王業(yè)峰,周浩宇,劉 前,李 謙,陳思墨,朱蓉甲

(1.國家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410205;2.中冶長天國際工程有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410205)

燃燒是人類日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中獲取能量的重要方式,通過燃燒器將燃料與氧化劑通入特定空間內(nèi)點(diǎn)燃并釋放燃料分子的化學(xué)能。對于常規(guī)燃燒,劇烈的化學(xué)反應(yīng)集中于有限區(qū)域,通過高溫區(qū)域的輻射、高溫?zé)煔鈱α鲗崃總鬟f給被加熱物料,因此易出現(xiàn)局部火焰溫度過高導(dǎo)致大量生成熱力型NOx,或者燃燒溫度偏低效率低下等問題。

無焰燃燒是一種新型的高效清潔燃燒技術(shù),根據(jù)其各方面特性,研究人員對無焰燃燒(flameless combustion)有不同的命名,如MILD燃燒[1](moderate and intense low oxygen dilution combustion)、高溫空氣燃燒(high temperature air combustion)[2]、無焰氧化[3](flameless oxidation)等。與常規(guī)燃燒相比,無焰燃燒無明顯火焰鋒面,燃燒溫度均勻、效率高,燃燒空間對物料加熱更為均勻有效,同時NOx和CO等污染物排放低,可兼顧控制污染物排放和保證高效燃燒,被譽(yù)為“21世紀(jì)最有發(fā)展前景的燃燒技術(shù)之一”。在國家“碳達(dá)峰”“碳中和”和提倡綠色發(fā)展的戰(zhàn)略下,無焰燃燒技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用已成為電力、鋼鐵、冶金、化工等領(lǐng)域的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

本文以無焰燃燒為研究對象,對其燃燒特征展開分析,綜述無焰燃燒的研究現(xiàn)狀與工業(yè)應(yīng)用,最后給出無焰燃燒的研究與應(yīng)用建議。

1 無焰燃燒的燃燒特性與判別方法

20世紀(jì)90年代德國和日本的研究人員率先發(fā)現(xiàn)無焰燃燒現(xiàn)象[2],他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)空氣預(yù)熱至1 600 K、射流流速提高至90 m/s時,燃燒的火焰鋒面消失,但此時燃燒反應(yīng)仍在進(jìn)行,O2濃度大幅降低,為正常燃燒后的O2濃度,同時隨著空氣預(yù)熱溫度提高,NOx排放不再增加,最高濃度為80×10-6。自此后研究人員對無焰燃燒展開了大量研究[4-16],針對無焰燃燒形成條件,初期研究達(dá)成了以下共識：

(1)空氣高溫預(yù)熱并配合高速射流是實(shí)現(xiàn)無焰燃燒的必要條件;

(2)進(jìn)入爐膛后高速射流卷吸足夠的高溫?zé)煔?形成低氧氛圍是維持無焰燃燒的關(guān)鍵;

(3)高速射流與高溫?zé)煔饣旌虾鬁囟冗_(dá)到燃料自燃的溫度。

對無焰燃燒的判定可從其特征出發(fā),根據(jù)火焰鋒面、煙氣循環(huán)比例、反應(yīng)溫升等判斷燃燒是否為無焰燃燒狀態(tài)。

無焰燃燒最直觀的特點(diǎn)是燃燒過程中沒有明顯的火焰鋒面,也是最直觀的判定無焰燃燒的一種方法。圖1為北京大學(xué)米建春在實(shí)驗(yàn)研究過程中拍攝的常規(guī)燃燒與無焰燃燒的過程,圖1(a)、圖1(b)為常規(guī)燃燒狀態(tài),存在明顯的射流火焰鋒面,圖1(c)爐膛內(nèi)肉眼可見的火焰鋒面消失,燃燒模式已轉(zhuǎn)變?yōu)闊o焰燃燒[17]。

圖1 非預(yù)混射流下常規(guī)燃燒與無焰燃燒爐膛照片

煙氣循環(huán)比例可采用煙氣內(nèi)部循環(huán)率來描述[3]。

KV=ME/(MF+MA)

