無焰燃燒研究進展及其應用

王業峰,周浩宇,劉 前,李 謙,陳思墨,朱蓉甲

(1.國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心,湖南 長沙 410205;2.中冶長天國際工程有限責任公司,湖南 長沙 410205)

燃燒是人類日常生活和工業生產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點燃并釋放燃料分子的化學能。對于常規燃燒,劇烈的化學反應集中于有限區域,通過高溫區域的輻射、高溫煙氣對流將熱量傳遞給被加熱物料,因此易出現局部火焰溫度過高導致大量生成熱力型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,根據其各方面特性,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,被譽為“21世紀最有發展前景的燃燒技術之一”。在國家“碳達峰”“碳中和”和提倡綠色發展的戰略下,無焰燃燒技術的研究及推廣應用已成為電力、鋼鐵、冶金、化工等領域的熱點與重點。

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狀與工業應用,最后給出無焰燃燒的研究與應用建議。

1 無焰燃燒的燃燒特性與判別方法

20世紀90年代德國和日本的研究人員率先發現無焰燃燒現象[2],他們發現,當空氣預熱至1 600 K、射流流速提高至90 m/s時,燃燒的火焰鋒面消失,但此時燃燒反應仍在進行,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,初期研究達成了以下共識：

(1)空氣高溫預熱并配合高速射流是實現無焰燃燒的必要條件;

(2)進入爐膛后高速射流卷吸足夠的高溫煙氣,形成低氧氛圍是維持無焰燃燒的關鍵;

(3)高速射流與高溫煙氣混合后溫度達到燃料自燃的溫度。

對無焰燃燒的判定可從其特征出發,根據火焰鋒面、煙氣循環比例、反應溫升等判斷燃燒是否為無焰燃燒狀態。

無焰燃燒最直觀的特點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為北京大學米建春在實驗研究過程中拍攝的常規燃燒與無焰燃燒的過程,圖1(a)、圖1(b)為常規燃燒狀態,存在明顯的射流火焰鋒面,圖1(c)爐膛內肉眼可見的火焰鋒面消失,燃燒模式已轉變為無焰燃燒[17]。

圖1 非預混射流下常規燃燒與無焰燃燒爐膛照片

煙氣循環比例可采用煙氣內部循環率來描述[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]通過大量的實驗探究甲烷擴散燃燒時KV、燃燒溫度和燃燒狀態的相關規律,如圖3所示,在穩定燃燒(區域A)的條件下,提高煙氣內部循環率或燃燒溫度,燃燒會進入非穩定燃燒狀態(區域B)此時燃燒易發生脫火,進一步提高煙氣內部循環率或燃燒溫度,燃燒可轉變為穩定的無焰燃燒(區域C)。

圖3 甲烷擴散燃燒時KV、燃燒溫度與燃燒模式的關系

無焰燃燒消除了火焰鋒面,燃料擴散至整個爐膛并發生燃燒,因此火焰峰值溫度低、爐膛內溫度分布均勻,爐膛內溫度梯度減小,這有利于提高煙氣對物料、換熱器的加熱效率。因此爐膛內的整體溫升也是判別無焰燃燒的依據之一。圖4展示了進口溫度與溫升對甲烷/氧氣/氮氣混合氣燃燒模式的判別[18],當預混氣進口溫度Tin>Tsi=1 000 K、反應溫升ΔT

圖4 進口溫度與溫升對甲烷、氧氣、氮氣混合氣燃燒模式的判別

目前來說,雖然燃燒火焰鋒面、煙氣循環比例、溫升情況是無焰燃燒的典型特點,可作為無焰燃燒的判別標準。但由于燃燒設備、燃燒條件的變化,單一的判別標準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 無焰燃燒的研究進展

2.1 燃料種類對無焰燃燒的影響

Wunning等[3]發現無焰燃燒時使用的燃料為天然氣,絕大多數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,發現H2在摻混比例由0至100%時均可實現無焰燃燒,NO的生成大幅降低,預熱空氣或增加過量空氣系數可將CO排放量控制在10×10-6以下。Derudi等[21]研究了焦爐煤氣(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,同時也可以略微降低空氣的預熱溫度。

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現條件相比來說更為苛刻。Weber等[22]在同一實驗設備上對比了天然氣、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,但溫度場和物質分布均一,相比于常規燃燒,NOx排放顯著下降,整體呈現出無焰燃燒的特點。Dally等[23]在實驗室實現了鋸末的無焰燃燒,如圖5所示,在爐膛內火焰鋒面不明顯,燃燒功率提高至10 kW后出現較多的單個火焰點,采用N2攜帶鋸末進入爐膛、當量比為0.75時,燃燒產生的CO約19×10-6,NOx約30×10-6,但需適當降低鋸末的射流速度以保證燃料燃盡。

圖5 鋸末無焰燃燒狀態下爐膛照片

我國能源結構是以煤為主,國內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高的中試試驗平臺上開展了煤粉無焰燃燒的實驗研究,他們發現煤粉在空氣或者富氧條件下均可實現無焰燃燒,燃燒煙氣中NOx、CO和焦油含量遠低于常規燃燒。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值模擬研究,發現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。劉穩等[35]將燃料預熱至800 ℃以上、在30 kW的燃燒器內實現了煤粉的無焰燃燒。涂垚杰[36]在0.3 MW富氧燃燒試驗平臺上通過調整燃燒器參數、煙氣回流效果、空氣預熱溫度等條件下實現了煤粉的無焰燃燒,并對煤粉的著火位置、焦炭燃盡率、CO和NOx的分布、溫度場分布等進行了詳細分析。

