過(guò)噴射系統(tǒng)周?chē)沫h(huán)形出口離開(kāi)系統(tǒng)。該燃燒器低NOx排放機(jī)理是在貧燃料條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，通過(guò)熱產(chǎn)物夾帶自由基逆向回流與反應(yīng)物混合，提高反應(yīng)物溫度，同時(shí)降低了反應(yīng)物的點(diǎn)火溫度，在燃燒器出口端形成一個(gè)低速高湍流的穩(wěn)定燃燒區(qū)域[10-11,29]。

圖2 SPRF燃燒器示意[29]Fig.2 Schematic diagram of SPRF burner[29]

CDC燃燒器是將高動(dòng)量的空氣和燃料預(yù)混或單獨(dú)噴射進(jìn)入燃燒器，到達(dá)燃燒器底端后強(qiáng)制回流，從燃燒器頂端出口離開(kāi)系統(tǒng)。該燃燒器低NOx排放機(jī)理是通過(guò)體積分布式反應(yīng)使整個(gè)燃燒室中具有均勻的熱場(chǎng)，避免局部高溫?zé)狳c(diǎn)產(chǎn)生的熱NOx排放，且具有良好的燃料-空氣混合條件和可調(diào)節(jié)的停留時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)低CO排放[12-13,30]。圖3為CDC燃燒器示意。

傳統(tǒng)肥料企業(yè)對(duì)于嘗試改變也有自己的思考。“農(nóng)資企業(yè)都在貼地飛行，但是目前肥料企業(yè)的農(nóng)資終端看起來(lái)還很浮躁?！痹茍D控股股份有限公司副總裁劉曉霞告訴記者：“我認(rèn)為，農(nóng)資企業(yè)最終還要回歸最本質(zhì)的東西，就是產(chǎn)品。這既包括產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)的務(wù)實(shí)性，同時(shí)也包括產(chǎn)品服務(wù)中市場(chǎng)上農(nóng)民和作物的需求。不是說(shuō)最先進(jìn)的技術(shù)就是最好的產(chǎn)品，而是要考慮到肥料的本質(zhì)屬性，既要滿足作物生產(chǎn)的客觀需求，又兼具價(jià)優(yōu)、物美、高效?！毕樵乒煞輳?fù)肥事業(yè)公司總經(jīng)理肖漢斌認(rèn)為：“復(fù)合肥找噱頭的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，土地流轉(zhuǎn)后種植大戶也不是原來(lái)的留守老人和兒童，現(xiàn)在很多年輕人有思想、懂技術(shù)，靠忽悠已經(jīng)無(wú)法帶動(dòng)終端、拉動(dòng)市場(chǎng)?！?/p>

1.2 燃煤逆向射流機(jī)理

煤粉逆向射流主要應(yīng)用于燃燒器和爐膛內(nèi)，達(dá)到煤粉高效低氮燃燒的目的。逆向射流燃燒器是將逆向射流與預(yù)燃室結(jié)合，圖4為中科院設(shè)計(jì)的逆向復(fù)式射流預(yù)燃室燃燒器，一次風(fēng)攜帶煤粉離開(kāi)噴嘴，在多環(huán)形逆向射流形成的高溫回流區(qū)中快速著火，之后二次風(fēng)與富燃料混合物逐漸混合，增強(qiáng)了多環(huán)形逆向射流形成的回流區(qū)，同時(shí)二次風(fēng)冷卻內(nèi)壁，減少了煤/灰顆粒與預(yù)燃室內(nèi)壁撞擊的發(fā)生率，隨著火焰向下游傳播，三次風(fēng)進(jìn)入爐膛進(jìn)行完全燃燒，同時(shí)三次風(fēng)也具有冷卻內(nèi)壁作用，因此燃燒器內(nèi)壁不需耐火層。該燃燒器低NOx穩(wěn)定燃燒機(jī)理為一次風(fēng)粉在預(yù)燃室內(nèi)形成溫度不高的貧氧富燃料區(qū)域，同時(shí)在富燃料區(qū)的著火區(qū)域緊鄰下游形成的烴基和含氮中間體減少了揮發(fā)分揮發(fā)時(shí)形成的NO[7,31]。

