《Clean Energy》：Experimental and numerical study on enhanced combustion of low-rank coal: a combined approach of inclined rotation and laser assistance
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为解决小规模系统内低阶煤在常压下的不完全燃烧问题，本研究提出了一种结合倾斜旋转与激光辅助的强化燃尽方法。通过整合EDEM数值模拟与实验研究，确定底层煤粉的不完全燃烧是主要瓶颈。结果表明，优化旋转启动时机与倾斜角可显著增强扰动与燃烧效率。与堆积燃烧相比，该方法可
为解决小规模系统内低阶煤在常压下的不完全燃烧问题，本研究提出了一种结合倾斜旋转与激光辅助的强化燃尽方法。通过整合EDEM数值模拟与实验研究，确定底层煤粉的不完全燃烧是主要瓶颈。结果表明，优化旋转启动时机与倾斜角可显著增强扰动与燃烧效率。与堆积燃烧相比，该方法可将未燃尽率从11.44%降至5.95%。在燃尽阶段进一步引入激光辅助，可将未燃尽率降至3.60%。对多种低阶、难燃煤种的测试证实了该方法的有效性，其未燃尽率相比堆积燃烧降低超过50%，并持续保持在6%以下。本研究为通过优化煤粉燃烧推进微型测量装置的发展提供了一种新颖的技术途径。
煤粉热值的准确快速测量对电厂锅炉优化运行与实时成本控制至关重要，所需时间分辨率约为1小时。低阶煤具有高灰分、低热值特点，不仅降低煤粉燃尽率并引起光谱信号不稳定，还严重制约煤质参数精确检测。当前实验室标准方法是高压氧弹量热法，需将煤样置于高压氧气密封氧弹中用电热丝引燃，操作繁琐且有安全风险，无法满足电厂现场在线快速监测。光谱类技术如近红外光谱、激光诱导击穿光谱虽提升了测量速度，但模型严重依赖大量参比样品，不同煤种适应性差。直接燃烧法在精度与煤种普适性上具有不可替代优势，研究人员前期已开发常压敞开式直接燃烧量热计，适用于可燃烟煤，但低阶煤在常压下燃烧能量不足、效率低，限制了应用。现有强化燃烧技术如预热燃烧、分级燃烧、催化剂、等离子体助燃等均有一定效果，但对微型装置内低品质煤的非破坏性点火与堆积燃烧研究极为有限。因此，本研究提出一种非侵入式燃烧强化策略，在燃烧室有限空间内优化颗粒混合与能量输入过程，从而提升低阶煤燃尽率。
研究人员提出了倾斜旋转与激光辅助相结合的常压强化燃烧方法，通过EDEM数值模拟与实验研究系统考察了混合均匀性与燃烧效果。结果表明，优化旋转启动时机与倾斜角可显著增强扰动与燃烧效率，将未燃尽率从11.44%降至5.95%；燃尽阶段引入激光辅助进一步降至3.60%。多种低阶难燃煤种验证显示未燃尽率持续低于6%，较堆积燃烧降低逾50%。该方法为微型测量装置中煤粉高效燃烧提供了新技术路径，成果发表于《Clean Energy》。
主要关键技术方法包括：①基于EDEM 2022的离散元数值模拟，在非燃烧条件下模拟颗粒混合，采用变异系数（Cv）定量评价各层混合均匀性；②搭建倾斜旋转与激光辅助实验装置，燃烧室以倾斜角α放置，坩埚由底座旋转电机驱动，激光用于定向点火与后期辅助燃烧，红外相机实时监测煤表面温度；③通过灰中残余碳能量占总煤能量比例计算未燃尽率；④选用S1–S6共6种高灰分、低热值低阶煤样进行方法验证。
