MILD 粉體燃燒技術(shù)研究進(jìn)展與關(guān)鍵問(wèn)題分析

呂俊復(fù) ， 馮樂(lè)樂(lè) ， 吳玉新 ， 張 海

(1.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)提出以來(lái)，為進(jìn)一步促進(jìn)綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，我國(guó)對(duì)于能源行業(yè)各類污染物的排放限值日益嚴(yán)格，研發(fā)高效低污染的新型清潔燃燒技術(shù)需求日益迫切[1-2]。MILD(Moderate and Intense Low-Oxygen Dilution)燃燒憑借其低NOx排放、均勻熱流密度分布、高燃燼率、高燃燒穩(wěn)定性等特性，近年來(lái)作為一種極具潛力的高效清潔燃燒技術(shù)而備受關(guān)注[3-5]。MILD 燃燒在某些情境下也被稱作無(wú)焰燃燒、高溫空氣燃燒、容積燃燒或無(wú)色分布式燃燒，根據(jù)其經(jīng)典定義，氣體燃料的MILD 燃燒狀態(tài)的判斷依據(jù)是：燃料與氧化劑的混合物溫度應(yīng)高于燃料自燃溫度，同時(shí)該混合物在燃燒后的最大溫升應(yīng)小于燃料自燃溫度[6-7]。MILD 燃燒技術(shù)通過(guò)推遲燃料與氧化劑之間的混合，促進(jìn)燃燒器射流出口附近的火焰熄滅，使燃燒幾乎分散在整個(gè)爐膛中，觀察不到可見的火焰前沿(這也是被普遍接受的達(dá)到MILD 燃燒的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))，能實(shí)現(xiàn)幾乎均勻的溫度分布[8-10]。在20 世紀(jì)90 年代，德國(guó)[8]、日本[11]和國(guó)際火焰研究基金會(huì)[12]幾乎同時(shí)開發(fā)了MILD 技術(shù)，近30 a 來(lái)，燃燒科學(xué)家們已經(jīng)開展了分別以天然氣、輕質(zhì)油和煤粉為代表的氣體燃料、液體燃料和固體燃料的MILD 燃燒實(shí)驗(yàn)，其中，在再生式HTAC(High Temperatrue Air Combustion)系統(tǒng)中的氣體燃料MILD 燃燒技術(shù)和已在冶金等行業(yè)中得到大量的工業(yè)應(yīng)用，而對(duì)液體和固體燃料MILD 燃燒的研究相對(duì)滯后[13-15]。固體燃料MILD 燃燒的定義可分為試驗(yàn)定義和數(shù)學(xué)定義。在試驗(yàn)定義方面，固體燃料MILD 燃燒表現(xiàn)為無(wú)揮發(fā)分火焰封面，但可能存在焦炭燃燼的火星；在數(shù)學(xué)定義方面，筆者團(tuán)隊(duì)提出在滿足氣體MILD 燃燒溫度判據(jù)的基礎(chǔ)上，額外引入時(shí)間判據(jù)，要求混合時(shí)間尺度小于反應(yīng)時(shí)間尺度[4]。

研究者最初通過(guò)高溫預(yù)熱空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒[16-17]，后來(lái)隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)在低溫預(yù)熱條件下通過(guò)增大反應(yīng)物的初始動(dòng)量，提升爐膛內(nèi)的卷吸率，也可實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒[18-19]。高溫預(yù)熱方案有助于減小預(yù)混反應(yīng)物的密度和黏度來(lái)增強(qiáng)爐膛內(nèi)的煙氣卷吸，但高溫預(yù)熱也會(huì)使煤粉的熱解、著火進(jìn)程提前而形成局部高溫，不利于實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒，且其工業(yè)應(yīng)用受到系統(tǒng)復(fù)雜性和裝置規(guī)模的制約。相比之下，提高射流速度的方案更具經(jīng)濟(jì)性和裝置設(shè)計(jì)上的可選擇性[20-21]。但煤粉的燃燒模式隨著射流速度的增加而轉(zhuǎn)變的機(jī)制還不夠清楚，仍需要深入探索[22-23]。盡管煤粉和鋸末等生物質(zhì)也能通過(guò)和氣體燃料類似的預(yù)熱氧化劑、預(yù)熱燃料(富燃料氣化)，或增強(qiáng)卷吸實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒，但作為非球形的固體顆粒，還存在復(fù)雜的顆粒分散行為，同時(shí)涉及熱解和焦炭的非均相反應(yīng)，導(dǎo)致其具體的燃燒機(jī)制和實(shí)現(xiàn)條件要更加復(fù)雜[24-26]。

