无焰燃烧

无焰燃烧技术及其发展与应用摘要：无焰燃烧技术是一种新型低污染燃烧技术，燃烧时看不到明显的火焰面，燃烧温和、无噪音，燃烧排放NOX低。因此，无焰燃烧有很广泛的应用前景。本文就无焰燃烧技术的发现和发展、原理(NOX角度)以及应用领域做简要的介绍。关键词：无焰燃烧；技术发展；原理（NOX角度）；应用领域1.研究背景及意义1.1无焰燃烧技术的发现无焰燃烧是一种看不到明显火焰面的一种燃烧方式，如图1所示。这也是一种最简单、最直接的判定方式。图1传统燃烧与无焰燃烧状态示意（左边是传统燃烧，右边是无焰燃烧）20世纪90年代，德国和日本的研究者率先发现了无焰燃烧现象，他们发现当空气预热到1600K以上（高温状态），并且射流速度提高到90m/s时，燃烧火焰面消失。这就是高温空气无焰燃烧技术的首次发现。德国的Wunning是最早开始进行无焰燃烧的研究人之一，他在1989年的实验中发现，当炉膛温度为1000℃，预热空气温度至650℃时，看不到明显的火焰面，所用燃料完全被燃尽，在尾部烟气段检测到CO的含量小于1.0X10-6，较传统燃烧方式燃烧得更完全。1.2无焰燃烧的发展历史“无焰燃烧”最早用来描述气体燃料预混燃烧时的火焰透明、无明显火炬轮廓的特征。现代无焰燃烧技术则是基于Weinberg于1971年提出的超焓(ExcessEnthalpy)燃烧思想。超焓燃烧是指在不借助于外部热源的前提下，通过热交换器、蓄热器或其他方式将燃烧所产生的热能(或排放的高温废热)回收再利用，用以预热反应物。空气预热器、省煤器就是基于超焓燃烧思想的研究应用。由超焓燃烧发展的高温空气燃烧技术应用在钢铁和冶金等领域，使无焰燃烧技术得到关注。而后无焰燃烧又经过了技术改进和创新，研究出了常温空气无焰燃烧技术和无焰氧燃技术等。在无焰燃烧的发展历史过程中，研究对象也发生着转变。因为气体和液体的燃烧机理相对固体燃料较简单，起初是以甲烷等气体燃料以及少量的液体燃料为研究对象，然而，在我国煤炭是主要的消费能源，占一次消费能源的70%。因此十分有必要研究煤粉的无焰燃烧技术。无焰燃烧技术是一种能够充分燃烧的低污染的新型燃烧方式，因此今年来，研究人员将它应用在低热值燃料，如生物质、垃圾、污泥、高炉煤气、贫煤等来降低污染物的排放。1.3研究方向研究方向大都集中在：污染物排放控制机理（尤其是以氮氧化物、CO、CO2为主）；对燃气锅炉和燃油锅炉的改造，强化传热；新型的燃烧方式，如与其他燃烧方式复合的氧燃无焰燃烧技术，或改进的常温空气无焰燃烧技术；用于低热值燃料（贫煤、高炉煤气、生物质、城市垃圾和污泥等）和固体燃料(如煤粉无焰氧燃)燃烧与气化、用于燃气轮机，通过改进燃烧室来实现无焰燃烧，从而降低污染物的排放量。1.4研究背景随着现代蓄热技术在工业中的广泛应用，一些燃烧高热值燃料的加热设备通常运行在高温环境中。在传统有焰燃烧模式下，化学反应集中在一个比较狭小的火焰面上进行，造成温度分布不均匀，火焰锋面温度高，这必然导致了热力型NOX的大量生成以及CO的生成和排放。随着世界各国对环境问题的不断重视，工业排放标准的不断提高，无焰燃烧作为一种新型低污染燃烧方式备受关注。学者们提出多种新型燃烧模式，但是都有一定的技术缺陷。如：①催化燃烧所使用的催化剂制备费用高昂，并且在高温工况时，催化剂的稳定性不好，寿命短；②富油-淬熄-贫油燃烧虽然可以实现超低污染物排放(小于20.5mg/m3)，但是目前对其的研究还主要集中在燃气轮机中；③纯氧燃烧虽然可以实现NOX接近零排放，但是前期纯氧富集的投入很高。与其他新型的低污染燃烧方式对比，无焰燃烧技术设备简单，燃烧温度均匀，燃烧稳定，效率高，排放低，节约能源，抑制NOX的生成，减少CO的产生，在工业上有着广泛的应用前景。与传统燃烧技术相比，无焰燃烧技术扩展了燃料的燃烧范围，燃烧过程稳定，燃烧区域温度分布均匀，污染排放低，燃烧噪音低。2.