MILD 粉體燃燒技術研究進展與關鍵問題分析

呂俊復 ， 馮樂樂 ， 吳玉新 ， 張 海

(1.清華大學 熱科學與動力工程教育部重點實驗室, 北京 100084；2.中國礦業大學 安全工程學院, 江蘇 徐州 221116)

雙碳戰略目標提出以來，為進一步促進綠色低碳發展和產業轉型，我國對于能源行業各類污染物的排放限值日益嚴格，研發高效低污染的新型清潔燃燒技術需求日益迫切[1-2]。MILD(Moderate and Intense Low-Oxygen Dilution)燃燒憑借其低NOx排放、均勻熱流密度分布、高燃燼率、高燃燒穩定性等特性，近年來作為一種極具潛力的高效清潔燃燒技術而備受關注[3-5]。MILD 燃燒在某些情境下也被稱作無焰燃燒、高溫空氣燃燒、容積燃燒或無色分布式燃燒，根據其經典定義，氣體燃料的MILD 燃燒狀態的判斷依據是：燃料與氧化劑的混合物溫度應高于燃料自燃溫度，同時該混合物在燃燒后的最大溫升應小于燃料自燃溫度[6-7]。MILD 燃燒技術通過推遲燃料與氧化劑之間的混合，促進燃燒器射流出口附近的火焰熄滅，使燃燒幾乎分散在整個爐膛中，觀察不到可見的火焰前沿(這也是被普遍接受的達到MILD 燃燒的實驗標準)，能實現幾乎均勻的溫度分布[8-10]。在20 世紀90 年代，德國[8]、日本[11]和國際火焰研究基金會[12]幾乎同時開發了MILD 技術，近30 a 來，燃燒科學家們已經開展了分別以天然氣、輕質油和煤粉為代表的氣體燃料、液體燃料和固體燃料的MILD 燃燒實驗，其中，在再生式HTAC(High Temperatrue Air Combustion)系統中的氣體燃料MILD 燃燒技術和已在冶金等行業中得到大量的工業應用，而對液體和固體燃料MILD 燃燒的研究相對滯后[13-15]。固體燃料MILD 燃燒的定義可分為試驗定義和數學定義。在試驗定義方面，固體燃料MILD 燃燒表現為無揮發分火焰封面，但可能存在焦炭燃燼的火星；在數學定義方面，筆者團隊提出在滿足氣體MILD 燃燒溫度判據的基礎上，額外引入時間判據，要求混合時間尺度小于反應時間尺度[4]。

研究者最初通過高溫預熱空氣來實現MILD 燃燒[16-17]，后來隨著研究的深入，發現在低溫預熱條件下通過增大反應物的初始動量，提升爐膛內的卷吸率，也可實現MILD 燃燒[18-19]。高溫預熱方案有助于減小預混反應物的密度和黏度來增強爐膛內的煙氣卷吸，但高溫預熱也會使煤粉的熱解、著火進程提前而形成局部高溫，不利于實現MILD 燃燒，且其工業應用受到系統復雜性和裝置規模的制約。相比之下，提高射流速度的方案更具經濟性和裝置設計上的可選擇性[20-21]。但煤粉的燃燒模式隨著射流速度的增加而轉變的機制還不夠清楚，仍需要深入探索[22-23]。盡管煤粉和鋸末等生物質也能通過和氣體燃料類似的預熱氧化劑、預熱燃料(富燃料氣化)，或增強卷吸實現MILD 燃燒，但作為非球形的固體顆粒，還存在復雜的顆粒分散行為，同時涉及熱解和焦炭的非均相反應，導致其具體的燃燒機制和實現條件要更加復雜[24-26]。

基于此，筆者系統地介紹了對于MILD 燃燒各階段特性研究取得的進展，并概述了MILD 設計理論工具和燃燒器研發領域的應用成果，著重闡述了富氧燃燒、煤粉耦合生物質燃燒、摻氫/摻氨燃燒3 種新型燃燒技術的優勢，提出了MILD 燃燒與這些新型燃燒技術相結合的綜合應用方案，最后剖析了現階段煤粉MILD 燃燒亟需解決的關鍵科學問題，為MILD 燃燒技術的進一步發展提供參考，對于能源行業節能減排具有重要意義。

