《Waste Management》：An innovative swirl burner for burning ultra-low carbon solid waste: Pilot scale combustion test and numerical simulation study
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利用低碳粉煤灰（CGFS）作为替代燃料在电厂锅炉中实现共燃的可行性研究，通过开发新型旋流燃烧器及预燃室结构，结合0.5MW试验系统与100MW锅炉数值模拟，验证了不同掺混比例下燃烧稳定性与NOx排放特性，解决了超低挥发性固废难点火及燃烧效率问题。
李家伟|杨天元|陈志超|李晓光|宋敏航|刘洪鹏|王青|郭帅
东北电力大学能源与动力工程学院，中国吉林省长春市长春路169号，邮编132012
摘要
为了验证将低碳粉状固体废弃物作为电厂锅炉大规模混烧替代燃料的可行性，并解决燃烧稳定性差、燃烧不完全以及氮氧化物（NOx）排放量高的问题，本研究开发了一种新型旋流燃烧器，该燃烧器配备了一个强稳定的预燃烧室，适用于超低碳煤气化细渣（CGFS）的燃烧，并建立了一个0.5兆瓦的预燃烧室旋流燃烧试验系统。研究了不同比例下CGFS与烟煤混合物的燃烧性能和氮氧化物排放特性，数值模拟验证了旋流燃烧-切向燃烧耦合方案的有效性。试验结果表明：随着CGFS比例的增加，炉膛出口处的氮氧化物浓度从355毫克/立方米降至107毫克/立方米，随后又升至147毫克/立方米，同时燃烧完全率从97%下降到92.7%。数值模拟显示，在所有条件下所有混合物的燃烧完全率均为98%，氮氧化物排放量较低，且炉膛燃烧状态与试验结果一致。综合考虑燃料燃烧完全率和氮氧化物排放情况，0-100%的混合比例均能保持点火和稳定燃烧。这项技术使得无需辅助燃料即可高效燃烧超低挥发分的CGFS；预燃烧室旋流-切向燃烧方案适用于全尺寸电厂锅炉。研究证实了旋流燃烧器在电厂锅炉中大规模混烧粉状固体废弃物的可行性，有助于固体废弃物的资源化利用、电厂节能、碳减排及成本控制。
引言
随着全球能源结构的深入转型以及中国政府提出的“碳达峰和碳中和”目标，高效清洁利用煤炭资源变得至关重要（Mei等人，2025；Wang等人，2024；Wu等人，2025）。目前，燃煤电厂是煤炭消费和碳排放的主要来源。作为电力供应的主要设备，燃料成本占整个运营成本的很大比例。实现高效燃烧、碳减排、替代燃料减排以及污染排放减少是亟待解决的问题（Yang等人，2019；Yuan等人，2025；Lv等人，2025）。煤气化细渣（CGFS）是一种年产量巨大的碳基工业固体废弃物（Ren等人，2023；Zhao等人，2025；Yan等人，2023；Mao等人，2024）。如果CGFS能够在大部分电厂锅炉中替代煤炭进行燃烧，将对电厂的节能和减排以及固体废弃物的资源化利用发挥重要作用。
目前，研究人员通过热重分析和高温滴落炉实验对CGFS的燃烧特性进行了大量研究，结果表明CGFS具有燃烧潜力（Hui等人，2025；Li等人，2023；Jia等人，2023；Dai等人，2020；Hu等人，2019；Liu等人，2020）。然而，像CGFS这样的碳基固体废弃物具有超低挥发分和低碳含量的特性，这会导致点火困难及燃烧稳定性差的问题（Li等人，2021；Li等人，2022；Li等人，2025；Liu等人，2024）。公用锅炉对燃烧稳定性的要求非常高，实验室规模的研究无法完全反映各种因素对CGFS实际燃烧状态的影响。因此，有必要将实验室研究扩大到工业测试阶段。
