煤炭清洁高效转化理论与技术专刊_中国煤炭行业知识服务平台

煤炭清洁高效转化理论与技术专刊

来源：洁净煤技术

煤炭作为我国的主体能源和重要工业原料，在我国能源供应体系中具有“压舱石”作用。正如谢克昌院士所言，煤炭虽然是化石能源，但实现了清洁高效利用的煤炭就是清洁能源。尤其是在“双碳”背景下，推动煤炭清洁高效利用，是保障我国能源安全，促进能源体系向清洁化、低碳化方向发展的重要途径。煤炭清洁高效转化，不仅可以缓解我国能源供应紧张的局面，也是构建我国清洁低碳、安全高效的能源体系的必然选择。

在“十二五”末年(2015年)，为加快推动能源消费革命，进一步提高煤炭清洁高效利用水平，有效缓解资源环境压力，国家能源局制定了《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)》，提出“依靠科技驱动”，加强基础研究和技术攻关，积极推进将煤炭清洁高效利用重大科学研究和关键技术攻关纳入国家科技重大专项计划，将示范技术列入国家重点研发计划。据此，科技部在“十三五”时期(2016-2020年)组织了“煤炭清洁高效利用”领域重点专项50项，其中2016年12项、2017年17项、2018年18项、2020年3项(山西省定向)，依托该类项目，“十三五”期间我国在煤炭清洁高效转化方面涌现出的理论和技术成果达到新高度，也奠定了我国在煤炭清洁高效转化领域科研水平的世界领头羊地位。

在“十四五”开局之年(2021年)，我们深感荣幸，受《洁净煤技术》编辑部邀请组织本专刊，展示“十三五”时期国内同行在煤炭清洁高效转化理论与技术方面的部分最新研究进展，促进科研成果转化，与作者、读者共同研讨煤炭清洁高效转化的未来发展方向，共同推进我国煤炭转化过程的新理论、新方法、新技术、新工艺等方面的研究。

本专刊从征稿、审稿到发表恰一年时间，收录了来自国家能源集团、国家电网、南方电网、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、东南大学、大连理工大学、华东理工大学、中科院工程热物理研究所、中科院山西煤化所等19家单位27篇文章，包括4篇综述性论文、14篇研究论文、7篇数值模型研究论文和2篇经济性分析论文，对“十三五”时期国内同行在煤炭清洁高效转化理论与技术方面的最新进展进行报道。从投稿论文的单位性质和研究性质，我们可以看出：社会主义建设的新阶段，我国越来越注重技术转化以及大型企业在重大项目研发中的示范效应;研究方法也逐渐从传统试验研究向更深的理论模型研究和更广的软科学政策研究方面拓展。值此专刊正式刊出之际，我们谨代表编辑部对众多学者的踊跃投稿表示感谢，同时也感谢同行专家对稿件认真细致的评阅。希望通过本专刊，进一步促进高等院校、科研院所与企业之间的交流合作，为推动我国能源高效、清洁和低碳利用略尽绵薄之力。

行业视野: 煤化工
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专家; 30篇
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循环流化床锅炉脱硝工艺经济性分析

作者(Author)：蔡晋, 吴玉新, 张缦, 马强强, 刘青, 吕俊复, 杨海瑞

摘要：循环流化床锅炉炉内低氮燃烧无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化。烟气净化工艺主要有SNCR脱硝和SCR脱硝。为了比较2种工艺的经济性，建立了技术经济分析模型，对比分析了满负荷时的经济技术指标。结果表明：脱硝剂价格、催化剂价格和年运行时间是影响脱硝成本的主要因素，尿素价格对SNCR脱硝成本的敏感度最大，液氨对SCR脱硝成本的敏感度大于催化剂价格。SNCR脱硝的运行成本和总成本相对较低时要求NOx浓度分别低于140和228 mg/m3。基于入口NOx浓度200 mg/m3，对SCR工艺和SNCR工艺的经济性比较表明，当尿素价格低于3 402元/t时，SNCR总成本较低；当液氨单价高于3 300元/t时，SNCR工艺总成本更经济；在催化剂和年运行时间研究波动范围内，SNCR总成本始终最低、最经济。SNCR-SCR联合脱硝工艺不具备经济优势，且入口NOx浓度为151～273 mg/m3时总成本最高。超低排放循环流化床锅炉技术可以改善SCR工艺和SNCR工艺的经济性，并使SNCR工艺的优势更为突出。