1 MILD 燃燒特性基礎研究

在具有高速射流特征的MILD 燃燒過程中，強湍流脈動的流場環境對燃料顆粒的傳熱、著火、燃燒和污染物生成具有顯著的影響[27]。

1.1 顆粒彌散

新一代MILD 粉體燃燒技術的開發主要著眼于高速射流的實現方式，探究具有典型非球形顆粒特征的煤或生物質顆粒在高速射流中的彌散行為對于更好地預測燃料燃燒以及燃燒器的設計優化至關重要[28-29]。黃文仕等[30]選用玻璃珠、玻璃渣和煤粉3 種顆粒，利用激光多普勒相位分析技術在不同射流速度下測量并對比了其在氣固兩相圓射流中的擴散行為，研究發現，非球形顆粒在同等流速下具有更高的徑向湍動能，是由于其額外所受到的升力作用促進了其在徑向上的擴散。劉鵬遠等[31]使用激光粒子測試儀測量并研究了不同噴口距離和速度下雙矩形噴口射流的混合特性，指出動量傳遞主要在雙射流混合區進行，而非在合并后的區域。HUANG 等[32]建立了考慮顆粒阻力修正、升力和旋轉的非球形顆粒簡化模型，并指出隨著顆粒尺寸和射流速度的增加，顆粒旋轉和與非球形顆粒相關的馬格努斯力在強剪切湍流射流中非球形顆粒的分散中起主導作用，而阻力和升力的影響則不顯著。WANG 等[33]用實驗提供的系數建立了顆粒-壁面碰撞模型，可準確預測粒子的出口速度分布，根據模型結果，只要管道長度和壁碰撞次數足夠，顆粒在管道內的初始運動的影響就會在出口處減弱，而較大的顆粒需要更長的管道長度才能消除初始運動的影響。

1.2 顆粒受熱

在稀釋彌散的同時，顆粒通過周圍熱氣的熱傳導和熱壁的輻射被持續加熱至著火溫度以上，反應條件(如氧濃度、溫度和氧化劑類型)和燃料的理化特性顯著影響煤顆粒的著火溫度和點火延遲時間[34]，提高伴流溫度或氧體積分數會縮短點火延遲[35]。高動量空氣射流影響爐內空氣動力學，空氣射流夾帶大量的再循環熱煙氣，湍流脈動可通過破壞燃料顆粒的熱邊界層來增強邊界上的氣相傳熱。為此，吳玉新等[36]通過搭建四風扇對沖實驗裝置產生均勻各向同性湍流流場，開展了顆粒在湍流場中的實驗研究，結果表明湍流對顆粒傳熱能夠產生顯著的強化效應，并且其傳熱強化效果與顆粒的粒徑呈正相關。通過修正經典的對流換熱計算關聯式Ranz-Marshall 公式，新增湍流作用項，可有效表征這一強化作用。FENG 等[37]研究了單顆粒煤燃燒過程中強制對流對傳熱的影響，隨著雷諾數的增加，40、80、160 μm 的煤顆粒的火焰溫度分別降低、幾乎沒有變化和略有增加。

