賈 楠，牛 芳，周建明，王乃繼，柳康信

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013；4.山西晉中市瑞陽熱電聯(lián)產(chǎn)供熱有限責任公司，山西 晉中 030800)

0 引 言

逆向射流(reverse jet)是指在燃燒系統(tǒng)中射流方向與主氣流運動方向相反，又稱為對流(opposing jet)[1]。Schaffer[2]于1954年首次提出在飛機發(fā)動機領域利用逆向射流替代加力燃燒室鈍體實現(xiàn)高速火焰穩(wěn)定燃燒。但在飛機發(fā)動機上加裝逆向射流裝置后會影響其整體效率，導致該技術無法得到應用。后來學者發(fā)現(xiàn)，逆向射流可通過改變射流的動量、逆噴結(jié)構(gòu)、射流組分等條件同時實現(xiàn)高效燃燒和NOx的超低排放[2-6]，是一項非常具有發(fā)展前景的燃燒技術，因此將逆向射流燃燒技術逐漸應用于氣體和煤粉燃燒領域，但未涉及液體燃燒領域。

目前可通過一股獨立于主流方向的射流[2-9]或通過燃燒器的特殊結(jié)構(gòu)[10-15]2種方式實現(xiàn)逆向射流。前者的燃氣和燃煤燃燒器研發(fā)處于試驗階段，但此理念在國內(nèi)的電站鍋爐爐內(nèi)布風方式中有工程應用；后者在氣體燃燒方面的飛機發(fā)動機和燃氣輪機領域有大量試驗研究，但均處于實驗室研發(fā)階段，在固體燃燒方面的煤粉雙錐燃燒器已有工程應用[16]。本文針對逆向射流技術的機理、研究現(xiàn)狀與工程應用進行綜述，分析該技術在工業(yè)應用中的優(yōu)勢和局限性，對逆向射流燃燒技術的研發(fā)方向和應用前景進行展望，提出利用逆向射流燃燒技術實現(xiàn)高效低污染的建議。

1 逆向射流燃燒技術機理

圖1 逆向射流流動特征示意[20]Fig.1 Characteristics of reverse jet flow[20]

大量試驗研究表明，穿透深度Xp主要與逆向射流幾何尺寸和射流流速比α(逆向射流流速Uj與環(huán)境流速Um的比值)有關。Beloleos等[21]利用皮托管測量風洞中的逆向射流流場，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到平均穿透深度Xp與α成正比，即

Xp/D=kα(k=2.7)

(1)

式中，D為逆向射流管直徑。

Morga等[22]通過目視觀察有色染料羽流確定圓形逆噴射流的穿透深度，利用轉(zhuǎn)子流量計測量Uj和Um，研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當逆向射流動量通量小于主流動量通量時，Xp與α成正比，比例系數(shù)k=2.5。K?nig等[23]基于流動可視化利用普通相機研究了逆噴射流結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)逆向射流具有2種不同的特征狀態(tài)，α≤1.4時，流動穩(wěn)定，射流具有幾乎恒定的下游范圍和規(guī)則的螺旋環(huán)；α>1.4時，流動開始變得不穩(wěn)定，射流從噴嘴處中斷，在體積流量不變的情況下增加了其穿透深度。Yoda等[24]利用平面激光誘導熒光(planar laser induced fluorescence，LIF)研究圓形逆向射流在水中的結(jié)構(gòu)以及流動的穩(wěn)定性，得出α>1.4時流動開始不穩(wěn)定，這與K?nig等的結(jié)論一致，同時還發(fā)現(xiàn)平均穿透深度Xp與α成正比，即

Xp/D=2.8α(α>2.2)

(2)

最大穿透長度Xpm為

Xpm/D=4.3α=1.5Xp

(3)

Lam等[25]利用LIF研究圓形逆向射流在水中的穿透和擴散特性，發(fā)現(xiàn)平均穿透距離Xp隨α增加而增加。Lam等[20]采用激光多普勒測速儀(laser doppler velocimetry， LDV)分析圓形逆向自由射流的整個流場數(shù)據(jù)，認為在時間平均(time-averaged)意義上，流動可在徑向上分為前向射流動量支配的外部區(qū)域和后向逆流發(fā)揮強烈作用的內(nèi)部區(qū)域，同時也證實了Beltaos等提出的k=2.7。Saghravani等[26]測量了射流軸線上的平均速度數(shù)據(jù)，證實了不存在限制效應的某些情況下Xp/D與α之間的線性關系，但對于受限射流，該關系不成立。李志偉[18]利用PIV研究發(fā)現(xiàn)，逆向自由射流中穿透深度在低動量時，與α滿足線性關系，且k=2.7，但當逆向射流受限時，k隨與壁面距離的減小而增大。

