高速射流煤粉MILD燃烧的研究进展.pdf

高速射流煤粉 MILD 燃烧的研究进展黄文仕1,2，吴玉新1，张海1，吕俊复1(1.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084；2.福州大学石油化工学院,福建福州350002)摘要：开发清洁高效的煤粉燃烧技术是应对我国乃至世界范围内日益严峻的环境污染问题的重要途径，煤粉低氧稀释(MILD)燃烧技术凭借其降低 NOx排放、提高热流密度均匀性等优势而被视为颇具潜力的新型燃烧方式。同时，煤粉 MILD 技术结合富氧燃烧技术将是未来煤炭利用过程中减少碳排放的重要方向。综述了国内外煤粉 MILD 燃烧的发展历程、技术特点、研究现状等，并重点针对低温预热条件下的高速射流煤粉 MILD 燃烧技术探讨了研究中的关键问题和研究挑战等。煤粉 MILD 燃烧起源于气体燃料 MILD 燃烧，通过增强流场对高温烟气的卷吸并稀释反应物，使高温的火焰锋面模糊甚至消失，降低燃烧峰值温度并提升温度分布的均匀性，进而显著抑制了热力型 NOx和燃料型 NOx的生成。煤粉 MILD 燃烧可通过高温预热空气或提高射流速度实现，其中后者以其在经济性和可行性上的优势而更具发展前景，然而在速度达到 100m/s 左右的高速射流的强烈剪切、湍流混合条件下的煤粉 MILD 燃烧机理及特性研究仍有待深入开展。在高速射流强烈剪切及卷吸作用下，煤粉弥散行为与常规射流燃烧相比有明显差异，而煤粉的弥散程度又直接关系到能否实现 MILD 燃烧。此外，强湍流混合会改变煤粉的升温、脱挥发分、焦炭燃烧等过程，进而影响着火延迟、火焰结构和污染物生成等煤粉燃烧过程中的关键问题。基于对上述关键问题的深入了解并结合气体燃料 MILD 燃烧的相关研究基础，可进一步发展针对煤粉 MILD 燃烧的系统、准确的定义，以更好地指导煤粉 MILD 燃烧技术的研究与应用。关键词：煤粉低氧稀释(MILD)燃烧技术；高速射流；无焰燃烧；煤燃烧；颗粒弥散中图分类号：TQ534文献标志码：A文章编号：02539993(2023)08324012Research progress of moderate or intense low-oxygen dilution(MILD)combustionof pulverized coal in high-speed jetHUANGWenshi1,2,WUYuxin1,ZHANGHai1,LJunfu1(1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing100084,China;2.College ofChemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou350002,China)Abstract:Developingacleanerandmoreefficientcombustiontechnologyofpulverizedcoalisanimportantwaytodealwiththeincreasinglyseriousenvironmentalpollution.Moderateorintenselow-oxygendilution(MILD)combustionofpulverizedcoalisregardedasanewcombustiontechnologywithgreatpotentialduetoitsadvantagesofreducingNOxemissionandimprovingtheuniformityofheatfluxinthefurnace.Moreimportantly,thepulverizedcoalMILDtechno-logycombinedwiththeoxy-fuelcombustiontechnologywillbeanimportantpathtoreducecarbonemissioninthepro-cessofcoalutilizationinthefuture.Thehistory,characteristicsandcurrentresearchstatusoftheMILDcombustionof收稿日期：20220511修回日期：20220824责任编辑：钱小静DOI：10.13225/ki.jccs.FC22.0698基金项目：国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究资助项目(51761125011)作者简介：黄文仕(1997)，男，福建漳州人，博士。