劉新華，韓振南，韓健，梁斌，張楠，胡善偉，白丁榮，許光文

（1 中國科學院過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100190； 2 沈陽化工大學特色資源化工與材料教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110142）

引 言

先進的燃燒技術追求高燃燒效率（或燃料轉化率）、高燃料適應性、低污染物生成和低過程消耗（能耗）。燃料燃燒是復雜的反應體系，對應復雜的反應過程。一方面發(fā)生系列化學反應，包括熱解、裂解、氧化、還原、吸收等，另一方面與反應器中多相流動和傳遞緊密關聯和強相互作用，共同決定了燃燒的基本特性。如燃燒技術通常按反應器的類型進行分類，包括固定床、鏈條爐、流化床、氣流床燃燒等，其本質是因為不同類型反應器具有不同的流動和傳遞特性，從而顯著作用和影響燃料的燃燒特性。同時，燃燒技術領域中大量采用燃料及空氣分級、煙氣循環(huán)、燃料粒度調整、燃燒氣體氧增濃等措施，以有效提升燃燒效率、降低污染物排放，本質也是“調控燃燒設備或燃燒器中的多相流動和傳遞，包括時空分布，進而優(yōu)化燃料燃燒行為”的技術措施。Yue 等[1]總結這種技術思路為基于“流態(tài)重構”的燃燒技術創(chuàng)新方法。

另一方面，燃燒過程發(fā)生的系列化學反應存在先后順序，如圖1 所示，從而形成燃燒過程反應鏈。自燃料的干燥、熱解，到揮發(fā)分反應（裂解、重整、變換等）和半焦燃燒，反應條件的苛刻程度和分子斷裂深度逐漸加深。發(fā)生在上游的反應的產物為下游反應提供反應物，同時該產物也可能與下游反應強相互作用，形成燃燒過程的復雜反應網絡[2]。這種某一反應的產物對另一反應的相互關聯及作用的關系可能是決定燃燒技術重要特性的關鍵因素，需要強化有利的作用關系、抑制不利的影響。在傳統(tǒng)燃燒中，相關的化學反應發(fā)生于同一時空，難以針對性地調控不同反應之間的作用關系。圖1所示按順序發(fā)生各種化學反應的反應鏈特征使得有可能分離不同的特征反應，以解除各反應在常規(guī)燃燒反應體系中的耦合關系，并根據調控的需要重構被分離的化學反應及其相互作用。這種直接調控不同反應間相互作用關系的方法被稱為反應解耦（reaction decoupling）[2]，或從“重構”不同反應之間關系的角度定義為“反應重構(reaction restructuring)”。

圖1 燃料燃燒過程各種反應的發(fā)生順序及反應鏈Fig.1 Reaction sequence and chain in fuel combustion process

固體燃料解耦燃燒（decoupling combustion）是依據上述“反應解耦”并實施“反應重構”思路而最早創(chuàng)新和發(fā)展的通過反應調控形成的先進燃燒技術，對應于Yue等[1]基于“流態(tài)重構”研發(fā)大規(guī)模先進循環(huán)流化床燃燒技術的方法，分別代表先進燃燒技術研發(fā)的兩種不同創(chuàng)新思路。李靜海等于1997 年在歸納總結其研發(fā)的煤炭無煙燃燒方法與設備的基本原理時提出了“解耦燃燒”這一技術術語[3-5]，至今持續(xù)開展了系統(tǒng)的煤炭與生物質解耦燃燒機理研究與產品開發(fā)[6-13]，并擴展應用于循環(huán)流化床燃燒[5,14]，實現了廣泛應用。本文旨在總結解耦燃燒原理及其在民用和工業(yè)燃燒中的應用效果以及開發(fā)和推廣情況，以展示反應解耦并重構的方法對于創(chuàng)新先進燃燒技術的有效性和對于推動技術進步的重要性。

1 反應重構解耦燃燒原理

在固體燃料燃燒過程中，隨著溫度的升高，燃料水分率先蒸發(fā)，揮發(fā)分氮隨后因燃料熱解主要以HCN 和NH3的形式快速釋放，并與氧氣發(fā)生快速均相燃燒反應產生NOx。熱解生成的半焦及其所含氮在貧氧條件下發(fā)生相對溫和的非均相燃燒反應，產生包括CO、NOx和顆粒物（PM）等在內的污染物以及各種有機物排放[15]。當燃燒溫度在約1500℃以上時，空氣氮也會被氧化生成熱力型NOx[16]。在傳統(tǒng)耦合燃燒（coupled combustion）中，如圖2(a)所示，雖然高溫氧化性氣氛有利于熱解揮發(fā)分及半焦的完全燃燒，但卻不利于抑制熱力型NOx的生成和促進燃料型NOx的還原。特別是對于小型燃燒設備，由于燃料不易燃盡，因而效率低、污染物排放高。