(4)

(5)

綜上，逆向射流噴口的幾何尺寸和射流流速比決定了穿透深度和射流半寬，進而影響逆向射流的流場分布與混合特性，這為逆向射流燃燒技術應用于燃氣和燃煤領域提供了支撐。但氣體燃料和煤粉生成NOx的途徑不同，因此逆向射流燃燒技術在2個領域所起的作用不同。氣體燃料在燃燒過程中生成的NOx主要為熱力型NOx[27]，逆向射流主要起穩(wěn)定燃燒的作用，其特征是形成一個近似均勻的熱流場，避免燃燒過程中出現(xiàn)局部熱點，進而實現(xiàn)NOx的超低排放[28]。煤粉在燃燒過程中生成的NOx中70%～85%為燃料型NOx[27]，逆向射流形成一個可控射流介質(zhì)以及可控大小的回流區(qū)[2]，該技術與傳統(tǒng)火焰穩(wěn)定方式相比，火焰穩(wěn)定能力更強、停留時間更長、污染更低，更適用于低階煤的高效燃燒[5]。

1.1 燃氣逆向射流機理

逆向射流應用于氣體燃料燃燒的代表技術是SPRF滯點逆向回流(stagnation point reverse flow)和CDC無色分布式燃燒(colorless distributed combustion)。圖2為SPRF燃燒器示意，燃燒器反應物通過開口端中心的供料系統(tǒng)注入，供料系統(tǒng)可通過其環(huán)形管提供可燃的預混合反應物，或分別通過中心管和環(huán)形管提供燃料和空氣，反應物沿著燃燒器中心線到達封閉端后被強制回流，通過噴射系統(tǒng)周圍的環(huán)形出口離開系統(tǒng)。該燃燒器低NOx排放機理是在貧燃料條件下實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，通過熱產(chǎn)物夾帶自由基逆向回流與反應物混合，提高反應物溫度，同時降低了反應物的點火溫度，在燃燒器出口端形成一個低速高湍流的穩(wěn)定燃燒區(qū)域[10-11,29]。

圖2 SPRF燃燒器示意[29]Fig.2 Schematic diagram of SPRF burner[29]

CDC燃燒器是將高動量的空氣和燃料預混或單獨噴射進入燃燒器，到達燃燒器底端后強制回流，從燃燒器頂端出口離開系統(tǒng)。該燃燒器低NOx排放機理是通過體積分布式反應使整個燃燒室中具有均勻的熱場，避免局部高溫熱點產(chǎn)生的熱NOx排放，且具有良好的燃料-空氣混合條件和可調(diào)節(jié)的停留時間，以實現(xiàn)低CO排放[12-13,30]。圖3為CDC燃燒器示意。

傳統(tǒng)肥料企業(yè)對于嘗試改變也有自己的思考。“農(nóng)資企業(yè)都在貼地飛行，但是目前肥料企業(yè)的農(nóng)資終端看起來還很浮躁。”云圖控股股份有限公司副總裁劉曉霞告訴記者：“我認為，農(nóng)資企業(yè)最終還要回歸最本質(zhì)的東西，就是產(chǎn)品。這既包括產(chǎn)品技術研發(fā)的務實性，同時也包括產(chǎn)品服務中市場上農(nóng)民和作物的需求。不是說最先進的技術就是最好的產(chǎn)品，而是要考慮到肥料的本質(zhì)屬性，既要滿足作物生產(chǎn)的客觀需求，又兼具價優(yōu)、物美、高效。”祥云股份復肥事業(yè)公司總經(jīng)理肖漢斌認為：“復合肥找噱頭的時代已經(jīng)過去，土地流轉(zhuǎn)后種植大戶也不是原來的留守老人和兒童，現(xiàn)在很多年輕人有思想、懂技術，靠忽悠已經(jīng)無法帶動終端、拉動市場?！?/p>