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境以實現燃料的無焰燃燒,通常研究者會在氧化劑中添加N2[37]、CO2[38]、循環煙氣[39-40]等以便于燃燒區域更易形成低氧氛圍。艾元方等[11]將助燃空氣預熱至800 ℃以上后,在其中摻入N2,隨著預熱溫度升高、氧氣濃度降低,爐內火焰顏色由黃色-藍綠色-綠色-無色逐漸轉變,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行了數值模擬研究,發現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鍵條件。米建春等[17,41-42]發現實現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)低于此值時將無法實現無焰燃燒。李鵬飛等[43]指出,當射流出口速度足夠大、超過火焰傳播速度時,可使得傳統的火焰鋒面被吹開,從而燃燒可能轉變為無焰燃燒模式,并通過總結其研究成果進行了理論分析,認為射流速度提高、剪切力增強可在一定程度上承擔空氣預熱、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現無焰燃燒。邢獻軍等[44-45]在實驗平臺和FLUENT軟件平臺上均實現了常溫空氣與天然氣非預混條件下的無焰燃燒,指出常溫空氣無焰燃燒的區域更為寬廣,高溫區面積小。

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。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,溫度高于1 400 ℃后隨溫度的升高,熱力型NO的生成速率呈指數型增長。降低火焰峰值溫度、削減局部高溫區、降低高溫區域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現低氮燃燒的關鍵機理。胡乃俊等[46]在20 kW的實驗臺上對丙烷無焰燃燒開展了相關研究,發現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,而提高空氣預熱溫度會增加煙氣中的NOx。李鵬飛等[16]對比研究了不同預混模式下無焰燃燒的NOx排放特性,完全預混時NOx排放低于5×10-6,非預混時NOx排放低于30×10-6,但部分預混、當量比為0.9時NOx排放會達到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],這與常規燃燒的NOx反應路徑類似。Tsuji等[2]指出,無焰燃燒可減少約70%以上的熱力型NOx。Galbiati等[48]以向燃燒系統補入NH3和NO的方法模擬燃料型NOx的生成、再燃過程,發現無焰燃燒可減少燃料型NOx40%～60%。He等[49]通過實驗和數值模擬手段分析了煤粉無焰燃燒的NO的生成規律,認為揮發分中的HCN升高會加速NO的生成,但同時高濃度的NO會導致NO的破壞,此時只需要調整流動狀態、保持HCN與NO集中于一次風噴嘴附近、使得NO的生成與破壞基元反應達到化學平衡,即可獲得較低的NO凈生成。

3 無焰燃燒的工業應用

盡管無焰燃燒可在不預熱空氣的條件下實現,目前其在工業上應用依舊會將空氣預熱至高溫狀態,一方面原因是高溫預熱空氣對實現無焰燃燒、穩定燃燒有積極作用,另一方面原因是單純依靠高動量射流實現無焰燃燒對助燃空氣鼓風機要求高、經濟性差,通過預熱空氣實現無焰燃燒是一種有效易行的手段。從燃料的角度來看,工業應用的無焰燃燒技術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現有關。

助燃空氣預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相結合,如圖6所示,煙氣通過蓄熱體時將熱量傳給內部的蓄熱介質(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過蓄熱體時被加熱,進入爐膛前空氣溫度一般可達到800～1 000 ℃。蓄熱式無焰燃燒系統主要針對的燃料種類為氣體燃料,此燃燒系統的應用關鍵點除無焰燃燒外,還包括蓄熱體內的蓄熱介質[50]和高性能換向閥的選擇,蓄熱介質需具備比熱容大、高溫結構性能好、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示意圖

目前無焰燃燒技術的應用集中于燃氣輪機[51]、熔鋁爐[52]、鍋爐[53-54]等工業窯爐上有較多應用。呂煊[55]將無焰燃燒技術應用至微小型燃氣輪機上,通過理論分析、基礎實驗分析、原型燃燒室設計及常中/壓下的性能測試,50 kW微小型燃氣輪機的無焰燃燒室燃機總效率可達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到超低污染排放。鄒少彪等[56]對湘鋼環形套筒石灰窯進行技術改進,采用煤氣預熱、煙氣循環的方式實現了轉爐煤氣的無焰燃燒,煤氣消耗降低了12.21%。邢獻軍等[57]在燃煤鍋爐煤改氣過程中實現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勢,廣受科研人員與技術人員的關注。本文綜述了無焰燃燒的研究進展與應用情況：

(1)經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,與常規燃燒相比,無焰燃燒無明顯火焰鋒面,煙氣內部循環率高,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;

(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、生物質燃料等,可通過補充不參與反應氣體(CO2、N2等)形成低氧氣氛以實現無焰燃燒。高溫預熱空氣不再是無焰燃燒的必要條件,可通過高動量射流實現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的再燃也存在促進作用;

(3)無焰燃燒在鋼鐵冶金爐窯、鍋爐、燃氣輪機上均有應用,可達到節能、減排的技術效果,但大多需要與蓄熱式燃燒系統相結合。

盡管關于無焰燃燒的研究已有數十年,無焰燃燒發生的深層機理尚未明晰,火焰傳播速度、燃燒空間溫度場狀態、流場速度與湍流強度、多氣體組分分布等條件在無焰燃燒的形成和穩定過程中的定量指標和相互影響機制仍有待深入研究;大分子液體燃料/固體燃料無焰燃燒的發生機理和條件更為復雜,除開氣體燃料無焰燃燒的研究重點外,還涉及燃料的霧化/噴射、液滴/顆粒物理化學過程、多相流動和化學反應機理等。采用先進燃燒測量與診斷手段、數值計算方法,對上述問題展開研究與探索,是實現無焰燃燒推廣與應用的基礎和前提,無焰燃燒的應用結合富氧燃燒、煤氣化等向鋼鐵、化工等領域拓展。