《Case Studies in Thermal Engineering》：Study of combustion characteristics in the self-stabilized stage of a novel self-stabilized pulverized coal burner
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本研究針對傳統火電機組深度調峰時燃燒不穩定、污染物排放高的問題，提出一種無需外置點火源的新型自穩定煤粉燃燒器(SSCB)。通過數值模擬與實驗，研究人員探究了其核心自穩區(BSZ)在寬負荷范圍內的燃燒特性，揭示了回熱風建立內部回流區(RZ1)是實現穩定燃燒與源頭降低NOx排放的關鍵機制，為提升深度調峰下的燃燒穩定性提供了新思路。
在構建以新能源為主體的新型電力系統進程中，常規火力發電機組的角色正悄然發生轉變。它們不僅要提供穩定的基荷電力，更被賦予了快速、靈活調節功率以“削峰填谷”的重要使命，這就是所謂的“深度調峰”。然而，當機組負荷大幅降低時，鍋爐爐膛內的燃燒環境會急劇惡化，火焰容易變得不穩定甚至熄滅，同時氮氧化物(NOx)等污染物的排放濃度也會飆升。傳統的解決方案，如投入等離子點火器或微油槍助燃，不僅增加了運行成本和復雜度，也未能從根本上解決燃燒不穩定性的問題。那么，能否設計一種燃燒器，讓它像內置了一個永不熄滅的“火種”一樣，無論外部負荷如何波動，都能自身維持穩定燃燒，從而為整個鍋爐提供可靠的熱源呢？
一篇發表在《Case Studies in Thermal Engineering》上的研究論文，為我們展示了這樣一種創新性的解決方案。由東北電力大學的研究團隊領銜，他們提出并深入研究了一種“新型自穩定煤粉燃燒器”(Self-stabilized pulverized coal burner, SSCB)。這項研究的核心，正是要解答如何在寬負荷范圍內，尤其是在深度調峰的低負荷工況下，實現煤粉的穩定、高效、清潔燃燒。
為了探究其奧秘，研究人員采用了“實驗驗證與數值模擬相結合”的研究范式。他們在一臺600MW切圓燃燒鍋爐上搭建了現場試驗平臺，對SSCB的實際運行性能進行監測。同時，利用計算流體動力學(CFD)軟件Fluent 2020建立了燃燒器核心自穩區(Burner self-stabilized zone, BSZ)的全尺寸數值模型。在模擬中，他們應用了可實現k-ε湍流模型、渦耗散模型(Eddy-Dissipation model, EDM)處理湍流-化學反應交互、離散坐標輻射模型以及熱力型和燃料型NOx生成模型等，并考慮了煤粉顆粒的揮發、焦炭反應過程。通過設置不同的煤粉氣流速度(u0：14-22 m/s)、煤粉濃度(a：0.2-0.6 kg/kg)和回熱風流量(q：60-150 Nm3/h)等工況，系統分析了這些關鍵運行參數對BSZ內流場、溫度場及污染物生成的影響。
研究結果揭示了SSCB實現自穩燃燒的物理機制與優化路徑：
1. 雙回流區結構與主導作用
研究發現，在BSZ內部形成了兩個穩定的高溫回流區。回流區1(Recirculation zone 1, RZ1)由高速逆向噴入的回熱風與煤粉氣流撞擊形成，位于回熱風噴嘴附近；回流區2(RZ2)則由通道突擴效應在進口附近形成。其中，RZ1在面積、流速和負壓方面均遠大于RZ2，是維持穩定燃燒的“主導者”。它能夠卷吸下游高溫燃燒煙氣，形成一個“封閉的內部熱力反饋回路”，持續將熱能送回點火核心區，從而實現無需外部熱源的自持燃燒。在三個運行參數中，回熱風流量q對RZ1的特性影響最為顯著。
2. 運行參數對燃燒穩定性的影響
研究通過多工況模擬，明確了各參數對點火距離(l)、出口平均煙氣溫度(Tao)和壁溫(Taw)的影響規律。較短的l意味著更強的抗干擾能力，較高的Tao則意味著對下游燃料更強的點燃能力。研究表明，降低煤粉氣流速度u0可以顯著提高燃燒溫度并縮短點火距離。存在一個最優的煤粉濃度a(約0.4 kg/kg)和回熱風流量q(約100 Nm3/h)，能在穩定燃燒和抗干擾能力之間取得最佳平衡。在所有研究工況下，BSZ出口都能提供足夠高且均勻的煙氣溫度(>970°C)以點燃下游燃料，同時壁溫被安全地控制在灰變形溫度以下，有效防止了結渣風險。
3. 源頭低氮排放的潛力
SSCB的BSZ內部營造了一個缺氧環境，這有利于煤粉的“缺氧預熱脫硝”(Hypoxic preheating denitrification, HPD)過程，能將燃料氮更多地轉化為N2，從而從源頭抑制NOx的生成。模擬結果顯示，降低u0能顯著提升NO還原效率(ηNO)，當u0從22 m/s降至14 m/s時，ηNO從6.8%大幅提高至30.5%。在反應時間與溫度的共同作用下，煤粉濃度a=0.3 kg/kg時能達到最佳的氮還原效果。而增加回熱風流量q會增強氧化性氣氛，反而會削弱BSZ的脫氮能力。
4. 實驗驗證
研究人員選取了最優穩定燃燒工況(Case 10)進行了實驗驗證。在等離子點火器關閉后，BSZ成功實現了無外熱源的自持燃燒，火焰溫度和壁溫均保持穩定。實驗測得的溫度與數值模擬結果吻合良好，最大相對誤差僅為4.5%，證明了數值模型的可靠性，足以用于工程分析與優化。
結論與展望
本研究系統闡釋了新型自穩定煤粉燃燒器的核心機理——基于“高溫煙氣封閉熱力反饋回路”。通過詳盡的參數研究，指明了實現寬負荷范圍內穩定燃燒與低碳排放的優化操作窗口。該燃燒器的設計理念突破了傳統燃燒器依賴鍋爐整體流場形成回流區的限制，將穩定燃燒的“錨點”內置化，從而顯著增強了對負荷波動的適應性。這對于提升火電機組的深度調峰靈活性、保障電網安全穩定運行、以及從源頭控制污染物排放具有重要的工程應用價值。未來，通過進一步擴大高溫回流區以延長燃料停留時間，并開發適應不同工況的可調進口機構，有望推動此類清潔煤粉燃燒技術邁向更高效、更環保的新階段。