式中：MF為燃料射流量;MA為氧化劑射流量;ME為由于燃料射流與氧化劑射流軸向/徑向擴(kuò)散而卷吸的煙氣量。燃料與氧化劑射流及卷吸周圍煙氣過程示意圖如圖2所示。

圖2 燃料與氧化劑射流及卷吸周圍煙氣過程示意圖

Wunning等[3]通過大量的實(shí)驗(yàn)探究甲烷擴(kuò)散燃燒時KV、燃燒溫度和燃燒狀態(tài)的相關(guān)規(guī)律,如圖3所示,在穩(wěn)定燃燒(區(qū)域A)的條件下,提高煙氣內(nèi)部循環(huán)率或燃燒溫度,燃燒會進(jìn)入非穩(wěn)定燃燒狀態(tài)(區(qū)域B)此時燃燒易發(fā)生脫火,進(jìn)一步提高煙氣內(nèi)部循環(huán)率或燃燒溫度,燃燒可轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的無焰燃燒(區(qū)域C)。

圖3 甲烷擴(kuò)散燃燒時KV、燃燒溫度與燃燒模式的關(guān)系

無焰燃燒消除了火焰鋒面,燃料擴(kuò)散至整個爐膛并發(fā)生燃燒,因此火焰峰值溫度低、爐膛內(nèi)溫度分布均勻,爐膛內(nèi)溫度梯度減小,這有利于提高煙氣對物料、換熱器的加熱效率。因此爐膛內(nèi)的整體溫升也是判別無焰燃燒的依據(jù)之一。圖4展示了進(jìn)口溫度與溫升對甲烷/氧氣/氮?dú)饣旌蠚馊紵Ｊ降呐袆e[18],當(dāng)預(yù)混氣進(jìn)口溫度Tin>Tsi=1 000 K、反應(yīng)溫升ΔT

圖4 進(jìn)口溫度與溫升對甲烷、氧氣、氮?dú)饣旌蠚馊紵Ｊ降呐袆e

目前來說,雖然燃燒火焰鋒面、煙氣循環(huán)比例、溫升情況是無焰燃燒的典型特點(diǎn),可作為無焰燃燒的判別標(biāo)準(zhǔn)。但由于燃燒設(shè)備、燃燒條件的變化,單一的判別標(biāo)準(zhǔn)難以覆蓋所有的燃燒工況,因此在無焰燃燒的研究中,一般都以觀察火焰鋒面的方法為主,其他兩個判定條件為輔。

2 無焰燃燒的研究進(jìn)展

2.1 燃料種類對無焰燃燒的影響

Wunning等[3]發(fā)現(xiàn)無焰燃燒時使用的燃料為天然氣,絕大多數(shù)的無焰燃燒研究也是針對氣體燃料。Ayoub等[20]研究了不同H2添加比例下甲烷/H2混合燃料的無焰燃燒特性,發(fā)現(xiàn)H2在摻混比例由0至100%時均可實(shí)現(xiàn)無焰燃燒,NO的生成大幅降低,預(yù)熱空氣或增加過量空氣系數(shù)可將CO排放量控制在10×10-6以下。Derudi等[21]研究了焦?fàn)t煤氣(CH4/H240%/60%)的無焰燃燒,指出含有H2的混合燃料需要更大的射流速度以維持無焰燃燒狀態(tài),同時也可以略微降低空氣的預(yù)熱溫度。

相比于氣體燃料的無焰燃燒,固體燃料與大分子液體燃料的無焰燃燒的實(shí)現(xiàn)條件相比來說更為苛刻。Weber等[22]在同一實(shí)驗(yàn)設(shè)備上對比了天然氣、輕油、重油和煤粉的無焰燃燒。研究表明,將氧化劑預(yù)熱至1 300 ℃后,天然氣和輕油的燃燒火焰鋒面不可見,重油和煤粉火焰清晰可見,但溫度場和物質(zhì)分布均一,相比于常規(guī)燃燒,NOx排放顯著下降,整體呈現(xiàn)出無焰燃燒的特點(diǎn)。Dally等[23]在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了鋸末的無焰燃燒,如圖5所示,在爐膛內(nèi)火焰鋒面不明顯,燃燒功率提高至10 kW后出現(xiàn)較多的單個火焰點(diǎn),采用N2攜帶鋸末進(jìn)入爐膛、當(dāng)量比為0.75時,燃燒產(chǎn)生的CO約19×10-6,NOx約30×10-6,但需適當(dāng)降低鋸末的射流速度以保證燃料燃盡。