1.2 燃煤逆向射流機理

煤粉逆向射流主要應用于燃燒器和爐膛內(nèi)，達到煤粉高效低氮燃燒的目的。逆向射流燃燒器是將逆向射流與預燃室結(jié)合，圖4為中科院設計的逆向復式射流預燃室燃燒器，一次風攜帶煤粉離開噴嘴，在多環(huán)形逆向射流形成的高溫回流區(qū)中快速著火，之后二次風與富燃料混合物逐漸混合，增強了多環(huán)形逆向射流形成的回流區(qū)，同時二次風冷卻內(nèi)壁，減少了煤/灰顆粒與預燃室內(nèi)壁撞擊的發(fā)生率，隨著火焰向下游傳播，三次風進入爐膛進行完全燃燒，同時三次風也具有冷卻內(nèi)壁作用，因此燃燒器內(nèi)壁不需耐火層。該燃燒器低NOx穩(wěn)定燃燒機理為一次風粉在預燃室內(nèi)形成溫度不高的貧氧富燃料區(qū)域，同時在富燃料區(qū)的著火區(qū)域緊鄰下游形成的烴基和含氮中間體減少了揮發(fā)分揮發(fā)時形成的NO[7,31]。

煤科院設計的雙錐燃燒器示意如圖5所示，該燃燒器與中科院設計的燃燒器區(qū)別是：① 雙錐燃燒器逆向射流是一次風經(jīng)過一次風管的回流帽撞擊而強制產(chǎn)生逆向回流；② 雙錐燃燒器的預燃室由前錐和后錐構(gòu)成。雙錐燃燒器低NOx穩(wěn)定燃燒的機理與逆向復式射流預燃室燃燒器[15-16]相似。

圖3 CDC燃燒器示意[30] Fig.3 Schematic diagram of CDC burner[30]

圖4 逆向復式射流預燃室燃燒器示意[31]Fig.4 Schematic diagram of opposed jet precombustor burner[31]

圖5 雙錐燃燒器示意Fig.5 Schematic diagram of double cone burner

逆向射流燃燒技術應用于爐膛是在不改變爐內(nèi)四角切圓的總體切圓流動燃燒方式下，將其中一層或數(shù)層煤粉氣流大角度逆向偏轉(zhuǎn)射入，使煤粉顆粒在燃燒器出口局部受阻滯留，從而延長煤粒在爐內(nèi)的停留時間，改善其著火條件，緩解了原來四角切圓狀況下的爐內(nèi)高溫腐蝕和爐壁結(jié)渣等問題。圖6為焦作電廠3號爐第4層燃燒器一次風改造方案[33-34]。

圖6 焦作電廠3號爐燃燒器改造方案[32]Fig.6 Reforming scheme for No.3 furnace burner in Jiaozuo power plant[32]

2 逆向射流燃燒技術研究現(xiàn)狀

逆向射流燃燒技術的研究始于20世紀50年代中期，主要是逆向射流在氣體領域的試驗研究，我國從20世紀80年代起，開始將逆向射流技術試用于固體燃料低階煤或水煤漿的穩(wěn)定燃燒中，目前已將逆向射流燃煤燃燒器應用于工程實際。

2.1 氣體燃燒

國外對逆向射流的研究主要集中在飛機發(fā)動機以及燃氣輪機方面，且實現(xiàn)逆向射流的形式由之前一股獨立于主氣流的逆向射流發(fā)展到通過燃燒器獨特的幾何結(jié)構(gòu)使主氣流強制逆向回流。