煤科院設(shè)計(jì)的雙錐燃燒器示意如圖5所示，該燃燒器與中科院設(shè)計(jì)的燃燒器區(qū)別是：① 雙錐燃燒器逆向射流是一次風(fēng)經(jīng)過(guò)一次風(fēng)管的回流帽撞擊而強(qiáng)制產(chǎn)生逆向回流；② 雙錐燃燒器的預(yù)燃室由前錐和后錐構(gòu)成。雙錐燃燒器低NOx穩(wěn)定燃燒的機(jī)理與逆向復(fù)式射流預(yù)燃室燃燒器[15-16]相似。

圖3 CDC燃燒器示意[30] Fig.3 Schematic diagram of CDC burner[30]

圖4 逆向復(fù)式射流預(yù)燃室燃燒器示意[31]Fig.4 Schematic diagram of opposed jet precombustor burner[31]

圖5 雙錐燃燒器示意Fig.5 Schematic diagram of double cone burner

逆向射流燃燒技術(shù)應(yīng)用于爐膛是在不改變爐內(nèi)四角切圓的總體切圓流動(dòng)燃燒方式下，將其中一層或數(shù)層煤粉氣流大角度逆向偏轉(zhuǎn)射入，使煤粉顆粒在燃燒器出口局部受阻滯留，從而延長(zhǎng)煤粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，改善其著火條件，緩解了原來(lái)四角切圓狀況下的爐內(nèi)高溫腐蝕和爐壁結(jié)渣等問(wèn)題。圖6為焦作電廠3號(hào)爐第4層燃燒器一次風(fēng)改造方案[33-34]。

圖6 焦作電廠3號(hào)爐燃燒器改造方案[32]Fig.6 Reforming scheme for No.3 furnace burner in Jiaozuo power plant[32]

2 逆向射流燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀

逆向射流燃燒技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代中期，主要是逆向射流在氣體領(lǐng)域的試驗(yàn)研究，我國(guó)從20世紀(jì)80年代起，開(kāi)始將逆向射流技術(shù)試用于固體燃料低階煤或水煤漿的穩(wěn)定燃燒中，目前已將逆向射流燃煤燃燒器應(yīng)用于工程實(shí)際。

2.1 氣體燃燒

國(guó)外對(duì)逆向射流的研究主要集中在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)方面，且實(shí)現(xiàn)逆向射流的形式由之前一股獨(dú)立于主氣流的逆向射流發(fā)展到通過(guò)燃燒器獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)使主氣流強(qiáng)制逆向回流。