E-mail：通讯作者：吴玉新(1979)，男，新疆奎屯人，副教授。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：黄文仕，吴玉新，张海，等.高速射流煤粉 MILD 燃烧的研究进展J.煤炭学报，2023，48(8)：32403251.HUANGWenshi，WUYuxin，ZHANGHai，etal.Researchprogressofmoderateorintenselow-oxygendilu-tion(mild)combustionofpulverizedcoalinhigh-speedjetJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(8)：32403251.第48卷第8期煤炭学报Vol.48No.82023年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.2023pulverizedcoalworldwidearesummarized,andthekeyissuesandresearchchallengesoftheMILDcombustiontechno-logyofpulverizedcoalwithalowpreheatingtemperatureareputforward.TheMILDcombustiontechnologyofpulver-izedcoaloriginatesfromthatofgaseousfuels,whichstrengthentheentrainmentofhigh-temperaturefluegasandthendi-lutethereactantstomaketheflamebecomeblurredoreveninvisible.UndertheMILDconditions,thepeaktemperatureinthecombustionregionisreducedandtheuniformityoftemperaturedistributionisimproved,thereforesignificantlyinhib-itingthegenerationofthermalNOxandfuelNOx.TheMILDcombustionofpulverizedcoalcanberealizedbypreheatingairtohightemperaturesorincreasingthejetvelocitygreatly,andthesecondwayismoreeconomicalandfeasible.However,themechanismsandcharacteristicsoftheMILDcombustionofpulverizedcoalundertheconditionofstrongshearandturbulentmixing,whenthejetvelocityisashighasaround100m/s,stillneedtobefurtherinvestigated.Underthestrongshearandentrainmentofhigh-speedjets,thedispersionofcoalparticles,whichisdirectlyrelatedtotheachievementoftheMILDcombustionmode,isquitedifferentfromthatintheconventionalcoalcombustion.Inaddition,astrongturbulentmixingwillaffecttheheating,devolatilizationandcharcombustionofpulverizedcoal,thereforechan-gingtheignitiondelay,theflamestructureandthegenerationofpollutants.Basedonthein-depthunderstandingoftheabovekeyissuesandcombinedwiththeresearchontheMILDcombustionofgaseousfuels,asystematicandaccuratecri-terionfortheMILDcombustionofpulverizedcoalcanbefurtherdeveloped,soastobetterguidetheapplicationoftheMILDcombustiontechnologyofpulverizedcoal.Key