基于此，筆者系統(tǒng)地介紹了對(duì)于MILD 燃燒各階段特性研究取得的進(jìn)展，并概述了MILD 設(shè)計(jì)理論工具和燃燒器研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用成果，著重闡述了富氧燃燒、煤粉耦合生物質(zhì)燃燒、摻氫/摻氨燃燒3 種新型燃燒技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了MILD 燃燒與這些新型燃燒技術(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)用方案，最后剖析了現(xiàn)階段煤粉MILD 燃燒亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，為MILD 燃燒技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考，對(duì)于能源行業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。

1 MILD 燃燒特性基礎(chǔ)研究

在具有高速射流特征的MILD 燃燒過(guò)程中，強(qiáng)湍流脈動(dòng)的流場(chǎng)環(huán)境對(duì)燃料顆粒的傳熱、著火、燃燒和污染物生成具有顯著的影響[27]。

1.1 顆粒彌散

新一代MILD 粉體燃燒技術(shù)的開發(fā)主要著眼于高速射流的實(shí)現(xiàn)方式，探究具有典型非球形顆粒特征的煤或生物質(zhì)顆粒在高速射流中的彌散行為對(duì)于更好地預(yù)測(cè)燃料燃燒以及燃燒器的設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要[28-29]。黃文仕等[30]選用玻璃珠、玻璃渣和煤粉3 種顆粒，利用激光多普勒相位分析技術(shù)在不同射流速度下測(cè)量并對(duì)比了其在氣固兩相圓射流中的擴(kuò)散行為，研究發(fā)現(xiàn)，非球形顆粒在同等流速下具有更高的徑向湍動(dòng)能，是由于其額外所受到的升力作用促進(jìn)了其在徑向上的擴(kuò)散。劉鵬遠(yuǎn)等[31]使用激光粒子測(cè)試儀測(cè)量并研究了不同噴口距離和速度下雙矩形噴口射流的混合特性，指出動(dòng)量傳遞主要在雙射流混合區(qū)進(jìn)行，而非在合并后的區(qū)域。HUANG 等[32]建立了考慮顆粒阻力修正、升力和旋轉(zhuǎn)的非球形顆粒簡(jiǎn)化模型，并指出隨著顆粒尺寸和射流速度的增加，顆粒旋轉(zhuǎn)和與非球形顆粒相關(guān)的馬格努斯力在強(qiáng)剪切湍流射流中非球形顆粒的分散中起主導(dǎo)作用，而阻力和升力的影響則不顯著。WANG 等[33]用實(shí)驗(yàn)提供的系數(shù)建立了顆粒-壁面碰撞模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)粒子的出口速度分布，根據(jù)模型結(jié)果，只要管道長(zhǎng)度和壁碰撞次數(shù)足夠，顆粒在管道內(nèi)的初始運(yùn)動(dòng)的影響就會(huì)在出口處減弱，而較大的顆粒需要更長(zhǎng)的管道長(zhǎng)度才能消除初始運(yùn)動(dòng)的影響。

1.2 顆粒受熱

在稀釋彌散的同時(shí)，顆粒通過(guò)周圍熱氣的熱傳導(dǎo)和熱壁的輻射被持續(xù)加熱至著火溫度以上，反應(yīng)條件(如氧濃度、溫度和氧化劑類型)和燃料的理化特性顯著影響煤顆粒的著火溫度和點(diǎn)火延遲時(shí)間[34]，提高伴流溫度或氧體積分?jǐn)?shù)會(huì)縮短點(diǎn)火延遲[35]。高動(dòng)量空氣射流影響爐內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)，空氣射流夾帶大量的再循環(huán)熱煙氣，湍流脈動(dòng)可通過(guò)破壞燃料顆粒的熱邊界層來(lái)增強(qiáng)邊界上的氣相傳熱。為此，吳玉新等[36]通過(guò)搭建四風(fēng)扇對(duì)沖實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生均勻各向同性湍流流場(chǎng)，開展了顆粒在湍流場(chǎng)中的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明湍流對(duì)顆粒傳熱能夠產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效應(yīng)，并且其傳熱強(qiáng)化效果與顆粒的粒徑呈正相關(guān)。通過(guò)修正經(jīng)典的對(duì)流換熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式Ranz-Marshall 公式，新增湍流作用項(xiàng)，可有效表征這一強(qiáng)化作用。FENG 等[37]研究了單顆粒煤燃燒過(guò)程中強(qiáng)制對(duì)流對(duì)傳熱的影響，隨著雷諾數(shù)的增加，40、80、160 μm 的煤顆粒的火焰溫度分別降低、幾乎沒(méi)有變化和略有增加。