基于熱解和燃燒反應重構的低NOx解耦燃燒采用的方法如圖2(b)所示，固體燃料首先在低溫貧氧條件下熱解，生成的NH3在還原性氣氛中與氧氣反應傾向于生成氮氣而非NOx[17]；生成的還原性熱解氣（NH3、HCN、CO）及半焦均可以與NOx反應使之還原為氮氣[18-19]；可燃性揮發(fā)分及半焦隨后在高溫氧化性條件下燃燒并燃盡。其中，半焦既是熱解反應的主要反應物，同時還吸附熱解揮發(fā)分、催化揮發(fā)分的裂解及重整[20]以及還原燃燒形成的NOx[21-23]。He 等[6]最早開展了煤炭解耦燃燒過程中NOx生成和還原機理研究，發(fā)現解耦燃燒技術可降低NOx排放39%，并認為高溫半焦的非均相還原作用是煤炭解耦層燃爐中降低NOx生成的主要原因。但生物質燃料的揮發(fā)分含量較高而固定碳含量較低，因此充分利用熱解揮發(fā)分對NOx的均相還原作用可能是抑制生物質解耦燃燒NOx生成及排放的關鍵因素[24-26]。Song 等[27]和Do 等[28]研究發(fā)現熱解產生的熱解氣、焦油和半焦對NOx的還原能力不同。如圖3 所示，焦油和半焦對NOx的還原活性和能力相對較強，特別是當反應溫度高于900℃時，焦油對NOx的還原效率（活性）最高、半焦次之、熱解氣最低[28]。這是由于熱解焦油在較高溫度下裂解產生的大量高活性、高還原性自由基易于與NOx發(fā)生均相還原反應生成氮氣。半焦在其表面形成自由活性位C*、進而還原NOx的非均相反應往往受到傳質限制。由H2和CO等穩(wěn)定小分子氣體組成的熱解氣由于難以裂解形成自由基，因而還原活性最低[24,29-32]。

圖2 傳統(tǒng)燃燒和解耦燃燒原理Fig.2 Principles of traditional combustion and decoupling combustion

圖3 不同熱解產物還原NO能力對比（NO還原效率代表NO還原能力）[25]Fig.3 NO reduction capabilities of pyrolysis products(NO reduction efficiency represents NO reduction capability)[25]

固體燃料高效低NOx解耦燃燒的關鍵是如何匹配熱解與燃燒過程，一方面實現揮發(fā)分和半焦的高效燃燒，另一方面盡可能發(fā)生“利用熱解產物自身（焦油、半焦、熱解氣）的還原活性和反應容量抑制NOx生成”的低氮反應。解耦燃燒通過對熱解和燃燒反應的分級控制（相當于燃料分級）來匹配空氣分級實現低氮燃燒，但也要求相應匹配固體燃料熱解吸熱反應與揮發(fā)分及半焦燃燒放熱反應，以保障有效的熱供給而使燃料干燥和有效熱解?？梢允褂貌煌姆磻鲗崿F這種反應解耦和被解耦反應間的熱量匹配及反應重構，從而形成后述基于解耦燃燒原理的不同解耦燃燒技術及燃燒爐。由于低氮燃燒的機理復雜性和實際應用中的條件限制，針對中小型層燃或大型室燃應用場景以及煤炭與生物質燃料性質的不同，固體燃料解耦燃燒需要采取固定床、移動床或流化床等不同的實施方案并優(yōu)化反應器結構參數才可能實現熱解反應與燃燒反應之間的有效熱匹配與反應分級調控，從而充分利用分級燃燒以及熱解氣、焦油和半焦對NOx的還原性，提高燃燒效率并降低NOx等綜合污染物的排放。

2 固定爐排解耦燃燒

在分散式供熱應用領域，固體燃料燃燒一般采取固定爐排，如在我國農村和城郊地區(qū)被廣泛使用的各種民用燃煤爐。如圖4(a)所示，傳統(tǒng)燃煤爐的一個典型特征是燃料在被從爐膛上部加入后依靠重力向下移動，隨后的燃料熱解與半焦燃燒發(fā)生在單一爐膛中。依據燃燒煙氣流動方向與燃料移動方向的不同，傳統(tǒng)燃燒方式又可分為正燒（updraft）和反燒（downdraft）兩種形式。空氣從爐膛下部引入，煙氣逆重力向上流動的燃燒稱為正燒；反之，空氣從爐膛上部引入，煙氣順重力向下流動的燃燒稱為反燒。在傳統(tǒng)正燒模式下，燃料熱解與半焦燃燒在高溫氧化性條件下相互耦合，燃料層厚度呈現周期性變化，使添加燃料過程容易冒黑煙，難以實現高效燃燒，以及NOx、CO 和PM 的穩(wěn)定低排放。傳統(tǒng)反燒模式通過改變煙氣流向而使其向下穿過高溫半焦層，從而有效解決了加煤冒煙和揮發(fā)分不易燃盡的問題，但仍然難以徹底解決CO 和NOx排放較高的問題，且底部半焦燃燒區(qū)由于氧氣量不足，可能反而增高大分子烴類和有機物的排放[33]。

