在一些先进发动机（如HCCI，RCCI）燃烧过程中，爆燃/自燃混合火焰结构并存。因此，解耦不同火焰传播机制下各种不可逆过程所造成的㶲损对发动机高效燃烧显得尤为重要。本文数值研究了发动机条件下二甲醚/空气混合气层流燃烧机制，对比了不同火焰结构下熵产和㶲损特性。研究发现，随着火焰传播机制由典型的扩散火焰向混合气自燃转变，热传导和物种扩散所造成的㶲损逐渐减少，㶲损由化学反应所主导。通过分析火焰域中温度和物种摩尔分数的分布，阐明了热传导和质量扩散引起的㶲损机制。此外，通过将二甲醚氧化过程划分为四个阶段，识别了造成㶲损的主要反应通道。发现在二甲醚氧化过程中，CH₂O 和 HȮ₂ 自由基的产生和消耗通道主导了化学反应的㶲损行为。在此基础上明晰了燃料低温化学导致更大㶲损坏的动力学机制，主要包含两个因素：（a）低温反应通道本身具有较大的不可逆性；（b）（主要原因）低温反应中间产物加速了H₂O₂-loop反应的进行。因此，减少燃烧不可逆性有望通过合理调控燃料氧化路径来实现。

柴油类燃料的着火特性对环境条件和自身性质有很高的敏感性。本研究在不同的热力学和氧化环境下，对具有相同十六烷值的不同柴油类燃料的着火特性进行了测量和比较。对测试燃料的燃烧压力、放热率、着火延迟和燃烧延迟进行了对比分析。结果表明，具有相同衍生十六烷值的柴油类燃料在衍生十六烷值的标准测试工况下具有相近的着火倾向。此外，在高衍生十六烷值、高环境温度和氧气浓度充足的工况下，具有相同衍生十六烷值的柴油类燃料的着火性能是相似的，以衍生十六烷值作为燃料着火评价指标是合适的。然而，在低十六烷值、低环境温度和低氧气浓度的工况下，具有相同衍生十六烷值的柴油类燃料着火性能存在差异，因此在这些条件下用衍生十六烷值作为燃料着火倾向的评价指标可能会导致更高的不确定性。

可再生能源的快速增长对燃煤电厂的调峰能力提出了更高的要求。富氧燃烧是燃煤电厂最有前途的碳减排技术之一。本研究提出了一种新型的富氧燃烧发电厂，该发电厂与液氧储存、冷能回收系统相结合，以适应调峰要求。液氧储存系统利用廉价的谷电生产液氧供高峰期使用，增强调峰能力。同时引入冷能回收系统，回收液氧相变过程中的物理潜热，提高高峰期发电量。330 MWe富氧电厂作为参考（案例1）、同一电厂仅配备液氧储存系统（案例2）以及同一电厂同时配备液氧储存和冷能回收系统（案例3），构建了3种不同的富氧燃烧系统，并对各个系统的技术经济性进行了分析和比较，热力学性能分析表明，案例3的调峰容量可达106.03~294.22 MWe，最大调峰系数高达2.77。案例2和案例3在高峰期的总㶲效率分别达到32.18%和33.57%，明显高于案例1的26.70%。经济分析表明，通过出售液态O₂和液态CO₂，结合碳交易，三种案例的平准化度电成本（LCOE）都得到了大幅降低，案例3中最低为30.9 0美元/MWh。综合考虑，案例3可视为未来热力性能和经济性能最佳的富氧电厂参考。

由于空气分离系统（ASU）和二氧化碳压缩纯化系统（CPU）的存在，循环流化床（CFB）富氧燃烧技术的净发电效率降低。高氧气浓度是提高CFB富氧燃烧技术净发电效率的一种有效手段。在本研究中，基于Aspen Plus平台进行了一系列计算和模拟，为进一步研究高氧气浓度（40%、50%）CFB富氧燃烧系统提供了有用的信息。建立的高氧气浓度CFB富氧燃烧系统模型包括ASU、CPU和CFB富氧燃烧和换热单元，通过对模拟结果进行能效分析和㶲分析获得了以下结论。50%氧气浓度CFB富氧燃烧锅炉炉膛和尾部烟道的横截面积分别为原尺寸的43%和56%，有效降低了建设和投资成本；随着氧气浓度的增加，净发电效率显著提高，在50%氧气浓度时达到了24.85%，提高6.09%；总㶲损失随氧气浓度的增加而增加，此外，辐射传热的㶲损失远高于对流传热。

加压富氧燃烧（POFC）是一种具有巨大潜力的清洁高效燃烧技术。由于烟气的循环利用，烟气中的蒸汽浓度高于常规燃烧，这就丰富了烟气中的自由基池，从而影响了气态污染物的排放。因此，进一步研究高浓度蒸汽对POFC中氮氧化物排放机制的影响是必要的。在这项工作中，利用固定床反应器进行了挥发分的燃烧实验，并结合化学动力学模型研究了800℃/900℃温度下O₂/CO₂气氛中不同压力和蒸汽浓度的NO释放特性。研究结果表明，挥发分氮来自于煤中部分吡咯、吡啶和全部季氮的热解。温度的提高促进了燃烧过程中NO的形成。更高的压力影响了NO形成的主要反应途径，促进了HCCO和C₂O基团对NO的消耗，同时增强了整个NO的还原。水蒸汽促进了NCO对NO的消耗。此外，蒸汽增加了反应过程中H/OH基团的数量，这对NO的形成和消耗都有影响。然而，从整体效果来看，水蒸汽仍然抑制了NO的排放。