words:moderateorintenselow-oxygendilution(MILD)combustionofpulverized；high-speedjets；flamelesscombustion；coalcombustion；particledispersion煤炭作为重要的化石燃料，在人类能源结构中仍占据重要地位。2020 年，煤炭占我国能源消费结构的 56.8%，其在我国的基础保障性能源地位短期内不会改变。随着全球气候变化对人类社会构成重大威胁，越来越多的国家将“碳中和”上升为国家战略，提出了无碳未来的愿景。2020 年，中国基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，宣布了“2030 年碳达峰，2060 年碳中和”的目标愿景。双碳目标的提出，对我国未来能源发展和科技创新提出了重要议题和挑战。在双碳背景下，未来电力系统需要实现负碳排放，而煤炭未来仍将在我国一次能源结构中占一定比例并起到基础保障性作用，因此低碳甚至零碳煤燃烧和利用技术是我国实现双碳目标和确保能源安全转型的重要支撑技术1。在主要的煤燃烧碳捕集手段中，最具应用潜力的是富氧燃烧技术，即在煤粉锅炉中采用纯氧加再循环烟气代替空气来进行煤粉燃烧的技术。从发电效率、经济成本等方面综合考虑，富氧燃烧技术是改造现有常规电站煤粉锅炉以实现 CO2捕集和封存的最具竞争力的选择2-3。然而，已有研究表明，富氧燃烧技术存在燃烧稳定性差、机械和化学未完全燃烧损失大、运行效率降低等问题4-11。近年来，低氧稀释(Moderateorintenselow-oxy-gendilution，简称 MILD)燃烧技术因其特有的超低NOx排放以及均匀的热流密度分布等优势而受到广泛的关注。MILD 燃烧技术的应用能将 NOx排放降低约 80%，是具有很大潜力的清洁燃烧技术12-14。将MILD 燃烧技术与富氧燃烧技术相结合，可以充分地发挥 2 种技术的优势，这对于未来煤粉的碳减排利用具有重要意义。在煤粉 MILD 燃烧技术的技术路线中，射流速度达到 100m/s 左右的高速射流燃烧方式可以有效替代高温预热方式，是颇具前景的研究和应用方向14。基于此，笔者在第 1 部分回顾了煤粉 MILD燃烧的起源和演变过程，在第 2 部分充分梳理总结了已有研究对煤粉 MILD 燃烧的认识，进一步地着眼于技术应用，而在第 3 部分着重从技术路线的角度分析煤粉 MILD 燃烧的研究、应用思路和相应的研究瓶颈，最后基于上述分析在第 4 部分针对低温预热条件下的高速射流煤粉 MILD 燃烧技术总结评述当前的关键研究要点和未来亟待关注的研究方向。1煤粉 MILD 燃烧的发展历程MILD 燃烧技术最早来源于气体燃烧，针对气体燃料的 MILD 燃烧技术已经有了较为成熟的理论研究并得到大量应用，对于煤粉 MILD 燃烧的认识也离不开气体 MILD 燃烧的理论基础。荷兰国际火焰研究协会(IFRF)较早地实现了天然气、燃油与煤粉的工业规模 MILD 燃烧。他们采用温度达到 1300高温烟气与氧气的混合物作为氧化剂，以 60m/s 的射流速度在炉膛内形成强烈的内循环，进而实现 MILD燃烧状态，发现燃烧呈现出几乎没有火焰、低 NOx排放和高壁面热流的特点15-17。这一设计思路后续也第8期黄文仕等：高速射流煤粉 MILD 燃烧的研究进展3241被广泛采用。德国和日本的学者通过高温预热气相反应物和增强烟气内循环的方式，使得炉膛内部的火焰锋面消失，无法观察到具体的火焰形态结构，同时炉膛内的峰值温度降低，温度分布均匀性提升，进而使得炉膛的换热效率提升并显著降低了 NOx排放12-13,18。清华大学的张海等19通过在燃烧器入口处引入射流预混腔的方式，实现了炉内高温烟气在预混腔与来流煤粉一次风发生迅速混合，从而提高了煤粉气流的温度，同时降低了煤粉起燃时的氧浓度。澳大利亚阿德莱德大学20设计了独特的自回热式炉膛，使反应物在高温烟气的回流掺混下快速升温稀释，以达到 MILD燃烧状态。