MILD燃烧的研究进展与技术应用

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

1 MILD燃烧的概念特点

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

无局部高温火焰无焰燃烧 /无焰氧化 (Flameless Oxidation, FLOX)

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

图 1-1 传统火焰燃烧（左）与 MILD 燃烧（右）

1 MILD燃烧的概念特点

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

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

NOx 减排70%

热利用率提高 30%

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

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

2 MILD燃烧的研究进展

20 世纪 90 年代，德国、日本最先展开研究

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

空气预热到 1600K ，射流速度提高到 90m/s

2 MILD燃烧的研究进展

2.2 影响因素烟气内部循环率（ Kv ）和炉温

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

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

2 MILD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

2 MILD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℃ ）

2 MILD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

2 MILD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

2 MILD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）

3 MILD燃烧的技术应用换热式 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

图 3-1 通过高温预热空气实现 MILD 燃烧的工业加热炉系统

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

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

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

5 MILD燃烧的最新动态

不预热空气实现 MILD 燃烧

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）

传统认识的误区一：系统需预热空气

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

5 MILD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

5 MILD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

5 MILD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