新能源电的大规模并网对火电的调峰能力提出了更高的要求。循环流化床依靠自身负荷调节范围宽、污染物控制成本低等优势成为了良好的调峰电源。但是，由于其独特的燃烧方式而产生的大延迟和惯性给快速变负荷带来了很大的困难。为了进一步了解影响循环流化床变负荷的因素，探索提高循环流化床变负荷速率的方法。本文依托0.1 MWth循环流化床试验台开展燃烧侧变负荷试验，初次揭示了床料量以及燃料粒径对循环流化床燃烧侧变负荷的影响规律。研究结果表明，床料量的增加有利于提高循环流化床燃烧侧的升负荷速率和燃烧效率，但是对NO_x排放的影响规律不明显。静止料层高度从200 mm提高到400 mm时，CFB燃烧侧负荷从50%升至75%的变负荷速率从0.78%/min升至1.14%/min，75%负荷下的飞灰含碳量从26.6%降低到24.9%。另外，燃料粒径的减小对提高循环流化床燃烧侧的升负荷速率和降低NOx的排放起到积极作用，但对降低飞灰含碳量产生了负面影响。当燃料粒径从0-1 mm减小至0-0.12 mm时，CFB燃烧侧负荷从50%升至75%的变负荷速率从0.78%/min升至1.09%/min，75%负荷下的NOx从349.5 mg/m³降低到194.1 mg/m³，飞灰含碳量从26.6%升高到31.8%。

随着新能源的大规模装机，新能源消纳问题愈发严峻，电力系统对调峰及高灵活调节能力资源的需求显著增加。我国的资源禀赋决定了采用燃煤机组调峰及灵活发电在经济性、可靠性和国家能源安全方面具有天然优势。循环流化床机组是燃煤机组的重要组成部分，其本身具有很好的负荷适应性，具有很好的调峰特性，然而由于其炉内有大量的耐磨耐火材料、床料、循环物料、工质以及受热面金属等，锅炉运行过程中积蓄大量热量，形成了循环流化床锅炉的热惯性，成为其变负荷速率提高的主要瓶颈之一，因此，要进一步提高循环流化床机组的负荷响应速率，首先应对其热惯性特性开展系统研究。本文提出采用单位发电功率变化对应的锅炉蓄热量变化量来表征锅炉的热惯性。通过现场采集330 MW 循环流化床锅炉的运行数据，对热惯性进行分析，从而揭示炉内各蓄热体对锅炉总热惯性的影响规律以及在机组不同负荷区间变负荷过程中热惯性的变化规律。此外，还提出了使用高导热防磨材料和金属格栅来替代循环流化床锅炉中传统耐磨耐火材料的优化方案，并对耐磨耐火材料替换后的锅炉热力性能、热惯性及动态特性进行了分析。研究结果表明，炉膛水冷壁和分离回料系统是循环流化床锅炉内热惯性最大的部件，它们的热惯性约占锅炉总热惯性的80%；在不同负荷区间，耐磨耐火材料占总热惯性的比例均超过50%，工质热惯性占比约为25%；循环流化床锅炉在低负荷区间具有更大的热惯性，30%-50%负荷区间的热惯性是75%-100%负荷区间热惯性的约1.6倍。使用金属格栅和高导热材料替代耐磨耐火材料可以有效降低锅炉的热惯性，提高锅炉的变负荷速率和运行稳定性。不同负荷区间负荷变化时，锅炉整体热惯性降幅均约为30%-35%。这种热惯性的减小有助于提高锅炉的变负荷响应速率，满足消纳新能源对火电机组提出的灵活运行需求。

鉴于流化床反应器对CaO/CaCO₃储热的适用性，有必要对CaO在流态化下的放热性能进行研究。本文研究了煅烧石灰石（CaO）的流态化放热特性，分析了放热初温、CO₂浓度、颗粒粒径、表观气速和循环储热次数对CaO放热性能的影响。结果表明，反应初温越高，CaO放热温度越高，其在循环过程中的放热稳定性越好。适宜的放热初温介于600℃-650℃, 在该温度范围内，CaO的实际转化率与理论转化率仅相差2%。高浓度CO₂提高了CaO放热温度和速率，但是高浓度CO₂易加剧CaO烧结，不利于储热循环中的放热稳定性。较高表观气速和较小颗粒粒径增强了体系散热，从而缩短了放热时间，但对CaO放热性能影响较小。比较了CaO在流态化和固定床条件下的放热性能，发现流化状态下CaO的放热温度和放热速率均比固定床状态下更高。该研究为优化流化床反应器中CaO放热性能提供理论依据，有利于推动CaO/CaCO₃热化学储能技术的发展。

超临界循环流化床（circulating fluidized bed, CFB）机组是否有必要配备紧急补给水系统在业内仍存在争议。为推动统一认识的形成，有必要在紧急补给水系统不投入使用的前提下，对全厂失电事故发生后超临界CFB锅炉各受热面的安全性开展相应的研究。但由于该事故发生率较低，目前仍未有相关数据报道。为给后续研究提供有力数据支持，本文介绍了一起发生在350 MW超临界循环流化床锅炉上的主给水泵故障事故，基于对事故发生后锅炉炉侧和水侧的物理过程的分析，总结和归纳了这一事故与全厂失电事故的异同。研究发现，在处理得当的情况下，主给水泵故障事故中采集的数据可用于验证全厂失电事故的预测模型。最后，本文建立了全厂失电事故的初步预测模型，为下但由于该事故发生率较低，目前仍未有相关数据报道。为给后续研究提供有力数据支持，本文介绍了一起发生在350 MW超临界循环流化床锅炉上的主给水泵故障事故，基于对事故发生后锅炉炉侧和水侧的物理过程的分析，总结和归纳了这一事故与全厂失电事故的异同。研究发现，在处理得当的情况下，主给水泵故障事故中采集的数据可用于验证全厂失电事故的预测模型。最后，本文建立了全厂失电事故的初步预测模型，为下一步工作的开展打下了良好基础。