煤粉 MILD 燃烧状态下的典型炉膛图像如图 1 所示。(a)常规燃烧状态(b)MILD燃烧状态 图1煤粉常规燃烧和 MILD 燃烧时的炉膛图像21Fig.1PhotographsofthefurnacewhenoperatingunderconventionalcombustionconditionandMILDcombustionconditionofpulverizedcoal21对于煤粉燃烧而言，研究已经表明其同样能通过与气体燃料类似的预热、增强卷吸等方式进入 MILD燃烧状态，但其 MILD 燃烧状态的实现相比于气体燃料而言要困难得多。澳大利亚阿德莱德大学的 Dally课题组分别采用天然气、煤粉、锯末等燃料开展了MILD 燃烧的实验研究20,22-23，对比发现锯末、煤粉等固体燃料相比于气体燃料较难实现炉膛内的无焰状态，同时会出现固体燃料的火星，这是由固体燃料更为复杂的燃烧过程所决定的。同时，MILD 燃烧模式下固体燃料在炉膛内较短的停留时间使得其难以充分燃尽。WEBER 等15-17针对气体、液体、固体燃料的 MILD 燃烧实验研究结果也得到了相近的结论。即便如此，在非常规煤粉燃烧技术中，MILD 燃烧仍被视为一种颇具潜力的燃烧方式。已有研究表明，采用 MILD 燃烧方式燃烧煤粉时，NOx的原始排放量仅为 400mg/Nm3(而常规氧煤燃烧的原始排放通常高达 1000mg/Nm3)17。若与分级燃烧以及优化给煤粒度等技术相结合，则 NOx原始排放量有望降低至150mg/Nm3。与此同时，煤粉的燃烧效率与传统的煤粉火焰燃烧方式相比并未明显降低；由于 MILD 燃烧过程中热流密度分布非常均匀，已有学者提出该种燃烧方式可用于未来 AD700 超临界参数燃煤锅炉的设计24。然而截至目前，针对煤粉 MILD 燃烧的研究远少于气体燃料 MILD 燃烧的研究，对于由煤粉颗粒复杂燃烧过程主导的煤粉 MILD 燃烧状态的实现条件以及煤粉 MILD 燃烧状态下的传质传热、脱挥发分、着火、污染物生成等关键机理的认识均尚不充分。2煤粉 MILD 燃烧的特点2.1燃烧特性就宏观的燃烧状态而言，煤粉 MILD 燃烧模式与气体燃料 MILD 燃烧模式具有基本相同的特征，即燃烧过程中的峰值温度降低、温度和组分的分布均匀性提升、火焰锋面变得模糊甚至消失，呈现出容积燃烧的特点。同时，煤粉 MILD 燃烧过程往往伴随着强烈的湍流混合和流场卷吸，煤颗粒及挥发分的反应区域也有显著变化，这就造成了 MILD 燃烧状态下与传统的煤粉扩散燃烧状态下煤粉燃烧机理的差异。煤粉MILD 燃烧机理的特点主要体现在以下几个方面：(1)在 MILD 燃烧过程中，反应发生在整个空间，而非仅局限于火焰锋面区域25，因此 MILD 燃烧过程中有限速率的化学反应对燃烧过程将起到重要的影响。PARENTE26、VASCELLARI27以及SCHAFFE28等的研究均表明，需要采用合理的化学反应机理，正确考虑湍流化学反应间的耦合作用，以及准确预测MILD 燃烧过程以及 NOx等污染物的形成过程。(2)MILD 燃烧往往与高速的射流以及强烈的湍流混合相关29-30，采用 MILD 煤粉燃烧方式时，煤粉的扩散行为在高速射流的影响下也会增强，从而煤粉颗粒群的燃烧行为与传统煤粉火焰行为也会体现出差异31。(3)由于 MILD 燃烧中煤粉始终处于低氧以及低温度梯度的环境中，煤的挥发分析出和焦炭燃烧表现出与传统煤粉火焰的不同之处32-33，对此还需要进行深入的研究。(4)MILD 燃烧过程中热流密度分布均匀，且整体温度很高，因此其体现出的辐射传热特性与传统火焰相比将会发生显著的变化。2.2应用优势(1)无明显的火焰锋面，接近于理想的“容积式燃烧”，反应发生在整个空间，而非仅局限于火焰锋面区域25，因此虽然燃烧峰值温度降低但整体的反应强度并未降低，同时 MILD 燃烧过程中有限速率的化学反应26-28对燃烧过程将起到重要的影响。(2)温度场分布均匀，峰值温度低，而整体平均温3242煤炭学报2023年第48卷度提升，这使得热流密度分布均匀，炉膛壁面换热效率提升，同时有助于保证锅炉受热面的传热安全。(3)在 MILD 燃烧模式下，NOx的排放被显著降低。由于燃烧峰值温度降低，热力型 NOx的降低是最为显著的，也是 MILD 燃烧实现 NOx减排的重要来源。除了炉膛温度的显著影响，流场强烈卷吸作用下的组分快速稀释掺混也是决定 NOx排放的关键因素。