引言随着环境问题日益严重和环保监管力度增大，我国对污染物排放量要求越来越严格。根据《锅炉污染物大气排放标准》（DB 11139—2017）的要求，北京已将NOx的排放标准降低为30 mg/m3。美国加州将NOx的排放限值减小至18 mg/m3，成为控制NOx排放最为严格的国家。在低氮燃烧技术中，FGR技术是实现高温空气燃烧、富氧燃烧、无焰燃烧等新型燃烧方式的重要手段。通过将部分烟气引回到燃烧区域，降低燃烧区域氧浓度，抑制热力型NOx生成。烟气的引射量和烟气与其他参与预混气体的混合均匀性是影响NOx排放和保证实现高效烟气再循环的重要影响因素。对于燃烧器而言，在FGR系统中混合器可以实现烟气的引射和烟气与其他预混气体的混合，因此混合器是十分重要的部件。燃烧器中的混合器通常采用文丘里式和比例式[1]，文丘里管结构简单，可以将部分烟气引射至燃烧器头部与燃料和空气再次混合，并且其结构能够直接影响文丘里管的工作性能，进而有效控制NOx排放量。1文丘里管工作原理及工作性能的评价指标文丘里管结构如图1所示。文丘里管的基本原理是利用高速流体的引射作用，产生负压来卷吸压力较低的流体，使不同压力的两股流体相互混合，并进行能量交换。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.024.F001图1文丘里管结构简图文丘里管中流体的流动方式、工况参数和文丘里管的结构设计参数等都会影响文丘里管的工作性能。文丘里管内两种气体的质量流量决定了两种气体的混合效果，所以引射气体的量是衡量文丘里管引射性能的关键指标。随着引射系数U增大，文丘里管内的被引射气体的量增大。U的定义式如下：U=QiQw (1)式中：Qi——被引射流体质量流量，kg/s；Qw——工作流体质量流量，kg/s。Umesh K S[2]等指出，燃料和空气的混合效果可以影响到NOx的生成，引入混合不均匀度SMD能够更好地表述两种流体的混合情况。SMD与NOx生成量的关系如图2所示。由图2可知，SMD越小，生成的NOx越少。SMD定义式如下：SMD=∬|f-f¯|dAAf¯ (2)式中：f——燃料浓度，mg/m3；f¯——平面内燃料的平均浓度，mg/m3；A——所选取的截面积，m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.024.F002图2SMD与NOx生成量的关系［2］2文丘里管的研究现状2.1不同参数对文丘里管引射性能的影响2.1.1结构参数对文丘里管引射性能的影响通过数值模拟和实验相结合的手段，利用一些参数改变手段增加引射作用，可以增加燃烧效率，降低NOx排放。李成明[3]对预混燃烧器中文丘里管的结构参数进行了优化，得出结论，当喷嘴入口长度为5 mm，侯口直径为25 mm，扩压段长度为162 mm，喷嘴直径为5 mm时引射性能最佳。胡远庆[4]发现，增加文丘里管扩压角为5.7°~14°时，可以增加烟气循环量，从而优化该系统引射烟气性能。该结构中自循环烟气与助燃空气进行混合，使燃烧区氧浓度和燃烧温度下降，实现低NOx的排放。王思东[5]研究了柴油机冷却系统废气引射器，该引射器用燃油和空气来引射废气，通过对其结构进行数值模拟发现，混合段长度和直径的比为4~6，喷嘴到引射器进口截面的距离与混合段直径比值为0.5~1，扩压角为8°~10°时引射系数最佳。2.1.2工况参数对文丘里管引射性能的影响实际运行过程中，工况参数会使文丘里管的性能发生变化，增加NOx的生成。研究发现，引射气体压力、被引射气体压力以及出口压力这些工况参数都会对引射器工作性能造成影响[6]。杨帅[7]对柴油机EGR系统进行分析后发现，EGR系统中废气引射量增大，有利于克服进排气管之间的压力差，进而改善NOx排放性能。许龙虎[8]介绍了一种无再循环风机，该风机通过文丘里引射管引射烟气参与再循环，系统利用低负荷时一次风机余量来引射烟气，跟以往传统的带有再循环风机的系统相比较，简化了系统复杂性，同时也减少了由于高含尘烟气磨损引起的维护成本。Amin Hassan[9]通过实验得出结论，在引射压力为12 MPa，被引射压力为2 MPa，排出压力为5.2 MPa时，优化设计的引射率为19.45%。