1.3 著 火

在MILD 條件下，由于氧氣水平和伴流溫度不足以產生穩定的氣體火焰，焦炭表面在氣相火焰出現之前首先被點燃。許開龍等[38-39]實驗結果表明，在高雷諾數一次風條件下，湍流的強烈卷吸對于煤粉揮發分的快速消耗抑制了群燃火焰的產生，且在層流一次風和湍流一次風條件下，煤粉顆粒群分別傾向于均相著火和非均相著火。俞偉偉等[40]在Hencken 型燃燒器上研究了湍流射流條件下煤粉的著火特性，觀察到小粒徑煤粉更快被加熱，且彼此間的相互作用更強，更早發生顆粒群燃現象。黃文仕等[41]研究發現，煤粉射流速度提高，火焰形態逐步由群燃火焰轉變為分散燃燒，同時伴隨火焰的高度與亮度的減小。YANG 等[42]采用增加顆粒內熱傳導修正的一維瞬態模型來改進對孤立煤顆粒點火特性的預測，圖1 為考慮和不考慮空氣條件下顆粒內熱傳導的點火?？梢婎w粒內的熱傳導效應可顯著降低大顆粒煤的整體溫度，對于大于200 μm 的煤顆粒，在較高爐溫下將點火模式從異相著火變為均相著火，在較低爐溫下將點火模式由均相著火變為混合著火。FENG 等[43]在Neumann 邊界條件下，用一維模型研究了粒子相互作用，發現當顆粒數密度較小時，射流的點火時間由大顆粒的點火時間決定；而當顆粒數密度較大時，射流的點火時間由小顆粒的點火時間決定。以上研究結果標明，在MILD 燃燒條件下，由于燃料顆粒分散效應顯著，煤粉受熱更加迅速，煤粉著火更傾向于非均相著火或聯合著火過程，且煤粉和生物質顆粒的著火會得到顯著促進。

圖1 考慮和不考慮空氣條件下的顆粒內熱傳導的煤顆粒點火[42]Fig.1 Coal particle ignition diagram with and w/o consideration of intra-particle thermal conduction at air condition[42]

1.4 燃 燒

固體燃料的燃燒過程包含揮發分燃燒和焦炭燃燒2 個階段，在MILD 燃燒條件下，揮發分燃燒基本觀察不到火焰前沿，焦炭顆粒燃燒時能觀察到可見的火花或小火焰[44]，焦炭顆粒的燃燼時間為氣態揮發性物質的10～100 倍[15]。HUANG 等[45]實驗結果表明，在1 600 ℃環境溫度下，在5%和15%氧摩爾分數下，射流進入MILD 燃燒狀態的臨界轉變速度分別約為50 m/s 和100 m/s。圖2 為不同射流速度和氧氣條件下，沿射流軸的峰值輻射強度分布，強烈的湍流混合促進了點火和揮發分燃燒，并在較高的射流速度下占主導地位。張揚等[46]基于全混流反應器模型研究了非絕熱工況下MILD 燃燒的維持條件，結果表明散熱可促進MILD 燃燒的實現和維持，吸熱則起反作用。

圖2 在不同的射流速度和氧氣摩爾分數下，沿射流軸的峰值輻射強度分布[45]Fig.2 Distribution of the peak radiation intensity along the jet axis at different jet velocities and oxygen molar fractions[45]

FENG 等[43]還通過數值模擬，判別了不同顆粒間距下的燃燒模式，如圖3 所示。高速MILD 燃燒的顯著特征是氧體積分數的降低以及湍流混合的增強，氧體積分數的降低抑制燃燒過程，而湍流混合的增強則促進反應的進行，2 者的競爭關系使得MILD 煤粉燃燒仍能夠保持較高的反應速率及燃燒強度。

圖3 不同顆粒間距下的燃燒模式[43]Fig.3 Combustion modes at different particle distances[43]