本文通过ANSYS FLUENT建立了一个三维数值模型来研究周向不均匀加热垂直管内超临界水的传热特性，采用SST k-ω模型描述管内超临界水的湍流运动。根据某660 MW超超临界锅炉的运行工况选定了模拟的边界条件，分析了不同锅炉负荷、流动方向和热负荷对传热性能的影响。计算结果表明：内壁温度和内壁热负荷在周向呈对称分布，横截面上的整体传热性能高于加热中心点处的局部传热性能； 流动方向对传热性能有很大的影响，流动方向会改变工质的轴向速度分布，进而影响湍流动能分布，垂直上升流动条件下超临界水的传热性能更高；减小热负荷可以提高横截面上局部和整体的传热性能；减小热负荷在周向上的面积不利于截面整体换热性能，但是不影响加热中心点处的局部换热性能。最后，根据模拟结果，拟合了非均匀热流条件下的传热关联式。

本文建立了660 MW超超临界循环流化床锅炉在线跟踪仿真系统，并对锅炉冷态启动过程进行了跟踪仿真试验。该系统包括两部分：USCFB锅炉模型和基于滑模控制算法的跟踪机构。USCFB锅炉模型包括水蒸汽系统、空气-烟气系统、材料供应系统和灰循环系统。在线跟踪仿真系统接收与工厂相同的控制信号，并在数字空间中同步运行。跟踪机制更新模型参数以消除模拟值和测量值之间的偏差。基于SMC的多输入多输出算法基于状态空间模型，提供了两个明显的优势。首先，它能够更有效地消除偏差；其次，它对与仿真模型行为相关的不确定性表现出鲁棒性。

基于循环流化床锅炉的全三维（3-D）和二维（2-D）综合CFD燃烧模型，提出了一种考虑炉侧壁开口修正的简化三维计算域。它旨在弥补全三维模型中计算量大的不足，并改进简化二维模型中侧壁开口处的空气和烟气处理。采用全尺寸三维模型、简化三维模型和二维模型三个不同的计算域，对超超临界循环流化床锅炉进行了CFD对比分析，包括气固流动、二次风穿透深度、温度和烟气组分分布。与二维模型相比，简化三维模型计算的仿真结果与全尺寸三维仿真结果更为贴合。在大型循环流化床锅炉的数值模拟中，建议将简化的三维模型作为传统二维模型的替代计算域。

循环流化床锅炉可以大批量地处理和利用煤泥，但煤泥燃烧产生的NO_X和SO₂对大气造成了严重污染。高温后燃技术是一种新型的能够在燃烧过程中降低NO_X排放的方法，将该方法应用于燃烧纯煤泥的75 t/h循环流化床锅炉，已经达到了NO_x超低排放标准。为进一步探索在新工艺下降低SO₂排放的合适方法，在75 t/h循环流化床锅炉上进行了试验，主要研究了添加石灰石对煤泥燃烧和排放特性的影响。实验结果表明：高温后燃技术结合炉内喷钙技术是一种很有前景的能够实现NO_X和SO₂协同控制的技术；添加石灰石可使炉膛内燃烧温度略微降低；石灰石的添加会导致煤泥燃烧过程中NOX排放量的增加；在75 t/h煤泥循环流化床锅炉中，炉内喷石灰石粉脱硫效率接近98%，直接实现SO₂超低排放。为了达到超低NO_X和SO₂排放标准，有两种方案是经济可行的:一是超低NO_X排放下，尽可能脱除SO₂，二是超低SO₂排放下，尽力脱除NO_X。

循环流化床后燃技术能在燃料燃烧过程中大幅降低NO_X排放，并且在燃烧神木煤时成功地实现了超低NO_X排放。为开发后燃技术下NO_X和SO₂协同脱除潜力，在带有后燃室的0.1 MWth循环流化床小试试验台上进行了试验，本文主要关注了后燃下空气分配比，温度和添加石灰石对NO_X和SO₂排放的影响。试验结果表明，与常规循环流化床燃烧相比，后燃技术能够大幅降低NO_X排放，但导致SO₂略微升高。后燃下较高的SO₂排放也是低NO_X排放的一个原因。随着λCFB减少，NO_X排放先减少后增加，SO₂排放变化趋势与之相反。后燃下λCFB为0.9时，NO_X排放最低，而SO₂排放最高。与常规循环流化床燃烧相比，后燃下提高燃烧温度和添加石灰石对NO_X排放的不利影响较小。炉内喷钙脱硫技术在后燃技术下是可行的，其脱硫效率与常规循环流化床燃烧下脱硫效率相当。

The co-combustion of biomass and coal can positively impact the environment and reduce the cost of power generation. However, biomass fuels have many limitations. Circulating fluidized bed (CFB) preheating combustion is suitable for co-combusting coal and biomass because of better fuel adaptability. In the cement industry, fuel combustion and raw meal decomposition in precalciners affect cement quality and cause pollutant emissions. The preheating combustion method used in precalciners can improve combustion performance and reduce NO_x emissions. This study investigated the preheating characteristics of a coal-biomass mixed fuel in a cement precalciner. The effects of load, biomass type, and biomass proportion on the preheated fuel and the conditions of the CFB were investigated. The results indicated that a lower load reduces the combustible components in gaseous and solid preheated fuels. However, due to the gas volume remains constant under different loads, a lower load also increases temperature and intensifies the reaction. The carbon chain and microscopic structural activities of preheated fuels are considerably enhanced, facilitating their combustion in precalciners and reducing nitrogen oxides in rotary kilns. Furthermore, adding biomass can improve the reactivity of a fuel subjected to preheating. Thus, biomass fuels (e.g., rice husks) exhibit high combustion efficiency, and thus high energy utilization. The present study achieved better pore structure and molecular activity using preheated fuel from a CFB preheater. In addition, the improvement of pore structure and molecular activity increases with the proportion of the biomass.

