《Waste Management》：An innovative swirl burner for burning ultra-low carbon solid waste: Pilot scale combustion test and numerical simulation study
編輯推薦：
利用低碳粉煤灰（CGFS）作為替代燃料在電廠鍋爐中實現共燃的可行性研究，通過開發新型旋流燃燒器及預燃室結構，結合0.5MW試驗系統與100MW鍋爐數值模擬，驗證了不同摻混比例下燃燒穩定性與NOx排放特性，解決了超低揮發性固廢難點火及燃燒效率問題。
李家偉|楊天元|陳志超|李曉光|宋敏航|劉洪鵬|王青|郭帥
東北電力大學能源與動力工程學院，中國吉林省長春市長春路169號，郵編132012
摘要
為了驗證將低碳粉狀固體廢棄物作為電廠鍋爐大規�；鞜娲剂系目尚行裕⒔鉀Q燃燒穩定性差、燃燒不完全以及氮氧化物（NOx）排放量高的問題，本研究開發了一種新型旋流燃燒器，該燃燒器配備了一個強穩定的預燃燒室，適用于超低碳煤氣化細渣（CGFS）的燃燒，并建立了一個0.5兆瓦的預燃燒室旋流燃燒試驗系統。研究了不同比例下CGFS與煙煤混合物的燃燒性能和氮氧化物排放特性，數值模擬驗證了旋流燃燒-切向燃燒耦合方案的有效性。試驗結果表明：隨著CGFS比例的增加，爐膛出口處的氮氧化物濃度從355毫克/立方米降至107毫克/立方米，隨后又升至147毫克/立方米，同時燃燒完全率從97%下降到92.7%。數值模擬顯示，在所有條件下所有混合物的燃燒完全率均為98%，氮氧化物排放量較低，且爐膛燃燒狀態與試驗結果一致。綜合考慮燃料燃燒完全率和氮氧化物排放情況，0-100%的混合比例均能保持點火和穩定燃燒。這項技術使得無需輔助燃料即可高效燃燒超低揮發分的CGFS；預燃燒室旋流-切向燃燒方案適用于全尺寸電廠鍋爐。研究證實了旋流燃燒器在電廠鍋爐中大規�；鞜蹱罟腆w廢棄物的可行性，有助于固體廢棄物的資源化利用、電廠節能、碳減排及成本控制。
引言
隨著全球能源結構的深入轉型以及中國政府提出的“碳達峰和碳中和”目標，高效清潔利用煤炭資源變得至關重要（Mei等人，2025；Wang等人，2024；Wu等人，2025）。目前，燃煤電廠是煤炭消費和碳排放的主要來源。作為電力供應的主要設備，燃料成本占整個運營成本的很大比例。實現高效燃燒、碳減排、替代燃料減排以及污染排放減少是亟待解決的問題（Yang等人，2019；Yuan等人，2025；Lv等人，2025）。煤氣化細渣（CGFS）是一種年產量巨大的碳基工業固體廢棄物（Ren等人，2023；Zhao等人，2025；Yan等人，2023；Mao等人，2024）。如果CGFS能夠在大部分電廠鍋爐中替代煤炭進行燃燒，將對電廠的節能和減排以及固體廢棄物的資源化利用發揮重要作用。
目前，研究人員通過熱重分析和高溫滴落爐實驗對CGFS的燃燒特性進行了大量研究，結果表明CGFS具有燃燒潛力（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這樣的碳基固體廢棄物具有超低揮發分和低碳含量的特性，這會導致點火困難及燃燒穩定性差的問題（Li等人，2021；Li等人，2022；Li等人，2025；Liu等人，2024）。公用鍋爐對燃燒穩定性的要求非常高，實驗室規模的研究無法完全反映各種因素對CGFS實際燃燒狀態的影響。因此，有必要將實驗室研究擴大到工業測試階段。
試驗是連接實驗室基礎研究和工業應用的關鍵環節，可以模擬電廠鍋爐的實際運行環境。為此，研究人員改進了燃燒技術并通過試驗進行了驗證。Guo等人（Guo等人，2024；Guo等人，2025；Wang等人，2024）設計了一種熱改性的技術，并通過試驗使CGFS能夠高效燃燒。Bi等人（Bi等人，2025）通過試驗將高堿煤與CGFS混合，有效減少了結渣和鈉的釋放。Yan等人（Yan等人，2022）在0.5兆瓦的試驗平臺上混合了半焦和煙煤，找到了最佳燃料配比。目前，試驗主要集中在優化現有技術上，所研究的燃料為高碳含量的固體廢棄物，而超低碳含量固體廢棄物的穩定燃燒仍需進一步驗證，開發新的燃燒技術是一個新的研究方向。