圖5 鋸末無焰燃燒狀態(tài)下爐膛照片

我國能源結(jié)構(gòu)是以煤為主,國內(nèi)的研究人員針對煤粉的無焰燃燒開展了大量的研究工作[24-32]。Li等[33]在12.5 m高的中試試驗(yàn)平臺上開展了煤粉無焰燃燒的實(shí)驗(yàn)研究,他們發(fā)現(xiàn)煤粉在空氣或者富氧條件下均可實(shí)現(xiàn)無焰燃燒,燃燒煙氣中NOx、CO和焦油含量遠(yuǎn)低于常規(guī)燃燒。周博斐等[34]對高溫低氧條件下煤粉的無焰燃燒著火及燃燒特性開展了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒著火距離明顯縮短,且隨著氧氣濃度提升著火距離縮短更為明顯,氣體溫度場分布也更為均勻。劉穩(wěn)等[35]將燃料預(yù)熱至800 ℃以上、在30 kW的燃燒器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了煤粉的無焰燃燒。涂垚杰[36]在0.3 MW富氧燃燒試驗(yàn)平臺上通過調(diào)整燃燒器參數(shù)、煙氣回流效果、空氣預(yù)熱溫度等條件下實(shí)現(xiàn)了煤粉的無焰燃燒,并對煤粉的著火位置、焦炭燃盡率、CO和NOx的分布、溫度場分布等進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.2 工況條件對無焰燃燒的影響

如前所述,無焰燃燒對組織燃燒時的氣體氛圍、預(yù)熱溫度、煙氣卷吸等存在特定要求,因此研究人員針對此對無焰燃燒的形成條件與規(guī)律展開了探索工作。

對燃燒氣氛的控制主要目的是形成低氧環(huán)境以實(shí)現(xiàn)燃料的無焰燃燒,通常研究者會在氧化劑中添加N2[37]、CO2[38]、循環(huán)煙氣[39-40]等以便于燃燒區(qū)域更易形成低氧氛圍。艾元方等[11]將助燃空氣預(yù)熱至800 ℃以上后,在其中摻入N2,隨著預(yù)熱溫度升高、氧氣濃度降低,爐內(nèi)火焰顏色由黃色-藍(lán)綠色-綠色-無色逐漸轉(zhuǎn)變,火焰鋒面消失、亮度減弱、色差減小。Yuan等[5]對N2、CO2、He、Ar、煙氣稀釋助燃空氣后的無焰燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)CO2稀釋后燃燒最高火焰溫度和NOx排放最低,這是由于CO2的密度和比熱容最大,從而可降低爐膛溫度、抑制NOx生成。

射流是無焰燃燒的關(guān)鍵條件。米建春等[17,41-42]發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)無焰燃燒時射流存在一個臨界初始動量,射流動量(或雷諾數(shù))低于此值時將無法實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。李鵬飛等[43]指出,當(dāng)射流出口速度足夠大、超過火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r,可使得傳統(tǒng)的火焰鋒面被吹開,從而燃燒可能轉(zhuǎn)變?yōu)闊o焰燃燒模式,并通過總結(jié)其研究成果進(jìn)行了理論分析,認(rèn)為射流速度提高、剪切力增強(qiáng)可在一定程度上承擔(dān)空氣預(yù)熱、黏性增加對周圍煙氣的卷吸能力,因此只要射流動量大于臨界流量也能實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。邢獻(xiàn)軍等[44-45]在實(shí)驗(yàn)平臺和FLUENT軟件平臺上均實(shí)現(xiàn)了常溫空氣與天然氣非預(yù)混條件下的無焰燃燒,指出常溫空氣無焰燃燒的區(qū)域更為寬廣,高溫區(qū)面積小。

