全球电力系统中出现了一个关键的“灵活性缺口”，这是由于可再生能源的波动性与传统热电厂的缓慢响应之间的差异造成的。这一问题在中国尤为明显，中国庞大的且快速扩张的可再生能源容量正在考验仍然以化石燃料为基础的能源系统的极限，这些化石燃料具有固有的污染和碳排放问题。因此，研究和部署更深入、更快速的削峰技术已成为运营上的迫切需求。在现有的解决方案中，循环流化床（CFB）锅炉系统[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]因其燃料适应性、广泛的运行负荷灵活性和成本效益高的排放控制而广受认可。一种提升其低NOx性能的关键技术是循环流化床预热技术[[10], [11], [12]]，该技术在亚化学计量条件下（空气当量比< 1）运行。在此阶段，煤在CFB中发生部分氧化，释放热量使床温升高，产生的高温煤焦和热解气体通过分级空气系统输送到燃烧室进行完全燃烧。因此，将预热技术与CFB系统的固有削峰能力相结合，为下一代灵活发电技术带来了巨大潜力。
已经进行了大量的实验研究，探讨了CFB的峰值负荷运行和动态特性[[13], [14], [15]]。研究表明，煤进料速率和煤种的变化显著影响燃烧过程中的床温和氧浓度[16]。此外，CFB中煤与高热值煤粉的复合燃烧技术可以提高峰值负荷率，煤的喷射位置和热值会影响负荷响应速率和燃烧性能[17]。大规模的超超临界CFB装置实现了1.5–2% BMCR/min的负荷变化率，并能在保持稳定超低排放的同时实现深度削峰，达到20%–30%的负荷[18]。现有的方法——如调整颗粒大小、空气分布和煤进料位置——已被证明可以改善排放性能和负荷变化率。然而，仍存在一个关键的研究空白：缺乏实验证据证明CFB在低于20%的超低负荷下能够实现稳定的流化燃烧，以及预热如何影响负荷变化速率和稳定性的系统分析。
尽管传统的CFB技术因其燃料灵活性而受到重视，但其负荷跟随能力仍受热惯性和动态响应缓慢的限制。来自相关领域的解决方案在实施过程中面临重大障碍。例如，关于先进复合材料[19]和界面工程[20]的微观层面研究缺乏反应器规模的验证，而氢共燃策略[21]常常忽略了成本和基础设施方面的关键挑战。同样，系统优化框架[22,23]通常基于理想化的假设，忽略了现实世界的瞬态过程。这些限制凸显了本工作中开发的综合方法的必要性，该方法直接解决了CFB系统的动态性能问题。
为了解决这些空白，本研究的关键创新在于集成了预CFB进行原位燃料升级，从根本上改变了进入主燃烧室的燃料性质。这种独特的方法有望同时克服负荷响应缓慢和超低负荷燃烧不稳定的问题。主要贡献包括：
1) 首次实验验证了在18%的超低负荷下实现稳定的CFB燃烧，大幅扩展了其运行下限。
2) 对负荷变化动态进行了定量分析，揭示了原位燃料升级如何加速负荷转换并稳定燃烧。
3) 系统地描述了负荷增加和减少过程中的预热行为，将响应不对称性与热惯性和反应动力学联系起来。
这项工作为理解预热增强的负荷灵活性提供了基础，为开发清洁、低碳且高度响应的能源系统提供了关键见解。
