1.背景-傳統(tǒng)有焰燃燒

在傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)中，火焰由燃料和助燃空氣的混合物組成，并形成一個穩(wěn)定的火焰前端，在火焰前端會有一個溫度和濃度梯度的劇變，并在高溫鏈式反應和對流熄火之間形成一個平衡，火焰穩(wěn)定性通過以下兩種方式獲得：高溫煙氣循環(huán)、較大的濃度和溫度梯度，這一般通過流體動力學手段得到（如鈍體、旋流，等等）。

在燒嘴內(nèi)和燒嘴附近的穩(wěn)定火焰前端，可通過火檢檢測到光電效應，如UV輻射和電離效應，通過圖1可以看到傳統(tǒng)火焰的溫度和OH原子分布。可見火焰也可以提示操作工人加熱爐燃燒系統(tǒng)運行正常。

在對于傳統(tǒng)火焰，局部煙氣溫度非常高，反應物在與爐膛煙氣混合之前就燃燒，溫度接近絕熱燃燒溫度，通過圖1可以看出：富燃料區(qū)的絕熱燃燒溫度很容易就達到1800-2000，這個值可通過測量火焰前端的溫度峰值得到，較高的溫度峰值可有效穩(wěn)定火焰，但也是熱力型NOx的主要生成途徑，并且會引起熱流密度的不均勻性。

2.無焰燃燒及優(yōu)勢

有焰燃燒模式在很多工業(yè)應用中占絕對主導地位，也存在于自然和人工火焰中，但這并不是在燃燒腔內(nèi)產(chǎn)生可控火焰的唯一方式，在高溫區(qū)（反應物溫度約大于850），并且最好是空氣預熱時，通過有意的抑制火焰前端可形成無焰燃燒。對于無焰模式，燃燒反應是在高于自燃點溫度、分散的大空間內(nèi)下發(fā)生的，這與傳統(tǒng)火焰在一個集中的、大旋流的、拉伸的火焰前端形成對比，無焰燃燒沒有火焰前端、沒有可見火焰、沒有UV及電離檢測信號、沒有噪音，CO和NOx被降低到較低水平。

無焰燃燒通過在實驗爐上測試發(fā)現(xiàn)，煙氣循環(huán)倍率Kv是一個很重要的參數(shù)，它是循環(huán)煙氣質(zhì)量流量與反應物質(zhì)量流量之比。

Kv=Mrec/(Mair+Mfuel)

結果如圖2所示，當溫度高于850，在自燃點之上，煙氣循環(huán)倍率約大于3時，且氣體噴入速度較高時，就會建立一個沒有火焰的穩(wěn)定反應區(qū)，該區(qū)域稱為無焰反應區(qū)，對于傳統(tǒng)火焰當Kv＞0.3-0.5時就很難組織起穩(wěn)定火焰，中間區(qū)域被稱為不穩(wěn)定燃燒反應區(qū)，無焰燃燒沒有可見火焰且噪音非常低（約15dBA）。

圖2煙氣循環(huán)倍率

為了使燃燒發(fā)生，要求至少局部的反應物溫度必須高于自燃點溫度，條件是連續(xù)式加熱爐在850以上運行，在這個過程中，根據(jù)安全規(guī)則，火檢可以免除，沒有熄火風險，因此一旦高于自燃點就是安全的，燃燒模式就可以通過人為設計來避免穩(wěn)定的火焰前端。

3.如何得到無焰燃燒

天然氣高速燒嘴是一個很好的案例，對于傳統(tǒng)火焰，空氣和燃料噴到主燃室內(nèi)進行混合以形成穩(wěn)定火焰，通過圖3可以看到傳統(tǒng)高速燒嘴的穩(wěn)定火焰（使用冷空氣）。

如圖3下半部分所示，燃料噴到爐氣內(nèi)，并且遠離助燃空氣，同樣，空氣也是以很高的流速噴入爐膛與煙氣混合，空煤氣在混合之前首先分別與煙氣混合，其溫度接近煙氣溫度且高于自燃點，就產(chǎn)生無焰燃燒：沒有可視火焰，沒有集中的火焰前端，燃燒是在一個大空間爐膛內(nèi)進行，并且能夠燃燒完全。

如圖3所示，無焰燃燒關鍵是煙氣溫度均勻，這是因為燃燒是在卷入越來越多的煙氣過程中逐漸發(fā)生的，但對于傳統(tǒng)火焰，火焰前端卷入的煙氣減少，反應區(qū)就產(chǎn)生局部高溫。

圖3中，首先假設無焰燃燒采用預熱空氣（空氣預熱更好，但不是必要條件），其中T（煙氣最高溫度和最低溫度之差）受到燃燒過程的影響，T較大時表明被加熱工件的熱流密度不均勻，T較小說明爐氣攪動較好且溫度趨于均勻。

上面提到的有焰、無焰的差別也是無焰燃燒的NOx非常低的原因，這也是使用高溫空氣預熱的關鍵，使用蓄熱式或分散式的預熱器可將空氣預熱至800-1200，無焰燃燒無局部高溫，可避免燃燒器金屬材質(zhì)的燒壞和熱力型NOx的生成。

無焰燃燒可通過多種空煤氣噴口布置來實現(xiàn)，圖3是其中一種方式，無焰燃燒也可用于其他工藝如蒸汽發(fā)生器、垃圾熱處理、發(fā)動機氣體燃燒室等，基本原則和穩(wěn)定燃燒的條件是：溫度高于自燃點，與煙氣大量混合稀釋。

4.低熱值燃料、油和煤

無焰燃燒不僅僅局限于高熱值氣體燃料（如天然氣），也能用于低熱值氣體燃料（如工業(yè)過程回收的煤氣）或者液體和固體燃料，圖4，再一次比較了燃油的有焰和無焰（空氣預熱）狀態(tài)。

對于兩種燃燒模式，化學反應路徑不同，污染物生成和熱流分布也不同，無焰燃燒技術可應用于清潔燃燒和提高熱過程工藝。

5.無焰燃燒的其他名稱

無焰燃燒是用來描述以上現(xiàn)象的非專利的、通用的標簽，也有幾個不同的表述，具體舉例如下：

-HTAC（High TemperatureAir Combution）.

-mild combustion.

-dilute combustion.

-Fuel Direcr Injection（FDI，由Tokyo GasCompany提出的）。

無焰燃燒的這些名稱有的基于沒有火焰前端，有的基于高溫空氣，或者是空燃料的稀釋（混合之前氧氣濃度低于21%），這些技術都是為了降低T和NOx排放。

注：本論文參考J.G.Wunning研究成果。