2.3 低NOx排放特性的研究

無焰燃燒可顯著降低NOx排放,這是其對研究人員最大的吸引點(diǎn)。氣體燃料燃燒過程中氮氧化物主要來源于熱力型NO,這與燃燒溫度直接相關(guān),溫度高于1 400 ℃后隨溫度的升高,熱力型NO的生成速率呈指數(shù)型增長。降低火焰峰值溫度、削減局部高溫區(qū)、降低高溫區(qū)域O2濃度是抑制熱力型NOx生成的重要方法,這也是無焰燃燒可實(shí)現(xiàn)低氮燃燒的關(guān)鍵機(jī)理。胡乃俊等[46]在20 kW的實(shí)驗(yàn)臺上對丙烷無焰燃燒開展了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)丙烷無焰燃燒時最高溫度在1 227 ℃(1 500 K)以下,NOx排放濃度低于42.5×10-6,而提高空氣預(yù)熱溫度會增加煙氣中的NOx。李鵬飛等[16]對比研究了不同預(yù)混模式下無焰燃燒的NOx排放特性,完全預(yù)混時NOx排放低于5×10-6,非預(yù)混時NOx排放低于30×10-6,但部分預(yù)混、當(dāng)量比為0.9時NOx排放會達(dá)到150×10-6。

固體燃料(煤粉等)無焰燃燒的過程與氣體燃料相比更為復(fù)雜,包括快速型NO、燃料型NO、熱力型NO以及NO再燃[47],這與常規(guī)燃燒的NOx反應(yīng)路徑類似。Tsuji等[2]指出,無焰燃燒可減少約70%以上的熱力型NOx。Galbiati等[48]以向燃燒系統(tǒng)補(bǔ)入NH3和NO的方法模擬燃料型NOx的生成、再燃過程,發(fā)現(xiàn)無焰燃燒可減少燃料型NOx40%～60%。He等[49]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段分析了煤粉無焰燃燒的NO的生成規(guī)律,認(rèn)為揮發(fā)分中的HCN升高會加速NO的生成,但同時高濃度的NO會導(dǎo)致NO的破壞,此時只需要調(diào)整流動狀態(tài)、保持HCN與NO集中于一次風(fēng)噴嘴附近、使得NO的生成與破壞基元反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡,即可獲得較低的NO凈生成。

3 無焰燃燒的工業(yè)應(yīng)用

盡管無焰燃燒可在不預(yù)熱空氣的條件下實(shí)現(xiàn),目前其在工業(yè)上應(yīng)用依舊會將空氣預(yù)熱至高溫狀態(tài),一方面原因是高溫預(yù)熱空氣對實(shí)現(xiàn)無焰燃燒、穩(wěn)定燃燒有積極作用,另一方面原因是單純依靠高動量射流實(shí)現(xiàn)無焰燃燒對助燃空氣鼓風(fēng)機(jī)要求高、經(jīng)濟(jì)性差,通過預(yù)熱空氣實(shí)現(xiàn)無焰燃燒是一種有效易行的手段。從燃料的角度來看,工業(yè)應(yīng)用的無焰燃燒技術(shù)燃料絕大部分為氣體燃料,這與氣體燃料的無焰燃燒更易實(shí)現(xiàn)有關(guān)。

助燃空氣預(yù)熱方式以蓄熱體換熱為主,無焰燃燒多與蓄熱換向式燃燒系統(tǒng)相結(jié)合,如圖6所示,煙氣通過蓄熱體時將熱量傳給內(nèi)部的蓄熱介質(zhì)(如蓄熱小球等),煙氣被冷卻至100～300 ℃;換向后下一個周期助燃空氣經(jīng)過蓄熱體時被加熱,進(jìn)入爐膛前空氣溫度一般可達(dá)到800～1 000 ℃。蓄熱式無焰燃燒系統(tǒng)主要針對的燃料種類為氣體燃料,此燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)除無焰燃燒外,還包括蓄熱體內(nèi)的蓄熱介質(zhì)[50]和高性能換向閥的選擇,蓄熱介質(zhì)需具備比熱容大、高溫結(jié)構(gòu)性能好、抗氧化等特性,換向閥需具備壽命長、動作時間短、漏氣率低等特性。

