低负荷下煤粉射流燃烧特性与失稳机制：面向可再生能源并网的燃烧稳定性研究

本文推荐：该研究通过CFD（LES-DPM）数值模拟，创新性提出基于热释放核心（heat-release cores）空间连续性的定量评估方法，揭示了低负荷工况下煤粉射流燃烧失稳机制。研究发现：稳定燃烧依赖气固扩散与燃料/氧化剂混合形成的连续高热释放区，而低负荷时供煤/供气量下降导致热释放核心断裂，引发火焰时空波动。研究为燃煤机组深度调峰（deep-peak shaving）提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

火焰典型特征

演化过程：在煤粉供给量$\stackrel{??}{m}$ = 1.87×10^?5 kg/s、中心射流速度u₀ = 7.32 m/s、过量空气系数α = 1.2（案例3）条件下，煤粉射流的气固燃烧动态行为如图4所示。当煤颗粒与空气从底部进入流场后，射流空间内同时发生复杂的气固扩散与燃烧反应。

在近射流入口区（z < 0.1 m），甲烷辅助点火形成高温环境，引发煤颗粒挥发分析出。随着气流上升，挥发分与氧气混合形成蓝色预混火焰（蓝色妖姬效应）。中段区域（0.1 m < z < 0.3 m）出现焦炭燃烧的明亮辐射核心，其空间分布受湍流涡团（turbulent eddies）控制。

热释放核心动态：稳定工况下，多个热释放核心通过合并形成连续高温带（>1800 K），其空间变异系数CV<0.3。低负荷时（案例1：$\stackrel{??}{m}$下降50%），核心间距增大至3倍，CV跃升至0.68，火焰呈现"脉冲式"闪烁（时空波动频率达5-8 Hz）。

结论

本研究通过大涡模拟（LES）揭示了煤粉射流在变负荷工况下的燃烧特性：

1. 1.

   稳定燃烧的本质是形成空间连续的热释放核心，其合并/断裂直接决定火焰稳定性；

2. 2.

   低负荷时气固湍流减弱导致燃料/热量分布不均，单纯提高空气/氧气供给仅能有限改善燃烧效率（+12%），但无法显著提升稳定性（CV降幅<15%）；

3. 3.

   提出"核心变异系数"作为量化失稳的新指标，为燃煤锅炉低负荷优化提供理论靶点。