1.5 污染物

對于傳統燃燒模式，火焰的穩定是通過滯止點或由渦流產生的低速區來實現的，化學反應在局部高溫火焰區域快速發生，同時產生大量的熱力型NOx排放[47]，MILD 燃燒顯著降低了峰值溫度，從而在不犧牲燃燒穩定性和效率的情況下抑制NOx排放[48]。實驗與數值模擬研究均顯示， NOx的排放量隨溫度呈指數級增加，隨停留時間呈線性增加，而延長停留時間有利于CO 氧化為CO2[49]。楊協和等[50]開展的數值模擬顯示，湍流渦團破碎引發的混合延遲使甲烷/空氣預混火焰燃燒產生的NO 的體積分數降低[51]。在煤粉MILD燃燒模式中，污染物的生成、還原過程及內在機理比在常規燃燒模式下更加復雜。楊萬濤等[52]分析了來自“實踐十號”衛星在微重力環境下單顆粒煤燃燒過程的圖像，結合瞬態燃燒模型模擬的結果，揭示了碳煙的輻射強度與體積分數呈雙峰分布的成因。宋姝麗等[53]開展的CFD 模擬表明，在煤粉MILD 燃燒中，燃料型NO 占主導地位，熱力型、中間體型和快速型之和不到10%；煤粉MILD 燃燒中存在強烈的NO 還原反應?？傮w來說，由于MILD 燃燒顯著降低了峰值燃燒溫度，強化了還原性氣氛，對NOx生成產生了有效的抑制，尤其抑制了熱力型NOx的排放。同時，應進一步關注MILD 燃燒下CO 和碳煙生成的特性。

2 固體燃料MILD 燃燒技術研發

焦炭顆粒的不均勻分散和反應導致氣體燃料和固體燃料的MILD 燃燒模式和實現條件之間存在顯著差異，固體顆粒燃燒產生的大量飛灰容易造成堵塞，也使煤粉之類的固體燃料無法直接用氣體燃料MILD 燃燒的HTAC 系統[47]?；诖?，需要對固體燃料的MILD 燃燒設計理論工具和燃燒設備開展全面研究。

2.1 燃燒設計理論工具

建立煤燃燒模式的理論判據對于指導MILD 煤燃燒的設計和組織至關重要。煤射流燃燒涉及顆粒相的彌散和脫揮發分，而氣體燃燒不包括這些過程，因此MILD 氣體燃燒圖譜和數學準則不適用于煤炭燃燒。FENG 等[54]基于對時間尺度、非均勻點火、傳熱和煙氣卷吸的分析，從理論上對不同的煤燃燒模式進行了分類，并提出了MILD 煤燃燒圖譜，所預測的煤燃燒模式與文獻實驗結果吻合較好。圖4 為不同的煤質量濃度和雷諾數下的預測燃燒模式。

圖4 不同煤質量濃度和雷諾數下的預測燃燒模式[54]Fig.4 Predicted combustion modes at different coal concentrations and Reynolds numbers[54]

FENG 等[54]在氣體燃料實現MILD 燃燒條件的基礎上，對固體顆粒實現MILD 燃燒增加了一個新的時間尺度要求：

其中，tmix為顆粒從進入爐膛到實現均勻分布的混合時間尺度；ti為固體顆粒的點火時間；c為混合和點火時間尺度之間數學關系的變量，其值與湍流強度有關。表1 為裝置幾何參數和操作參數對煤燃燒模式的影響，這有助于進一步指導MILD 煤燃燒的設計和實現。ZHANG 等[55]指出，與雷諾-平均-納維斯-斯托克斯(RANS)方法相比，大渦模擬(LES)方法在MILD 燃燒的NOx預測方面表現更好，特別是在湍流波動相對較強的區域，因為LES 能夠捕捉對湍流混合和顆粒分散過程有重大影響的非定常流動結構[56]，因此可利用LES 方法作為MILD 燃燒設計階段的輔助工具之一。

表1 幾何和操作參數對煤燃燒模式的影響[54]Table 1 Effects of geometric and operational parameters on coal combustion mode[54]

2.2 燃燒器裝備研發

圍繞MILD 技術特點和工藝需要，研究者對燃燒設備進行了一系列優化設計和創新。張海[57]在燃燒器入口處引入射流預混室，爐膛中的高溫煙氣在預混室中與進入的煤粉一次風快速混合，從而提高煤粉氣流的溫度，降低煤粉點火時的氧氣濃度。周月桂[58]及呂建燚[59]采用伴流燃燒器結構，通過外部高溫二次風和中心低氧濃度一次風實現煤粉MILD 燃燒。華中科技大學[60]、德國斯圖加特大學[61]分別研發了射流速度100 m/s 以上的無預熱MILD 煤粉燃燒器。

