無煙煤的揮發(fā)分含量低于10%，因此在燃用無煙煤的一些煤粉電站所使用的四角切圓燃燒鍋爐、W型火焰爐以及循環(huán)流化床電站鍋爐中，存在著火困難、低負(fù)荷條件下燃燒穩(wěn)定性差和飛灰含碳量高等主要問題。工程上普遍采用提高燃燒溫度方法以實(shí)現(xiàn)無煙煤的穩(wěn)定高效燃燒，然而燃燒溫度的提高導(dǎo)致了大量熱力型氮氧化物的生成。無煙煤的穩(wěn)定燃燒和氮氧化物的生成控制是相互制約的矛盾雙方，因此，要實(shí)現(xiàn)無煙煤的穩(wěn)定、高效、潔凈燃燒成為潔凈煤燃燒領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室依據(jù)預(yù)熱強(qiáng)化燃燒的基本理論，首次提出了基于循環(huán)流化床預(yù)熱的無煙煤燃燒系統(tǒng)，可在充分保證穩(wěn)定燃燒的前提下，分級控制煤粉燃燒的氮氧化物轉(zhuǎn)化路線，實(shí)現(xiàn)無煙煤穩(wěn)定燃燒和氮氧化物生成控制的有效統(tǒng)一。

    在基于循環(huán)流化床預(yù)熱的無煙煤燃燒系統(tǒng)中，煤粉在輸送風(fēng)作用下，首先進(jìn)入循環(huán)流化床預(yù)熱或內(nèi)燃，預(yù)熱的高溫燃料再由燃燒器送入煤粉鍋爐內(nèi)燃燒。煤粉在循環(huán)流化床內(nèi)預(yù)熱或內(nèi)燃過程中，煤粉與輸送風(fēng)發(fā)生熱解、氣化或燃燒反應(yīng)，煤粉燃燒釋放出約5-10%的化學(xué)熱用于煤粉的整體預(yù)熱，煤粉預(yù)熱溫度可超過800℃；同時，煤粉輸送風(fēng)在循環(huán)流化床內(nèi)反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成含有H2、CO的還原性煤氣成分，高溫燃料、煤氣進(jìn)入燃燒器與空氣接觸后，繼續(xù)發(fā)生燃燒反應(yīng)，是燃燒過程的延續(xù)。因此，高溫燃料進(jìn)入燃燒后不存在著火和燃燒穩(wěn)定性問題。煤粉在循環(huán)流化床預(yù)熱或內(nèi)燃過程中，揮發(fā)分析出，煤中的氮部分轉(zhuǎn)化，顆粒孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這種先預(yù)熱后燃燒的方式即煤粉梯級燃燒工藝具有穩(wěn)定、高效、潔凈燃燒的控制特性。

    工程熱物理所循環(huán)流化床研究團(tuán)隊(duì)搭建了30kW煤粉預(yù)熱燃燒實(shí)驗(yàn)平臺，展開低揮發(fā)分燃料特別是無煙煤的預(yù)熱特性深入研究，從而揭示了無煙煤預(yù)熱前后的顆粒變化行為和氣體轉(zhuǎn)化特性，闡釋了無煙煤在循環(huán)流化床中預(yù)熱燃燒可強(qiáng)化著火和穩(wěn)定燃燒的物理依據(jù)。針對陽泉無煙煤（揮發(fā)分含量為6.7%）進(jìn)行的預(yù)熱燃燒試驗(yàn)結(jié)果表明，燃料在循環(huán)流化床預(yù)熱后，溫度達(dá)到850℃，預(yù)熱燃料顆粒較預(yù)熱前明顯減小，內(nèi)孔表面積和總孔容積顯著增加，煤氣的CO、H2含量約為7.3%和8.4%，產(chǎn)生的煤氣熱值為800kcal/Nm3(含顯熱)，煤粉預(yù)熱過程中，部分煤氮已經(jīng)析出、且在強(qiáng)還原性氣氛下向N2、NH3和HCN等轉(zhuǎn)化，煤氮向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化為系統(tǒng)降低氮氧化物排放提供了條件。可見無煙煤粉在循環(huán)流化床中預(yù)熱后，較高的預(yù)熱溫度、較小的煤粉粒徑和較大的比表面積為煤粉的穩(wěn)定、高效、快速燃燒提供了基本保障；煤氮在預(yù)熱中向氮?dú)獾奶崆稗D(zhuǎn)化為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低氮氧化物排放提供了控制途徑。

    在該實(shí)驗(yàn)平臺上，研究人員還進(jìn)行了低揮發(fā)分燃料特別是無煙煤的燃燒特性和氮氧化物生成特性研究，較深入地研究了預(yù)熱燃料在煤粉燃燒室的燃燒過程及其燃燒方式，探索了配風(fēng)方式、燃燒溫度等參數(shù)變化等對預(yù)熱燃料燃燒和煤氮向氮氧化物轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律，以及無煙煤在循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中煤氮的轉(zhuǎn)化途徑，揭示了預(yù)熱燃燒系統(tǒng)可控制氮氧化物排放的主要原因。研究表明，高溫燃料進(jìn)入煤粉燃燒室后，溫度升高速率遠(yuǎn)高于煤粉常規(guī)燃燒的加熱速率。煤粉在循環(huán)流化床內(nèi)預(yù)熱過程中，已部分燃燒，或稱為提前內(nèi)燃，高溫燃料進(jìn)入燃燒室的燃燒是煤粉燃燒過程的繼續(xù)。因煤粉燃燒速率高和穩(wěn)燃特性好，通過分級配風(fēng)控制煤粉燃燒的能量釋放速率和煤氮的轉(zhuǎn)化路線，煤粉燃燒室內(nèi)獲得了均勻的溫度分布，無煙煤燃燒效率達(dá)到96%，NO排放值為259mg/Nm3，而在同等尺度、不帶預(yù)熱的無煙煤燃燒裝置中，氮氧化物排放高于800mg/Nm3，燃燒效率為90% 左右。

   該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，相關(guān)研究成果已發(fā)表在《FUEL》和《JOURNAL OF THERMAL SCIENCES》等學(xué)術(shù)期刊上，《ENERGY AND FUELS》也將刊登該研究的階段性成果。

    循環(huán)流化床研究團(tuán)隊(duì)正在煤粉預(yù)熱特性、燃燒特性和氮氧化物排放特性等研究成果基礎(chǔ)上，繼續(xù)拓寬和深入煤粉預(yù)熱燃燒的研究內(nèi)容，有望形成新技術(shù)的研究開發(fā)方向，開發(fā)出新型煤粉高效潔凈燃燒技術(shù)，為煤燃燒的節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展做貢獻(xiàn)。