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煤粉燃烧技术广泛应用于各型工业锅炉和窑炉中,但粉尘飞灰排放的问题长期无法得到妥善解决,是造成PM2.5超标和大气污染的主要原因。《国家中长期科技发展规划》(2006-2020年)将煤的洁净燃烧技术列入研究重点。本文将旋流燃烧技术与近壁燃烧技术结合,利用高温条件下熔融态灰渣的流动特性,开展适用于中小型炉窑的新概念洁净煤粉燃烧技术研究,掌握旋流近壁燃烧条件下的流动机理和燃烧特性,加深对灰渣层分布和传热特性了解,实现煤粉尘灰的实时捕集去除,有助于现有煤粉燃烧技术的改进,为新型旋流燃烧设备的设计优化提供参考。本文的主要研究成果包括四个方面:1.形成具有良好旋流-回流特性的空气动力场,是实现煤粉高效洁净燃烧的前提。本文首次提出了双旋锥面错列进气技术,利用数值计算方法研究了不同进气结构和流量比下,受限复合旋流场的旋流-回流特性以及相互作用机理。数值计算和流场实验证明,所设计的双旋流洁净(TSC)燃烧器满足煤粉旋流洁净燃烧的旋流-回流空气动力场要求,同时具有较强的尘灰捕集能力。2.应用Hybrid RANS/LES方法开展TSC燃烧器大内尺度涡结构和瞬时流动特性的研究,能够突破RANS方法的求解能力限制,进一步提高计算精度,深入了解旋流燃烧中不稳定现象产生和发展的机理。本文建立了应用Hybrid RANS/LES方法的计算策略,并针对所设计的TSC燃烧器内流场展开数值计算研究。结果表明:应用Hybrid RANS/LES方法在主流区具有更高的瞬态流场求解精度,揭示了TSC燃烧器内部的拟序结构,统计平均结果与稳态RANS下得到的结果差别较小。3.为掌握TSC燃烧器燃烧和灰渣分布特性,提高燃烧性能和尘灰捕集能力,开展了针对旋流近壁燃烧条件下灰渣模型的构建研究。通过分析灰渣颗粒的碰撞-粘附-流动全过程,率先建立了具有实时数据交互特性煤粉灰渣模型,实现了与现有煤粉燃烧模型的嵌入耦合。使用构建的全耦合煤粉燃烧-灰渣(CCS)计算框架针对不同工况下TSC燃烧器的燃烧特性以及结渣特性开展了数值研究。结果表明:TSC燃烧器具有明显的分区洁净燃烧特性,实现了煤粉的高效洁净燃烧;得到了不同当量比下TSC燃烧器内部的灰渣层分布规律和流动、传热特性,验证了TSC燃烧器良好的尘灰捕集性能。4.针对现有燃烧设备的富氧化改造是现阶段最易实现的碳捕集技术。将本文提出的双旋流洁净燃烧技术与富氧燃烧技术结合,开展了TSC燃烧器在富氧/空气燃烧条件下的燃烧和结渣特性研究。基于供氧量一致原则下得到的计算结果表明:富氧燃烧维持了空气燃烧条件下的高效燃烧特性,存在着火延迟现象,调整富氧系数可以对着火位置和燃烧强度进行调整;尘灰捕集率相比空气燃烧条件降低3%左右。基于原空气燃烧工况的TSC燃烧器富氧化改造具有较高的技术可行性。基于煤粉双旋流洁净燃烧技术的TSC燃烧器,燃烧效率大于95%,尘灰捕集率达到88~91%,广泛适用于中小型工业炉窑,使用成本远远低于现有IGCC系统和煤气化设备。该技术为煤的洁净燃烧和燃煤污染物综合控制领域开辟了新的方向。