獨立于主氣流方向的逆向射流研究是20世紀50年代Schaffer提出逆向射流火焰穩(wěn)定器后，美國的西北大學、加利福尼亞大學和杜蘭大學進行了逆向射流火焰穩(wěn)定機理研究。Schaffer等[2]以商業(yè)丙烷作為燃料，發(fā)現(xiàn)逆向射流可使火焰穩(wěn)定，且闡述了逆向射流火焰穩(wěn)定機理與鈍體穩(wěn)焰機理的區(qū)別，逆向射流的火焰臨界區(qū)在火焰前端出現(xiàn)，由未燃燒的燃料、循環(huán)氣體和逆向射流氣體組成；而鈍體的火焰臨界區(qū)在火焰脫落邊界出現(xiàn)，只由未燃燒的燃料和循環(huán)氣體組成。逆向射流的回流區(qū)可由射流動量控制，與鈍體相比可操作范圍大。逆向射流的組分多變，可為氣體和燃料的任意組合。Duclos等[3]基于Schaffer的研究，以商業(yè)丙烷為燃料，研究發(fā)現(xiàn)射流角度會影響火焰穩(wěn)定能力，單股逆向射流角度在180°時，火焰穩(wěn)定能力效果較好；雙股逆向射流沒有匯聚時，火焰的穩(wěn)定能力比單股逆向射流差，但其具有較好的火焰擴散能力；雙股逆向射流有匯聚時，2者尖端之間的距離對火焰穩(wěn)定能力具有較大影響，隨著2者距離減小，火焰穩(wěn)定能力趨向于單股逆向射流。Bellamy等[7]基于Schaffer 提出逆向射流火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定性特征來自“臨界區(qū)”的觀點，假設該臨界區(qū)相當于一個絕熱均質(zhì)化學反應器，開發(fā)了一種利用絕熱均質(zhì)化學反應器的穩(wěn)定特性確定逆向射流火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定性特征的方法，以商業(yè)丙烷為燃料，研究發(fā)現(xiàn)計算的穩(wěn)定性極限與試驗穩(wěn)定性極限相比可靠性高。Agoston等[8]以天然氣為燃料，研究逆向射流和火焰的物理結(jié)構(gòu)，證明了Schaffer提出的臨界區(qū)是均勻混合的、臨界區(qū)位于火焰的尖端區(qū)域的觀點是錯誤的，認為示蹤顆粒在其行程中明顯滯留的區(qū)域即為再循環(huán)區(qū)域，火焰穩(wěn)定的臨界區(qū)域是與環(huán)形再循環(huán)區(qū)域的上游部分和外部部分鄰接的擴散區(qū)域，該臨界區(qū)是非均勻混合的擴散性臨界區(qū)。Mcdannel等[4]以商業(yè)丙烷為燃料，研究了逆向射流火焰穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)和排放性能，結(jié)果表明，逆向射流產(chǎn)生穩(wěn)定反應所需的再循環(huán)區(qū)域中，逆向射流由預混燃料和空氣組成，在進入燃燒室總流量的占比小于10%，但對再循環(huán)區(qū)內(nèi)的質(zhì)量貢獻達1/3，且逆向射流直接射入回流區(qū)會直接影響穩(wěn)定區(qū)域混合物比率、溫度和尺寸，因此，可獨立改變射流和主流的混合比和速度比實現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒條件。

強制逆向回流研究主要以天然氣為燃料的SPRF燃燒器和以甲烷為燃料的CDC燃燒器。Seitzman等[10]首次提出了一種新型燃燒器設計理念，即SPRF燃燒器。該燃燒器可在預混或非預混燃燒模式下以超低NOx排放運行，數(shù)據(jù)表明，在2種模式下獲得了相同的NOx排放，但非預混合模式通常比預混合模式燃燒更穩(wěn)定。Bobba等[11]研究了SPRF燃燒室的流場和燃燒特性，結(jié)果表明，預混和非預混模式具有類似的火焰和流場結(jié)構(gòu)，粒子圖像測速儀(particle image velocimetry，PIV)測量結(jié)果表明，在燃燒室下半部分存在高湍流水平的減速區(qū)，化學發(fā)光成像(chemiluminescence imaging)和平面激光誘導氫氧基熒光(OH planar laser induced fluorescence，OH PLIF)結(jié)果表明，火焰確實錨定在高湍流強度區(qū)域中，瞬時OH PLIF圖像顯示燃燒器下半部分存在大的渦旋結(jié)構(gòu)，其將熱產(chǎn)物夾帶到反應物流中，有利于加快化學反應速率，從而增強火焰穩(wěn)定性。Gopalakrishna等[30]對非預混模式下超低NOx排放機理進行了研究，設想非預混模式下燃料和空氣在燃燒前已在燃燒器內(nèi)完全預混合或熱產(chǎn)物夾帶到燃料和空氣中降低氧原子濃度，從而降低NOx水平，油滴散射試驗結(jié)果表明，燃料和空氣混合發(fā)生在燃燒器的上游區(qū)域，而空氣和產(chǎn)物混合發(fā)生在反應物和產(chǎn)物反向流動之間的剪切層中，層流火焰計算結(jié)果顯示，產(chǎn)品夾帶不是導致在給定的總?cè)剂峡諝獗葪l件下低NOx排放的直接原因，甚至可能會使NOx水平略增。非預混NOx低排放水平主要是因為在燃燒發(fā)生前，大部分燃料和空氣的有效混合以及熱產(chǎn)物通過周圍空氣流被燃料屏蔽。Bobba等[34]研究了SPRF燃燒器內(nèi)的產(chǎn)物再循環(huán)和混合情況，隨著再循環(huán)水平的提高，反應物溫度升高，減少了燃燒器中的點火延遲，燃料和空氣混合試驗表明，燃料與熱產(chǎn)品隔離，直至燃料與空氣混合充分，因此非預混情況下燃燒仍較穩(wěn)定。Bobba等[35]從預混和非預混的流場結(jié)構(gòu)、火焰結(jié)構(gòu)、點火時間分析、熱產(chǎn)物夾帶等方面研究表明，SPRF燃燒器穩(wěn)定燃燒是低速、高湍流度和燃燒產(chǎn)物夾帶回流的綜合結(jié)果，低NOx排放的主要原因是燃燒前燃料和空氣充分混合，對于極貧燃料操作條件(過量空氣系數(shù)φ=0.51)，測得的燃燒室中NOx排放量低于1×10-6(基準O2為15%)。