LI等34认为煤粉 MILD 燃烧状态下的热力型 NOx和燃料型 NOx都受到抑制，实验中的 NOx总排放量相比于传统燃烧模式下降约 40%。SCHAFFEL 等35认为煤粉 MILD 燃烧降低 NOx排放的主要原因包括 2 点，其一是煤中的挥发分在析出之前就已经处于低氧体积分数的高温区域中，因而很大比例的燃料 N 转换成了 N2，另一个原因则是燃料在低氧高温条件下的燃烧过程较长，出现了 NO 再还原反应，进一步降低了NOx的体积分数。然而，煤粉 MILD 燃烧效果与燃烧器、炉膛等装置特性、操作参数、煤粉停留时间等密切相关，其NOx排放特性也会产生明显差异。STADLER等36和 SAHA 等37的研究中均出现了煤粉 MILD燃烧模式下产生的燃料型 NOx增加的现象。2.3与富氧燃烧技术结合将 MILD 燃烧技术同富氧燃烧技术相结合形成低氧稀释氧煤燃烧技术(MILD-OCC)，既能够利于实现 CO2的富集和封存，也能充分发挥 MILD 燃烧技术在污染物生成、传质传热等方面的优势。煤粉富氧燃烧结合 MILD 燃烧技术的主要特点及优势如下：(1)富氧燃烧技术需要采用烟气再循环系统实现CO2的富集，而通过再循环烟气来实现对反应物的预热和稀释掺混也是煤粉 MILD 燃烧技术的主流手段，因此两种技术的结合具备系统上的便利条件。(2)富氧燃烧技术中高浓度的 CO2会导致火焰温度降低、着火延迟延长等问题而降低燃烧稳定性，但结合 MILD 燃烧技术后可通过强烈的内部烟气循环保证燃烧稳定性36,38。(3)MILD 燃烧技术在污染物减排方面的优势可以降低富氧燃烧烟气 CO2捕集过程中的脱硝、脱硫和除尘系统的设备投入和运行成本14。(4)进一步扩大煤粉燃烧运行范围、提高蒸汽参数以提高能源利用效率和经济性是未来煤粉富氧燃烧技术的重要发展方向，但相应的高温运行条件对锅炉设备材料提出了更高的要求39。而 MILD 燃烧技术能够削弱煤粉燃烧峰值温度、提升温度分布均匀性，具有均匀的热流密度分布特征，能够保证锅炉受热面的传热安全，这对设计更具有竞争力的污染物近零排放的高蒸汽参数氧煤燃烧锅炉具有重要价值31,34-35。3煤粉 MILD 燃烧的实现方式3.1实验方法已有研究和应用中，实现煤粉 MILD 燃烧的最主要方式是高温预热空气并增强炉膛内的烟气循环。通过高速射流等形式增强炉膛内的烟气卷吸使主要反应区域的反应物、氧气被稀释后体积分数均降低以抑制燃烧强度，进而削弱燃烧峰值温度，避免了火焰锋面即局部高温区域的出现；同时混合物在反应前受预热和烟气卷吸的作用而达到较高的温度，保证了煤粉燃烧的充分进行。WEBER 等17通过将空气预热至1350 实现了煤粉的 MILD 燃烧，发现采用 MILD煤燃烧技术时，煤粉火焰的最高温度为 1550，显著低于传统的燃煤火焰最高温度，而炉膛出口温度则为1230。澳大利亚的 SAHA 等20-21,37、日本的 SUDA等39也采用类似的高温预热空气辅以高速射流增强卷吸的方式实现了煤粉的 MILD 燃烧。上海交通大学的周月桂团队40及华北电力大学的吕建燚团队41均采用 Hencken 型平焰燃烧器，采用调整高温二次风的温度及氧浓度的手段研究了中心一次风煤粉射流的 MILD 燃烧状态。采用高温预热空气并辅以高速射流增强卷吸实现煤粉 MILD 燃烧的技术路线已被广泛采用，然而在实际工业装置中要采用类似的高温预热手段存在不小的困难，高温预热带来的系统复杂、装置庞大以及成本高昂等实际问题都难以忽视。已有研究指出，高温预热方式对于实现 MILD 燃烧的主要价值在于提高射流速度、减小气体密度和黏度以提升炉膛内的烟气卷吸强度42-45，而高速射流也能通过促进炉内卷吸而有助于 MILD 燃烧状态的实现46-47。因此，提高射流速度理论上可以替代高温预热手段实现煤粉的MILD 燃烧状态。德国亚琛大学的 STADLER 等36和德国斯图加特大学的 WEIDMANN 等48-49均在低温预热的条件下，通过将射流速度提升至 100280m/s实现了煤粉 MILD 燃烧，证明了高温预热并不是实现煤粉 MILD 燃烧的必要条件，这使得煤粉 MILD 燃烧技术更具应用前景。华中科技大学的研究团队14,50也通过将射流速度提升至 100m/s 以上在 0.3MW 的炉膛上实现了煤粉 MILD 燃烧。国内外已有的开展煤粉 MILD 燃烧技术研究的若干典型实验见表 1，并列出了相应的实现方式和煤种、预热温度、射流速度、装置尺寸等关键参数。已有的低温预热条件下的高速射流煤粉 MILD燃烧中试研究中，射流速度均达到 100m/s左右。