固定爐排低NOx解耦燃燒爐的典型結構如圖4(b)所示，將傳統(tǒng)的單一爐膛由中隔墻分成在底部連通的左燃燒室和右熱解室兩部分。燃料由熱解室的上部加入，空氣通過下部的傾斜爐排引入，半焦主要在雙爐膛的連通區(qū)域燃燒，煙氣從燃燒室上部排出[6]。這種結構可以使爐排通風不直接貫穿新裝燃料層，熱解室下部爐排上的半焦燃燒所產高溫煙氣的一部分沿中隔墻上行，使上部燃料層受熱發(fā)生熱解和部分氣化，從而避免熱解與燃燒在同時空完全耦合的問題。熱解及部分氣化產生的氣體與部分高溫煙氣在煙囪的拔力作用下，穿過底部的高溫半焦層，并經由中隔墻下部的連通區(qū)域進入燃燒室。顯然，下部燃燒火口的高度和傾斜爐排的角度決定了高溫半焦層的厚度以及引入空氣在熱解和燃燒室之間的分配比例。因此，針對不同的燃料性質，通過合理控制這兩個結構參數，可充分利用熱解室的還原性氣氛以及連通區(qū)域的高溫半焦層對NOx的還原作用，并保證可燃氣體和半焦在適宜的高溫氧化性氣氛中有效燃燒，尤其保障CO、大分子有機物和炭黑顆粒等的充分燃燒，實現民用爐中NOx和CO 的同時減排、解決易冒黑煙的難題，同時提高煤和生物質等固體燃料的民用爐燃燒效率[34-35]。

圖4 傳統(tǒng)民用爐和解耦燃燒爐的典型結構及原理Fig.4 Typical structures and principles of traditional and decoupling combustion stoves

基于現有的大量實驗和模擬數據，利用機器學習方法建立了解耦燃煤爐污染物排放與其結構參數、燃料性質之間關系模型，可快速模擬預測NOx和CO排放隨爐排角度和火口高度的變化，以針對特定的煤種對解耦爐進行快速輔助設計和結構優(yōu)化[36]。如圖5 所示，較小的爐排角度或較大的火口高度會增加煤炭與半焦層的厚度，延長熱解可燃氣和高溫煙氣通過半焦層到達燃燒室的停留時間，因而有利于抑制NOx的形成，但半焦不完全燃燒可能會導致CO排放的增高。相反，較大的爐排角度或較小的火口高度可能會導致火口區(qū)域氧氣過量，從而促進燃料氮向NOx的轉化，但也可能因溫度過低導致CO 燃燒不完全，形成CO 逃逸。只有在合適的爐排角度和高火口高度，或低爐排角度和低火口高度兩種結構參數很好匹配的條件下，熱解室中才可能形成有效的氣體循環(huán)流動，充分利用還原性氣體和高溫半焦還原NOx，且確保半焦及可燃氣體在燃燒室的充分燃燒。如圖5中的灰色標記區(qū)域所示，在NO排放很低的最優(yōu)區(qū)域，CO的排放卻急劇升高；而CO排放最低的最優(yōu)區(qū)域與NO 排放較低的次優(yōu)區(qū)域有重疊，因此該重疊區(qū)域所對應的燃燒爐結構參數（爐排角度和火口高度分別是18°和180 mm 左右）是能夠保障測試煤種解耦燃燒時的NO 和CO 排放均較低的最佳結構參數。

圖5 基于機器學習的解耦爐結構快速設計與優(yōu)化[36]Fig.5 Machine learning-aided prompt design and optimization of decoupling combustion stoves[36]