總體而言，MILD 粉體燃燒研究相對于氣體燃燒起步較晚，仍需進一步發展理論設計工具，完善燃燒組織方法，并結合MILD 粉體燃燒特點，針對性地研發燃燒器及其配套的監測、控制裝備，從而推動MILD 粉體燃燒技術應用。

3 MILD 燃燒與新型燃燒技術結合

由于MILD 燃燒本身具有高度的燃料靈活性和高兼容性，選取3 種有代表性的新型燃燒技術，分別評估其與MILD 燃燒相結合的潛力和優勢。

3.1 富氧燃燒

富氧燃燒(Oxy-Fuel Combustion)的概念最初由美國人ABRAHAM 于1982 年提出[62]，通過將燃燒后的煙氣(主要由CO2和水蒸氣組成)與氧氣或空氣混合作為氧化劑，可有效減少燃燒過程中NOx排放，優化爐膛溫度分布。近年來成為電站鍋爐、燃料電池等領域的主流燃燒中碳捕集技術之一[63]。圖5 為基于富氧燃燒的蒸汽輪機發電系統的工作原理[64]。通過循環利用煙氣，廢氣中的CO2體積分數可達90%以上，極大降低了后續大規模碳捕集和資源化利用的成本投入[65-66]。SEEPANA 等[67]從理論上證明了在初始氧氣體積分數為16%～20%、預熱溫度為600～850 K工況下，可以實現MILD-富氧燃燒。將富氧燃燒與MILD 燃燒相結合，相對于標準富氧燃燒而言，可提高傳熱性能，減少NOx排放，相較于標準MILD 燃燒，降低了所需預熱溫度，但富氧燃燒條件下，CO2代替N2作為稀釋劑，傳熱傳質機制與燃燒特性也隨之顯著改變[68]。CHAO 等[69]在實驗室規模的循環流化床中，對不同氣氛(空氣，27% O2，40% O2，53% O2，CO2作為平衡氣體)中5 種不同煤的點火溫度和點火特性進行測量，發現5 種煤的點火溫度均隨O2體積分數的增加而減小，并隨著床層溫度的增加，O2體積分數對點火過程的影響更加顯著。

圖5 基于富氧燃燒的蒸汽輪機發電系統示意[64]Fig.5 Schematic diagram of steam turbine power generation system based on oxy-fuel combustion[64]

3.2 煤粉耦合生物質燃燒

儲量豐富的生物質能是零碳、可再生、環保的，在現有燃煤電廠中摻燒生物質將促進能源體系多元化，是目前備受關注的火電低碳化方案，預估可分別減少高達75%的SO2和15%的NO2排放[70-71]。GUO 等[72]通過實驗確定了生物質顆粒在自然對流和湍流環境中燃燒行為的差異，圖6 為生物質顆粒在不同流場環境中的燃燒歷程和火焰形狀。SHI 等[73]研究了水熱預處理對于提升生物質顆粒燃燒性能的作用，結果表明，H2O2的加入促進了半纖維素和纖維素的分解，且揮發性物質從半纖維素和木質素中比從纖維素中更快地釋放，導致燃燒不穩定。YANG 等[74]研究了額定熱輸出為50 MW 的循環流化床鍋爐在無煙煤和玉米秸稈顆粒生物質共燒過程中NOx排放，與在鼓泡流化床(BFB)燃燒器和在燃燒稻殼的CFB 鍋爐中的結果相反，煙氣中NOx濃度和燃料氮轉化率隨著生物質質量分數的增加而增加，表明生物質不一定是降低CFB鍋爐NOx排放的有效混燃燃料，為了降低NOx排放，應考慮降低一次空氣比，并將生物質的進料口設置在二次空氣下方。以上研究表明，MILD 燃燒對于促進生物質燃燼具有重要意義，而CFB 是實現生物質MILD 燃燒的有效技術手段。