2.2 煤粉燃燒

逆噴射流燃燒技術用于煤粉燃燒的試驗研究開始于中科院工程熱物理研究所和浙江大學，目前，煤科院節(jié)能技術有限公司已進行工業(yè)應用性試驗。

趙惠富等[5]于1987年提出采用環(huán)形逆向射流穩(wěn)定和強化水煤漿和低階煤的燃燒，逆向射流可使煤粉顆粒直接進入回流區(qū)，同時逆向射流可提供煤粉在回流區(qū)內(nèi)停留足夠長時間的流場結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，當射流速度比α較小時，煤粉顆粒直接貫穿環(huán)結(jié)構(gòu)，顆粒停留時間不足；α在合適范圍內(nèi)時，可形成良好的的回流區(qū)，大多數(shù)顆粒直接進入回流區(qū)進行強烈的動量、能量交換，顆粒停留時間加長；α過大時，動量過大的逆向射流把大部分顆粒直接壓向噴嘴出口的兩側(cè)。吳文東等[6]研究發(fā)現(xiàn)，影響環(huán)形逆向射流回流區(qū)的主要參數(shù)為α，當α=3時，主流直接穿透回流區(qū)，中心軸線兩側(cè)的回流區(qū)范圍很窄；當α=6時，回流區(qū)的形狀像馬鞍形，但當環(huán)形逆向孔數(shù)增加時，可改善回流區(qū)形狀，研究表明，環(huán)直徑、逆向射流孔徑和孔數(shù)、環(huán)的結(jié)構(gòu)形式和環(huán)到燃燒器出口的距離均會影響回流區(qū)特性，環(huán)直徑?jīng)Q定中心回流區(qū)的大小，多環(huán)形結(jié)構(gòu)可調(diào)整回流區(qū)尺寸，根據(jù)α選擇合適的環(huán)到燃燒器出口距離。趙惠富等[9]利用揮發(fā)分為14%的淮北貧煤研究了環(huán)形逆向射流的火焰穩(wěn)定性，結(jié)果表明，在調(diào)整逆向射流環(huán)位置過程中，火焰位置也隨之變化，且火焰可以穩(wěn)定。在阜新發(fā)電廠進行多環(huán)形逆向射流工業(yè)化試驗時，發(fā)現(xiàn)煤粉引燃后，著火迅速，火焰穩(wěn)定。邵晉槐等[39]通過水模擬試驗研究主流和逆向射流之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)2者之間會形成一個強烈的動量和能量交換區(qū)，這與Schaffer 提出的臨界區(qū)觀點一致，這個區(qū)域作用類似于鈍體，但又因該區(qū)域可直接進入煤粉顆粒而區(qū)別于鈍體。劉崇等[40]在望亭發(fā)電廠75 t/h煤粉爐上進行工業(yè)性穩(wěn)燃試驗研究，發(fā)現(xiàn)逆噴射流穩(wěn)燃器離噴嘴出口越近，著火越提前，并提出假設，通過改進穩(wěn)燃器結(jié)構(gòu)與主燃燒器相結(jié)合，可形成一個根據(jù)不同負荷起不同作用的多功能燃燒器。李勁等[41-42]研究發(fā)現(xiàn)，逆向射流和鈍體形成的回流區(qū)有明顯差別，鈍體形成的回流區(qū)是一個點火源，而逆向射流在改變射流介質(zhì)為N2時，火焰不穩(wěn)定，因此逆向射流所引起的回流區(qū)并不是點火源。逆向射流的冷態(tài)流場和N2側(cè)吹熄試驗研究表明，存在一個速度脈動強烈、流場混亂的臨界區(qū)(圖7)，該區(qū)對火焰穩(wěn)定起決定作用，同時逆向射流的引入產(chǎn)生了一個火焰能夠穩(wěn)定傳播的流場結(jié)構(gòu)。