基于優(yōu)化的解耦爐具結構參數，在山東建成了年產五萬臺民用解耦爐的自動化生產線，生產的燃煤爐產品獲得了廣泛應用，取得了良好的節(jié)能減排效果。如圖6所示，在正燒模式下燃燒煙煤型煤時，揮發(fā)分的析出與焦炭的燃燒完全耦合，使揮發(fā)分可能未經充分燃燒就被直接排出，形成較高CO 排放濃度，其顆粒物（PM）和多環(huán)芳烴（PAHs）的排放因子（EF）均很高，極容易產生黑煙[37]。在反燒模式下，揮發(fā)分及其他細顆?？扇嘉镯樦亓Υ┻^高溫半焦層，促進揮發(fā)分的燃燒，形成對NOx的還原，致使NO、CO、PM 和PAHs 的排放均顯著降低。但是，反燒模式因燃料層下部氧氣不足，沒有徹底解決焦炭的低氮高效燃燒問題，其PAHs 排放仍然相對較高。特別是在燃燒煙煤塊煤時(圖7)，反燒模式的燃燒效率（MCE）甚至比正燒模式還要低，非甲烷總碳烴（non-methane hydrocarbons, NMHCs）排放比正燒模式還高[33]。無論燃燒煙煤塊煤、煙煤型煤還是蘭炭，解耦燃燒由于融合燃料和配風雙重分級，協同揮發(fā)分和半焦燃盡反應，形成了充分利用還原性氣體和高溫半焦抑制NOx生成的“重構”燃燒反應區(qū)，因而獲得了較好的污染物綜合減排和燃料高效燃燒效果，且該固定爐排爐的燃料適應性強。

圖6 不同燃燒方式污染物排放對比Fig.6 Comparison of pollutant emissions in different combustion modes

圖7 不同煤爐匹配方式的NMHCs排放因子[33]Fig.7 NMHCs emission factors of different combustion modes[33]

生物質燃燒更多涉及揮發(fā)分與氧氣的均相燃燒，所以生物質爐的燃燒室NOx控制也很重要，但仍可采用如圖4(b)所示的兩爐膛結構實施反應解耦和重構。為了適應生物質燃料高揮發(fā)分和低固定碳含量的特點，適當增加傾斜爐排角度以增大燃燒室供風。同時，適當增加熱解室下部穩(wěn)定高溫半焦層的厚度不僅可以強化對熱解室NOx生成的抑制，還有利于氣體和細顆粒可燃物與氧氣的混合，并增加高溫燃燒反應停留時間，從而促進可燃物的完全燃燒[38]。如圖8 所示，在根據上述設計思想制造并優(yōu)化的解耦爐中單獨燃燒某種生物質顆粒燃料時，NO的排放濃度不高于400 mg/m3（基于9%（體積）O2，下同），CO 排放濃度為1600 mg/m3（相當于約0.8 g/MJ），遠低于國家生物質爐CO 排放標準。此外，將煤炭與生物質混燒還有可能進一步利用二者之間的污染物協同減排作用[39]，并盡可能發(fā)揮解耦爐的節(jié)能降氮潛力。圖8中虛線表示根據單獨燃燒生物質顆粒和煙煤型煤的排放指標通過線性加權計算得到的混燒排放結果，實線為實測的混燒結果?？梢钥闯觯鞜鼵O 排放遠低于單燒生物質時的CO 排放，且實測NO 和CO 排放均低于加權平均的計算結果。這一方面是因為熱解室的低溫貧氧條件減少了揮發(fā)分氮向NOx的轉化，另一方面還在于解耦爐中的高溫半焦層抑制了NOx生成并促進CO燃盡。

圖8 煙煤型煤與生物質顆粒混燒污染物排放Fig.8 Emissions from co-firing bituminous briquettes and biomass pellets

3 移動爐排解耦燃燒

固體燃料移動爐排燃燒大量存在于工業(yè)燃燒中，其中最廣泛的是鏈條爐。如圖9（a）所示，傳統(tǒng)鏈條爐采用爐膛高溫煙氣和爐拱輻射加熱新裝燃料層上表面而點火的燃燒方式。為此，后爐拱必須向前延伸至接近進煤區(qū)，爐膛出口只能靠近爐排前端。為縮短點火區(qū)長度和保障可燃物燃盡，爐膛中前部必須形成高溫富氧條件，因此無法通過配風在爐膛燃燒的中前期形成低溫貧氧區(qū)，以抑制揮發(fā)分氮向NOx的轉化。鏈條爐低氮燃燒一般通過煙氣再循環(huán)降低助燃風氧濃度來減少燃料氮的NOx生成[40-41]。由于爐膛出口區(qū)域的爐排通風強度遠大于前后區(qū)域，易產生局部燃燒強度過高，從而導致燃料層結焦和配風不均勻以及顯著的不完全燃燒。燃料層下部受導熱性差的灰渣覆蓋，并被新入空氣冷卻得不到有效加熱，燃料可能到達爐膛中部方能著火，燃料不易燃盡，因此大幅降低燃燒效率。

圖9 傳統(tǒng)鏈條爐和解耦鏈條爐典型結構及原理Fig.9 Typical structures and principles of the traditional gratefiring boiler and the decoupling combustion grate-firing boiler