现代煤化工产业是煤炭清洁利用的重要途径。在我国，煤化工产业规模每年以25%-30%的复合增长率快速增长，其促进了能源生产和消费升级并维护了国民经济健康发展。煤气化作为煤化工产业链的龙头技术，是煤化工发展的关键过程之一。煤气化细渣是煤经过气流床气化的副产物，其中的残碳虽然具有潜在的利用价值，但是其挥发分含量低，且灰分会包裹残碳，对残碳的进一步利用造成挑战。此外，残碳的存在也会阻碍灰分的进一步资源化利用，所以，完成煤气化灰渣的炭灰分离是实现其资源化利用的第一步。中国科学院工程热物理研究所提出采用流化熔融技术来实现煤气化细渣的炭灰分离，先对煤气化细渣进行流态化改性以改善残碳的燃烧性能，然后再将改性产物燃烧脱碳，燃烧释放的热量将灰分熔融转变为液态的熔体，熔体先以液态的形式排出炉膛外在对其水淬冷却从而获得高玻璃相含量的熔渣。在流化熔融工艺处置煤气化细渣过程中，煤气化细渣的熔融特性直接关系到系统运行温度的选择，熔融之后熔体冷却过程中黏度随温度的变化则关系到系统能否顺利液态排渣。因此，了解煤气化细渣的熔融特性和黏温特性是实现煤气化细渣流化熔融的基础。此外，明确熔渣的基本特性，根据其特性制备合适的高值化利用，才能实现煤气化细渣的资源利用最大化。本文选取了三种典型的煤气化细渣，通过热机械分析仪(TMA)、高温旋转粘度仪和FactSage对煤气化细渣的流动特性，包括熔融特性和黏温特性进行了研究。然后在水平管式炉上将煤气化细渣熔融以获取熔渣，利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测手段及数据拟合分析手段，研究了熔渣中的硅铝酸盐网络结构和熔渣的网络聚合度。

为了指导气化剂分级在循环流化床气化炉上的应用，本文开展了冷态试验以研究气体分级对循环流化床运行系统运行特性的影响。试验结果表明：二次风射流对壁面下降流颗粒的再夹带现象减缓了颗粒返混回到密相区，同时增加了总夹带量。因此，空气分级提高了固含率轴向分布的均匀性。随着二次风比的增加，立管内颗粒减少，使得提升管密相区和稀相区的颗粒浓度均会有所增加。空气分级导致气体的湍动和入口颗粒浓度增加，使旋风分离器的压力损失明显增加。上述现象最终将导致系统失效，具体表现为立管窜气。这是因为在该情况下系统的质量分布和压力平衡不匹配。试验结果可指导循环流化床系统关键部件的匹配设计以促进气化剂分级的实施。

迫切需要探索更多途径实现低活性无烟煤的大规模高值化利用。凭借较好的燃料适应性，循环流化床（CFB）气化技术在高质量利用无烟煤方面表现出一定潜力。本文基于中试规模的CFB气化炉，以产自中国山西的无烟煤为原料，开展了气化试验研究。试验表明，在1049℃操作温度和60.75%氧气浓度下，无烟煤CFB气化过程可以产生可燃物浓度为66%、低位热值为7.93 MJ/m³ 的煤气。但是，由于大量气化飞灰（GFA）逃逸（逃逸率高达22%），该气化过程的整体气化效率并不理想：冷煤气效率低于48%，碳转化率仅为62%。进一步分析发现，该气化过程产生的GFA具有发达的孔结构，比表面积（SBET）达到277 m²/g，表明GFA具有用作活性炭（AC）或者AC前驱体的潜力。在此基础，对GFA开展了水蒸气活化实验。结果表明，升高活化温度可以加速活化进度，且不影响GFA的活化潜能。活化后的GFA的SBET最高提升63%，达到452 m²/g。并且，随着活化进行，GFA的孔结构呈现出发展、动态平衡和坍塌三个阶段的演化规律，根据碳损失率可以对其进行划分和量化。为实现GFA最佳活化效果，在活化过程中碳损失率应控制在约15%。本研究为无烟煤的高质量化利用提供了一种新方案。

煤作为我国主要的一次能源，已被证明能够通过预处理来改善其物理和化学特性。本研究在一种台式试验台上，研究了改变预热温度（T_p）和一次空气当量比（λ_p）等操作条件对三种典型煤粉预热特性的影响。测量了沿立管轴和自预热燃烧器出口的高温煤气，还分别收集了预热过程中产生的煤焦油和煤焦油并对其进行了分析。结果表明，随着挥发物的显著释放和化学反应的发生，颗粒表面出现裂纹和微孔，使表面的孔隙结构更加发达，而Tp对煤颗粒结构的影响最为显著。此外，当三种典型煤的预热特性达到最佳时，相应的条件也存在明显差异。预热对无烟煤改性程度的影响最大。对于煤焦油，T_p和λ_p的增加进一步促进了其二次裂化和氧化，导致产量下降。在本研究中，对于烟煤和褐煤，在预热过程中产生了大量的煤焦油，其最高产量分别可达5.74%和6.15%。而对于无烟煤，由于其自身的煤炭性质，其产量极低，均低于1.02%。