獨(dú)立于主氣流方向的逆向射流研究是20世紀(jì)50年代Schaffer提出逆向射流火焰穩(wěn)定器后，美國(guó)的西北大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)和杜蘭大學(xué)進(jìn)行了逆向射流火焰穩(wěn)定機(jī)理研究。Schaffer等[2]以商業(yè)丙烷作為燃料，發(fā)現(xiàn)逆向射流可使火焰穩(wěn)定，且闡述了逆向射流火焰穩(wěn)定機(jī)理與鈍體穩(wěn)焰機(jī)理的區(qū)別，逆向射流的火焰臨界區(qū)在火焰前端出現(xiàn)，由未燃燒的燃料、循環(huán)氣體和逆向射流氣體組成；而鈍體的火焰臨界區(qū)在火焰脫落邊界出現(xiàn)，只由未燃燒的燃料和循環(huán)氣體組成。逆向射流的回流區(qū)可由射流動(dòng)量控制，與鈍體相比可操作范圍大。逆向射流的組分多變，可為氣體和燃料的任意組合。Duclos等[3]基于Schaffer的研究，以商業(yè)丙烷為燃料，研究發(fā)現(xiàn)射流角度會(huì)影響火焰穩(wěn)定能力，單股逆向射流角度在180°時(shí)，火焰穩(wěn)定能力效果較好；雙股逆向射流沒(méi)有匯聚時(shí)，火焰的穩(wěn)定能力比單股逆向射流差，但其具有較好的火焰擴(kuò)散能力；雙股逆向射流有匯聚時(shí)，2者尖端之間的距離對(duì)火焰穩(wěn)定能力具有較大影響，隨著2者距離減小，火焰穩(wěn)定能力趨向于單股逆向射流。Bellamy等[7]基于Schaffer 提出逆向射流火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定性特征來(lái)自“臨界區(qū)”的觀點(diǎn)，假設(shè)該臨界區(qū)相當(dāng)于一個(gè)絕熱均質(zhì)化學(xué)反應(yīng)器，開(kāi)發(fā)了一種利用絕熱均質(zhì)化學(xué)反應(yīng)器的穩(wěn)定特性確定逆向射流火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定性特征的方法，以商業(yè)丙烷為燃料，研究發(fā)現(xiàn)計(jì)算的穩(wěn)定性極限與試驗(yàn)穩(wěn)定性極限相比可靠性高。Agoston等[8]以天然氣為燃料，研究逆向射流和火焰的物理結(jié)構(gòu)，證明了Schaffer提出的臨界區(qū)是均勻混合的、臨界區(qū)位于火焰的尖端區(qū)域的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，認(rèn)為示蹤顆粒在其行程中明顯滯留的區(qū)域即為再循環(huán)區(qū)域，火焰穩(wěn)定的臨界區(qū)域是與環(huán)形再循環(huán)區(qū)域的上游部分和外部部分鄰接的擴(kuò)散區(qū)域，該臨界區(qū)是非均勻混合的擴(kuò)散性臨界區(qū)。Mcdannel等[4]以商業(yè)丙烷為燃料，研究了逆向射流火焰穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和排放性能，結(jié)果表明，逆向射流產(chǎn)生穩(wěn)定反應(yīng)所需的再循環(huán)區(qū)域中，逆向射流由預(yù)混燃料和空氣組成，在進(jìn)入燃燒室總流量的占比小于10%，但對(duì)再循環(huán)區(qū)內(nèi)的質(zhì)量貢獻(xiàn)達(dá)1/3，且逆向射流直接射入回流區(qū)會(huì)直接影響穩(wěn)定區(qū)域混合物比率、溫度和尺寸，因此，可獨(dú)立改變射流和主流的混合比和速度比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒條件。

