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无烟煤的挥发分含量低于10%，因此在燃用无烟煤的一些煤粉电站所使用的四角切圆燃烧锅炉、W型火焰炉以及循环流化床电站锅炉中，存在着火困难、低负荷条件下燃烧稳定性差和飞灰含碳量高等主要问题。工程上普遍采用提高燃烧温度方法以实现无烟煤的稳定高效燃烧，然而燃烧温度的提高导致了大量热力型氮氧化物的生成。无烟煤的稳定燃烧和氮氧化物的生成控制是相互制约的矛盾双方，因此，要实现无烟煤的稳定、高效、洁净燃烧成为洁净煤燃烧领域的研究难点。循环流化床实验室依据预热强化燃烧的基本理论，首次提出了基于循环流化床预热的无烟煤燃烧系统，可在充分保证稳定燃烧的前提下，分级控制煤粉燃烧的氮氧化物转化路线，实现无烟煤稳定燃烧和氮氧化物生成控制的有效统一。
在基于循环流化床预热的无烟煤燃烧系统中，煤粉在输送风作用下，首先进入循环流化床预热或内燃，预热的高温燃料再由燃烧器送入煤粉锅炉内燃烧。煤粉在循环流化床内预热或内燃过程中，煤粉与输送风发生热解、气化或燃烧反应，煤粉燃烧释放出约5-10%的化学热用于煤粉的整体预热，煤粉预热温度可超过800℃；同时，煤粉输送风在循环流化床内反应后转化成含有H2、CO的还原性煤气成分，高温燃料、煤气进入燃烧器与空气接触后，继续发生燃烧反应，是燃烧过程的延续。因此，高温燃料进入燃烧后不存在着火和燃烧稳定性问题。煤粉在循环流化床预热或内燃过程中，挥发分析出，煤中的氮部分转化，颗粒孔结构发生改变，这种先预热后燃烧的方式即煤粉梯级燃烧工艺具有稳定、高效、洁净燃烧的控制特性。
工程热物理所循环流化床研究团队搭建了30kW煤粉预热燃烧实验平台，展开低挥发分燃料特别是无烟煤的预热特性深入研究，从而揭示了无烟煤预热前后的颗粒变化行为和气体转化特性，阐释了无烟煤在循环流化床中预热燃烧可强化着火和稳定燃烧的物理依据。针对阳泉无烟煤（挥发分含量为6.7%）进行的预热燃烧试验结果表明，燃料在循环流化床预热后，温度达到850℃，预热燃料颗粒较预热前明显减小，内孔表面积和总孔容积显著增加，煤气的CO、H2含量约为7.3%和8.4%，产生的煤气热值为800kcal/Nm3(含显热)，煤粉预热过程中，部分煤氮已经析出、且在强还原性气氛下向N2、NH3和HCN等转化，煤氮向氮气的转化为系统降低氮氧化物排放提供了条件。可见无烟煤粉在循环流化床中预热后，较高的预热温度、较小的煤粉粒径和较大的比表面积为煤粉的稳定、高效、快速燃烧提供了基本保障；煤氮在预热中向氮气的提前转化为实现系统的低氮氧化物排放提供了控制途径。
在该实验平台上，研究人员还进行了低挥发分燃料特别是无烟煤的燃烧特性和氮氧化物生成特性研究，较深入地研究了预热燃料在煤粉燃烧室的燃烧过程及其燃烧方式，探索了配风方式、燃烧温度等参数变化等对预热燃料燃烧和煤氮向氮氧化物转化的影响规律，以及无烟煤在循环流化床预热燃烧系统中煤氮的转化途径，揭示了预热燃烧系统可控制氮氧化物排放的主要原因。研究表明，高温燃料进入煤粉燃烧室后，温度升高速率远高于煤粉常规燃烧的加热速率。煤粉在循环流化床内预热过程中，已部分燃烧，或称为提前内燃，高温燃料进入燃烧室的燃烧是煤粉燃烧过程的继续。因煤粉燃烧速率高和稳燃特性好，通过分级配风控制煤粉燃烧的能量释放速率和煤氮的转化路线，煤粉燃烧室内获得了均匀的温度分布，无烟煤燃烧效率达到96%，NO排放值为259mg/Nm3，而在同等尺度、不带预热的无烟煤燃烧装置中，氮氧化物排放高于800mg/Nm3，燃烧效率为90% 左右。
该项研究获得了国家自然科学基金项目的资助，相关研究成果已发表在《FUEL》和《JOURNAL OF THERMAL SCIENCES》等学术期刊上，《ENERGY AND FUELS》也将刊登该研究的阶段性成果。
循环流化床研究团队正在煤粉预热特性、燃烧特性和氮氧化物排放特性等研究成果基础上，继续拓宽和深入煤粉预热燃烧的研究内容，有望形成新技术的研究开发方向，开发出新型煤粉高效洁净燃烧技术，为煤燃烧的节能减排技术发展做贡献。