甲烷干重整(DRM)工艺由于能够将CH₄和CO₂直接转化为高附加值合成气，近年来备受关注。开发具有高活性和稳定性的催化剂是DRM的关键。本研究采用溶胶-凝胶法、共沉淀法和水热法制备分别制备了LaNiO₃，研究制备方法对催化剂结构和DRM反应性能的影响。此外，还研究了所制备的LaNiO₃催化剂在蒸汽、CO₂和空气环境下的再生性能。结果表明，溶胶-凝胶法制备的LaNiO₃在750℃温度下具有最佳的DRM性能。在750℃时，由于制备过程中Na⁺离子的残留，水热法制备的样品的DRM性能受到抑制。再生试验表明，三种气氛均不能恢复样品中的LaNiO₃钙钛矿相，但可以消除DRM反应过程中样品中的碳沉积，因此样品在不同循环阶段均能保持稳定的DRM性能。

氢能具有转化效率高、污染排放低的特点，利用化学链技术可以实现低能耗制氢和二氧化碳同步捕集，化学链制氢系统通常包括空气反应器、水蒸气反应器和燃料反应器三个部分，本文将关注化学链制氢系统中各反应器的运行特性，通过数值模拟手段获得系统中的固相流动规律，计算结果表明L阀对系统的固体循环量影响最大，加大L阀中松动风流速可以提升颗粒流量，L阀可以有效阻断反应器间的气体泄漏。燃料反应器具有最大颗粒储存能力，增加水蒸气反应器流化气速会降低水蒸气反应器中床料量，这些颗粒最终会贮存到燃料反应器中。通过对燃料反应器和L阀的联动调控，能够实现化学链制氢系统的稳定运行和床料控制。

本文采用数值模拟的方法，针对压气机带容腔结构的扩压叶栅，研究了容腔泄漏流对其性能的影响以及容腔泄漏流与主流的相互干涉作用。在不同的容腔封严间隙和容腔转速下，探讨了叶栅二次流运动和角区分离发展情况，并通过总压损失系数和熵增系数对性能变化进行评判。结果表明：容腔泄漏流使叶片前缘出现容腔泄漏涡。容腔封严间隙的增加使扩压叶栅15%叶高以下的角区横向宽度增大，总压损失系数和熵增损失系数增加。容腔转速的增加使扩压叶栅吸力面角区分离起点沿轴向后移，上半部分角区横向宽度减小，进而使得总压损失系数降低，但转速使容腔熵增增加，两者耦合导致熵增损失系数先降低后增加。

甲烷可燃极限范围窄，需要较高的点火能量，层流火焰传播速度低，这些特点都限制了天然气的应用和发展。而二甲醚点火及燃烧性能好、易于制取和运输，常被用作助燃剂。所以将两者掺混燃烧有助于改善甲烷燃烧的缺点。本文以甲烷和二甲醚作为燃料，设计并搭建了高压对冲扩散火焰实验台，并在此实验台和定容燃烧弹实验平台上研究了掺混比例和压力对甲烷/二甲醚掺混燃料燃烧特性的影响，同时利用CHEMKIN软件开展模拟研究。将实验结果与模拟结果对比后发现：甲烷掺混比例增加会使甲烷/二甲醚掺混燃料的层流火焰传播速度降低。火焰温度会随着甲烷掺混比例增加而升高，分析化学反应路径可知甲烷掺混比例增大时，甲烷会与二甲醚抢夺H原子，反应CH₄ + H = CH₃ + H₂ 得到促进，OH的反应活性也随甲烷掺混比例增大而减小，所以甲烷掺混比例增大抑制了整个燃烧反应的进行。随着压力上升，掺混燃料的层流火焰传播速度降低，但火焰中自由基的产率有所增加，燃烧过程被加速，火焰温度会随压力升高而升高。

缸内燃烧策略的优化对天然气/柴油双燃料发动机节能减排有很大潜力。因为预燃室可以提高点火稳定性和提升发动机热效率，通常被用于大缸径双燃料船用发动机的点火系统，尤其是在稀燃条件下。然而，这种双燃料预燃室式发动机缸内的着火和燃烧控制机制仍不明确，扫气涡流和混合气分层对燃烧的影响规律需要进一步研究。本文对装有预室点火系统的船用发动机的详细点火机理和燃烧过程进行了数值研究，揭示了主燃烧室的火焰发展过程。此外，解耦研究了混合气分层和涡流比对燃烧速率和发动机热效率的影响。研究结果表明，预燃室产生的射流火焰在初始阶段沿着前通孔轴线发展，火焰以预燃室内的混合气预混燃烧为主，随后，放热反应区开始只存在于火焰表面，湍流火焰传播机制开始主导控制燃烧进程。此外，随着涡流比的提高，对湍流火焰发展的加速更为明显，燃烧放热速率增大。混合物的分层度对加速燃烧起着一定的作用，过高或过低的分层程度都会降低燃烧率，而适度的分层则会提高燃烧率。通过调整燃气喷射参数实现缸内混合气在适当的分层度区间，可以使后续燃烧的燃料消耗降低0.3%。

旋流分层火焰间相互作用机制复杂，值班火焰对燃烧稳定性有明显的影响，为了研究这一特性，仅供应值班级燃料，在模型燃烧室上开展了系列实验研究。试验中，使用带CH*滤波器的高速摄像机捕捉值班火焰CH*化学发光动态图像，运用数字图像分析和本征正交分解（POD）等方法获得了火焰的总体结构及主要脉动模态的分布特征。随着值班级当量比的增加，值班火焰逐渐表现出不稳定状态，其POD能量分布也表现出明显的不同。在不稳定时，旋流火焰主要包括螺旋运动、火焰脱离和轴向振荡等三种模态，并结合实验特性进一步分析了其形成原因；前四种POD模态时间系数傅立叶变换(FFT)分析显示其所有主频率均为280 Hz，这表明，此时燃烧器处于共振状态；此外，基于不同分辨率的图像敏感性分析进一步揭示了POD方法的鲁棒性及其快速算法的优化方向。这些分析结果阐述了值班燃料流量对火焰稳定性有重要的影响，可被用于指导下一步的研究。

