新型自稳定煤粉燃烧器在自稳阶段的燃烧特性研究 中文标题

《Case Studies in Thermal Engineering》：Study of combustion characteristics in the self-stabilized stage of a novel self-stabilized pulverized coal burner

本研究针对传统火电机组深度调峰时燃烧不稳定、污染物排放高的问题，提出一种无需外置点火源的新型自稳定煤粉燃烧器(SSCB)。通过数值模拟与实验，研究人员探究了其核心自稳区(BSZ)在宽负荷范围内的燃烧特性，揭示了回热风建立内部回流区(RZ1)是实现稳定燃烧与源头降低NOx排放的关键机制，为提升深度调峰下的燃烧稳定性提供了新思路。

　　

在构建以新能源为主体的新型电力系统进程中，常规火力发电机组的角色正悄然发生转变。它们不仅要提供稳定的基荷电力，更被赋予了快速、灵活调节功率以“削峰填谷”的重要使命，这就是所谓的“深度调峰”。然而，当机组负荷大幅降低时，锅炉炉膛内的燃烧环境会急剧恶化，火焰容易变得不稳定甚至熄灭，同时氮氧化物(NO_x)等污染物的排放浓度也会飙升。传统的解决方案，如投入等离子点火器或微油枪助燃，不仅增加了运行成本和复杂度，也未能从根本上解决燃烧不稳定性的问题。那么，能否设计一种燃烧器，让它像内置了一个永不熄灭的“火种”一样，无论外部负荷如何波动，都能自身维持稳定燃烧，从而为整个锅炉提供可靠的热源呢？

一篇发表在《Case Studies in Thermal Engineering》上的研究论文，为我们展示了这样一种创新性的解决方案。由东北电力大学的研究团队领衔，他们提出并深入研究了一种“新型自稳定煤粉燃烧器”(Self-stabilized pulverized coal burner, SSCB)。这项研究的核心，正是要解答如何在宽负荷范围内，尤其是在深度调峰的低负荷工况下，实现煤粉的稳定、高效、清洁燃烧。

为了探究其奥秘，研究人员采用了“实验验证与数值模拟相结合”的研究范式。他们在一台600MW切圆燃烧锅炉上搭建了现场试验平台，对SSCB的实际运行性能进行监测。同时，利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent 2020建立了燃烧器核心自稳区(Burner self-stabilized zone, BSZ)的全尺寸数值模型。在模拟中，他们应用了可实现k-ε湍流模型、涡耗散模型(Eddy-Dissipation model, EDM)处理湍流-化学反应交互、离散坐标辐射模型以及热力型和燃料型NO_x生成模型等，并考虑了煤粉颗粒的挥发、焦炭反应过程。通过设置不同的煤粉气流速度(u₀：14-22 m/s)、煤粉浓度(a：0.2-0.6 kg/kg)和回热风流量(q：60-150 Nm³/h)等工况，系统分析了这些关键运行参数对BSZ内流场、温度场及污染物生成的影响。

研究结果揭示了SSCB实现自稳燃烧的物理机制与优化路径：

1. 双回流区结构与主导作用

研究发现，在BSZ内部形成了两个稳定的高温回流区。回流区1(Recirculation zone 1, RZ1)由高速逆向喷入的回热风与煤粉气流撞击形成，位于回热风喷嘴附近；回流区2(RZ2)则由通道突扩效应在进口附近形成。其中，RZ1在面积、流速和负压方面均远大于RZ2，是维持稳定燃烧的“主导者”。它能够卷吸下游高温燃烧烟气，形成一个“封闭的内部热力反馈回路”，持续将热能送回点火核心区，从而实现无需外部热源的自持燃烧。在三个运行参数中，回热风流量q对RZ1的特性影响最为显著。

2. 运行参数对燃烧稳定性的影响

研究通过多工况模拟，明确了各参数对点火距离(l)、出口平均烟气温度(T_ao)和壁温(T_aw)的影响规律。较短的l意味着更强的抗干扰能力，较高的T_ao则意味着对下游燃料更强的点燃能力。研究表明，降低煤粉气流速度u₀可以显著提高燃烧温度并缩短点火距离。存在一个最优的煤粉浓度a(约0.4 kg/kg)和回热风流量q(约100 Nm³/h)，能在稳定燃烧和抗干扰能力之间取得最佳平衡。在所有研究工况下，BSZ出口都能提供足够高且均匀的烟气温度(>970°C)以点燃下游燃料，同时壁温被安全地控制在灰变形温度以下，有效防止了结渣风险。

3. 源头低氮排放的潜力

SSCB的BSZ内部营造了一个缺氧环境，这有利于煤粉的“缺氧预热脱硝”(Hypoxic preheating denitrification, HPD)过程，能将燃料氮更多地转化为N₂，从而从源头抑制NO_x的生成。模拟结果显示，降低u₀能显著提升NO还原效率(η_NO)，当u₀从22 m/s降至14 m/s时，η_NO从6.8%大幅提高至30.5%。在反应时间与温度的共同作用下，煤粉浓度a=0.3 kg/kg时能达到最佳的氮还原效果。而增加回热风流量q会增强氧化性气氛，反而会削弱BSZ的脱氮能力。

4. 实验验证

研究人员选取了最优稳定燃烧工况(Case 10)进行了实验验证。在等离子点火器关闭后，BSZ成功实现了无外热源的自持燃烧，火焰温度和壁温均保持稳定。实验测得的温度与数值模拟结果吻合良好，最大相对误差仅为4.5%，证明了数值模型的可靠性，足以用于工程分析与优化。

结论与展望

本研究系统阐释了新型自稳定煤粉燃烧器的核心机理——基于“高温烟气封闭热力反馈回路”。通过详尽的参数研究，指明了实现宽负荷范围内稳定燃烧与低碳排放的优化操作窗口。该燃烧器的设计理念突破了传统燃烧器依赖锅炉整体流场形成回流区的限制，将稳定燃烧的“锚点”内置化，从而显著增强了对负荷波动的适应性。这对于提升火电机组的深度调峰灵活性、保障电网安全稳定运行、以及从源头控制污染物排放具有重要的工程应用价值。未来，通过进一步扩大高温回流区以延长燃料停留时间，并开发适应不同工况的可调进口机构，有望推动此类清洁煤粉燃烧技术迈向更高效、更环保的新阶段。