在雙碳背景下，燃燒技術的創新應更加注重燃燒效率與低污染排放的協同性。旋流燃燒技術具有優異的燃燒能力和溫度控制優勢。目前，學者們已開展了相關研究（Saif等人，2026；Zhang等人，2023；Lv等人，2023）。Wang等人（Wang等人，2025）提出了一種中心進料旋流燃燒技術，可將鍋爐的最小負荷降低20%。Wu等人（Wu等人，2025）通過優化旋流燃燒器提高了貧煤的燃燒穩定性并減少了氮氧化物排放。Huang等人（Huang等人，2025）設計了一種高輪廓旋流燃燒器，使得煤粉的燃燒比普通旋流燃燒器更穩定。上述關于旋流燃燒技術的研究主要集中在實現煤粉的高效燃燒和低氮氧化物排放上，而超低揮發分和低碳含量的粉狀固體廢棄物比煤粉更難燃燒，目前尚無旋流燃燒技術來解決這一問題。因此，有必要開發新的燃燒技術來破解這一難題。
在本研究的初步工作中，已在實驗室規模下進行了CGFS與煙煤的CO燃燒實驗，證實了CGFS的混燒潛力（Chen等人，2021；Li等人，2025）。因此，為了評估在電廠鍋爐中大規�；旌先紵裏熋旱目尚行�，首次開發了一種具有強穩定燃燒預燃燒室的新型旋流燃燒器，并建立了0.5兆瓦的試驗燃燒系統。研究了不同混合比例下的燃燒效率和氮氧化物排放特性。此外，為了驗證該技術是否適用于全尺寸公用鍋爐，在預燃燒室提出了旋流燃燒與切向燃燒耦合方案，并通過100兆瓦切向燃燒鍋爐的數值模擬驗證了該方案的可行性。本研究提出的新燃燒技術對燃煤電廠的低碳轉型和固體廢棄物減排具有重要的參考價值。
實驗材料
本研究使用的材料為來自循環流化床氣化爐的煙煤和CGFS，該氣化爐的產氣量為20,000立方米/小時。顆粒大小的選擇基于體積加權平均值。圖S1顯示了顆粒大小分布，可以看出顆粒大小為31.554微米。樣品為干燥的細顆粒狀態，可以直接進行測試。水分、灰分和揮發分含量使用湖南Sundy SDLA718 Proximate儀器進行了測定。
混合比例對溫度、煙氣成分和燃燒特性的影響
圖3（a）和表S5展示了混合比例對不同位置徑向溫度分布的影響。在x = 280毫米、r = 0毫米的位置，煙煤的溫度約為1200攝氏度，CGFS的溫度約為1100攝氏度。溫度從爐膛中心向側壁逐漸降低，表明燃燒從燃燒器的中心軸線向外部開始，且中心區域的煤粉已完全燃燒。
結論
本研究通過0.5兆瓦的等效試驗燃燒測試和切向燃燒數值模擬，評估了在電廠鍋爐中使用CGFS作為替代燃料的可行性。具體結論如下：
(1) 開發了一種具有強穩定燃燒預燃燒室的新型旋流燃燒器，解決了超低揮發分和低碳含量固體廢棄物點火困難及燃燒穩定性差的問題。
(2) 試驗結果表明……
作者貢獻聲明
李家偉：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，監督，資源協調，項目管理，方法論制定，資金籌集，數據管理，概念構思。楊天元：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，可視化處理，驗證，軟件應用，調查，數據管理。陳志超：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿。李曉光：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿。宋敏航：撰寫 – 審稿與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
我們感謝吉林省自然科學基金（基金編號：YDZJ202501ZYTS422）的支持。