受爐排熱強度的限制，小型固定爐排解耦燃燒原理無法應用于鏈條爐。為在鏈條爐中應用先低溫貧氧熱解、再高溫氧化燃燒的低NOx解耦燃燒原理[圖9（b）]，在鏈條爐前端增加一往復爐排預燃裝置，形成了固體燃料移動爐排解耦燃燒技術[11-13]。該預燃裝置使部分新加入的燃料預先點燃并鋪設在主爐排的下層，以為主爐排上層的新燃料層的熱解供熱，從而達到預燃穩(wěn)燃的效果。通過調節(jié)主爐排配風可使該新型鏈條爐的主爐膛從前到后分為貧氧燃燒區(qū)和富氧燃盡區(qū)，從而實現燃料熱解與半焦燃燒的時空分離和工業(yè)鏈條爐的解耦燃燒。由于不再依賴高溫爐膛和前后拱的輻射熱點火，因而在后拱可以大幅簡化的同時還可將煙氣出口轉移到主爐排末端，而通過調節(jié)爐膛配風以及爐膛中部隔墻的位置還可以控制還原性氣氛向氧化性氣氛的適時過渡。因此，移動爐排解耦燃燒不僅使揮發(fā)分氮經歷較長時間的貧氧燃燒過程，從而有效降低揮發(fā)分氮向NOx的轉化，而且還使燃料層下部先著火而在上部形成還原層，從而更利于抑制焦炭氮向NOx的轉化[42]。此外，預燃穩(wěn)燃以及自下而上的燃燒方式也使得固體燃料在主爐排首端就開始著火，因而可快速均勻燃燒和充分燃盡，并可通過增加燃料層厚度來保障前端熱解區(qū)穩(wěn)定的還原性氣氛和降低后端焦炭燃燒區(qū)焦炭氮向NOx的轉化。

與固定爐排解耦燃燒類似，在移動爐排解耦燃燒過程中，通過調節(jié)燃料層厚度以及預燃風占比或主爐排配風比例可以較容易地調節(jié)燃料熱解與半焦燃燒過程之間的匹配，從而充分利用還原性氣體和高溫半焦對NOx的還原作用而達到最優(yōu)的解耦燃燒效果。如圖10 所示，在一個700 kWth解耦燃燒鏈條爐中燃燒煙煤型煤時，燃料層厚度從120 mm增加到180 mm 使得NOx和CO 的原始排放濃度從179 mg/m3和111 mg/m3分別降低到107 mg/m3和86 mg/m3，對應的底渣含碳量和爐膛出口氧氣量從10.90%和10.61%分別降低到8.39%和6.99%。燃料層高度的增加一方面增大了主爐排上半焦層的厚度，從而增強了高溫焦炭層對NOx的還原作用，減少了焦炭氮向NOx的轉化[42]；另一方面也會增強爐內還原性氣氛，從而抑制揮發(fā)分NOx的生成。燃料層厚度的增加意味著非均相燃燒強度的增大，且半焦燃燒區(qū)域延伸到爐膛后部，使爐膛出口區(qū)域溫度提高，有利于包括CO 在內的可燃物的燃燒和燃盡。當燃料層厚度增加時，為了使鍋爐出力保持基本恒定，主爐排轉動速度相應降低，因而延長了半焦在爐排上的燃燒時間，因而煙氣出口含氧量和底渣含碳量都相應降低。所以，燃料層厚度的適度增加有利于增強移動爐排解耦燃燒的減排增效效果。

圖10 燃料層厚度對污染物排放和解耦燃燒效率的影響Fig.10 Effect of fuel bed depth on pollutant emission and combustion efficiency in the decoupling combustion grate-firing boiler

如圖11所示，采取將預燃風占比從20%提高到25%左右來調節(jié)爐膛首端熱解和燃燒氣氛時（CaseⅡ），由于燃料燃燒更加充分，所以底渣含碳量和爐膛出口氧氣量與基準工況（Case Ⅰ）相比有所降低，而NOx和CO 的原始排放濃度卻略有增高。類似地，采取降低爐排前段風量而增加后段空氣量的推遲配風方式來增強爐膛前端還原性時（Case Ⅲ），爐膛出口氧氣和CO 濃度與基準工況相比變化不明顯，但由于推遲了顆粒的燃燒，縮短了顆粒的燃燒時間，且爐排末端生成的NOx缺少有效的還原，因而爐膛出口NOx原始排放濃度以及底渣含碳量反而升高[43]。這表明只有當燃料熱解與半焦燃燒過程相互匹配時，解耦燃燒才可能發(fā)揮較好的節(jié)能降氮潛力。部分預燃措施的主要作用是解決移動爐排燃燒過程中燃料熱解與半焦燃燒的熱耦合問題，保證良好的預燃穩(wěn)燃效果，并可提高對燃料、特別是高濕燃料的適應性。