強(qiáng)制逆向回流研究主要以天然氣為燃料的SPRF燃燒器和以甲烷為燃料的CDC燃燒器。Seitzman等[10]首次提出了一種新型燃燒器設(shè)計(jì)理念，即SPRF燃燒器。該燃燒器可在預(yù)混或非預(yù)混燃燒模式下以超低NOx排放運(yùn)行，數(shù)據(jù)表明，在2種模式下獲得了相同的NOx排放，但非預(yù)混合模式通常比預(yù)混合模式燃燒更穩(wěn)定。Bobba等[11]研究了SPRF燃燒室的流場(chǎng)和燃燒特性，結(jié)果表明，預(yù)混和非預(yù)混模式具有類(lèi)似的火焰和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，粒子圖像測(cè)速儀(particle image velocimetry，PIV)測(cè)量結(jié)果表明，在燃燒室下半部分存在高湍流水平的減速區(qū)，化學(xué)發(fā)光成像(chemiluminescence imaging)和平面激光誘導(dǎo)氫氧基熒光(OH planar laser induced fluorescence，OH PLIF)結(jié)果表明，火焰確實(shí)錨定在高湍流強(qiáng)度區(qū)域中，瞬時(shí)OH PLIF圖像顯示燃燒器下半部分存在大的渦旋結(jié)構(gòu)，其將熱產(chǎn)物夾帶到反應(yīng)物流中，有利于加快化學(xué)反應(yīng)速率，從而增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性。Gopalakrishna等[30]對(duì)非預(yù)混模式下超低NOx排放機(jī)理進(jìn)行了研究，設(shè)想非預(yù)混模式下燃料和空氣在燃燒前已在燃燒器內(nèi)完全預(yù)混合或熱產(chǎn)物夾帶到燃料和空氣中降低氧原子濃度，從而降低NOx水平，油滴散射試驗(yàn)結(jié)果表明，燃料和空氣混合發(fā)生在燃燒器的上游區(qū)域，而空氣和產(chǎn)物混合發(fā)生在反應(yīng)物和產(chǎn)物反向流動(dòng)之間的剪切層中，層流火焰計(jì)算結(jié)果顯示，產(chǎn)品夾帶不是導(dǎo)致在給定的總?cè)剂峡諝獗葪l件下低NOx排放的直接原因，甚至可能會(huì)使NOx水平略增。非預(yù)混NOx低排放水平主要是因?yàn)樵谌紵l(fā)生前，大部分燃料和空氣的有效混合以及熱產(chǎn)物通過(guò)周?chē)諝饬鞅蝗剂掀帘?。Bobba等[34]研究了SPRF燃燒器內(nèi)的產(chǎn)物再循環(huán)和混合情況，隨著再循環(huán)水平的提高，反應(yīng)物溫度升高，減少了燃燒器中的點(diǎn)火延遲，燃料和空氣混合試驗(yàn)表明，燃料與熱產(chǎn)品隔離，直至燃料與空氣混合充分，因此非預(yù)混情況下燃燒仍較穩(wěn)定。Bobba等[35]從預(yù)混和非預(yù)混的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、火焰結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火時(shí)間分析、熱產(chǎn)物夾帶等方面研究表明，SPRF燃燒器穩(wěn)定燃燒是低速、高湍流度和燃燒產(chǎn)物夾帶回流的綜合結(jié)果，低NOx排放的主要原因是燃燒前燃料和空氣充分混合，對(duì)于極貧燃料操作條件(過(guò)量空氣系數(shù)φ=0.51)，測(cè)得的燃燒室中NOx排放量低于1×10-6(基準(zhǔn)O2為15%)。

2.2 煤粉燃燒

逆噴射流燃燒技術(shù)用于煤粉燃燒的試驗(yàn)研究開(kāi)始于中科院工程熱物理研究所和浙江大學(xué)，目前，煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司已進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用性試驗(yàn)。