1.3 著 火

在MILD 條件下，由于氧氣水平和伴流溫度不足以產(chǎn)生穩(wěn)定的氣體火焰，焦炭表面在氣相火焰出現(xiàn)之前首先被點(diǎn)燃。許開龍等[38-39]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高雷諾數(shù)一次風(fēng)條件下，湍流的強(qiáng)烈卷吸對(duì)于煤粉揮發(fā)分的快速消耗抑制了群燃火焰的產(chǎn)生，且在層流一次風(fēng)和湍流一次風(fēng)條件下，煤粉顆粒群分別傾向于均相著火和非均相著火。俞偉偉等[40]在Hencken 型燃燒器上研究了湍流射流條件下煤粉的著火特性，觀察到小粒徑煤粉更快被加熱，且彼此間的相互作用更強(qiáng)，更早發(fā)生顆粒群燃現(xiàn)象。黃文仕等[41]研究發(fā)現(xiàn)，煤粉射流速度提高，火焰形態(tài)逐步由群燃火焰轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑷紵瑫r(shí)伴隨火焰的高度與亮度的減小。YANG 等[42]采用增加顆粒內(nèi)熱傳導(dǎo)修正的一維瞬態(tài)模型來(lái)改進(jìn)對(duì)孤立煤顆粒點(diǎn)火特性的預(yù)測(cè)，圖1 為考慮和不考慮空氣條件下顆粒內(nèi)熱傳導(dǎo)的點(diǎn)火。可見顆粒內(nèi)的熱傳導(dǎo)效應(yīng)可顯著降低大顆粒煤的整體溫度，對(duì)于大于200 μm 的煤顆粒，在較高爐溫下將點(diǎn)火模式從異相著火變?yōu)榫嘀穑谳^低爐溫下將點(diǎn)火模式由均相著火變?yōu)榛旌现稹ENG 等[43]在Neumann 邊界條件下，用一維模型研究了粒子相互作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒數(shù)密度較小時(shí)，射流的點(diǎn)火時(shí)間由大顆粒的點(diǎn)火時(shí)間決定；而當(dāng)顆粒數(shù)密度較大時(shí)，射流的點(diǎn)火時(shí)間由小顆粒的點(diǎn)火時(shí)間決定。以上研究結(jié)果標(biāo)明，在MILD 燃燒條件下，由于燃料顆粒分散效應(yīng)顯著，煤粉受熱更加迅速，煤粉著火更傾向于非均相著火或聯(lián)合著火過(guò)程，且煤粉和生物質(zhì)顆粒的著火會(huì)得到顯著促進(jìn)。

圖1 考慮和不考慮空氣條件下的顆粒內(nèi)熱傳導(dǎo)的煤顆粒點(diǎn)火[42]Fig.1 Coal particle ignition diagram with and w/o consideration of intra-particle thermal conduction at air condition[42]

1.4 燃 燒

固體燃料的燃燒過(guò)程包含揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒2 個(gè)階段，在MILD 燃燒條件下，揮發(fā)分燃燒基本觀察不到火焰前沿，焦炭顆粒燃燒時(shí)能觀察到可見的火花或小火焰[44]，焦炭顆粒的燃燼時(shí)間為氣態(tài)揮發(fā)性物質(zhì)的10～100 倍[15]。HUANG 等[45]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 600 ℃環(huán)境溫度下，在5%和15%氧摩爾分?jǐn)?shù)下，射流進(jìn)入MILD 燃燒狀態(tài)的臨界轉(zhuǎn)變速度分別約為50 m/s 和100 m/s。圖2 為不同射流速度和氧氣條件下，沿射流軸的峰值輻射強(qiáng)度分布，強(qiáng)烈的湍流混合促進(jìn)了點(diǎn)火和揮發(fā)分燃燒，并在較高的射流速度下占主導(dǎo)地位。張揚(yáng)等[46]基于全混流反應(yīng)器模型研究了非絕熱工況下MILD 燃燒的維持條件，結(jié)果表明散熱可促進(jìn)MILD 燃燒的實(shí)現(xiàn)和維持，吸熱則起反作用。

