煤炭净化-燃烧新技术：低负荷下的净化特性与超低氮燃烧性能研究

《Engineering》：A Novel Coal Purification-Combustion Technology: Purification Characteristics and Ultra-Low Nitrogen Combustion at Low Load

为解决低负荷工况下燃煤效率低、NOx排放高等问题，中国科学院工程热物理研究所团队开展煤炭净化-燃烧技术研究。通过200 kW系统验证，该技术实现了中温活化、高温净化与MILD燃烧的协同调控，最终使三种煤在55%低负荷下NOx排放降至28–42 mg·Nm?3（@6% O2），燃烧效率超99.6%，为清洁高效煤电技术发展提供新路径。

　　

随着可再生能源装机容量的快速增长，电力系统对灵活调峰能力的需求日益迫切。然而，燃煤机组在低负荷运行时面临燃烧不稳定、效率下降及污染物排放（尤其是氮氧化物NO_x）显著升高的双重挑战。传统低氮燃烧技术虽能将NO_x初始排放控制在200–500 mg·m^?3，但往往以牺牲燃烧效率为代价，难以实现低负荷下的清洁高效燃烧。为此，中国科学院工程热物理研究所提出了一种创新的煤炭净化-燃烧技术，旨在通过燃料预处理和燃烧过程优化，突破低负荷煤粉燃烧的排放瓶颈。相关研究成果发表于《Engineering》期刊。

研究团队在200 kW试验系统上开展了系统的实验验证。该系统核心由中温活化单元（MT）、高温净化单元（HT）和温和燃烧单元（SC）构成。研究人员选取三种典型煤种（神木烟煤SM、北山褐煤BS、义华煤YH），在55%低负荷条件下，详细考察了煤的高温气化反应、MILD燃烧组织以及氮迁移转化机制。通过在线气体分析、飞灰取样、比表面积及孔隙结构测定（BET）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，揭示了燃料转化特性与污染物控制机理。

3.1. 煤的高温净化特性

中温活化过程（约850 °C）显著促进了煤粉的孔隙发育，比表面积增加5–140倍，为高温气化反应提供了丰富的活性位点。该过程主要实现挥发分氮的释放与还原，煤氮向N₂的转化率达到43.8%–53.1%。高温净化阶段（>1300 °C）在HT内形成核心高温区，通过高速对置燃烧器实现气固燃料的强烈混合与反应，碳转化率显著提升，并实现了62%–85%的无机组分分离（即碳-灰分离）。煤粉被转化为以CO和H₂为主的高温气相燃料，煤氮向N₂的转化率进一步提高至93.6%–96.6%。拉曼光谱和XPS分析表明，高温处理使煤中不稳定的吡咯氮（N-5）向更稳定的吡啶氮（N-6）和季氮（N-Q）转化，促进了氮元素的定向析出。

3.2. 煤中氮的析出与转化

在MT阶段，煤热解产生较高浓度的NH₃（150–250 ppm）和少量HCN（35–46 ppm）。进入HT后，在强还原气氛和高温作用下，HCN完全消失，NH₃浓度降至25–50 ppm，表明中间产物被有效还原为N₂。氮形态转化分析显示，高温净化过程主要完成焦炭氮的释放与还原。整个净化过程将煤的燃烧路径从传统的异相反应主导转变为均相反应主导，为后续MILD燃烧创造了条件。

3.3. 气相燃料的燃烧特性

由HT产生的高温气固复合燃料（>950 °C）进入SC后，通过A1–A7多级空气分级送入，实现了温和低氧稀释（MILD）燃烧。SC内温度分布均匀（轴向温差小），峰值温度维持在1013–1060 °C，避免了热力型NO_x的生成。高速旋流和径向射流增强了燃料与氧化剂的混合，使CO和H₂在还原区（ER < 1）内缓慢燃烧释放热量。

3.4. 燃烧过程中氮的迁移转化

在SC还原区内，入口气相中的NH₃被完全转化为N₂，同时焦炭氮逐渐释放并被还原，使得煤氮向N₂的转化率在还原区出口达到99.6%。氧化区（ER > 1）主要完成残炭的燃尽，此阶段焦炭氮的释放和氧化是最终NO_x生成的主要来源。通过优化氧化区喷嘴结构（非对置式）以抑制燃烧强度，有效控制了NO_x的生成。最终，三种煤在低负荷下的原始NO_x排放浓度分别为SM煤34.6 mg·m^?3、BS煤42.1 mg·m^?3、YH煤28.4 mg·m^?3（@6% O₂），燃烧效率均超过99.6%。

本研究成功验证了煤炭净化-燃烧技术在实现低负荷高效超低氮燃烧方面的可行性和显著优势。该技术通过中温活化、高温净化及MILD燃烧的有机耦合，不仅实现了煤中无机杂质的高效脱除和燃料氮的定向转化，还将燃烧模式转变为以均相反应为主的清洁燃烧，为解决燃煤电站低负荷运行难题提供了创新性技术方案，对支撑新型电力系统中煤电的灵活、清洁运行具有重要意义。