趙惠富等[5]于1987年提出采用環(huán)形逆向射流穩(wěn)定和強(qiáng)化水煤漿和低階煤的燃燒，逆向射流可使煤粉顆粒直接進(jìn)入回流區(qū)，同時(shí)逆向射流可提供煤粉在回流區(qū)內(nèi)停留足夠長(zhǎng)時(shí)間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流速度比α較小時(shí)，煤粉顆粒直接貫穿環(huán)結(jié)構(gòu)，顆粒停留時(shí)間不足；α在合適范圍內(nèi)時(shí)，可形成良好的的回流區(qū)，大多數(shù)顆粒直接進(jìn)入回流區(qū)進(jìn)行強(qiáng)烈的動(dòng)量、能量交換，顆粒停留時(shí)間加長(zhǎng)；α過(guò)大時(shí)，動(dòng)量過(guò)大的逆向射流把大部分顆粒直接壓向噴嘴出口的兩側(cè)。吳文東等[6]研究發(fā)現(xiàn)，影響環(huán)形逆向射流回流區(qū)的主要參數(shù)為α，當(dāng)α=3時(shí)，主流直接穿透回流區(qū)，中心軸線兩側(cè)的回流區(qū)范圍很窄；當(dāng)α=6時(shí)，回流區(qū)的形狀像馬鞍形，但當(dāng)環(huán)形逆向孔數(shù)增加時(shí)，可改善回流區(qū)形狀，研究表明，環(huán)直徑、逆向射流孔徑和孔數(shù)、環(huán)的結(jié)構(gòu)形式和環(huán)到燃燒器出口的距離均會(huì)影響回流區(qū)特性，環(huán)直徑?jīng)Q定中心回流區(qū)的大小，多環(huán)形結(jié)構(gòu)可調(diào)整回流區(qū)尺寸，根據(jù)α選擇合適的環(huán)到燃燒器出口距離。趙惠富等[9]利用揮發(fā)分為14%的淮北貧煤研究了環(huán)形逆向射流的火焰穩(wěn)定性，結(jié)果表明，在調(diào)整逆向射流環(huán)位置過(guò)程中，火焰位置也隨之變化，且火焰可以穩(wěn)定。在阜新發(fā)電廠進(jìn)行多環(huán)形逆向射流工業(yè)化試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤粉引燃后，著火迅速，火焰穩(wěn)定。邵晉槐等[39]通過(guò)水模擬試驗(yàn)研究主流和逆向射流之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)2者之間會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)烈的動(dòng)量和能量交換區(qū)，這與Schaffer 提出的臨界區(qū)觀點(diǎn)一致，這個(gè)區(qū)域作用類(lèi)似于鈍體，但又因該區(qū)域可直接進(jìn)入煤粉顆粒而區(qū)別于鈍體。劉崇等[40]在望亭發(fā)電廠75 t/h煤粉爐上進(jìn)行工業(yè)性穩(wěn)燃試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)逆噴射流穩(wěn)燃器離噴嘴出口越近，著火越提前，并提出假設(shè)，通過(guò)改進(jìn)穩(wěn)燃器結(jié)構(gòu)與主燃燒器相結(jié)合，可形成一個(gè)根據(jù)不同負(fù)荷起不同作用的多功能燃燒器。李勁等[41-42]研究發(fā)現(xiàn)，逆向射流和鈍體形成的回流區(qū)有明顯差別，鈍體形成的回流區(qū)是一個(gè)點(diǎn)火源，而逆向射流在改變射流介質(zhì)為N2時(shí)，火焰不穩(wěn)定，因此逆向射流所引起的回流區(qū)并不是點(diǎn)火源。逆向射流的冷態(tài)流場(chǎng)和N2側(cè)吹熄試驗(yàn)研究表明，存在一個(gè)速度脈動(dòng)強(qiáng)烈、流場(chǎng)混亂的臨界區(qū)(圖7)，該區(qū)對(duì)火焰穩(wěn)定起決定作用，同時(shí)逆向射流的引入產(chǎn)生了一個(gè)火焰能夠穩(wěn)定傳播的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖7 臨界區(qū)示意圖[41]Fig.7 Schematic diagram of critical region[41]

趙惠富等[14,31,43]基于逆向射流的穩(wěn)定機(jī)理，設(shè)計(jì)了逆向復(fù)式射流預(yù)燃室燃燒器。對(duì)該燃燒器冷態(tài)流場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)，逆向射流所形成的回流區(qū)比在同位置放置相同外徑的鈍體形成的回流區(qū)的穿透深度、射流半寬以及回流速度要大；該燃燒室內(nèi)大顆粒(粒徑約為150 μm)的升溫速率為5.2×104K/s，小顆粒(粒徑約為20 μm)的升溫速率為2.3×104K/s，該升溫速率與在煤粉爐中升溫速率基本處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)；煤粒在預(yù)燃室中大部分揮發(fā)分析出，焦炭開(kāi)始燃燒。王月明等[44]針對(duì)水煤漿燃料易結(jié)焦的燃燒特點(diǎn)，將逆向射流與直流燃燒器耦合，既解決了旋流易使?jié){滴結(jié)焦壁面的問(wèn)題，又通過(guò)延長(zhǎng)水煤漿的停留時(shí)間解決了不易著火的問(wèn)題。