圖6 生物質顆粒在不同流場中的燃燒歷程和火焰形狀[72]Fig.6 Combustion history and flame shape of biomass pellet in different flow fields[72]

3.3 摻氫/摻氨燃燒

氫能是具有高能量密度的零碳替代燃料，可以通過過剩的風能和太陽能組織生產[75]。在天然氣或煤粉等燃燒中摻雜一定比例的氫氣以及作為重要氫能載體的氨氣同樣被視作能有效減少碳排放的可行措施[76]。值得注意的是，相比傳統燃燒，MILD 燃燒模式能有效減少NH3燃燒時NOx排放量，而富氫燃料促進了水蒸氣的生成，能進一步將NOx體積分數降至10-5～10-4，并確保燃燒穩定性[77]。但摻氫/摻氨也會不同程度地改變燃料的理化性質，影響絕熱燃燒火焰溫度、火焰傳播速度、污染物排放等燃燒特性，進而影響燃氣鍋爐的運行效率和熱穩定性[78]。YANG 等[79]研究表明，摻氫措施從防止熄火的角度促進了H2/CH4/空氣混合物的燃燒安全，但應特別注意燃燒器的意外高溫損壞，且恒定熱負荷和恒定燃料噴射壓力2 個摻氫方案中，前者H2添加的允許變化窗口更寬。MOLLICA 等[80]分析了預熱、內循環提供的進一步稀釋以及輻射模型對現有氫/空氣MILD 燃燒器的影響。研究還發現[81]，NH3/低分子量醇混合物比NH3/CH4混合物具有更寬的MILD 穩定燃燒操作參數范圍?？偟膩碚f，對于煤粉摻氫與摻氨實現MILD 燃燒技術，是有效降低NOx排放、解決當前摻氫摻氨導致NOx排放升高的有效技術手段，但目前相關的研究還相對有限。

4 煤粉MILD 燃燒中的關鍵問題

2022 年煤炭占中國能源消費的56.2%，我國以煤為主的資源稟賦決定未來幾十年煤炭在能源行業中仍將起到舉足輕重的作用，因此急需探索煤炭資源清潔高效利用的新路徑[82]。推進集成高速射流的煤粉MILD 燃燒的技術開發，有望大幅提高煤電熱效率、降低氮氧化物排放。為此，需要著力解決3 個關鍵科學問題。

4.1 強湍流下的氣固兩相流

煤粉實現MILD 燃燒要求燃料在爐膛中快速均勻稀釋，同時避免過快的局部受熱，需要不斷優化燃燒器內部流場和反應物注入方案來提高工藝性能。歐拉方法是氣-顆粒兩相流模擬中描述顆粒彌散和反應的常用方法，然而煤粉的寬粒度分布特性大幅增加了傳輸方程的計算成本。為此，使用簡化的矩量直接求積法(DQMOM)，選用2 個或多個正交節點時，可較好地描述氣固兩相反應流中的著火距離[83]。許多研究表明，伴流速度與射流速度之比決定了湍流混合[84]。伴流速度可通過影響化學反應和湍流混合來改變反應區的特性，同軸射流絕對速度的增加也會通過剪切層中更密集的近場渦流和更強的湍流傳輸影響近場混合[85]。由于燃料入射速度高，由自燃轉變為MILD燃燒后，抬升高度幾乎不受空氣伴流速度的影響[86]。此外，燃燒器配置應巧妙設計。煤粉的MILD 燃燒裝置中，相較于雙對稱噴嘴，單個不對稱噴嘴可進一步增加空氣射流動量，增強內部再循環，從而擴大反應區，降低反應速率，使溫度分布更加均勻，降低峰值溫度，減少約33%NOx排放[15，87]。通過增加一次流和二次流之間的距離或煤射流噴射角，更多的煙氣被夾帶到煤粉射流中，反應物濃度顯著降低，促進了MILD燃燒的建立[88]。在MILD 條件下，煤粉這類非球形顆粒的湍流擴散特性尤其復雜，需要開展高速射流兩相流動特性基礎研究，闡明粉體MILD 燃燒中的顆粒運動與分布規律。