本文在定容燃烧弹上研究RP-3航空煤油在非蒸发和蒸发环境下的喷雾特性，并对比了RP-3航空煤油与柴油的喷雾贯穿距离、喷雾锥角和喷雾面积。研究发现，RP-3航空煤油和柴油的非蒸发喷雾并没显著的差异，二者的喷雾贯穿距离、喷雾面积和喷雾锥角在大多数试验条件下几乎一致。在蒸发环境下，RP-3航空煤油比柴油产生更短的液相喷雾贯穿距离和更小的喷雾面积，这些差异在较低的环境温度下尤为明显。然而，燃料因素对蒸发喷雾锥角的影响较小。此外，增大环境密度或环境温度可减少燃油液相的喷雾贯穿距离和喷雾面积，相比于RP-3航空煤油，这些因素对于柴油的影响尤为明显。

在准东煤循环流化床气化时常遭遇一些灰相关问题，如炉膛底部结渣、换热器表面积灰等。较低的灰熔点和强烈的碱金属钠挥发是导致上述问题的罪魁祸首。在工程上，配煤是被认为提高灰熔点和控制钠挥发的可靠手段。在此项研究中，乌海煤被选用作为配煤煤种，配煤比例从0%到40%不等，间隔为10%。混合样品在实验室管式炉中950℃、水蒸气气氛下完成气化。分别采用ICP-OES、AFTs、XRD和TG等手段对一些重要指标如钠挥发量、灰熔融特性及气化特性进行分析。结果显示，配煤可以有效减少钠的挥发行为。对于灰结渣特性，可以惊奇地发现四个特征温度中的三个与配比呈现U型关系，这意味着低配比时可能引起更为严重的灰结渣问题，这归因于易熔融的含钠硅酸盐和硅铝酸盐比例显著增加。另外，配煤可以显著增加ST与DT差值，暗示床层抗温度波动能力显著增强。由于高含量的碱/碱土金属存在，在共气化时可以显著观察到协同作用。综合考虑上述多个重要指标，推荐乌海煤配比比例大约30%。

煤泥灰分低，煤矸石燃烧时添加煤泥可以影响煤矸石的燃烧特性，NO将会排出，从而影响环境。O₂/CO₂气氛可以促进NO的排放。因此，本文研究了煤矸石和煤泥在O₂/CO₂气氛下混合燃烧时的燃烧特性和NO的排放情况。结果表明空气和O₂/CO₂气氛下燃烧，添加煤泥可以提高混合燃料的燃烧活性。煤矸石和煤泥混合燃烧时，在固定碳燃烧阶段存在协同作用。煤泥比例越高，协同作用越强。而且本文表明煤泥比例越高，NO的浓度升高；随着温度和O₂浓度的升高，NO的浓度也升高。此外，这项研究证明随着燃烧温度的升高，灰中吡咯和氮氧化物的比例升高，吡啶和第四系氮氧化物逐渐消失；随着温度的升高，总氮的含量降低。这项结果促进了煤矸石和煤泥的混合燃烧过程有一个好的了解，为煤矸石和煤泥在工业上的实际应用提供基础。

驻涡凹腔结合径向火焰稳定器的结构，可以在负压和高来流速度等极端环境下维持稳定燃烧。本文对这种结构的燃烧特征进行了完整的研究。使用数值仿真方式，获得了典型物理模型的流场。通过试验方法得到了该结构的值班燃烧特征，包括燃烧过程、燃烧效率和壁温分布等。在不同的来流参数和供油流量下，该结构的值班燃烧可以被划分为三种模态：在“仅凹腔稳焰（CM）”模态下，值班火焰位于凹腔两侧，随凹腔主涡一同旋转；在“凹腔和径向稳定器共同稳焰（CFM）”模态下，燃烧过程同时发生在凹腔内和径向稳定器后方；而在“仅径向稳定器稳焰（FM）”模态下，凹腔将发生熄火，由径向火焰稳定器独立维持燃烧。由于周向上的流场差异，不同燃烧模态下，火焰形态和传播方向将产生变化。受此影响，燃烧效率将呈现“上升-下降-再上升”趋势。各壁面温度分布也将受到影响；在大供油流量下，凹腔壁面温度将下降，而燃烧室后导流板壁温将持续上升至最大值。

本生灯燃烧器是研究湍流-火焰相互作用的典型几何模型燃烧器。在大多数实验研究中，仅使用湍流强度和积分尺度来表征湍流流场，而不考虑湍流孔板的穿孔几何形状。然而，由于穿孔几何形状影响涡的形成和破碎，在讨论火焰-湍流相互作用时必须考虑。为了研究相近湍流强度和积分尺度条件下不同孔板的穿孔几何形状对甲烷/空气火焰的影响，采用动态增厚火焰模型进行大涡模拟。模型验证表明，大涡模拟与实验结果吻合较好。在无反应流动中，圆孔板条件下的涡拉伸项始终大于狭缝孔板条件下的涡拉伸项，这是由于流场中的应力对涡量矢量拉伸造成的。在反应流的火焰根部，旋涡拉伸起主要作用，圆孔板条件下的总涡量仍然较大。在圆孔板条件下，更多的小涡可以影响和皱折火焰前缘，从而增加大曲率下的概率密度分布。两种孔板的穿孔情况下的三维曲率分布均偏向于负值。瞬时火焰前缘的曲率呈负趋势，这是膨胀项影响的结果。圆孔板条件下火焰前缘的涡伸和膨胀值明显较大。