试验是连接实验室基础研究和工业应用的关键环节，可以模拟电厂锅炉的实际运行环境。为此，研究人员改进了燃烧技术并通过试验进行了验证。Guo等人（Guo等人，2024；Guo等人，2025；Wang等人，2024）设计了一种热改性的技术，并通过试验使CGFS能够高效燃烧。Bi等人（Bi等人，2025）通过试验将高碱煤与CGFS混合，有效减少了结渣和钠的释放。Yan等人（Yan等人，2022）在0.5兆瓦的试验平台上混合了半焦和烟煤，找到了最佳燃料配比。目前，试验主要集中在优化现有技术上，所研究的燃料为高碳含量的固体废弃物，而超低碳含量固体废弃物的稳定燃烧仍需进一步验证，开发新的燃烧技术是一个新的研究方向。
在双碳背景下，燃烧技术的创新应更加注重燃烧效率与低污染排放的协同性。旋流燃烧技术具有优异的燃烧能力和温度控制优势。目前，学者们已开展了相关研究（Saif等人，2026；Zhang等人，2023；Lv等人，2023）。Wang等人（Wang等人，2025）提出了一种中心进料旋流燃烧技术，可将锅炉的最小负荷降低20%。Wu等人（Wu等人，2025）通过优化旋流燃烧器提高了贫煤的燃烧稳定性并减少了氮氧化物排放。Huang等人（Huang等人，2025）设计了一种高轮廓旋流燃烧器，使得煤粉的燃烧比普通旋流燃烧器更稳定。上述关于旋流燃烧技术的研究主要集中在实现煤粉的高效燃烧和低氮氧化物排放上，而超低挥发分和低碳含量的粉状固体废弃物比煤粉更难燃烧，目前尚无旋流燃烧技术来解决这一问题。因此，有必要开发新的燃烧技术来破解这一难题。
在本研究的初步工作中，已在实验室规模下进行了CGFS与烟煤的CO燃烧实验，证实了CGFS的混烧潜力（Chen等人，2021；Li等人，2025）。因此，为了评估在电厂锅炉中大规模混合燃烧烟煤的可行性，首次开发了一种具有强稳定燃烧预燃烧室的新型旋流燃烧器，并建立了0.5兆瓦的试验燃烧系统。研究了不同混合比例下的燃烧效率和氮氧化物排放特性。此外，为了验证该技术是否适用于全尺寸公用锅炉，在预燃烧室提出了旋流燃烧与切向燃烧耦合方案，并通过100兆瓦切向燃烧锅炉的数值模拟验证了该方案的可行性。本研究提出的新燃烧技术对燃煤电厂的低碳转型和固体废弃物减排具有重要的参考价值。
实验材料
本研究使用的材料为来自循环流化床气化炉的烟煤和CGFS，该气化炉的产气量为20,000立方米/小时。颗粒大小的选择基于体积加权平均值。图S1显示了颗粒大小分布，可以看出颗粒大小为31.554微米。样品为干燥的细颗粒状态，可以直接进行测试。水分、灰分和挥发分含量使用湖南Sundy SDLA718 Proximate仪器进行了测定。
混合比例对温度、烟气成分和燃烧特性的影响
图3（a）和表S5展示了混合比例对不同位置径向温度分布的影响。在x = 280毫米、r = 0毫米的位置，烟煤的温度约为1200摄氏度，CGFS的温度约为1100摄氏度。温度从炉膛中心向侧壁逐渐降低，表明燃烧从燃烧器的中心轴线向外部开始，且中心区域的煤粉已完全燃烧。
结论
本研究通过0.5兆瓦的等效试验燃烧测试和切向燃烧数值模拟，评估了在电厂锅炉中使用CGFS作为替代燃料的可行性。具体结论如下：
(1) 开发了一种具有强稳定燃烧预燃烧室的新型旋流燃烧器，解决了超低挥发分和低碳含量固体废弃物点火困难及燃烧稳定性差的问题。
(2) 试验结果表明……
作者贡献声明
李家伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源协调，项目管理，方法论制定，资金筹集，数据管理，概念构思。杨天元：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化处理，验证，软件应用，调查，数据管理。陈志超：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。李晓光：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。宋敏航：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢吉林省自然科学基金（基金编号：YDZJ202501ZYTS422）的支持。
