MILD 燃烧的研究进展与技术应用

1. MILD燃烧的研究进展与技术应用

2. MILD燃烧的研究进展与技术应用 • MILD燃烧的概念特点 • MILD燃烧的研究进展 • MILD燃烧的技术应用 • MILD燃烧的技术瓶颈 • MILD燃烧的最新动态

3. 1 MILD燃烧的概念特点 图1-1 传统火焰燃烧（左）与MILD燃烧（右） • MILD（Moderate & Intense Low Oxygen Dilution）燃烧是低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式 炉膛透亮 无焰燃烧/ 无焰氧化(Flameless Oxidation, FLOX) 无局部高温火焰 燃烧空气需高温预热到1000℃ 高温火焰燃烧 (High Temperature Air Combustion, HiTAC) MILD燃烧

4. 1 MILD燃烧的概念特点 NOx减排70% 热利用率提高30% • MILD燃烧是一种容积燃烧或弥散燃烧，其特征： 反应速率低 局部释热少 热流分布均匀 燃烧峰值温度低 噪音极低 炉内温度场更均匀，降低了炉内燃烧与传热的不可逆损失； 炉膛体积更小，炉内平均温度更高，提高了辐射传热效率 无局部高温区，峰值温度低 热力型NOx只有在超过1500℃时才会大量生成 NOx（80ppm）和CO等污染物生成量极低 炉膛整体温度提高，辐射换热增强

5. 2MILD燃烧的研究进展 20世纪90年代，德国、日本最先展开研究 空气预热到1600K，射流速度提高到90m/s 随后，瑞典、意、荷、法、澳、美、中相继跟进 2.1 共识 主要方式：高温预热空气并配合高速射流 技术关键：卷吸高温烟气并稀释空气射流 重要条件：射流混合区以后炉内任何位置氧浓度低于5-10%且温度高于燃料自然点 ，这需要炉内高温烟气强烈内部循环稀释反应物来实现 实现指标：提高热效率30%以上，降低NOx排放70%以上

6. 2 MILD燃烧的研究进展 图2-1 燃料与空气射流演化及其被烟气稀释过程的示意图 2.2 影响因素 • 烟气内部循环率（Kv）和炉温 Kv = ME /(MF + MA) ME：被燃烧射流卷吸的内部循环烟气 (CO2, N2和H2O)的质量流量 MF：入射燃料质量流量 MA：空气质量流量

7. 2MILD燃烧的研究进展 图2-2 甲烷扩散燃烧方式下Kv 与温度的关系 Wünning 父子通过实验得到了甲烷在扩散燃烧方式下Kv 与温度的关系 实现MILD燃烧的基本要求是Kv> 2.5，温度>1100k

8. 2MILD燃烧的研究进展 Cavigiolo 等人发现 以甲烷为燃料时实现MILD 燃烧需Kv大于4 且炉温高于800~850℃； 以乙烷为燃料时实现MILD 燃烧需Kv大于3.5，炉温高于600~650℃ Effuggi 等人和Derudi 等人发现 以生物质气体为燃料时实现MILD燃烧需满足高烟气卷吸率（大于5）和高炉温（高于800℃）

9. 2MILD燃烧的研究进展 • 反应物稀释 Dally 等人发现 增加对氧化剂的稀释能增大火焰体积，降低反应强度 Medwell等人发现 MILD燃烧发生的区域，OH 组分的质量分数比传统燃烧的低且分布更广

10. 2MILD燃烧的研究进展 • 燃料 Derudi、Parente、Galletti等人分别对含氢燃料的MILD燃烧作了研究，发现随着氢含量的升高，需要大初始速度（>70m/s）和高烟气循环率（Kv>9）才能实现MILD燃烧 荷兰国际火焰研究基金(IFRF)和清华大学的张海等通过实验确认了煤粉能实现MILD燃烧，且张等发现燃烧无烟煤时，NOx的排放浓度比一般的低NOx燃烧器低50% Bassam等人发现适当降低停留时间，生物质锯末在较高的射流动量（>80m/s）条件下也能实现MILD燃烧，且NOx排放浓度低于80 ppmv，CO排放浓度低于100ppmv