2.2不同参数对文丘里管混合性能的影响2.2.1结构参数对文丘里管混合性能的影响FGR系统中文丘里管内，燃料与空气的混合性能会直接影响NOx的排放效果。宋力钊[10]研究发现，结构参数对文丘里管的混合性能会产生明显的影响，设计中需要选择合理的结构参数。研究表明，最佳混合段长度约为混合段直径的7.5倍[11]。Gorjibandpy[12]研究了柴油机内文丘里混合器喉口处的小孔数量对CH4质量分数的影响，发现小孔数量为12孔的混合效果更好。Abo-Serie[13]对标准型文丘里模型进行研究，得出小孔直径、小孔数量以及侯口管的入侵长度对文丘里管强化混合的效果及变化规律。邵卫卫[14]研究了汽轮机内预混燃烧器中燃料与空气强化混合的问题，发现燃料射流孔径大小会影响气体混合，孔径过大或过小都难以让气体在有限长度的预混段内达到强化混合。研究结果表明，当射流深度等于0.6时，强化混合效果最佳。此外增加预混段长度也可以有效强化燃料与空气间的混合，最佳长度为4.2 d（d为混合段直径）。2.2.2文丘里管混合性能的其他影响因素文丘里管内影响混合性能的因素主要有流场工况和流体的流动方式。旋流作用会强化混合并且会产生较大的引射作用，使空气和燃料或者烟气和其他预混气体更好的掺混。Leonard G[15]研究发现，在同样的火焰温度下，混合越差NOx生成量越高。火焰温度与NOx生成量的关系如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.024.F003图3火焰温度与NOx生成量的关系［15］在文丘里管的喉口处设置一个引流管[16]，强化燃料和空气的混合。在引流管上设计多个燃料喷口，使天然气可以喷射到整个管道，实现了强化均匀混合的目的。San L B[17]研究发现，文丘里管中最低的压降出现在喉部的入口和出口处的壁面上，混合段壁面的流动压力分布呈凸形，由标准k-ε湍流模型得到的压力结果更符合实验数据。有研究发现，垃圾发电锅炉中的高温烟气引射器能够引射炉膛出口1 000 ℃以上的高温烟气，使高温低氧的助燃气体在引射器中混合，从而从燃烧源头有效控制NOx和二噁英等有害气体排放[18]。将文丘里管与烟气内循环结合，控制NO的排放量，在燃料与空气强化掺混的基础上，空气罩内壁的负压区设计了一条内循环通道[19]，不需要加装外烟气，延长了使用寿命的问题。大量研究学者从改变文丘里管中流体的工况参数、流动方式以及文丘里管的结构尺寸来改变工作性能，有时效果并不显著，而且文丘里管的设计可以与其他低氮技术相结合，从而进一步减少NOx生成量。将烟气循环与多组文丘里管相结合，研究建立环形文丘里管组绕中心高温烟气射流的物理模型，如图4所示。不同文丘里管数量排列如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.024.F004图4模拟高温烟气在炉膛内部与空气掺混情况10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.024.F005图5不同文丘里管数量排列3结语大量研究表明，FGR系统中文丘里管内任何一个参数变化都可能影响工作性能的最优值，因此合理的控制文丘里管的结构设计参数和管内流体工况参数，可以提高文丘里管的引射性能和混合性能。应用FGR系统并适当选取文丘里管，一方面可以提升燃烧器燃烧效率，另一方面可以降低NOx的排放，最后达到节能减排的目标。在FGR系统中，文丘里管结构简单并且节能减排效果显著。(1) 目前市面上的文丘里管大都是一级引射，有时被引射流体的量达不到需求，可以增加二级引射，进一步引射混合以达到某些生产需要。增加二级引射后工作流体与烟气有更好的动量交换，二次引射文丘里管的几何参数以及距离一级引射结构的距离位置等都是以后的重点研究方向。(2) 由于文丘里管尺寸参数繁多，在研究应用上的普适性并不大，可以在对结构参数的研究采用无量纲法，使其研究成果更具实用性。(3) 将烟气内循环技术与多组文丘里管相结合，烟气与混合气体在多个文丘里管内混合，不同文丘里管间气体的相互影响情况，以及不同工况下得出的温度场、压力场、速度场和浓度分布场是非常重要的研究趋势。