圖2 在不同的射流速度和氧氣摩爾分?jǐn)?shù)下，沿射流軸的峰值輻射強(qiáng)度分布[45]Fig.2 Distribution of the peak radiation intensity along the jet axis at different jet velocities and oxygen molar fractions[45]

FENG 等[43]還通過(guò)數(shù)值模擬，判別了不同顆粒間距下的燃燒模式，如圖3 所示。高速M(fèi)ILD 燃燒的顯著特征是氧體積分?jǐn)?shù)的降低以及湍流混合的增強(qiáng)，氧體積分?jǐn)?shù)的降低抑制燃燒過(guò)程，而湍流混合的增強(qiáng)則促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，2 者的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系使得MILD 煤粉燃燒仍能夠保持較高的反應(yīng)速率及燃燒強(qiáng)度。

圖3 不同顆粒間距下的燃燒模式[43]Fig.3 Combustion modes at different particle distances[43]

1.5 污染物

對(duì)于傳統(tǒng)燃燒模式，火焰的穩(wěn)定是通過(guò)滯止點(diǎn)或由渦流產(chǎn)生的低速區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，化學(xué)反應(yīng)在局部高溫火焰區(qū)域快速發(fā)生，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱力型NOx排放[47]，MILD 燃燒顯著降低了峰值溫度，從而在不犧牲燃燒穩(wěn)定性和效率的情況下抑制NOx排放[48]。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究均顯示， NOx的排放量隨溫度呈指數(shù)級(jí)增加，隨停留時(shí)間呈線性增加，而延長(zhǎng)停留時(shí)間有利于CO 氧化為CO2[49]。楊協(xié)和等[50]開展的數(shù)值模擬顯示，湍流渦團(tuán)破碎引發(fā)的混合延遲使甲烷/空氣預(yù)混火焰燃燒產(chǎn)生的NO 的體積分?jǐn)?shù)降低[51]。在煤粉MILD燃燒模式中，污染物的生成、還原過(guò)程及內(nèi)在機(jī)理比在常規(guī)燃燒模式下更加復(fù)雜。楊萬(wàn)濤等[52]分析了來(lái)自“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星在微重力環(huán)境下單顆粒煤燃燒過(guò)程的圖像，結(jié)合瞬態(tài)燃燒模型模擬的結(jié)果，揭示了碳煙的輻射強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)呈雙峰分布的成因。宋姝麗等[53]開展的CFD 模擬表明，在煤粉MILD 燃燒中，燃料型NO 占主導(dǎo)地位，熱力型、中間體型和快速型之和不到10%；煤粉MILD 燃燒中存在強(qiáng)烈的NO 還原反應(yīng)。總體來(lái)說(shuō)，由于MILD 燃燒顯著降低了峰值燃燒溫度，強(qiáng)化了還原性氣氛，對(duì)NOx生成產(chǎn)生了有效的抑制，尤其抑制了熱力型NOx的排放。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注MILD 燃燒下CO 和碳煙生成的特性。

2 固體燃料MILD 燃燒技術(shù)研發(fā)

焦炭顆粒的不均勻分散和反應(yīng)導(dǎo)致氣體燃料和固體燃料的MILD 燃燒模式和實(shí)現(xiàn)條件之間存在顯著差異，固體顆粒燃燒產(chǎn)生的大量飛灰容易造成堵塞，也使煤粉之類的固體燃料無(wú)法直接用氣體燃料MILD 燃燒的HTAC 系統(tǒng)[47]。基于此，需要對(duì)固體燃料的MILD 燃燒設(shè)計(jì)理論工具和燃燒設(shè)備開展全面研究。

2.1 燃燒設(shè)計(jì)理論工具

建立煤燃燒模式的理論判據(jù)對(duì)于指導(dǎo)MILD 煤燃燒的設(shè)計(jì)和組織至關(guān)重要。煤射流燃燒涉及顆粒相的彌散和脫揮發(fā)分，而氣體燃燒不包括這些過(guò)程，因此MILD 氣體燃燒圖譜和數(shù)學(xué)準(zhǔn)則不適用于煤炭燃燒。FENG 等[54]基于對(duì)時(shí)間尺度、非均勻點(diǎn)火、傳熱和煙氣卷吸的分析，從理論上對(duì)不同的煤燃燒模式進(jìn)行了分類，并提出了MILD 煤燃燒圖譜，所預(yù)測(cè)的煤燃燒模式與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。圖4 為不同的煤質(zhì)量濃度和雷諾數(shù)下的預(yù)測(cè)燃燒模式。

