随着能源需求持续增长,我国天然气和石油的净进口依赖性将大幅上升。结合我国以煤为主的能源结构,迫切地需要发展洁净煤技术作为我国能源调整的重要战略选择。煤燃烧过程中火焰清洁度和污染物排放是其代油代气技术发展的瓶颈。因此,结合水煤浆技术低灰低硫和液态排渣旋风炉高捕渣率的特点,开发一种新型煤清洁利用工艺具有很好的应用前景。为满足工程应用需求,该技术将水煤浆在旋风炉内燃烧产生的高温低灰烟气作为工业生产所需热量来源。本文首次针对该技术利用过程中的关键问题开展了一系列基础研究。本文系统地就燃水煤浆型液态排渣旋风炉设计方案进行了冷态模化试验和数值模拟。研究结果在获取炉内流场分布规律和颗粒浓度分布的同时,评价了不同燃烧器、配风方式、雾化角度和捕渣管形式的优劣,为热态应用提供了参考依据。在冷模试验基础上,结合数值模拟手段对旋风炉燃用水煤浆的主要运行参数进行了评估。结果表明,水煤浆在旋风炉内燃烧组织良好,试验系统负荷适应性至少在75%～100%之间,结合分级配风可有效降低旋风炉内NOx生成和排放。水煤浆在旋风炉内燃烧可提供具有足够热量的低灰高温烟气,其烟气有效辐射能力优于油、气体燃料。系统捕渣率平均达到94%,有效降低了烟气飞灰含量,验证了工业应用的可行性。本文通过基于火焰图像的两步式辐射反问题分析法进行三维温度场重建,提出了一种新的针对旋风炉水煤浆燃烧的诊断方法。通过红外高温计对重建温度精度进行验证,其误差小于50K。根据重建温度特征,研究过量空气系数、配风方式和燃料负荷对燃烧性能的影响。火焰图像像素值的方差变化规律性反映了良好的火焰稳定性。不同工况下三维温度场特征有效地反映了炉内真实情况。通过合理的送风,可以保证燃烧效率大于99%。高温烟气流场特性是影响燃水煤浆型旋风炉二次室传热特性的重要因素。本文利用二维颗粒图像测速技术(Particle image Velocimetry, PIV)对其流场特性进行非接触式测量,直接以高温烟气携带的飞灰颗粒作为示踪粒子的方法在试验中得到验证。通过流场信息的时均化,试验研究了过量空气系数和燃料负荷的影响作用,并得出烟气经分流器进入二次室后可维持较强刚性从而避免直接冲刷受热面的结果。数值模拟结果对PIV系统测量炉内真实环境的可靠性进行了验证,对二维PIV系统在热态流场测量中的应用具有指导意义。液态渣在旋风炉氧化性气氛下对耐火材料的侵蚀作用不同于煤气化炉中的还原性气氛。本文对旋风炉内经过一段暴露时间后的高铬耐火材料进行剖析,研究了由于渗透渣相互作用造成的耐火材料显微结构变化及温度水平和熔渣粘度对该作用的影响。结果验证了氧化性气氛下渣中Fe的赋存形式主要为Fe203,其较高的熔点削弱了渣在氧化性气氛下的渗透和化学腐蚀作用。在煤渣渗透过程中,渣中Fe203与耐火材料中的Cr203反应直至耗尽。由于渣填充至耐火材料孔隙结构中,造成了Cr203的溶解。同时由于高温下熔渣的粘度较低,侵蚀深度随温度升高而增加。