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2021年第04期

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煤气化细渣预热脱碳工艺燃烧特性研究

作者(Author)：史兆臣, 王贵山, 王学斌, 陈永强, 于伟, 苗延军, 彭永红, 谭厚章

摘要：煤化工气化工艺会产生大量气化细渣，其含碳量高、烧失量大，不符合建筑掺混原料国家标准和行业标准，产量巨大的气化细渣因缺乏有效的规模化消纳方式，成为现阶段制约煤化工企业可持续发展的重要因素。通过对一种低挥发分低热值燃料恒温预热-脱碳装置的预热脱碳工艺进行机理研究，利用热重试验平台进行恒温热重试验，对低挥发分、低热值燃料恒温预热-脱碳装置内部燃烧过程进行模拟，以对比分析不同预热温度、不同燃烧气氛下粒径分级气化细渣的燃烧特性。研究发现，通入氧气后，气化细渣样品迅速发生氧化反应，900 ℃、10% O2下燃尽时间在6.6～9.4 min，900 ℃、21% O2下燃尽时间在3.7～5.6 min，因此在保证NOx排放量在规定范围的条件下，可适当提高窑内燃烧区氧浓度以缩短燃尽时间。随预热温度的升高，同粒度分级的气化细渣样品的平均质量变化速率增大，燃尽时间缩短，预热温度的提高可改善气化细渣的燃尽特性，在设备安全运行下可适当提高燃烧区温度以更快燃尽。不同燃烧气氛、不同预热温度下，随气化细渣粒度增大，失重量增大，燃尽时间延长，平均质量变化速率递减，该“预热-脱碳装置”可根据物料粒度合理调整物料停留时间实现充分燃尽。

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2021年第04期

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碳税交易下的典型生物质混烧技术经济分析

作者(Author)：范翼麟, 王志超, 王一坤, 张缦, 姚伟, 张广才, 吴玉新

摘要：随着中国2030碳达峰、2060年碳中和目标的提出，在发展能源的同时不断降低温室气体排放已成为电力生产的必要约束条件，生物质混烧技术可有效降低CO2排放量，增加绿色能源的份额。但我国现有燃煤电厂中混烧的实际应用仍较少，目前，经济性是制约生物质混烧在我国发展的主要因素。随着政府补贴机制的退出，该技术应用于发电面临着巨大挑战。然而，碳税交易机制可能会给生物质混烧的经济性带来新的转机。建立了生物质混烧发电的技术经济计算模型，评估了混烧技术取代煤炭装机容量的技术经济潜力，研究了在碳税交易背景下考虑不同约束条件时采用生物质混烧的经济可行性。结果表明，当标准煤价格为780元/t、碳税价格为60元/t、定热值生物质价格为450元/t时，可基本实现生物质混烧的盈亏平衡。对参数的敏感性分析表明，在给定热值下，标准煤价增加100元/t与生物质价格减少50元/t或碳税增加36元/t对额外成本的影响基本相同。单位热值的生物质价格、标准煤价格和碳税均对经济性具有重要影响，较低的单位热值生物质价格和较高的碳税比率有利于煤价达到混烧与纯燃煤的盈亏平衡点。由于单位热值生物质价格、煤价、运输费用等因素对混烧的经济性均有影响，需以各电厂的具体参数为背景确定混烧的经济性。

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2021年第04期

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混合生物质燃料循环流化床锅炉受热面结焦机理研究

作者(Author)：赵小军, 孙锦余, 薛东发, 刘义

摘要：某75 t/h生物质循环流化床锅炉长期燃用混合燃料(桉树皮、木尾、木板、竹子和工业合成板)，在实际运行过程中高温过热器和低温过热器区域结焦严重。考虑到不同生物质燃料特性的差异性，了解混合生物质燃料燃烧中壁面的结焦机理尤为迫切。研究了5种生物质燃料的灰成分和灰熔点特性，并对该循环流化床锅炉结焦严重的高温和低温过热器受热面区域的结焦和积灰样品进行物理和化学特性表征。研究结果表明：该锅炉所燃用的生物质燃料中，竹、木尾和木板的钙和钾含量高，灰中CaO含量在30%左右，K2O含量在10%以上；桉树皮硅和铝含量高，灰中SiO2含量高达62.4%；工业合成板与木尾含有较多的氯元素，灰中氯含量分别为0.670%和0.865%。5种生物质除竹和工业合成板灰熔融温度较低外，其余生物质灰熔融温度高，软化温度在1 200 ℃以上。过热器区域的结焦呈分层结构：高温过热器焦样的外层较硬，中层包含白色的KCl晶体和飞灰颗粒，外层以及飞灰颗粒均以Ca2Al2SiO7、SiO2、KCl、Ca2MgSi2O7等为主；低温过热器焦样外层的灰成分与高温过热器侧焦样的组分相同，但白色中层的KCl晶体含量更高，其同烟气中KCl蒸气的冷凝析出密切相关。