圖4 不同煤質(zhì)量濃度和雷諾數(shù)下的預(yù)測(cè)燃燒模式[54]Fig.4 Predicted combustion modes at different coal concentrations and Reynolds numbers[54]

FENG 等[54]在氣體燃料實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒條件的基礎(chǔ)上，對(duì)固體顆粒實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒增加了一個(gè)新的時(shí)間尺度要求：

其中，tmix為顆粒從進(jìn)入爐膛到實(shí)現(xiàn)均勻分布的混合時(shí)間尺度；ti為固體顆粒的點(diǎn)火時(shí)間；c為混合和點(diǎn)火時(shí)間尺度之間數(shù)學(xué)關(guān)系的變量，其值與湍流強(qiáng)度有關(guān)。表1 為裝置幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)煤燃燒模式的影響，這有助于進(jìn)一步指導(dǎo)MILD 煤燃燒的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。ZHANG 等[55]指出，與雷諾-平均-納維斯-斯托克斯(RANS)方法相比，大渦模擬(LES)方法在MILD 燃燒的NOx預(yù)測(cè)方面表現(xiàn)更好，特別是在湍流波動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域，因?yàn)長(zhǎng)ES 能夠捕捉對(duì)湍流混合和顆粒分散過(guò)程有重大影響的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)[56]，因此可利用LES 方法作為MILD 燃燒設(shè)計(jì)階段的輔助工具之一。

表1 幾何和操作參數(shù)對(duì)煤燃燒模式的影響[54]Table 1 Effects of geometric and operational parameters on coal combustion mode[54]

2.2 燃燒器裝備研發(fā)

圍繞MILD 技術(shù)特點(diǎn)和工藝需要，研究者對(duì)燃燒設(shè)備進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。張海[57]在燃燒器入口處引入射流預(yù)混室，爐膛中的高溫?zé)煔庠陬A(yù)混室中與進(jìn)入的煤粉一次風(fēng)快速混合，從而提高煤粉氣流的溫度，降低煤粉點(diǎn)火時(shí)的氧氣濃度。周月桂[58]及呂建燚[59]采用伴流燃燒器結(jié)構(gòu)，通過(guò)外部高溫二次風(fēng)和中心低氧濃度一次風(fēng)實(shí)現(xiàn)煤粉MILD 燃燒。華中科技大學(xué)[60]、德國(guó)斯圖加特大學(xué)[61]分別研發(fā)了射流速度100 m/s 以上的無(wú)預(yù)熱MILD 煤粉燃燒器。

總體而言，MILD 粉體燃燒研究相對(duì)于氣體燃燒起步較晚，仍需進(jìn)一步發(fā)展理論設(shè)計(jì)工具，完善燃燒組織方法，并結(jié)合MILD 粉體燃燒特點(diǎn)，針對(duì)性地研發(fā)燃燒器及其配套的監(jiān)測(cè)、控制裝備，從而推動(dòng)MILD 粉體燃燒技術(shù)應(yīng)用。

3 MILD 燃燒與新型燃燒技術(shù)結(jié)合

由于MILD 燃燒本身具有高度的燃料靈活性和高兼容性，選取3 種有代表性的新型燃燒技術(shù)，分別評(píng)估其與MILD 燃燒相結(jié)合的潛力和優(yōu)勢(shì)。

