煤与生物质预热协同燃烧模式下PM1 、PM1–10 和NOx 的深度减排机制研究

为解决燃煤与生物质混烧过程中颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx )协同减排难题，研究人员创新性地将预热技术应用于燃料分级、生物质再燃及空气分级等混烧模式。通过两段式滴管炉实验系统发现，预热技术使黄陵煤(HL)、麦秆(WS)和锯末(SD)单烧时PM1 、PM1–10 和NOx 排放显著降低，其中PM1 减排率与燃料挥发分含量正相关。更突破性的是，煤预热生物质再燃耦合空气分级技术使NOx 排放降至96 mg/m3 ，为燃煤电厂低碳转型提供了关键技术路径。

　　

在全球能源结构转型背景下，煤炭仍占发电量的35%以上，但传统燃煤方式导致严重的PM和NO_x
污染，引发雾霾、酸雨及呼吸系统疾病。尽管《巴黎协定》推动可再生能源应用，生物质直接燃烧仍面临PM排放高、灰分结渣等问题。现有混烧技术虽能部分降低NO_x
（180-500 mg/m³
），但PM减排研究匮乏，难以满足中国"煤电低碳转型行动计划"对混烧技术的严苛要求。

针对这一瓶颈，来自陕西的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表研究，首次将预热燃烧技术系统应用于煤与生物质的不同混烧模式。通过两段式滴管炉系统，结合电低压撞击器(ELPI+)和傅里叶红外气体分析仪(GASMET FTIR Dx4000)，对比分析了黄陵煤(HL)、麦秆(WS)和锯末(SD)在常规与预热模式下的排放特性。研究特别关注燃料分级、生物质再燃及空气分级的组合效果，样本选用典型烟煤(HL)与两类生物质(草本WS/木本SD)。

Feedstocks and preparation
实验选用HL煤、WS和SD，其特性显示生物质具有高挥发分(WS 66.25%、SD 81.37%)和低灰分优势，但富含碱金属(Na/K)，而煤含难熔元素(Si/Al/Fe)。预处理后燃料粒径控制在75-150 μm，确保燃烧可比性。

Effect of preheating single-firing
预热单烧使三种燃料的PM粒径分布保持双峰特征(0.08-0.4 μm和2-5 μm)，但PM₁
排放显著降低。关键发现包括：PM_1–10
与灰分含量呈线性正相关，而PM₁
和NO_x
减排率直接取决于挥发分含量。例如SD因最高挥发分，其PM₁
减排效果最优。

Conclusions
研究得出三大突破性结论：(1)预热单烧使HL、WS和SD的PM₁
分别降低34.72%、42.31%和51.28%，NO_x
减排46-58%；(2)HL与SD预热混烧时，无论是否耦合燃料分级，排放均低于HL单烧；(3)创新的"煤预热生物质再燃"模式使PM₁
、PM_1–10
和NO_x
较传统再燃分别再降13.23%、9.09%和25.86%，耦合空气分级后NO_x
创96 mg/m³
新低。

该研究首次揭示预热技术对混烧污染物协同控制的作用机制：预热区还原气氛促使燃料氮转化为N₂
，而低温环境抑制无机元素气化与矿物熔融，实现PM-NO_x
同步减排。相比中科院工程热物理所此前研发的纯煤预热技术(119 mg/m³
NO_x
)，本研究通过生物质协同将排放降至近零水平，为燃煤电厂实现"双碳"目标提供了兼具经济性与操作性的技术方案。研究获陕西省重点研发计划(2024SF-YBXM-578)等资助，相关成果已具备工业化推广条件。