学者们采用的炉膛、喷嘴等尺寸结构各不相同，对于实第8期黄文仕等：高速射流煤粉 MILD 燃烧的研究进展3243现 MILD 燃烧的临界条件(即在不同预热、装置条件下所需的射流速度)也缺乏系统的实验及理论研究，因此目前仍需更准确的煤粉 MILD 燃烧实现条件用于指导实际工业中的装置结构设计及操作参数选取。同时不可忽视的是，煤粉 MILD 燃烧技术在实际应用中能接受的射流速度范围是有限的，并不能过多提高射流速度。RISTIC 等51建议选择射流速度在 75125m/s 间进行研究，并指出高的射流速度虽然能够保证无焰燃烧的稳定性，但由于压降过高需采用特殊的鼓风机，在工业应用中并不经济。目前针对高速射流煤粉 MILD 技术工业应用经济性的详细分析是欠缺的，尤其是需要考虑射流速度提高带来的风机电耗和装置可行性等方面问题以选择最佳的射流速度保证系统经济性。3.2理论判据对于煤粉 MILD 燃烧技术的实现而言，明确的MILD 燃烧条件理论判据具有重要的指导意义。对于煤粉 MILD 燃烧的认识离不开气体 MILD 燃烧的理论基础。对于气相 MILD 燃烧状态的识别，较为经典的判定依据是 CAVALIERE 和 JOANNON52基于反应前温度和燃烧过程的温升定义：“燃料与氧化剂的混合物温度应高于燃料自燃温度，同时该混合物在燃烧后的最大温升应小于燃料自燃温度”此外得到广泛认可和应用的是 WUNNING 等18由实验结果得到的基于炉膛温度和流场卷吸率的判定依据。以甲烷为例，其需要在约 1500K 以上的炉内温度和大于 2.5的炉内卷吸率条件下才能实现 MILD 燃烧，如图 2 所示。这一判据更直观地反应了 MILD 燃烧对于预热和增强卷吸的要求，也更符合主流的 MILD 燃烧技术手段。学者们也基于炉膛温度、二次风温度、氧体积分数、装置尺寸等参数对气体燃料 MILD 燃烧状态的实现条件开展了进一步研究53-56。总体而言，气体燃料 MILD 燃烧状态的定义和实现条件比较明确，煤粉MILD 燃烧技术的实现思路也与此类似。煤粉 MILD 燃烧状态的实现除了考虑射流速度、氧气浓度、预热温度等主要操作参数的影响外，还需要考虑煤燃烧中复杂的颗粒弥散、加热、脱挥发分、着火、焦炭燃烧等过程，而这又受到煤粉粒径、煤种等多因素影响37,57-59。而煤粉相比于气体燃料更差的弥散能力和反应性也使得煤粉 MILD 燃烧状态难以实现。因此，不同于气体燃料 MILD 燃烧研究中较为明确的理论判据以及对关键参数影响的较好认识18,52-56，目前还没有针对煤粉 MILD 燃烧的成熟的理论判据，而对于煤粉 MILD 燃烧模式的判定大多基于气体燃料 MILD 燃烧理论基础。近期部分学者针对煤粉 MILD 燃烧的理论判据问题提出了一些新的思路。ZHOU 等60指出，煤粉粒径足够大即流场的最小混合尺度需要小于煤粉粒径时，湍流混合作用才能充分影响到颗粒表面的流动和传热边界层，进而实现 MILD 燃烧状态。FENG 等61结合气体 MILD 燃烧理论判据及煤粉燃烧特点，开创性地提出了煤粉 MILD 燃烧模式的理论判别方法，并对装置参数、燃料特性、二次风温度及组分等关键因素的影响规律进行了分析。采用积分涡尺度表征气固混合时间，并在气相 MILD 温度判据基础上加入混合时间判据，建立煤粉 MILD 燃烧模式理论判据，见表 2。表 1 煤粉 MILD 燃烧实验的典型工况及装置参数Table 1 Typical working conditions and device parameters of MILD coal combustion experiments学者煤种预热温度T/K射流速度/(ms1)一次风(等效)管径d/m炉膛径向尺寸L/m实现方式WEBER等17烟煤1573850.12402.00高温预热+高速射流SAHA等20褐煤30086.20.00750.28自回热式炉膛STADLER等36烟煤、褐煤5731002800.01730.40低温预热+高速射流MAO等50烟煤5001120.04000.60低温预热+高速射流WEIDMANN等48烟煤4174231000.02500.75低温预热+高速射流MILD燃烧不稳定燃烧无反应常规有焰燃烧2468炉膛温度/C1 6001 2008004000卷吸率Kv图2不同燃烧温度、炉膛卷吸率下的甲烷燃烧模式18Fig.2Combustionmodesofmethaneunderdifferentfurnacetemperatureandexhaustgasrecirculationrate183244煤炭学报2023年第48卷表 