3.1 富氧燃燒

富氧燃燒(Oxy-Fuel Combustion)的概念最初由美國(guó)人ABRAHAM 于1982 年提出[62]，通過(guò)將燃燒后的煙氣(主要由CO2和水蒸氣組成)與氧氣或空氣混合作為氧化劑，可有效減少燃燒過(guò)程中NOx排放，優(yōu)化爐膛溫度分布。近年來(lái)成為電站鍋爐、燃料電池等領(lǐng)域的主流燃燒中碳捕集技術(shù)之一[63]。圖5 為基于富氧燃燒的蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理[64]。通過(guò)循環(huán)利用煙氣，廢氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)90%以上，極大降低了后續(xù)大規(guī)模碳捕集和資源化利用的成本投入[65-66]。SEEPANA 等[67]從理論上證明了在初始氧氣體積分?jǐn)?shù)為16%～20%、預(yù)熱溫度為600～850 K工況下，可以實(shí)現(xiàn)MILD-富氧燃燒。將富氧燃燒與MILD 燃燒相結(jié)合，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)富氧燃燒而言，可提高傳熱性能，減少NOx排放，相較于標(biāo)準(zhǔn)MILD 燃燒，降低了所需預(yù)熱溫度，但富氧燃燒條件下，CO2代替N2作為稀釋劑，傳熱傳質(zhì)機(jī)制與燃燒特性也隨之顯著改變[68]。CHAO 等[69]在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的循環(huán)流化床中，對(duì)不同氣氛(空氣，27% O2，40% O2，53% O2，CO2作為平衡氣體)中5 種不同煤的點(diǎn)火溫度和點(diǎn)火特性進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)5 種煤的點(diǎn)火溫度均隨O2體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，并隨著床層溫度的增加，O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響更加顯著。

圖5 基于富氧燃燒的蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)示意[64]Fig.5 Schematic diagram of steam turbine power generation system based on oxy-fuel combustion[64]

3.2 煤粉耦合生物質(zhì)燃燒

儲(chǔ)量豐富的生物質(zhì)能是零碳、可再生、環(huán)保的，在現(xiàn)有燃煤電廠中摻燒生物質(zhì)將促進(jìn)能源體系多元化，是目前備受關(guān)注的火電低碳化方案，預(yù)估可分別減少高達(dá)75%的SO2和15%的NO2排放[70-71]。GUO 等[72]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了生物質(zhì)顆粒在自然對(duì)流和湍流環(huán)境中燃燒行為的差異，圖6 為生物質(zhì)顆粒在不同流場(chǎng)環(huán)境中的燃燒歷程和火焰形狀。SHI 等[73]研究了水熱預(yù)處理對(duì)于提升生物質(zhì)顆粒燃燒性能的作用，結(jié)果表明，H2O2的加入促進(jìn)了半纖維素和纖維素的分解，且揮發(fā)性物質(zhì)從半纖維素和木質(zhì)素中比從纖維素中更快地釋放，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。YANG 等[74]研究了額定熱輸出為50 MW 的循環(huán)流化床鍋爐在無(wú)煙煤和玉米秸稈顆粒生物質(zhì)共燒過(guò)程中NOx排放，與在鼓泡流化床(BFB)燃燒器和在燃燒稻殼的CFB 鍋爐中的結(jié)果相反，煙氣中NOx濃度和燃料氮轉(zhuǎn)化率隨著生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，表明生物質(zhì)不一定是降低CFB鍋爐NOx排放的有效混燃燃料，為了降低NOx排放，應(yīng)考慮降低一次空氣比，并將生物質(zhì)的進(jìn)料口設(shè)置在二次空氣下方。以上研究表明，MILD 燃燒對(duì)于促進(jìn)生物質(zhì)燃燼具有重要意義，而CFB 是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)MILD 燃燒的有效技術(shù)手段。

圖6 生物質(zhì)顆粒在不同流場(chǎng)中的燃燒歷程和火焰形狀[72]Fig.6 Combustion history and flame shape of biomass pellet in different flow fields[72]

3.3 摻氫/摻氨燃燒

氫能是具有高能量密度的零碳替代燃料，可以通過(guò)過(guò)剩的風(fēng)能和太陽(yáng)能組織生產(chǎn)[75]。在天然氣或煤粉等燃燒中摻雜一定比例的氫氣以及作為重要?dú)淠茌d體的氨氣同樣被視作能有效減少碳排放的可行措施[76]。值得注意的是，相比傳統(tǒng)燃燒，MILD 燃燒模式能有效減少NH3燃燒時(shí)NOx排放量，而富氫燃料促進(jìn)了水蒸氣的生成，能進(jìn)一步將NOx體積分?jǐn)?shù)降至10-5～10-4，并確保燃燒穩(wěn)定性[77]。但摻氫/摻氨也會(huì)不同程度地改變?nèi)剂系睦砘再|(zhì)，影響絕熱燃燒火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑽廴疚锱欧诺热紵匦裕M(jìn)而影響燃?xì)忮仩t的運(yùn)行效率和熱穩(wěn)定性[78]。YANG 等[79]研究表明，摻氫措施從防止熄火的角度促進(jìn)了H2/CH4/空氣混合物的燃燒安全，但應(yīng)特別注意燃燒器的意外高溫?fù)p壞，且恒定熱負(fù)荷和恒定燃料噴射壓力2 個(gè)摻氫方案中，前者H2添加的允許變化窗口更寬。MOLLICA 等[80]分析了預(yù)熱、內(nèi)循環(huán)提供的進(jìn)一步稀釋以及輻射模型對(duì)現(xiàn)有氫/空氣MILD 燃燒器的影響。研究還發(fā)現(xiàn)[81]，NH3/低分子量醇混合物比NH3/CH4混合物具有更寬的MILD 穩(wěn)定燃燒操作參數(shù)范圍。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于煤粉摻氫與摻氨實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒技術(shù)，是有效降低NOx排放、解決當(dāng)前摻氫摻氨導(dǎo)致NOx排放升高的有效技術(shù)手段，但目前相關(guān)的研究還相對(duì)有限。