**分层运动机理分析**：燃烧实验发现表面煤颗粒因氧充足而燃尽，形成的致密灰层覆盖未燃煤粉，阻碍氧气向底部扩散和燃烧热向下传递，导致底层颗粒不完全燃烧。EDEM模拟中，上、中层颗粒变异系数随旋转显著下降，混合趋于均匀；底层Cv始终高于1，表明底部颗粒多滞留局部。速度矢量分布显示，底层（0–5 mm）颗粒随容器刚性旋转，无显著径向迁移；中层（5–7.5 mm）因倾斜效应产生局部空穴，颗粒在重力作用下出现补偿性迁移，表现为强烈横向位移与局部涡旋；表层（7.5–10 mm）运动最剧烈，平均速度最高，频繁发生上下交换与径向扩散，显著增强混合强度，且该层颗粒在燃烧中最易着火和形成飞灰。
**旋转启动时间分析**：以30 s间隔考察不同启动时间的影响。早于60 s或晚于240 s启动旋转均会导致熄火，未燃尽率显著升高。过早启动时燃烧床层尚未充分建立，强扰动使火焰失稳；过晚启动时剩余可燃物过少，且灰分积累阻碍传热。在60–150 s内启动旋转可优化燃烧扰动、缩短测量时间并提高燃尽率。
**倾斜角与转速分析**：固定倾斜角45°时，转速在15–75 rpm内变化；固定转速30 rpm时，倾斜角在35°–55°内变化。结果显示，增大倾斜角或转速均使中、下层颗粒Cv下降，混合均匀性提高；但转速对底层颗粒影响甚微，超过30 rpm后中层混合改善趋于平缓。倾斜角影响更显著，50°时未燃尽率为5.95%，55°时降至5.38%，但燃烧波动幅度增大、飞灰生成增多。为兼顾性能与稳定性，最终选择倾斜角50°、转速30 rpm。
**倾斜旋转结合激光辅助分析**：在倾斜旋转基础上，于210、240、270 s施加激光辅助，持续时间30–90 s。210–240 s期间煤颗粒仍处于剧烈燃烧阶段，激光增益有限；270 s后煤温明显下降，燃料反应性降低，促进作用受限。最佳参数为240 s开始、持续60 s，未燃尽率达3.60%。对比四种方式，堆积燃烧为11.44%，仅激光辅助为10.08%，仅倾斜旋转为5.95%，两者结合为3.60%。倾斜旋转增强颗粒混合并破碎灰层，激光向底部未燃煤提供定向能量，二者产生协同增效作用。
**方法验证**：选用6种具有代表性的低热值高灰分低阶煤，在优化参数（点火后60 s启动旋转，倾斜角50°，转速30 rpm，激光在燃烧表面最高温度达540°C时开启）下重复三次实验。结果显示，未燃尽率稳定维持在3%–6%区间，较堆积燃烧降低50%以上，证实了该方法对不同低阶煤的广泛有效性。
讨论部分指出，激光辅助条件下误差棒范围增大，源于灰层对煤样表面的覆盖；若不能通过倾斜旋转有效破碎灰层，激光辅助效果将受限制。倾斜旋转与激光辅助联合展现了协同改善燃烧效率的机制：前者强化颗粒混合并破碎灰壳，后者向底层未燃煤提供定向能量促进彻底燃尽。该研究揭示的分层燃烧机理及强化策略，为微型大气系统内低阶煤高效燃烧提供了非侵入式路径。结论部分翻译如下：本研究通过整合倾斜旋转与激光辅助，开发并验证了一种常压下低阶煤强化燃烧方法。数值模拟与实验结合揭示了燃烧中的分层机理，确认底层颗粒因灰层形成而燃尽不完全是关键瓶颈。通过优化旋转启动时间和倾斜旋转参数，在点火后60–150 s内以50°倾斜角与30 rpm启动旋转，确保了床层充分流化，优化燃烧扰动，缩短测量时间，并将未燃尽率从11.44%降至5.95%。随后研究激光施加时间与持续时间的影响，结合倾斜旋转与激光辅助，未燃尽率进一步降至3.60%。多种低阶煤的验证测试确认了该方法有效性，未燃尽率持续保持在6%以内，较堆积燃烧降低超过50%。需强调，本工作仅优化了燃烧效率，转换为热值需额外校准。该方法为微型化常压系统中低阶煤高效燃烧提供了有效且非侵入的途径，显著增强快速在线热值测量的适用性，并为电厂锅炉优化运行和实时成本控制提供技术支撑。该方法的核心理念——通过倾斜旋转与激光联合强化异质燃料燃烧——不仅适用于低品质煤，也为高灰分低热值燃料（如生物质、油页岩、固体废弃物）的高效利用提供通用技术路径。未来工作将开发更高效易实施的燃烧方法及在线热值测量装置。