20世紀(jì)90年代，上海交通大學(xué)章明川團(tuán)隊(duì)[32-33,45-46]將逆向射流應(yīng)用于電站鍋爐系統(tǒng)中，該技術(shù)于1993年首次成功應(yīng)用于焦作電廠670 t/h無(wú)煙煤鍋爐改造，后來(lái)也成功用于德州電廠300 MW貧煤鍋爐改造，研究發(fā)現(xiàn)，將爐膛中一定層次燃燒器的一次風(fēng)反向偏轉(zhuǎn)一定角度射入使切圓直徑減小，煤粒著火初期停留時(shí)間由之前0.35 s提高到0.80 s，延長(zhǎng)了顆粒在著火區(qū)的停留時(shí)間，改善了煤粉的著火條件，緩解了原來(lái)四角切圓狀況下的爐內(nèi)高溫腐蝕和爐壁結(jié)渣等問(wèn)題。在焦作電廠鍋爐改造中，測(cè)得左、右兩側(cè)最大煙溫偏差由150 ℃降至70 ℃，可見(jiàn)該部分逆向射流消弱了爐膛出口處的殘余旋轉(zhuǎn)量，有助于減小水平煙道入口處左右側(cè)煙速、煙溫偏差。劉綜緒等[47]針對(duì)660 MW四角切圓燃燒煤粉鍋爐汽溫偏差嚴(yán)重的問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，燃盡風(fēng)反切角度對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行影響較小，因此通過(guò)改變?nèi)急M風(fēng)反切角度來(lái)改變汽溫偏差是主要調(diào)節(jié)手段。沙龍等[48]針對(duì)1 000 MW 超超臨界褐煤鍋爐的燃盡風(fēng)反切角度進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，最佳的燃盡風(fēng)反切角度為10°，適宜反切角度可增強(qiáng)流場(chǎng)的湍流度，降低爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)，而反切角度過(guò)大會(huì)影響煤粉的穩(wěn)定燃燒。姚璐等[49]對(duì)330 MW四角切圓燃燒煤粉鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，燃盡風(fēng)氣流的反切作用可使主流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減小，爐膛出口煙氣速度偏差降低。王超等[50]針對(duì)四角切圓燃燒鍋爐出口煙氣的煙溫、煙速偏差問(wèn)題，對(duì)爐膛上部3層集中布置的燃盡風(fēng)進(jìn)行反切數(shù)值模擬，結(jié)果表明，當(dāng)燃盡風(fēng)反切角度為15°時(shí)，爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)度最小，出口截面煙氣溫度偏差最低。付忠廣等[51]針對(duì)300 MW機(jī)組四角切圓煤粉鍋爐的燃盡風(fēng)反切角度對(duì)爐膛出口煙氣偏差影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，燃盡風(fēng)反切對(duì)主燃燒區(qū)的流場(chǎng)影響較小，燃盡風(fēng)適宜反切角度為15°。張小桃等[52]針對(duì)生物質(zhì)氣與煤粉混燃切圓鍋爐的燃盡風(fēng)角度進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，最佳反切角度為15°。王乃繼等[15]建立了煤科院工業(yè)煤粉鍋爐體系。姜思源等[16]通過(guò)數(shù)值模擬研究了14 MW逆噴燃燒器穩(wěn)燃腔內(nèi)速度、溫度流場(chǎng)分布。郭猛猛等[53]研究了14 MW逆噴燃燒器在一次風(fēng)管?chē)娍谔幖友b鈍體后對(duì)煤粉燃盡率的影響。莫日根等[54]數(shù)值模擬研究了煤粉和水煤漿在逆向射流燃燒器中速度場(chǎng)的分布。