圖11 熱解-燃燒過程匹配對污染物排放和解耦燃燒效率的影響Fig.11 Effect of pyrolysis-combustion combination on pollutant emission and combustion efficiency in the decoupling combustion grate-firing boiler

由于預燃穩(wěn)燃技術使新燃料在主爐排首端就開始著火燃燒，實質上延長了爐排的有效長度和燃料的燃燒時間，因此解耦鏈條爐燃燒煙煤型煤時的底渣含碳量一般在10%左右或稍低。即使燃燒含碳量更高的蘭炭型煤，其底渣含碳量一般也低于20%。以煙煤型煤為燃料時，如圖12 所示，在解耦鏈條鍋爐主爐排前段，爐膛溫度和氧氣濃度均較低，而爐膛后段溫度和氧氣濃度顯著升高。即使燃燒相同燃料層高度的蘭炭型煤，雖然蘭炭點火困難導致主爐排入口處氧氣含量較高，但隨后氧氣濃度隨著具有高反應活性的蘭炭的劇烈燃燒而急劇降低，且在主爐排的后端又再度升高。這表明在解耦鏈條爐中實現了真正的先低溫貧氧、后高溫氧化的空氣分級燃燒，從而實現較低的NOx和CO 原始排放。如圖13 所示，當燃燒生物質顆粒燃料時，爐膛出口NOx原始排放濃度是139 mg/m3，而CO 原始排放濃度雖然波動較大，但其平均值也不高于459 mg/m3。

圖12 解耦鏈條爐爐膛內的溫度和氧氣濃度分布Fig.12 Distributions of temperature and oxygen content in the decoupling combustion grate-firing boiler

圖13 不同燃料在解耦鏈條爐中燃燒時的污染物排放Fig.13 Pollutant emissions from burning different fuels in the decoupling combustion grate-firing boiler

為經濟有效地解決現有許多傳統(tǒng)燃煤鏈條爐都存在的底渣含碳量高和煙氣NOx排放濃度高等問題，可采用在鍋爐煤倉與爐膛入口之間增加預燃點火裝置而不改變原鍋爐爐膛內部結構的方式來對其進行解耦燃燒改造[44]。如表1 所示，在經解耦燃燒改造后的某14 MWth的燃煤鏈條爐中燃燒煙煤型煤時，鍋爐NOx原始排放降低36.7%，爐膛出口煙氣氧含量由14.1%降至10.7%，底渣燒失量大幅降低57.4%，鍋爐熱效率達到了82%。

表1 傳統(tǒng)鏈條爐的解耦燃燒改造效果［44］Table 1 Improvement of traditional grate-firing boilers by using decoupling combustion technology［44］

4 流化床解耦燃燒

基于反應解耦與重構原理，流化床解耦燃燒（fluidized bed decoupling combustion, FBDC）技術是利用雙流化床系統(tǒng)將燃料熱解與熱解產物燃燒進行解耦分離并重構的[14,45-46]。如圖14 所示，燃料首先被送入流化床熱解器進行干燥和熱解，生成的固體半焦進入提升管燃燒器底部與一次風接觸進行貧氧燃燒，而熱解氣體產物（焦油和熱解氣）進入半焦燃燒區(qū)上方，通過再燃和半焦還原作用協同降低原始NOx；未反應的半焦和循環(huán)床料被旋風分離器收集并返回至燃燒器和熱解器，實現熱解和燃燒過程間的熱量匹配。由于熱解和燃燒兩個反應在相互隔離的流化床反應器中進行，更有利于各反應過程精確調控和反應器放大，以滿足燃燒過程NOx脫除最大化和技術大規(guī)模工業(yè)化。此外，燃料在進入提升管燃燒器前首先經過干燥和熱解過程，生成的固體半焦幾乎不含水或含水率較低，避免了燃料自身含水對燃燒過程和燃燒穩(wěn)定性的影響，因此該技術對褐煤、工業(yè)生物質廢棄物等高含水燃料適應性強。

圖14 流化床解耦燃燒技術原理示意圖[46]Fig.14 Principle diagram of fluidized bed decoupling combustion(FBDC)technology[46]