圖7 臨界區(qū)示意圖[41]Fig.7 Schematic diagram of critical region[41]

趙惠富等[14,31,43]基于逆向射流的穩(wěn)定機理，設計了逆向復式射流預燃室燃燒器。對該燃燒器冷態(tài)流場研究發(fā)現(xiàn)，逆向射流所形成的回流區(qū)比在同位置放置相同外徑的鈍體形成的回流區(qū)的穿透深度、射流半寬以及回流速度要大；該燃燒室內(nèi)大顆粒(粒徑約為150 μm)的升溫速率為5.2×104K/s，小顆粒(粒徑約為20 μm)的升溫速率為2.3×104K/s，該升溫速率與在煤粉爐中升溫速率基本處于同一個數(shù)量級；煤粒在預燃室中大部分揮發(fā)分析出，焦炭開始燃燒。王月明等[44]針對水煤漿燃料易結(jié)焦的燃燒特點，將逆向射流與直流燃燒器耦合，既解決了旋流易使?jié){滴結(jié)焦壁面的問題，又通過延長水煤漿的停留時間解決了不易著火的問題。

20世紀90年代，上海交通大學章明川團隊[32-33,45-46]將逆向射流應用于電站鍋爐系統(tǒng)中，該技術于1993年首次成功應用于焦作電廠670 t/h無煙煤鍋爐改造，后來也成功用于德州電廠300 MW貧煤鍋爐改造，研究發(fā)現(xiàn)，將爐膛中一定層次燃燒器的一次風反向偏轉(zhuǎn)一定角度射入使切圓直徑減小，煤粒著火初期停留時間由之前0.35 s提高到0.80 s，延長了顆粒在著火區(qū)的停留時間，改善了煤粉的著火條件，緩解了原來四角切圓狀況下的爐內(nèi)高溫腐蝕和爐壁結(jié)渣等問題。在焦作電廠鍋爐改造中，測得左、右兩側(cè)最大煙溫偏差由150 ℃降至70 ℃，可見該部分逆向射流消弱了爐膛出口處的殘余旋轉(zhuǎn)量，有助于減小水平煙道入口處左右側(cè)煙速、煙溫偏差。劉綜緒等[47]針對660 MW四角切圓燃燒煤粉鍋爐汽溫偏差嚴重的問題進行試驗研究，結(jié)果表明，燃盡風反切角度對鍋爐的穩(wěn)定運行影響較小，因此通過改變?nèi)急M風反切角度來改變汽溫偏差是主要調(diào)節(jié)手段。沙龍等[48]針對1 000 MW 超超臨界褐煤鍋爐的燃盡風反切角度進行冷態(tài)試驗和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，最佳的燃盡風反切角度為10°，適宜反切角度可增強流場的湍流度，降低爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)，而反切角度過大會影響煤粉的穩(wěn)定燃燒。姚璐等[49]對330 MW四角切圓燃燒煤粉鍋爐進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，燃盡風氣流的反切作用可使主流旋轉(zhuǎn)強度減小，爐膛出口煙氣速度偏差降低。王超等[50]針對四角切圓燃燒鍋爐出口煙氣的煙溫、煙速偏差問題，對爐膛上部3層集中布置的燃盡風進行反切數(shù)值模擬，結(jié)果表明，當燃盡風反切角度為15°時，爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)度最小，出口截面煙氣溫度偏差最低。付忠廣等[51]針對300 MW機組四角切圓煤粉鍋爐的燃盡風反切角度對爐膛出口煙氣偏差影響進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，燃盡風反切對主燃燒區(qū)的流場影響較小，燃盡風適宜反切角度為15°。張小桃等[52]針對生物質(zhì)氣與煤粉混燃切圓鍋爐的燃盡風角度進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，最佳反切角度為15°。王乃繼等[15]建立了煤科院工業(yè)煤粉鍋爐體系。姜思源等[16]通過數(shù)值模擬研究了14 MW逆噴燃燒器穩(wěn)燃腔內(nèi)速度、溫度流場分布。郭猛猛等[53]研究了14 MW逆噴燃燒器在一次風管噴口處加裝鈍體后對煤粉燃盡率的影響。莫日根等[54]數(shù)值模擬研究了煤粉和水煤漿在逆向射流燃燒器中速度場的分布。