煤直接液化柴油（DDCL）是一种新型的发动机替代能源。但其烃类组成和理化性质与石化柴油有较大差异。在本研究中，建立了带有碳烟颗粒采样装置的预混合定容燃烧室（CCVC）系统。利用热泳探针和透射电子显微镜（TEM）对喷雾火焰中的碳烟颗粒进行了取样和拍照。基于MATLAB软件开发了一个自动处理程序，用于处理TEM图像并提取碳烟颗粒的微观形貌参数。本文系统地研究了采样位置、喷射压力、环境密度和氧气浓度对碳烟颗粒微观形貌的影响。环境密度是指CVCC中的初始气体密度。结果表明，在喷雾火焰的上游，多种形态和尺寸的碳烟颗粒共存。在火焰中碳烟颗粒从上游到下游的演化过程中，碳烟团聚体的尺寸逐渐减小，而碳烟团聚体的成熟度逐渐增加。随着喷射压力、环境密度和氧气浓度的增加，碳烟团聚体和基元碳烟颗粒的平均尺寸逐渐减小，而碳烟团聚体的分形维数逐渐增大。在相同的燃烧条件和取样位置条件下，煤直接液化柴油生成的碳烟团聚体的平均投影面积、回转半径和基元颗粒直径显著低于石化柴油。煤直接液化柴油生成的碳烟颗粒比石化柴油生成的碳烟颗粒结构致密度更高。

Design, development, and testing of LPRE (Liquid Propellant Rocket Engine) are difficult and expensive tasks. Prior to full-scale design, it is indispensable to optimize important parameters at sub-scale. Propellants flow rates are low for a sub-scale or laboratory scale combustion chambers. It is hard to satisfy chamber cooling and chill feed lines quickly with low flow rates of propellants. This paper proposes a detailed procedure for testing of a laboratory scale semi-cryogenic combustion chamber. Many tests were conducted with a small scale adjustable length combustion chamber. The injection head of the chamber was interchangeable. Liquid-liquid pressure swirl injector and like impinging injectors were used with two different injection heads. Liquid oxygen and kerosene were used as oxidizer and fuel, respectively. Oxidizer to fuel mixing ratio was 0.29–0.45 and the total propellant mass flow rate was 0.06–0.1 kg/s. Problems were faced during testing, including, explosion in the combustion chamber, fuel injector blockage, unstable combustion, incomplete chilling and blockage of cooling water channel, etc. A detailed procedure is designed on the basis of the lessons learned which was experimentally proved.

通过实验和模拟研究了循环流化床内污泥与高碱煤共燃过程中重金属的迁移特性。温度对重金属的热力学平衡分布和迁移特性起着至关重要的作用。在700℃-1200℃的温度范围内，Hg完全为气态，且Pb、Ni、Cd在气相中的比例也较高。As在系统中以单质为主，Cr在固相中所占比例较大。锌化合物是多种固体物质的混合物。Cu的挥发性不强，当温度超过1700℃时就会变成气态。重金属在气相中的比例随着过量空气系数的增加而降低。在富氧的氛围中，大部分锌和镍转化为氧化物;铅和镉转化为结晶硅酸盐;铜转化为部分铝酸盐;Cr化合物分解生成Cr₂O₃;这都有利于重金属的凝固和控制。单质Hg被转化为HgCl₂，元素As被转化为AsCl₃。温度对重金属的挥发率也有很大的影响。温度越高，达到最大挥发性的时间越短。

在液态排渣炉中，煤焦颗粒被液态渣层捕获前后经历了一系列复杂的结构演变，演化结果对碳转化率具有重要影响。演化结构受到温度波动的影响较大，尤其是在灰熔融温度区间（900-1300℃）内。本文采用固定床研究了灰熔融温度区间内的烟煤焦炭的结构演变规律，并测量了不同温度下煤焦形态、比表面积和矿物成分。实验结果表明，随着温度升高，煤焦表面渗出的灰渣的数量和颗粒尺寸明显增加。气化产生的灰渣比表面积略大于燃烧产生的灰渣比表面积。热解过程中，焦炭中的氯化物残留量降为1%，同时在整个灰熔融温度区间内，Fe、K、Mg和Na的含量明显下降。演化过程中碳与矿物发生反应使得褐硫钙石的衍射强度增加，石英的衍射强度急剧下降。随着热解温度的升高，煤焦的点火温度和燃尽温度升高，燃烧稳定性降低。

为了提高二次再热燃煤机组在宽负荷运行时再热蒸汽品质和机组性能，本文结合多种调温方式来调节不同受热面之间的能量分配。基于基本的传热理论对受热面传热进行了热力学计算，分析了不同调温策略对蒸汽温度的影响。考虑到重叠受热面的特殊布置方式，本文使用分室模型来解决重叠受热面难以计算的问题。采用响应面法来分析各温度调节变量对蒸汽温度和锅炉效率的影响，拟合多项式模型，同时预测一次和二次再热蒸汽的温度。结果表明:烟气再循环率对再热汽温的影响比较显著，75%THA工况下工质温度的拟合值与计算值的最大温度偏差为3.85K，二次式模型能够较好地预测宽负荷范围内不同工况下的汽温。与烟气再循环和燃烧器摆角相比，烟气挡板的变化对锅炉效率有显著影响，烟气挡板对再热汽温影响最显著，烟气再循环次之，燃烧器摆角最弱。