4 煤粉MILD 燃燒中的關(guān)鍵問(wèn)題

2022 年煤炭占中國(guó)能源消費(fèi)的56.2%，我國(guó)以煤為主的資源稟賦決定未來(lái)幾十年煤炭在能源行業(yè)中仍將起到舉足輕重的作用，因此急需探索煤炭資源清潔高效利用的新路徑[82]。推進(jìn)集成高速射流的煤粉MILD 燃燒的技術(shù)開發(fā)，有望大幅提高煤電熱效率、降低氮氧化物排放。為此，需要著力解決3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

4.1 強(qiáng)湍流下的氣固兩相流

煤粉實(shí)現(xiàn)MILD 燃燒要求燃料在爐膛中快速均勻稀釋，同時(shí)避免過(guò)快的局部受熱，需要不斷優(yōu)化燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)和反應(yīng)物注入方案來(lái)提高工藝性能。歐拉方法是氣-顆粒兩相流模擬中描述顆粒彌散和反應(yīng)的常用方法，然而煤粉的寬粒度分布特性大幅增加了傳輸方程的計(jì)算成本。為此，使用簡(jiǎn)化的矩量直接求積法(DQMOM)，選用2 個(gè)或多個(gè)正交節(jié)點(diǎn)時(shí)，可較好地描述氣固兩相反應(yīng)流中的著火距離[83]。許多研究表明，伴流速度與射流速度之比決定了湍流混合[84]。伴流速度可通過(guò)影響化學(xué)反應(yīng)和湍流混合來(lái)改變反應(yīng)區(qū)的特性，同軸射流絕對(duì)速度的增加也會(huì)通過(guò)剪切層中更密集的近場(chǎng)渦流和更強(qiáng)的湍流傳輸影響近場(chǎng)混合[85]。由于燃料入射速度高，由自燃轉(zhuǎn)變?yōu)镸ILD燃燒后，抬升高度幾乎不受空氣伴流速度的影響[86]。此外，燃燒器配置應(yīng)巧妙設(shè)計(jì)。煤粉的MILD 燃燒裝置中，相較于雙對(duì)稱噴嘴，單個(gè)不對(duì)稱噴嘴可進(jìn)一步增加空氣射流動(dòng)量，增強(qiáng)內(nèi)部再循環(huán)，從而擴(kuò)大反應(yīng)區(qū)，降低反應(yīng)速率，使溫度分布更加均勻，降低峰值溫度，減少約33%NOx排放[15，87]。通過(guò)增加一次流和二次流之間的距離或煤射流噴射角，更多的煙氣被夾帶到煤粉射流中，反應(yīng)物濃度顯著降低，促進(jìn)了MILD燃燒的建立[88]。在MILD 條件下，煤粉這類非球形顆粒的湍流擴(kuò)散特性尤其復(fù)雜，需要開展高速射流兩相流動(dòng)特性基礎(chǔ)研究，闡明粉體MILD 燃燒中的顆粒運(yùn)動(dòng)與分布規(guī)律。