3 逆向射流燃燒技術的應用現(xiàn)狀與展望

目前SPRF燃燒技術是一種為燃氣輪機和飛機發(fā)動機提供的探索性技術，盡管解決了在貧燃料情況下的燃燒不穩(wěn)定問題，但其主要是在貧燃條件下燃燒，幾乎所有NOx都在火焰前緣產(chǎn)生，為快速型NOx；而對于實際燃燒器，燃料一般以化學計量比燃燒以獲得高熱效率，以熱力型NOx為主，目前這部分研究尚未開始，且SPRF燃燒器目前還是一個簡化裝置，該技術投入生產(chǎn)應用還需進一步深入研究。CDC燃燒技術具有超低污染物排放、多變配置模式和穩(wěn)定燃燒等優(yōu)點，但CDC的關鍵特征均勻熱場分布在高速空氣和燃料射流的限定空間中很難實現(xiàn)，這為CDC燃燒器投入工業(yè)生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)。

煤科院逆向射流雙錐煤粉燃燒器已有多年的工程應用，具有點火迅速、啟停時間短等優(yōu)點，但對逆向射流機理研究不深入。目前該燃燒器燃料物種單一，僅限于固體燃料，急需拓展到氣體燃料和液體燃料領域。20世紀，有少量一次風反切在電站鍋爐的工業(yè)應用，目前主要是燃盡風反切的工業(yè)應用，盡管燃盡風反切在一定程度上削弱了殘余旋轉(zhuǎn)，但有待深入研究如何合理控制燃盡風反切角度、反切動量以及反切層數(shù)等關鍵問題。

目前針對化石燃料清潔高效利用，已采用空氣分級燃燒、再燃、煙氣再循環(huán)、旋流、鈍體、臺階流等多種燃燒方式，在高效穩(wěn)定燃燒和降低NOx初始排放濃度方面取得了較好效果。但日益嚴苛的國家環(huán)保政策要求化石燃料的NOx初始排放越來越低，現(xiàn)有技術很難再有新的突破。將逆向射流機理拓展到化石燃料高效燃燒領域與現(xiàn)有的低氮穩(wěn)燃技術相融合，為化石燃料清潔高效利用提供了新的途徑。

4 結(jié) 語

逆向射流燃燒技術在提高燃燒效率的同時可降低NOx初始排放濃度，具有廣闊的應用前景，是未來高效低污染燃燒技術的發(fā)展方向之一。逆向射流流場分布的多變性使其既能控制熱力型NOx的生成，也能控制燃料型NOx的生成，在氣體燃燒中逆向射流可將熱產(chǎn)物夾帶到反應物流中形成穩(wěn)定燃燒的均勻熱流場，進而控制熱力型NOx的生成。在煤粉燃燒中逆向射流可形成一個可控組分、大小、形狀和位置的回流區(qū)，且可將煤粉直接送進回流區(qū)的同時，還可控制煤粉在回流區(qū)的停留時間，進而控制燃料型NOx的生成，因此該技術可實現(xiàn)煤粉穩(wěn)定、高效、低氮燃燒，并具有較好的煤種適應性。逆向射流流場分布的復雜性以及對逆向射流機理認識的不全面導致其應用推廣受到制約。目前逆向射流燃燒技術在氣體燃燒領域仍處于試驗性研究，未進行實際工程應用；在煤粉燃燒領域處于工程應用階段，如煤科院節(jié)能技術有限公司的逆向射流雙錐燃燒器。綜上，逆向射流燃燒技術耦合低氮穩(wěn)燃技術將會是未來高效低污染技術的進一步發(fā)展方向。