3 逆向射流燃燒技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

目前SPRF燃燒技術(shù)是一種為燃?xì)廨啓C(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的探索性技術(shù)，盡管解決了在貧燃料情況下的燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題，但其主要是在貧燃條件下燃燒，幾乎所有NOx都在火焰前緣產(chǎn)生，為快速型NOx；而對(duì)于實(shí)際燃燒器，燃料一般以化學(xué)計(jì)量比燃燒以獲得高熱效率，以熱力型NOx為主，目前這部分研究尚未開(kāi)始，且SPRF燃燒器目前還是一個(gè)簡(jiǎn)化裝置，該技術(shù)投入生產(chǎn)應(yīng)用還需進(jìn)一步深入研究。CDC燃燒技術(shù)具有超低污染物排放、多變配置模式和穩(wěn)定燃燒等優(yōu)點(diǎn)，但CDC的關(guān)鍵特征均勻熱場(chǎng)分布在高速空氣和燃料射流的限定空間中很難實(shí)現(xiàn)，這為CDC燃燒器投入工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

煤科院逆向射流雙錐煤粉燃燒器已有多年的工程應(yīng)用，具有點(diǎn)火迅速、啟停時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)逆向射流機(jī)理研究不深入。目前該燃燒器燃料物種單一，僅限于固體燃料，急需拓展到氣體燃料和液體燃料領(lǐng)域。20世紀(jì)，有少量一次風(fēng)反切在電站鍋爐的工業(yè)應(yīng)用，目前主要是燃盡風(fēng)反切的工業(yè)應(yīng)用，盡管燃盡風(fēng)反切在一定程度上削弱了殘余旋轉(zhuǎn)，但有待深入研究如何合理控制燃盡風(fēng)反切角度、反切動(dòng)量以及反切層數(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題。

目前針對(duì)化石燃料清潔高效利用，已采用空氣分級(jí)燃燒、再燃、煙氣再循環(huán)、旋流、鈍體、臺(tái)階流等多種燃燒方式，在高效穩(wěn)定燃燒和降低NOx初始排放濃度方面取得了較好效果。但日益嚴(yán)苛的國(guó)家環(huán)保政策要求化石燃料的NOx初始排放越來(lái)越低，現(xiàn)有技術(shù)很難再有新的突破。將逆向射流機(jī)理拓展到化石燃料高效燃燒領(lǐng)域與現(xiàn)有的低氮穩(wěn)燃技術(shù)相融合，為化石燃料清潔高效利用提供了新的途徑。

4 結(jié) 語(yǔ)

逆向射流燃燒技術(shù)在提高燃燒效率的同時(shí)可降低NOx初始排放濃度，具有廣闊的應(yīng)用前景，是未來(lái)高效低污染燃燒技術(shù)的發(fā)展方向之一。逆向射流流場(chǎng)分布的多變性使其既能控制熱力型NOx的生成，也能控制燃料型NOx的生成，在氣體燃燒中逆向射流可將熱產(chǎn)物夾帶到反應(yīng)物流中形成穩(wěn)定燃燒的均勻熱流場(chǎng)，進(jìn)而控制熱力型NOx的生成。在煤粉燃燒中逆向射流可形成一個(gè)可控組分、大小、形狀和位置的回流區(qū)，且可將煤粉直接送進(jìn)回流區(qū)的同時(shí)，還可控制煤粉在回流區(qū)的停留時(shí)間，進(jìn)而控制燃料型NOx的生成，因此該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)煤粉穩(wěn)定、高效、低氮燃燒，并具有較好的煤種適應(yīng)性。逆向射流流場(chǎng)分布的復(fù)雜性以及對(duì)逆向射流機(jī)理認(rèn)識(shí)的不全面導(dǎo)致其應(yīng)用推廣受到制約。目前逆向射流燃燒技術(shù)在氣體燃燒領(lǐng)域仍處于試驗(yàn)性研究，未進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用；在煤粉燃燒領(lǐng)域處于工程應(yīng)用階段，如煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司的逆向射流雙錐燃燒器。綜上，逆向射流燃燒技術(shù)耦合低氮穩(wěn)燃技術(shù)將會(huì)是未來(lái)高效低污染技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向。