无焰燃烧技术原理2.1无焰燃烧状态的判定方法国际上对于无焰燃烧状态的界定并无很明确的规范，目前比较受到大家认可的是Wunning父子的研究，他们通过大量的实验得到了甲烷在扩散燃烧方式下，混合与燃烧同时进行，烟气内部循环率KV与温度的关系。燃料射流MF和氧化剂射流MA的轴向演化和径向扩散会引起周围空气ME的卷吸作用，从而使得射流中心区被燃烧产物(CO2和H20)以及不参与反应的气体(N2)逐渐稀释，以达到“低氧”燃烧条件，如图2所示。KV为燃烧射流卷吸的循环烟气(CO2，H2O和N2)与入射射流(燃料和空气)质量流量之比：KV=ME/（MF+MA）=（MJ-MF-MA）/（MF+MA）图2回流烟气对燃料和空气射流的稀释下图为几种燃烧状态的划分示意。无焰燃烧的区域界定：烟气内部循环率KV2.5会存在一个无焰燃烧区。图3几种燃烧状态的划分除此之外，还有一些其他的判定方法。例如，利用温升来判定燃烧是否处于无焰燃烧状态。Kumar等人认为反应器内温升经归一化之后空间温度变化在15%左右的燃烧可以定义为无焰燃烧。AntonioLavaliere等人利用进口温度和温升来描述燃烧所处状态，并得到如下结论：入口温度低于自燃温度且温升大于入口温度称为回馈燃烧；入口温度高于自燃温度且温升高于入口温度称为高温燃烧；入口温度高于自燃温度且温升低于入口温度称为无焰燃烧。2.2无焰燃烧系统不使用外部热源而仅通过回收再利用燃烧烟气余热或高温余热来预热反应物，将燃烧空气加热到1000℃以上，控制燃料、空气以及炉内烟气的混合过程，使炉内燃烧区氧气的体积分数保持在2%-5%，火焰的燃烧边界扩展到整个炉膛，使得炉内温度分布均匀，燃烧效率和利用率大幅提高，形成一种与传统的发光火焰不同的新型燃烧方式。2.3无焰燃烧特点①高温低氧是实现无焰燃烧的基本条件，氧化剂在反应之前被预热到一定的高温或者炉膛被充分预热使得燃烧时炉内任意处的温度均大于燃料的自燃点；②可以通过高速射流的卷吸作用或通过燃烧器特殊结构产生回流以及充入稀释气体等方法使燃料和氧化剂被充分稀释，燃烧反应区中氧气的浓度尽量保持在2%-15%(部分文献要求5%-10%)③在无焰燃烧模式下，燃烧“柔和”，没有燃烧噪音，燃烧空间弥散到更大范围内，导致整个空间内温度分布均匀且污染物排放降低。2.4实现无焰燃烧的三种途径（1）充入氮气（2）高速射流（3）特殊燃烧室结构2.5无焰燃烧与传统燃烧方式的比较无焰燃烧是低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式，其特征是反应速率低、局部放热少、热流分布均匀、炉内温差小、燃烧峰值温度低、噪音极小且NOX生成量小。传统燃烧方式中进入反应区前反应物的浓度高而温度低，无焰燃烧方式中进入反应区前反应物的浓度低而温度高。无焰燃烧过程中，通过把高温预热空气和燃料通过不同喷口喷入燃烧室，形成强烈的烟气回流，并与燃料和空气剧烈棍合，从而延缓了空气和燃料的扩散混合，由于无焰燃烧中反应物浓度降低，反应区域扩大，燃料在高温低氧的气氛下燃烧，反应发生在一个宽广的区域，有时甚至会充满整个炉膛，火焰体积成倍扩大，火焰锋面消失，整个炉膛温度分布均匀，提高了炉膛的容积热负荷，辐射传热增强。不再出现传统燃烧方式中出现的局部高温高氧区，从而将NOX浓度控制在较低水平。2.6无焰燃烧中NOX的生成机理（1）气体燃料无焰燃烧技术的机理从上面的反应方程式可以看出，HNO在NO生成过程中起到重要作用。对于NOX的生成，一般指NO和NO2，但因为NO2生成强烈依赖NO浓度，并且大约比NO浓度低两个量级，因此，主要讨论NO，包括热力型、快速型和N2O转化型。热力型NO反应机理为：N2+0=NO+N（1）N+O2=NO+O（2）N+OH=NO+H（3）由于氮分子的分解所需的活化能较大，式(1)必须在高温下才能进行，因此热力型NO的整个链式反应速度取决于最慢的反应式，如式(1)所示，其生成速率强烈受温度影响。另外，式(2)和式(3)的反应活化能相对较小，反应较快。快速型NO仅在燃烧碳氢化合物且过量空气系数小于1的情况下生成较多。