多重灰行为耦合下的单颗粒燃烧与PM生成动力学机理

  结合激光-光学测量，阐明煤焦颗粒燃烧过程中灰的动态迁移（灰膜、灰渗透、灰气化挥发），发展了三重灰行为迁移转化相耦合的煤焦颗粒本征动力学燃烧模型程序CBC（Char Burning Code），首次实现煤焦颗粒燃烧末期精确模拟；进而耦合成核-沉积-凝并团聚、煤焦颗粒逾渗破碎-灰熔融聚并等多重灰行为理论模型，发展了单一灰组分煤焦颗粒燃烧与多模态PM生成动力学模型程序CBPMK（Char Burning and Particulate Matter Kinetics），多位CI Fellow评论该模型是当前唯一考虑煤焦颗粒燃烧过程中灰动态迁移演化，并能够精确预测煤焦颗粒整个燃尽过程的动力学模型。

       高温沉降炉试验台   预热-燃烧试验台          燃烧自维持试验台          煤焦颗粒燃烧及多模态PM生成示意图

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熔融结渣调控及固废熔融资源化

结渣是生物质与准东煤等燃料燃烧发电的主要技术障碍与电站安全高效运行的制约因素。针对此，研究提出并揭示碱金属富集型燃料燃烧过程中碱金属诱导性结渣、高温硅酸盐熔融诱导性结渣和低温硅酸盐熔融诱导性结渣三重结渣概念与形成机理；同时，发展了针对三重诱导性结渣的定量评价指标和方法。为燃料选择与组合搭配，进而彻底解决或预防结渣提供了科学依据，相应研究受邀在能源燃烧领域顶级期刊Prog Energ Combust发表综述。

同时，该方面研究为气化炉液态排渣调控机制、垃圾飞灰熔融资源化利用等研究提供了借鉴。

          三重结渣机理                  液态排渣调控机制               垃圾焚烧及焚烧飞灰资源化利用

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煤粉自预热-低氮燃烧关键技术及应用

  理论与应用研究相结合，发明并阐明集空气/燃料径向及轴向多级逐级供给与自清灰防结渣技术于一体的自预热-低氮高效稳燃技术及机理，开发了系列自预热-低NOx旋流燃烧器，百余套燃烧器应用于国内外80台工业煤粉炉，实现NOx原始排放130~280mg/m³、20%超低负荷稳燃、无结渣安全运行，为燃烧优化深度脱除NOx与低负荷灵活性改造提供了理论支撑与示范及借鉴。由中国动力工程学会组织，院士及行业专家鉴定委员会一致认为：该技术总体处于“国际先进水平”，其中空气/燃料径向及轴向多级逐级配风、煤粉自预热、预燃室自清灰防结渣技术处于“国际领先水平”，获陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。

  目前，该技术通过专利技术转化、专利许可、技术合作应用于巴基斯坦与我国9省25市130余套燃烧器（单台功率4.2MW~35MW）、80台工业煤粉锅炉与燃煤电厂锅炉。

                    机理研究及产品与应用                                  应用分布

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电站锅炉低负荷稳燃灵活性改造

“双碳”目标下，国家发改委、国家能源局联合印发《全国煤电机组改造升级实施方案》，设置了煤电“三改联动”的时间表和路线图。1）节能降耗改造：对供电煤耗在300克标准煤/千瓦时以上的煤电机组，应加快创造条件实施节能改造，对无法改造的机组逐步淘汰关停，并视情况将具备条件的转为应急备用电源。“十四五”期间改造规模不低于3.5亿千瓦。2）供热改造：鼓励现有燃煤发电机组替代供热，积极关停采暖和工业供汽小锅炉，对具备供热条件的纯凝机组开展供热改造，在落实热负荷需求的前提下，“十四五”期间改造规模力争达到5000万千瓦。3）灵活性改造：存量煤电机组灵活性改造应改尽改，“十四五”期间完成2亿千瓦，增加系统调节能力3000—4000万千瓦，促进清洁能源消纳。“十四五”期间，实现煤电机组灵活制造规模1.5亿千瓦。

目前，基于课题组开发技术，已完成两台燃煤自备电站锅炉的低负荷灵活性改造，实现20%低负荷长期稳定运行，2022年10月开始已连续稳定运行半年。

国煤电机组改造升级实施方案                  低负荷灵活性改造方案               现场施工

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水冷全预混超低氮燃气装置（燃烧器&真空锅炉）

  基于燃气预混燃烧NOx生成及控制机理，提出了一种水冷全预混低氮燃气燃烧器与真空锅炉，包括逆流旋流混合器、导流板、上/下均流板、“梳型”水冷燃烧器、燃烧室、炉膛管束和“梯”型渐缩炉膛。燃气和空气经逆流旋流混合器混合均匀后流经导流板和上/下均流板，在“梳型”水冷燃烧器出口形成低温低NOx表面燃烧；其中“梳型”水冷燃烧器相邻“梳型”水冷模块组成的“Y”型气流通道，入口段扁平矩形结构有效防止回火，渐扩段在增加辐射换热面积的同时将燃气着火点前移，提升“梳型”水冷燃烧器根部水冷换热效果，并在表面布置螺旋环肋结构以增大预混火焰湍流度，强化湍动燃烧与换热。“梳型”水冷燃烧器出口布置的一列燃烧室水冷管束分隔出双燃烧室增加辐射换热面积。“梳型”水冷燃烧器与燃烧室水冷管束内冷却水汇集后经外回路在换热器加热，烟气流经“梯”型渐缩炉膛中错列布置的炉膛管束，实现烟气的等速流动和逐步冷却，保证混合气体燃料清洁、稳定及高效的燃烧。

  在此过程中，研究并开发了低阻力预混器有效降低风机压头与混合均匀性、低氮与高调节比梳型燃烧器有效解决爆震与NOx排放、燃烧器与炉膛真空冷却管优化布置的结构全参数数据图库、激光焊微距螺旋翅片管传热特性等核心技术。已完成1t/h、2t/h、4t/h、6t/h型式试验与生产应用。

                水冷预混低氮真空锅炉示意图                试验台              中国特检院型式试验NOx及能效测试