本文在燃气轮机燃烧室中研究了乙醇/煤油作为混合燃料工作时，文氏管表面的碳沉积性能。RP-3煤油与乙醇的混合燃料中乙醇的比例按重量计分别为0%、10%、30%和50%。碳沉积试验在3个大气压的单头部燃烧室内进行，每种燃料燃烧一个小时。文氏管作为旋流杯空气雾化喷嘴的部件，其特殊的结构使得测量碳沉积非常困难。本研究通过平面重建的图像处理方法，半定量的评估了文氏管表面的碳沉积量。并使用扫描电镜观察了不同试验燃料下的碳沉积形态和结构。试验结果表明，随着乙醇添加量的增加，文氏管表面碳沉积量减少，碳形态发生显著变化。在纯煤油的情况下，文氏管表面紧密地交织着瘤状体和鳞片石墨。对于其他混合燃料，没有观察到瘤状体，鳞片石墨整齐地堆叠并排列在文氏管表面。这些结果表明，乙醇的加入显著改变了积碳的形态和结构，由于燃料分子结构的变化，积碳机理已经发生变化。

提出了具有两个谐振频率的双腔体亥姆霍兹共振器，以同步抑制环形燃烧室横纵向热声不稳定性。结合实测的火焰传递函数和建立的共振器阻抗模型，采用亥姆霍兹法数值研究研究了双腔体共振器对环形燃烧室热声不稳定性的影响。此外，还探讨了共振器安装数量和周向布置对燃烧室脉动衰减和模态结构的影响。阻抗管试验表明建立的双腔体共振器阻抗模型与实验吻合良好。数值结果表明，安装4个亥姆霍兹共振器后，纵向和横向模态的速度波动水平有所下降，而加装4个双腔体共振器后，横向模态的速度波动水平进一步下降了约16%。安装共振器后，1阶纵向和横向特征频率分别减小和增大。安装双腔体共振器后，集气腔和燃烧室内的压力波动差异减小，沿周向的横向模态压力波形发生了转变。安装越多的双腔体共振器，横向压力模态分布越均匀。双腔体共振器中引入的特定吸收频带，可有效抑制横向模态，从而减小脉动大小和导致模态演变。共振器沿燃烧室周向以均匀角度布置时，可以达到对脉动的最佳吸收效果。当共振器周向非均匀布置时，两个退化的横向模态之间的对称性被破坏，出现驻立模态。

煤泥是一种迫切需要被利用的固体废弃物和劣质燃料。本文尝试在循环流化床中对煤泥进行高温热处理，以实现资源化利用。本试验依托0.5 MWth中试试验台，探究了干煤泥在高温热处理过程中的燃烧特性。结果表明，干煤泥能够实现稳定的流态化燃烧，同时当过量空气系数接近1.0时，炉膛温度会更加均匀。煤泥给料位置的变化会导致干煤泥的着火方式发生相应变化，但是自返料器位置给入煤泥则有利于减少NO_x排放。此外，本文还尝试通过高温后燃技术进一步控制NO_x排放。结果表明高温后燃技术能够在保证燃烧效率的前提下，将NO_x排放浓度降至50 mg·Nm^-3以下。同时，存在一个大约为0.9的最佳炉内过量空气系数能够使煤泥的NO_x排放浓度达到最小值。本文的结论对煤泥高温热处理的工业示范具有良好的参考意义。

喷雾的蒸发和运动对脱硫塔的长期安全高效运行有着至关重要的影响。本文通过运用N-S方程求解两相流模型，利用欧拉-拉格朗日追踪雾滴的方法，研究了入口烟气旋流数、雾滴初始粒径和入口烟气温度三个因素对雾滴蒸发和运动的影响。结果表明，烟气旋流数和雾滴初始直径决定了雾滴在烟气中的穿透长度和雾滴与烟气的混合。随着雾滴直径的增加，雾滴穿透烟气的距离增大。当液滴直径为200 µm且入口涡流数为0.35时，液滴完全穿透了烟气核心区域，所以，该入口旋流数下的最大直径为200 µm。基于0.35的烟气入口旋流数，初始直径为150 µm的液滴完全蒸发时间比50µm液滴长85.5%。入口烟气温度从483 k上升到523 k强化了气液间的换热，喷雾完全蒸发时间减少33.8%，本文结果可用于指导脱硫塔实际操作条件下液滴喷雾蒸发的优化。

气隙扩散蒸馏（AGDD）是一项旨在解决偏远地区居民安全饮水问题的新技术，它采用超亲水性多孔介质作为热流道和蒸发表面。在实验中发现，多孔介质的参数对AGDD的脱盐（蒸发）效率有显著的影响。尽管多孔介质被广泛用作蒸发组件，但影响其蒸发效率的因素尚不完全清楚。超亲水性多孔介质中的蒸发过程很少被讨论。本文基于AGDD进行了大量的实验。统计方法的引入解决了实验无法区分多孔介质复杂参数对蒸发效率具体影响的问题。采用逐步回归分析对自变量进行降维，构建回归方程（决定系数R2达到81.3-96.8%）。基于多孔介质参数建立蒸发通量关联式和无量纲传质关联式。我们发现超亲水多孔介质的表面蒸发可分为三个阶段：扩散蒸发、毛细管蒸发和热蒸发。这三个阶段的蒸发效率由蒸汽扩散阻力、毛细力和热量供应控制。在低饱和度下，蒸发效率受限于蒸汽扩散过程的阻力，多孔介质的蒸发效率主要受孔径、比表面积、孔隙率和特征长度的影响。在高饱和度下，蒸发效率主要受渗透率的影响。小厚度和高亲水性也可以提高蒸发效率。