FIE 哈工大李争起教授：新型深度调峰燃烧器的气固流动与快速负荷调节特性—中国学术期刊网官网

　　随着可再生能源并网规模扩大，火电机组深度调峰需求日益迫切。然而，现有旋流燃烧技术难以满足我国的调峰要求。本研究提出了一种新型深度调峰燃烧器（DPRB），通过气固两相流实验、工业试验及瞬态数值模拟，系统评估了其流动特性与快速变负荷能力。研究表明，DPRB在超低负荷下仍能形成稳定的回流区，并通过优化气流结构提升燃烧稳定性。

　　在能源结构转型背景下，火电机组需通过深度调峰平衡可再生能源的间歇性。我国燃煤电厂中，劣质煤占比高达40%，其挥发分低、灰分高，导致传统旋流燃烧器难以在低负荷下稳燃。现有技术依赖微油点火、等离子点火或富氧燃烧等辅助手段，但长期使用面临经济性与环保限制。主流旋流燃烧器（如英巴旋流燃烧器、双调风旋流燃烧器等）的最低稳燃负荷普遍高于50%，无法满足35%30%负荷的调峰需求。此外，快速升负荷能力不足进一步制约了机组灵活性。

　　燃用劣质煤旋流燃烧器稳燃的核心挑战在于着火需热与供热不匹配。旋流燃烧器的性能高度依赖回流区（RZ），其通过高温烟气回流提供煤粉点燃所需的热量。然而，低负荷下二次风速降低，传统结构难以形成稳定回流区。本研究提出了一种新型深度调峰燃烧器（DPRB），通过结构创新实现回流区形状与尺寸的主动控制，突破劣质煤在15%～30%负荷下的稳燃瓶颈，为燃煤机组深度调峰与可再生能源消纳提供了关键技术支撑。

　　本研究通过气固流动实验、工业测试与瞬态数值模拟，系统评估了DPRB的流动特性与燃烧性能。基于雷诺数(Re104）与弗劳德数（Fr）等相似模化准则，建立1:9缩比模型，利用3D激光颗粒动态分析仪（PDA）测量了速度场、湍流强度及颗粒体积流量。同时，基于Realizablek-湍流模型与拉格朗日随机轨迹模型等方程，模拟了20%30%负荷升程中的动态燃烧过程。

　　实验发现，DPRB在不同负荷下均存在稳定回流区。满负荷时，中心回流区长度为1.5d（d为出口直径）、直径0.58d；当负荷降至40%、20%与15%时，回流区转为环形，直径分别为0.30d、0.40d与0.39d，长度稳定为1.0d。低负荷下，环形回流区的内边界距燃烧器中心轴仅30 mm，位于一次风区域，有助于高温烟气与煤粉的早期混合。由于三级浓缩环的作用，高浓度颗粒聚集在燃烧器中心区域（图1）。尽管煤粉未直接进入回流区，但高煤粉浓度显著降低了着火热，有利于中心区域的及时着火。

　　湍流特性分析表明，20%和15%负荷下的湍流强度（TI）峰值高于40%负荷。例如，在20%负荷时，x/d=0.1截面的TI峰值达12%，而40%负荷下为10%。湍流动能（k）的分布显示，一次风区域能量在40%负荷最高，而二次风区域在满负荷占优（图2）。数值模拟进一步验证，DPRB在3%min-1升负荷速率下，火焰高温区（1300 ℃）覆盖更广，且点火位置距喷嘴0.650.70 m，避免局部过热。相比之下，原型燃烧器在相同速率下因一次风速度过高，火焰扩散受限，30秒后温度骤降至600 ℃以下并熄火（图3-4）。

　　工业试验数据与模拟结果误差小于5%，证实了模型的可靠性。例如，DPRB在监测端口区域的温度上升速率为158.45 ℃m-1，实测值为156.56 ℃m-1，相对误差仅1.19%。此外，DPRB的煤粉着火位置（750℃对应的位置）较原型燃烧器提前0.10.3 m，稳燃性能得到明显改善。

　　本研究通过多尺度方法揭示了新型深度调峰燃烧器（DPRB）的气固流动特性与动态响应机制。DPRB通过旋流间隙二次风与直流通风协同作用，形成可控的回流区结构，在15%30%负荷下实现无辅助稳定燃烧。实验与模拟结果表明，其快速升负荷能力优于原型燃烧器。研究成果为燃煤机组深度调峰提供了创新解决方案，支持可再生能源高比例并网。未来研究需进一步优化燃烧器结构以降低氮氧化物排放，并通过全炉膛模拟与工业试验验证长期运行稳定性。

　　李争起，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，二级教授，长聘教授，博士生导师，工学博士。曾获教育部新世纪优秀人才计划资助，以“头雁”负责的《清洁能源与热科学技术创新团队》获黑龙江省首批头雁创新团队支持。被哈尔滨锅炉厂有限责任公司聘为首席技术专家。2023年度院士候选人。主要从事碳基燃料低碳降污机理及技术的科研与教学工作。《高性能中心给粉旋流煤粉燃烧技术》获2015年度国家技术发明二等奖（排序第一），《风控浓淡煤粉燃烧技术》获2000年度国家技术发明二等奖（排序第四），获中央、国务院、颁发的中华人民共和国成立70周年纪念章。指导的博士生2人次获全国百博提名奖。出版英文著作2部、中文专著1部。录用及发表国际刊物论文170篇（SCI、EI双检160篇），美国、英国、德国专利授权3项，中国发明专利授权120项，实用新型专利2项。2014-2021年连续八年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。主要社会兼职：《Frontiers in Energy》（中国工程院院刊，SCI源刊）、《Process》（SCI源刊）、《Advances in Energy》、《Science and Technolog》及《热能动力工程》编委、中国煤炭学会煤粉锅炉委员会委员、哈尔滨市环保委员会生态环境专家。

　　Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

　　Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章提供免费语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。

　　由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。