2 不同燃烧模式的理论判据61Table 2 Theoretical criteria of differentcombustion modes61条件燃烧模式TuTi&TbTuTi无反应TuTi反馈燃烧TuTi&TbTuTi高温燃烧TuTi&TbTucti高温燃烧TuTi&TbTuTi&tmixctiMILD燃烧注：Tu为燃烧前温度；Tb为燃烧后温度；Ti为燃料的着火点；TbTu为燃烧过程中的温升；tmix为混合时间尺度，即颗粒从进入炉膛到均匀分布所需的时间尺度；ti为着火时间；变量c用来表征混合时间尺度与着火时间之间的数学关系，其值与湍流强度有关。虽然该判据中存在部分简化假设，并未考虑颗粒的弥散特性，但对于煤粉 MILD 燃烧状态的判别提供了重要的解决方向。针对煤粉 MILD 燃烧理论判据的研究，仍需进一步发展、完善，以更好地指导煤粉MILD 燃烧技术的工业实现以及认识其关键机理。4高速射流煤粉 MILD 燃烧特性对于煤粉 MILD 燃烧技术而言，关注煤颗粒在典型射流燃烧状态下的弥散、加热、脱挥发分、着火、焦炭燃烧全过程对于更好地掌握煤粉 MILD 燃烧关键机理及工业实践策略是非常重要的。如图 3 所示，煤粉由射流携带射入炉膛，受到湍流脉动的影响而发生弥散；在弥散的过程中，煤粉与高温烟气对流混合，同时接受火焰辐射而被迅速加热；在不断升温的过程中，煤粉发生水分蒸发、脱挥发分、挥发分均相燃烧、焦炭异相燃烧等反应过程。射流速度、给粉质量浓度、氧体积分数、给煤粒径等工况条件以及煤种差异，均能通过影响以上物理化学过程，来影响煤粉射流火焰的结构及形态。其中，与湍流强度密切相关的射流速度对加热段和着火段的影响尤为显著。煤粉预热、水分蒸发、脱挥发分颗粒弥散单颗粒着火湍流脉动颗粒群着火煤粉一次风二次风挥发分燃烧、焦炭燃烧燃尽图3煤粉射流燃烧示意Fig.3SchematicdiagramofpulverizedcoaljetcombustionMILD 燃烧模式下的煤颗粒处于高温低氧的环境并受到强烈的湍流掺混、流场卷吸的作用，同时低温预热条件下煤粉 MILD 燃烧模式中的射流速度进一步提高也强化了湍流的影响，这与传统的煤粉燃烧环境是有显著差异的，该条件下射流强剪切作用及强烈的湍流脉动对煤粉燃烧过程及 MILD 燃烧机理的影响值得进一步的关注和研究。然而现有的针对煤粉MILD 燃烧技术的研究主要关注其技术实现及应用效果，而对其在典型高速射流下的燃烧模式转变条件和煤粉着火、燃烧特性的研究和认识是不够的。本节针对高速射流煤粉 MILD 燃烧模式下较为重要且尚未受到充分认识的关键科学问题进行讨论和展望。4.1高速射流中的煤粉弥散特性MILD 燃烧需要在炉膛内快速实现反应物、氧化剂的稀释和均匀分布，才能削弱局部燃烧强度而实现容积式的燃烧并形成较为均匀的温度场。煤粉进入炉膛后在射流卷吸作用下的径向弥散程度越大，煤粉能更迅速地与气流混合在炉膛内形成均匀的低浓度分布，这有助于 MILD 燃烧状态的实现；但同时煤粉更快地与高温烟气混合也可能使其热解、着火进程提前而形成局部高温火焰，这对于 MILD 燃烧状态的实现是不利的。因此，煤粉在炉膛内的弥散特性对于MILD 燃烧状态能否实现至关重要，而其具体影响需要综合考虑。随着高速射流替代高温预热方式实现煤粉 MILD 燃烧的成功实践，煤粉 MILD 燃烧技术表现出了更好的应用前景，因此相应高速射流条件下煤粉的弥散特性也亟待深入研究。在气固两相流动研究中，颗粒的无量纲斯托克斯数 St 即颗粒弛豫时间和流场特征时间的比值是衡量流场中大尺度涡对颗粒运动的影响程度的关键参数，可具体表示为St=af(1)af=/UU其中，为颗粒弛豫时间，由颗粒属性决定；为流场大尺度涡的时间尺度，由大尺度涡的特征长度(在射流中一般取喷嘴直径)和气固滑移速度决定。颗粒在流场中的 St 越小，表明其具有越强的随流运动能力。在自由射流中，一般认为 St 接近于 1 时，颗粒受射流涡结构的作用适中而在射流中具有最强的径向扩散能力62-63。目前在低温预热条件下通过高速射流实现煤粉MILD 燃烧的研究中，根据 3.1 节的讨论，其射流速度往往能达到 100m/s 以上，此时煤颗粒 St 较大因而其受射流涡团卷吸的影响是较弱的。