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2021年第04期

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基于动态自适应反应的煤粉无焰燃烧燃料氮转化机理研究

作者(Author)：刘璐, 李鹏飞, 成鹏飞, 刘耀蔚, 胡帆, 柳朝晖, 郑楚光

摘要：无焰燃烧是近年来广受关注的新型高效清洁燃烧技术之一，具有容积式低反应速率燃烧区和典型中低温燃烧特性,需耦合详细反应机理并考虑湍流与化学反应交互，以提高无焰燃烧及其NO生成数值模拟精度。基于动态自适应反应机理对煤粉无焰燃烧和NO生成特性进行了高保真数值模拟研究。通过采用动态自适应机理简化算法，模拟过程实时对自主发展的含氮骨架机理进行当地简化。评估发现，相较于单纯采用骨架机理模拟，采用动态自适应反应可在不牺牲计算精度的条件下获得约3倍的计算加速，且对炉内NO生成的预测精度显著优于传统NO后处理模拟方法。基于经试验验证的模拟结果，还获得了HCN和NH3等典型含氮前驱体的炉内分布，并进一步分析了煤粉无焰燃烧燃料氮转化路径、炉内活跃组分和活跃反应等氮转化关键信息。结果表明，煤粉无焰燃烧NO生成主要取决于NH3、HCN和N2O中间体，而NCO和HNO是较为关键的中间组分。HCN中间体主要通过HNCO/CN和NCO路径生成NO。NH3中间体由HNCO生成，并进一步转化为NH2和HNO，最终生成NO。N2O路径主要参与NO还原，对NO生成贡献较低。CH3CN也是生成NO的重要中间组分，可通过NCO路径生成NO。

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2021年第04期

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一次风速对高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器性能影响的数值模拟

作者(Author)：王小龙, 张飞龙, 王里, 许鑫玮, 张仪祥, 王学斌, 谭厚章

摘要：高浓度煤粉燃烧器能稳定燃烧和显著降低NOx排放，是一种经济环保的燃烧技术，其一次风速对炉内着火延迟、煤粉燃烧稳定性以及NOx排放量都有重要的影响。为了确定适合新型高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器的一次风速，为燃烧器的现场试验和实际运行提供指导依据，采用ANSYS Fluent软件模拟计算了一次风速对煤粉燃烧稳定性和NOx排放的影响。先进行网格无关性检验，并用一台25 t/h全尺寸煤粉工业锅炉进行试验，验证了模型的准确性。数值模拟计算结果表明：新型高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器可在预燃室和炉膛内形成2个回流区，预燃室内的回流区保证煤粉稳定燃烧，炉膛内的回流区降低NOx。一次风速过低时，一、二次风的后期混合减弱，煤粉燃烧不稳定，NOx排放量略微升高；一次风速过高时，二次风与煤粉的混合被削弱，煤粉燃烧同样不稳定，且焦炭转化率明显下降，NOx排放大幅增加;一次风速从17 m/s增加到20 m/s，出口截面NOx浓度提高约10%；适当的一次风速不仅能稳定煤粉着火和燃烧，还能实现NOx低排放。试验研究燃烧器的最佳一次风速在14～17 m/s。

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2021年第04期

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煤粉燃烧过程中硫组分详细反应机理评估及简化

作者(Author)：刘仕海, 吕嗣晨, 郝昊, 李春玉, 周璐, 马红和

摘要：空气分级燃烧等低NOx燃烧技术广泛应用于电厂锅炉，以降低炉膛出口NOx浓度，但实际应用过程中会造成锅炉水冷壁腐蚀，严重影响煤粉锅炉的安全运行。为了准确预测锅炉水冷壁附近H2S浓度，运用Chemkin软件对已建立的H2S生成详细反应机理模型进行评估并简化。验证C/H/O详细反应机理与H2S生成详细反应机理的耦合性，表明GRI-3.0能更好地预测煤粉富燃料燃烧过程中重要组分浓度分布；将耦合后的机理作为起始机理，与其他学者建立的硫详细反应机理进行比较，结果表明，本课题组的硫组分详细反应机理模型能够较好地描述煤粉燃烧过程中气态硫组分的演化，将CS2作为重要硫组分进行研究，能够更好地预测硫组分浓度分布；通过简化结果比较，选择基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)的简化结果作为硫组分简化反应机理，包含15个组分和28个基元反应，并在1 373～1 673 K验证，表明该简化机理适用于煤粉富燃料燃烧过程中硫组分浓度分布预测。

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2021年第04期

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高钠煤掺烧煤矸石固钠和协同作用研究

作者(Author)：颜井冲, 杨启同, 张丽, 方红新, 雷智平, 李占库, 水恒福

摘要：为研究高钠煤掺烧煤矸石抑制煤灰沾污结渣可行性，采用热重分析仪和固定床反应器考察了二者掺烧性能及掺烧对煤灰中Na保留的影响。通过掺烧前后灰渣中Na含量的差异，评价高钠煤掺烧煤矸石提高Na在灰渣中保留的可行性。通过对比理论和试验燃烧失重和质量变化速率，确定二者掺烧中协同转化性能。试验用高钠煤中的Na主要以水溶性、酸溶性和胺溶性钠为主，但燃烧前后均未检测到含钠化合物的晶体衍射峰。掺烧可显著提高灰渣中钠含量，当高钠煤燃烧中添加10%煤矸石时，灰渣中Na含量提高50%～75%，证实了掺烧煤矸石可实现燃烧中固钠。同时，掺烧提高了燃烧反应速率，降低了最大燃烧失重峰温，表现出明显的协同转化作用。通过进一步优化掺烧工况，有望实现高钠煤与煤矸石协同、高效、安全转化，达到节能减排目的。

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2021年第04期

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