4.2 湍流相間傳熱

可燃混合物的快速升溫有利于煤的熱解和脫揮發(fā)分，從而減少點(diǎn)火延遲，提高燃燒穩(wěn)定性。然而，較高的一次射流速度(如 ＞ 100 m/s)可能破壞由一次和二次空氣射流的分離所產(chǎn)生的反應(yīng)區(qū)，從而導(dǎo)致局部高溫，不利于MILD 燃燒的建立[22]。目前關(guān)于煤粉的受熱與著火的研究大部分基于層流條件下開展，少數(shù)在一維爐和旋流燃燒器中開展的湍流相間傳熱實(shí)驗(yàn)也面臨光學(xué)可視性較差、湍流強(qiáng)度難以調(diào)控等挑戰(zhàn)。強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)對(duì)揮發(fā)分的局部傳熱和傳質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，從而影響煤顆粒附近的碳煙行為[89]。現(xiàn)有傳熱模型在MILD 燃燒強(qiáng)湍條件下效果不佳，需要開展大量湍流顆粒傳熱的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，對(duì)原有傳熱模型進(jìn)行必要的修正，闡明MILD 燃燒條件下氣固相間湍流傳熱機(jī)理。

4.3 湍流-化學(xué)耦合

固體顆粒燃燒時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)和分子擴(kuò)散存在密切聯(lián)系，在湍流狀態(tài)下還需要額外考慮湍流效應(yīng)作用。在顆粒的MILD 燃燒中，強(qiáng)烈的內(nèi)部煙氣再循環(huán)稀釋了反應(yīng)區(qū)中的氧濃度，CO2和H2O 濃度高于氧濃度，并伴隨強(qiáng)烈的焦炭氣化反應(yīng)[35]。隨著射流速度的增加，焦炭氧化反應(yīng)的比例增加，焦炭氣化反應(yīng)減弱[90]。其中，焦炭氧化反應(yīng)由擴(kuò)散/反應(yīng)動(dòng)力學(xué)決定，焦炭氣化反應(yīng)以湍流擴(kuò)散為主[91]。FENG 等[92]在強(qiáng)制對(duì)流的實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)煤煙團(tuán)尺寸隨雷諾數(shù)的增加先增加后減小。鄒俊等[93]探究了小尺度湍流對(duì)非預(yù)混火焰行為的作用，發(fā)現(xiàn)小尺度渦降低了火焰溫度，減少了內(nèi)部自由基，且化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度隨湍流強(qiáng)度的增大而增大。此外，過(guò)高的射流速度可能減小煤粉停留時(shí)間，減小局部反應(yīng)強(qiáng)度，從而減小總體燃燼率。因此，詳細(xì)研究MILD 強(qiáng)湍條件下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性、揭示湍流-化學(xué)耦合規(guī)律是MILD 燃燒的另一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)《2021 年BP 國(guó)際能源展望》，預(yù)期至2030年和2050 年，煤炭仍將分別提供約22%和20%的一次能源消耗[94]。即使在可再生能源強(qiáng)勁增長(zhǎng)的情況下，先進(jìn)的燃燒工藝已經(jīng)并將繼續(xù)作為能源市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力發(fā)揮不可替代的作用。高效低污染的MILD 燃燒技術(shù)將是解決能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境可持續(xù)性矛盾的關(guān)鍵著力點(diǎn)。在未來(lái)的研究中，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

(1)由于顆粒的不均勻彌散和反應(yīng)，煤粉等碳基固體燃料的MILD 燃燒進(jìn)程和理論判據(jù)較氣體燃料更復(fù)雜，利用高初始入射速度替代高溫預(yù)熱來(lái)建立MILD燃燒，在增加點(diǎn)火延遲的同時(shí)也擴(kuò)展了點(diǎn)火區(qū)和反應(yīng)區(qū)，需要對(duì)燃燒各階段的特征和機(jī)理開展系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究，持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有MILD 燃燒模型。

(2)通過(guò)CFD 和工業(yè)軟件模擬，改進(jìn)現(xiàn)有燃煤鍋爐燃燒器、調(diào)節(jié)工藝參數(shù)以匹配MILD 燃燒模式、增加焦炭顆粒的停留時(shí)間以提高燃燼率，提高燃燒穩(wěn)定性并抑制包括細(xì)顆粒物在內(nèi)的各類污染物排放。

(3)基于互聯(lián)能源系統(tǒng)的整體方法，推進(jìn)MILD燃燒與各類新型燃燒技術(shù)的耦合研究，尤其加強(qiáng)煤粉、生物質(zhì)與氫、氨等可燃?xì)怏w共燃特性研究，助力能源轉(zhuǎn)型，減少污染物排放。

(4)探究粉體MILD 燃燒中的湍流兩相流特征、湍流相間傳熱作用以及湍流-化學(xué)耦合作用是加深對(duì)粉體MILD 燃燒理解的關(guān)鍵，涉及多變量分析和高精度模擬，是未來(lái)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。