圖6 蓄熱式無焰燃燒系統(tǒng)示意圖

目前無焰燃燒技術(shù)的應(yīng)用集中于燃?xì)廨啓C(jī)[51]、熔鋁爐[52]、鍋爐[53-54]等工業(yè)窯爐上有較多應(yīng)用。呂煊[55]將無焰燃燒技術(shù)應(yīng)用至微小型燃?xì)廨啓C(jī)上,通過理論分析、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分析、原型燃燒室設(shè)計(jì)及常中/壓下的性能測試,50 kW微小型燃?xì)廨啓C(jī)的無焰燃燒室燃機(jī)總效率可達(dá)19.1%,無焰燃燒具有低振蕩燃燒特性,在燃燒富氫燃料的條件下可達(dá)到超低污染排放。鄒少彪等[56]對湘鋼環(huán)形套筒石灰窯進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),采用煤氣預(yù)熱、煙氣循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煤氣的無焰燃燒,煤氣消耗降低了12.21%。邢獻(xiàn)軍等[57]在燃煤鍋爐煤改氣過程中實(shí)現(xiàn)了常溫空氣無焰燃燒,鍋爐熱效率提高至92.92%,煙氣中NOx濃度為90×10-6,CO濃度為8×10-6,污染物排放濃度低。

4 結(jié)論與展望

無焰燃燒具有燃燒溫度分布均勻、燃燒效率高、NOx和CO等污染物排放低的等優(yōu)勢,廣受科研人員與技術(shù)人員的關(guān)注。本文綜述了無焰燃燒的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況：

(1)經(jīng)過氣體射流卷吸煙氣形成低氧氛圍、分散在空間的燃料分子在高溫下著火燃燒后形成無焰燃燒模式,與常規(guī)燃燒相比,無焰燃燒無明顯火焰鋒面,煙氣內(nèi)部循環(huán)率高,峰值溫度低,溫度更為均勻,熱力型NOx生成量低,以上都可作為判別無焰燃燒的依據(jù);

(2)目前對于無焰燃燒的研究集中于多燃料、多工況條件下的無焰燃燒,已將無焰燃燒燃料適用范圍從氣體燃料拓寬至液體燃料、煤粉、生物質(zhì)燃料等,可通過補(bǔ)充不參與反應(yīng)氣體(CO2、N2等)形成低氧氣氛以實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。高溫預(yù)熱空氣不再是無焰燃燒的必要條件,可通過高動量射流實(shí)現(xiàn)常溫空氣條件下的無焰燃燒。無焰燃燒峰值溫度低可大幅減少熱力型NOx的生成,對燃料型NOx的再燃也存在促進(jìn)作用;

(3)無焰燃燒在鋼鐵冶金爐窯、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)上均有應(yīng)用,可達(dá)到節(jié)能、減排的技術(shù)效果,但大多需要與蓄熱式燃燒系統(tǒng)相結(jié)合。

盡管關(guān)于無焰燃燒的研究已有數(shù)十年,無焰燃燒發(fā)生的深層機(jī)理尚未明晰,火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒空間溫度場狀態(tài)、流場速度與湍流強(qiáng)度、多氣體組分分布等條件在無焰燃燒的形成和穩(wěn)定過程中的定量指標(biāo)和相互影響機(jī)制仍有待深入研究;大分子液體燃料/固體燃料無焰燃燒的發(fā)生機(jī)理和條件更為復(fù)雜,除開氣體燃料無焰燃燒的研究重點(diǎn)外,還涉及燃料的霧化/噴射、液滴/顆粒物理化學(xué)過程、多相流動和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等。采用先進(jìn)燃燒測量與診斷手段、數(shù)值計(jì)算方法,對上述問題展開研究與探索,是實(shí)現(xiàn)無焰燃燒推廣與應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提,無焰燃燒的應(yīng)用結(jié)合富氧燃燒、煤氣化等向鋼鐵、化工等領(lǐng)域拓展。