4.2 湍流相間傳熱

可燃混合物的快速升溫有利于煤的熱解和脫揮發分，從而減少點火延遲，提高燃燒穩定性。然而，較高的一次射流速度(如 ＞ 100 m/s)可能破壞由一次和二次空氣射流的分離所產生的反應區，從而導致局部高溫，不利于MILD 燃燒的建立[22]。目前關于煤粉的受熱與著火的研究大部分基于層流條件下開展，少數在一維爐和旋流燃燒器中開展的湍流相間傳熱實驗也面臨光學可視性較差、湍流強度難以調控等挑戰。強制對流通過對揮發分的局部傳熱和傳質產生強烈影響，從而影響煤顆粒附近的碳煙行為[89]?，F有傳熱模型在MILD 燃燒強湍條件下效果不佳，需要開展大量湍流顆粒傳熱的基礎實驗，對原有傳熱模型進行必要的修正，闡明MILD 燃燒條件下氣固相間湍流傳熱機理。

4.3 湍流-化學耦合

固體顆粒燃燒時的火焰結構與化學反應和分子擴散存在密切聯系，在湍流狀態下還需要額外考慮湍流效應作用。在顆粒的MILD 燃燒中，強烈的內部煙氣再循環稀釋了反應區中的氧濃度，CO2和H2O 濃度高于氧濃度，并伴隨強烈的焦炭氣化反應[35]。隨著射流速度的增加，焦炭氧化反應的比例增加，焦炭氣化反應減弱[90]。其中，焦炭氧化反應由擴散/反應動力學決定，焦炭氣化反應以湍流擴散為主[91]。FENG 等[92]在強制對流的實驗條件下，發現煤煙團尺寸隨雷諾數的增加先增加后減小。鄒俊等[93]探究了小尺度湍流對非預混火焰行為的作用，發現小尺度渦降低了火焰溫度，減少了內部自由基，且化學反應強度隨湍流強度的增大而增大。此外，過高的射流速度可能減小煤粉停留時間，減小局部反應強度，從而減小總體燃燼率。因此，詳細研究MILD 強湍條件下的反應動力學特性、揭示湍流-化學耦合規律是MILD 燃燒的另一關鍵科學問題。

5 結 語

根據《2021 年BP 國際能源展望》，預期至2030年和2050 年，煤炭仍將分別提供約22%和20%的一次能源消耗[94]。即使在可再生能源強勁增長的情況下，先進的燃燒工藝已經并將繼續作為能源市場的驅動力發揮不可替代的作用。高效低污染的MILD 燃燒技術將是解決能源結構與環境可持續性矛盾的關鍵著力點。在未來的研究中，需要重點關注以下幾個方面：

(1)由于顆粒的不均勻彌散和反應，煤粉等碳基固體燃料的MILD 燃燒進程和理論判據較氣體燃料更復雜，利用高初始入射速度替代高溫預熱來建立MILD燃燒，在增加點火延遲的同時也擴展了點火區和反應區，需要對燃燒各階段的特征和機理開展系統性實驗研究，持續優化現有MILD 燃燒模型。

(2)通過CFD 和工業軟件模擬，改進現有燃煤鍋爐燃燒器、調節工藝參數以匹配MILD 燃燒模式、增加焦炭顆粒的停留時間以提高燃燼率，提高燃燒穩定性并抑制包括細顆粒物在內的各類污染物排放。

(3)基于互聯能源系統的整體方法，推進MILD燃燒與各類新型燃燒技術的耦合研究，尤其加強煤粉、生物質與氫、氨等可燃氣體共燃特性研究，助力能源轉型，減少污染物排放。

(4)探究粉體MILD 燃燒中的湍流兩相流特征、湍流相間傳熱作用以及湍流-化學耦合作用是加深對粉體MILD 燃燒理解的關鍵，涉及多變量分析和高精度模擬，是未來研究的重點和難點。