碳氢化合物燃烧时分解成CH、CHi等基团，它们会破坏N原子之间的化学键，生成HCN、NH等自由基；同时，火焰中大量的O、OH等原子基团与上述反应的中间产物等反应生成NO。其中以下反应控制着整体反应速度：CH+N2=HCN+NN2O转化型NO的主要反应机理为：N2+O+M=N2O+MN2O+O=2NO对于燃烧无氮燃料的传统有焰燃烧来说，由于存在高温火焰锋面，NOX主要通过热力型生成。由于无焰燃烧的火焰体积扩大，燃烧区域分散，峰值温度降低，使热力型NO份额大大降低，而N2O转化型NO超过热力型NO，成为NO的主要生成途径。2.7固体燃料无焰燃烧技术机理相同条件下，在对气体燃料、轻油、重油和煤的无焰燃烧的模拟和试验中发现重油和煤的燃烧也呈现出温度均匀的特征，但是重油和煤模拟的结果显示NOX排放都较高，这是由于重油和煤中含N量分别达到了0.37%和1.49%，燃料型NOX远远大于热力型NOX。在煤的脱挥发分过程中，几乎所有释放出来的N都转化为HCN，然后再进行后续反应。如图4所示，为燃料中的氮的存在形式。图4NO生成和再燃路径3.无焰燃烧技术的研究进展与应用3.1国内外研究进展国外研究进展：日本的高温空气燃烧技术(HighTemperatureAircombustion)，德国的无焰氧化(FlamelessCombustion)，意大利等国的温和燃烧(MILDCombustion)。日本东京大学、美国马里兰大学、瑞典皇家工学院、德国斯图加特大学和荷兰国际火焰研究会(IFRF)等组织纷纷展开了对这一技术的研究，在超焓燃烧的原理基础上形成了各自的技术特点，如日本的高温空气燃烧(HTAC，HighTemperatureAirCombustion)、德国的“无焰氧化”(FLOX-FlamelessOxidation)燃烧技术、意大利的“中度与强化的低氧稀释”(Mild-moderateandIntensiveLowOxidationDilution)燃烧技术；美国的“低氮氧化物喷射”(LNI-LowNOXInjection)燃烧技术等；并经过30年的开发与发展，已经在能源、化工、冶金、等领域得到广泛的重视与应用，显示了巨大的节能与环保双重优越性。国内研究进展：从上世纪90年代开始一些科研院所，投入到无焰燃烧技术的研究中，如华中科技大学、北京科技大学、清华大学、中南大学和北京神雾热能技术有限公司等对高温空气燃烧技术进行了跟踪性的应用研究工作。学者提出：①将无焰燃烧结合其他高效低污染燃烧方式进行燃烧。②改进无焰燃烧的条件以开发出应用范围更广、实现方式更简单的无焰燃烧技术。（1）将无焰燃烧技术与Oxyfuel技术（氧燃技术）相结合，能进一步降低能耗以及使NOx的排放量降到更低的水平；唐超君提出了无焰氧燃技术，即采用纯氧替代部分或全部助燃空气并结合烟气再循环的新型燃烧技术。（2）①中国科技大学的邢献军等人，通过结合燃料与空气分级燃烧技术，用一个蜂窝式多孔出口结构的燃烧器送入二次燃料，实现了常温空气无焰燃烧。②在国内，绝大部分的研究都集中在用尾部烟气预热空气来实现高温，达到无焰燃烧。中国科学技术大学林其钊等人，根据超焓燃烧的基本思想研制了一种无需加热空气的常温空气无焰燃烧技术。3.1无焰氧燃技术——氧煤无焰燃烧技术图5采用无焰氧燃的煤粉燃烧技术示意图如上图5所示，氧气与燃料混合后进入到燃烧室进行燃烧，生成的烟气进入再循环烟气通道，再次进入到燃烧室进行燃烧，循环多次，使燃料得到充分燃烧，提高燃烧效率，降低燃烧产物中的NOX和烟尘的排放量，达到洁净燃烧和高效燃烧。由于热力型NOX和快速型NOX都来源于空气中的氮气，采用氧气作氧化剂，使得生成的NOX主要来自于燃料中的N即燃料型NOX，因此会大大减少NOX的总排放量。氧煤无焰燃烧技术一般分为三个区域来进行：扩散区、扩散动力区和化学反应动力区。扩散区和扩散动力区的燃烧过程由物质扩散或部分的物质扩散决定，表现为有火焰的发生，如氧煤有焰燃烧技术。氧煤无焰燃烧技术工作在化学反应动力区。氧煤燃烧技术的纯氧由液氧气化而