以 MAO 等50和WEIDMANN 等48的煤粉 MILD 燃烧实验为例，假设气固滑移速度为射流速度的 10%可计算得到，煤粉的 St 均为 10 左右，此时可认为几乎颗粒受射流涡结第8期黄文仕等：高速射流煤粉 MILD 燃烧的研究进展3245构的影响微弱。但通过合理设置一次风、二次风流量以及射流喷嘴、炉膛尺寸以在炉膛内营造强烈的受限射流流场，同样能促进煤粉弥散而有助于 MILD 燃烧模式的实现59。该条件下，煤粉的随流能力比传统燃烧模式下差，煤粉运动轨迹与气流运动存在明显差异，此时能否准确预测煤粉弥散行为对于深入了解煤粉MILD 燃烧的实现条件和关键机理颇为重要。笔者所在课题组64所开展的气固两相实验结果表明，高速射流中非球形颗粒的径向扩散程度显著大于具有相同体积等效直径的球形颗粒，如图 4 所示，同时非球形颗粒的径向速度脉动也明显更强，该差异比在低速射流条件下更大。这很可能是由于非球形颗粒所受到更强的曳力作用65以及高速射流条件下非球形颗粒旋转66-68增强而导致的附加升力，而煤颗粒的形状也是非常不规则的。因此，采用理想的球形颗粒运动模型预测高速射流条件下的煤粉 MILD 燃烧过程很可能低估煤粉在炉膛内的弥散程度而难以获得准确的模拟结果。在煤粉 MILD 燃烧模式下考虑颗粒形状因素对煤粉弥散特性的影响是非常必要的，但仍需开展大量的工作，同时有赖于对实际高速射流条件下煤粉在炉膛内弥散程度的实际测量。颗粒质量浓度与喷嘴处颗粒质量浓度比径向距离与风管直径比76543210-4-2024小玻璃珠大玻璃珠玻璃渣煤粉图460m/s 气固射流中不同颗粒的径向质量浓度分布64Fig.4Radialconcentrationdistributionofdifferentparticlesinaparticle-ladenjetwithvelocityof60m/s64此外，煤粉在管道内通过气流输运过程中的壁面碰撞特性密切影响了射流出口处的颗粒质量浓度、速度分布，进而与煤粉在炉膛内的弥散情况直接相关，因此需要考虑煤粉形状因素对其在管流段的颗粒壁面碰撞过程的影响69-71。4.2煤粉在强湍流条件下的传热传质特性在煤粉 MILD 燃烧的高速射流条件下，受到显著影响的除了与流动相关的颗粒弥散过程，还有颗粒与气流的传热传质过程。射流速度提高造成的流场湍流特性变化，将通过颗粒边界层影响颗粒在炉膛内高温气流中的加热和脱挥发分过程，进而影响炉膛内煤粉的整体着火进程。而煤粉 MILD 燃烧状态的实现要求煤粉着火应在流场充分稀释混合后进行，以避免壁面局部火焰锋面的出现，因此需要关注煤颗粒在强湍流条件下的传热传质特性。在对颗粒传热传质过程的研究中，强迫对流对颗粒传热传质以及煤颗粒着火过程的影响均受到了关注72-74。而在 MILD 燃烧的高速射流条件下，颗粒传热传质过程受强迫对流的影响和受湍流脉动的影响都需要考虑。其中前者取决于煤粉和气流的滑移速度，与煤粉粒径、射流入口条件等因素有关，其作用可能是有限的(例如煤粉粒径较小时具有较好的随流性，两相滑移速度很小)；而后者取决于流场的脉动速度，这在高速射流条件下影响可能是非常显著的，并且主要作用于射流剪切层、强烈卷吸区域等。然而，针对湍流脉动对颗粒传热传质过程影响的研究仍比较匮乏。笔者所在课题组通过各向同性湍流实验发现湍流脉动增强会促进煤颗粒在高温气流中的加热过程进而使得煤粉着火明显提前75-76，如图 5 所示，这对于 MILD 燃烧状态下强湍流脉动环境中煤粉传热传质过程及着火机理的认识有重要价值。着火前着火时燃烧t=43 st=44 st=70 st=29 st=30 st=50 st=14 st=15 st=25 s00.8 m/s1.6 m/s图5不同脉动速度 urms下的煤颗粒着火过程76Fig.5Ignitionprocessofsinglecoalparticleunderdifferentfluctuatingvelocitiesurms76在煤粉 MILD 燃烧的数值研究中，大多采用常规燃烧下的分子扩散来模拟颗粒传质过程27,35-36,77，而高速条件下该方法的可靠性是存在疑问的，仅少数学者在数值计算中考虑了强迫对流的作用32。关于湍流脉动对颗粒传热过程的影响，现有的用于计算实际工业过程中大量煤粉等颗粒的 0 维模型78、0.5 维模型79-80中，均未考虑湍流脉动对颗粒传热传质的影响，因此对于煤粉 MILD 燃烧的适用性是值得商榷的。3246煤炭学报2023年第48卷FENG 等81基于各向同性湍流流场中颗粒升温过程的测量，建立并验证了湍流强化颗粒传热模型，定量确