循環(huán)流化床燃燒爐膛中下部溫度一般在900℃。根據圖3，在實際工業(yè)提升管燃燒器中，焦油和半焦對NOx的還原決定了NOx整體形成特性，最大化熱解過程中的焦油和半焦收率是確保NOx高效脫除的最直接最有效方法。對于煤、生物質和油頁巖等常規(guī)固體燃料，熱解產物分布往往由熱解溫度決定，即熱解半焦收率隨熱解溫度升高而逐漸降低，熱解氣收率隨熱解溫度升高而逐漸升高，焦油收率在中低溫范圍（400～600℃）內最大。因此，相較于600℃以上的高溫熱解條件，流化床解耦燃燒技術采用中低溫熱解條件更易實現NOx的整體高效脫除，同時中低溫熱解半焦也具有更高的燃燒反應性和NOx還原性[21]。對于流化床解耦燃燒技術，熱解器內反應所需熱量主要由高溫循環(huán)床料提供，通過控制進入熱解器的床料量即可實現燃料熱解溫度的精確調控。

為驗證技術特點和可行性，中國科學院過程工程研究所搭建并試驗了1000 t/a 流化床解耦燃燒中試平臺（圖15），包括鼓泡流化床熱解器、輸送床（提升管）燃燒器、返料閥和旋風分離器等。原料是含水43.8%(質量)的白酒糟，一種典型高含水、高含氮的生物質燃料，其氮含量（干燥無灰基）可達到3.4%～4.0%（質量）?？諝夂偷獨饣旌蠚庾鳛闊峤夥磻髁骰瘹怏w，通過控制床料（河沙）循環(huán)量和過量空氣系數使熱解溫度維持在450～600℃，以確保較高的熱解焦油產率。提升管燃燒器溫度通常為800～950℃。該中試平臺擁有循環(huán)流化床燃燒和流化床解耦燃燒兩種運行模式，如圖16（a）、（b）所示。白酒糟循環(huán)流化床燃燒時煙氣NO 濃度達(600～950)×10-6，而流化床解耦燃燒穩(wěn)定運行的煙氣中NO濃度僅為100×10-6左右，較傳統(tǒng)燃燒技術降低了80%～90%[47]。

圖15 白酒糟1000 t/a流化床解耦燃燒中試裝置工藝流程Fig.15 Process flow diagram of a FBDC pilot treating 1000 t/a distilled spirit lees

圖16 白酒糟在不同燃燒模式下的煙氣排放特性[47]Fig.16 Flue gas emissions from burning distilled spirit lees in different combustion modes[47]

2013 年，中國科學院過程工程研究所與相關企業(yè)合作實施了6 萬噸/年白酒糟流化床解耦燃燒示范工程，如圖17 所示。該示范工程采用含水30%～40%（質量）的白酒糟作為原料，采用粒徑0～3 mm的河沙作為循環(huán)床料。如圖18所示，示范工程連續(xù)穩(wěn)定運行時，流化床熱解器溫度維持在600℃左右，提升管燃燒氣溫度維持在700～900℃，驗證了該技術和裝置可保證高含水燃料的穩(wěn)定燃燒，且穩(wěn)定運行時的煙氣NO 濃度不高于90×10-6，較傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒NOx排放[圖16(a)]降低80%以上[46,48]，展現出傳統(tǒng)低氮燃燒技術（空氣分級、燃料分級、煙氣循環(huán)等）難以比擬的技術優(yōu)勢。

圖17 年處理量6萬噸白酒糟流化床解耦燃燒示范工程照片Fig.17 Demonstration plant of FBDC with a capability of 60000 t/a distilled spirit lees

圖18 白酒糟流化床解耦燃燒示范工程系統(tǒng)典型溫度變化及煙氣排放特性Fig.18 Variation of typical temperatures and flue gas emissions in the demonstration plant of FBDC

5 結論及展望

作為一種創(chuàng)新的燃燒技術，解耦燃燒通過在時間和空間上解除燃料熱解與半焦燃燒的耦合，再針對燃燒調控目標和原理（低NOx、高效率），重構揮發(fā)分與半焦燃燒反應，強化熱解產物（揮發(fā)分、半焦）對燃燒NOx的還原作用，最大化對燃料燃燒過程NOx生成的抑制，實現低NOx燃燒。本質上，解耦燃燒融合了燃料及空氣分級，有效發(fā)揮了揮發(fā)分、半焦等熱解產物在燃燒中對NOx的還原，并保障揮發(fā)分和半焦的完全燃燒，同時實現清潔和高效燃燒。

低NOx解耦燃燒的反應解耦和重構，可充分利用固定爐排、移動爐排和流化床等不同類型的燃燒反應器，表明技術對煤炭、生物質等不同類型燃料的強適應能力。中小型解耦層燃技術和大型解耦室燃技術已分別在民用和工業(yè)供熱領域的煤燃燒方面獲得了規(guī)模化示范應用，并通過流化床反應器成功拓展形成了基于雙流化床系統(tǒng)的可大型化流化床解耦燃燒技術，對白酒糟、糠醛渣、林業(yè)生物質廢物等應用形成了年處理萬噸至6萬噸燃料的多套應用工程，驗證了降低NOx排放的有效性，使含氮高達4%(質量)的生物質廢物可直接燃燒達到NOx排放標準。