11. 2MILD燃烧的研究进展 2.3 我国情况 接近或达到国际先进水平 清华、北大、华科、北科、中科大、同济、中南 • 率先进行了煤粉MILD 燃烧的尝试 • （清华大学张海） • 率先进行了无需预热实现MILD 燃烧的系统研究（北京大学米建春） • 率先实现了反应物预混的MILD 燃烧 • （北京大学米建春） • 已开始MILD 燃烧在煤气化中应用的研究 • （中国科学技术大学林其钊） • 已着手氧燃料MILD 燃烧的研究 （华中科技大学）

12. 3MILD燃烧的技术应用 图3-1 通过高温预热空气实现MILD 燃烧的工业加热炉系统 • 换热式MILD燃烧系统——MILD燃烧辐射管 利用燃烧产生的辐射热间接加热炉内管件 • 蓄热式MILD燃烧系统（HiTAC） 用于工业加热炉，钢铁和冶金行业

13. 4 MILD燃烧的技术瓶颈 • 该系统针对气体和液体燃料开发，而我国以煤为主要能源，推广受到限制 • 预热空气的要求限制其更广泛的应用 • 由于采用预热，为避免回火危险，该系统很难采用燃料与空气部分预混和全预混的燃烧方式 • 该系统蓄热器为蜂窝体或蓄热球，为防止蓄热介质堵塞，对烟气粉尘含量有一定限制

14. 5MILD燃烧的最新动态 • 不预热空气实现MILD燃烧 传统认识的误区一：系统需预热空气 法国、中科大学者已通过实验证实不预热空气也能实现气体（天然气） MILD 燃烧 北大学者更是验证了不预热空气能实现固体（锯末）MILD燃烧 条件：氧气代替空气 射流动量大于临界动量 大烟气内循环率 大喷嘴速度（甚至接近音速）

15. 5 MILD燃烧的最新动态 • 扩散方式下实现MILD燃烧 传统认识误区二：过分强调烟气稀释的作用 北大学者发现只有空气与燃料射流交汇处的Kv和速度才对建立MILD燃烧有重要影响，其他断面无影响 因此，即使燃料与空气喷嘴间距很近，致使两股射流来不及被烟气稀释，只要射流足够高，交汇处的Kv和速度就能满足实现MILD燃烧的要求

16. 5MILD燃烧的最新动态 • 氧燃料MILD 燃烧系统 单纯氧燃料燃烧技术弊端： 存在燃烧稳定性差、机械和化学未完全燃烧损失大、运行效率低、存在安全与经济等问题； 需配备脱硫、脱硝、除尘设备，系统复杂，设备及运行成本高 氧燃料燃烧与MILD燃烧结合： 燃烧稳定性好，燃尽度高； 无需脱硫、脱硝设备

17. 5MILD燃烧的最新动态 图5-1 实现 “近零排放”的氧燃料MILD 燃烧系统示意图(虚线表示改造现有锅炉需增加的设备与管路, 点线表示可以去除的设备) 与传统锅炉燃烧系统相比，只增加了空气分离设备，而免去了脱硫、脱硝设备，系统成本低 可用于旧锅炉改造亦可用于新建锅炉 瑞典、 意大利、德国 华中科技大学

18. 5MILD燃烧的最新动态 • 基于MILD 燃烧的煤气化技术 MILD燃烧稳定性好， 炉内温度场与组分浓度场分布均匀，燃料适应性好，NOx生成量低 在气化炉内实现MILD燃烧，可提高碳转化率，改善煤气品质，使气化特性对运行操作参数的变化不敏感 中国科学技术大学成功实现了针对我国储量丰富但难以气化的双高（高熔点、高灰分）煤的气化 应用于固体燃料气化燃料电池一体化系Integrated Gasification Fuel Cell，IGFC) 中； 也可以应用于整体煤气化联合循环(IGCC)技术中

19. 报告结束 欢迎老师同学批评指正