“雙碳”背景下，低NOx解耦燃燒技術通過普及對民用及工業(yè)鍋爐的應用，尤其對高氮生物質及有機廢物處置的大量推廣，不僅可有效處置有機固體廢棄物，包括工業(yè)危廢、醫(yī)療廢棄物、生活垃圾等，而且還將極大貢獻國家“碳達峰”“碳中和”要求的大規(guī)模碳減排。我國已裝有數千臺循環(huán)流化床燃煤鍋爐，如果沒有尾端的煙氣治理，很多難以直接達到超低排放要求。但是，煤炭流化床解耦燃燒可能使NOx排放直接達到超低水平，如煙氣NOx直接達30×10-6，以形成基于“反應重構”的新一代超低NOx流化床燃煤新技術，無疑具有重要科學意義和應用價值。作為“反應重構”創(chuàng)新的方法和技術，應深入研究，推動針對各類煤、生物質等燃料的拓展應用，全面降低NOx排放，并提高燃燒效率，貢獻“雙碳”戰(zhàn)略。

同時，解耦燃燒蘊含的“反應解耦”和“反應重構”理念或方法代表了一種可有效應用于復雜反應體系及其轉化過程的反應及其產物調控的創(chuàng)新思路[49]，可有效拓展應用于燃料熱解、燃料氣化等其他重要的熱轉化技術，以推動這些轉化方法和技術的創(chuàng)新發(fā)展，甚至形成變革性成果。本質上，至今的研發(fā)更多集中于認識和實踐“反應解耦”，被解耦反應的“重構方法”和因為重構形成的燃料熱化學轉化“反應重構”效應的研究及其產業(yè)化開發(fā)應是今后的發(fā)展重點。同時，“流態(tài)重構”可與“反應解耦”和“反應重構”協同實施，推動更多燃料熱轉化技術創(chuàng)新。

針對燃料熱解過程研究反應解耦，形成了顆粒反應和揮發(fā)分反應兩大類，創(chuàng)建了“顆粒反應發(fā)生于快速強加熱條件，揮發(fā)分反應匹配產物流動”的熱解反應及其產物定向調控的方法和機制，進而耦合“流態(tài)重構”調控，使熱解反應器內的顆粒熱解反應產生的（初級）揮發(fā)分產物形成自高溫向低溫的定向流動，形成“顆?？焖俜磻畲蠡瘬]發(fā)分生成，揮發(fā)分定向流動最小化輕質油組分裂解，選擇性吸附再裂解重質組分”的“反應重構”及重構的新效應，首次在1000℃以上高溫同時高收率制備了高品質熱解油（焦油）和燃氣的領先技術目標[50-51]。

再如，兩段氣化被認為是實現生物質中溫氣化低焦油的最有效路徑，其基于的原理就是燃料熱解反應與半焦氣化反應的解耦和重構，從而實現“在氣化高溫半焦床層中對焦油裂解及重整的催化強化”反應重構效應，達到低焦油氣化目標[52]。但是，世界各國設計的“半焦氣化反應床層”通常為移動床，不能應用于小顆粒燃料，難以放大滿足大規(guī)模應用需求。協同“流態(tài)重構”，在循環(huán)型流態(tài)化氣化工藝中實施“反應解耦“和“反應重構”，創(chuàng)建了流態(tài)化兩段氣化新工藝，打破了“兩段氣化”長期局限于“半焦移動床”反應器的思路局限，形成的新技術展示了極好的生物質氣化低焦油特性并已獲得大量推廣應用[53-54]。

因此，“反應解耦”和“反應重構”是創(chuàng)新物質轉化及加工技術的有效方法，并可與“流態(tài)重構”創(chuàng)新方法協同應用，推動技術的重要創(chuàng)新甚至變革性進展。通過“反應解耦”，打破復雜反應體系中的傳統(tǒng)耦合關系及其作用，在最適合的各類反應器或具有不同流態(tài)及傳遞特性的流動區(qū)域中實施被解耦的各種化學反應，形成“重構”的物質轉化或物質加工反應新體系，強化希望的反應相互作用、最小化不利的相互影響，對整體反應實現強化、定向或更易工程化等技術創(chuàng)新效果。這些調控復雜反應體系的方法和思路，潛在可應用于燃料轉化、礦物加工、金屬冶煉、化工合成等重要流程工業(yè)領域的各種復雜化學反應體系，對于科技創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

致謝：感謝解耦燃燒技術的發(fā)明人李靜海院士對該技術的研究、應用和推廣工作的長期大力支持和幫助。感謝郝江平高工以及博士研究生靳娜妮和王晶晶在論文準備過程中提供的協助。