“华中科技大学能源与动力工程学院70周年院庆”特刊

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“华中科技大学能源与动力工程学院70周年院庆”特刊

来源：洁净煤技术

专题来自于《洁净煤技术》2022年第10期。

行业视野: 煤化工
类别; 82个
关键词; 84位
专家; 17篇
论文; 6019IP
点击量; 4006次
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燃煤电站锅炉及工业窑炉三维燃烧温度分布监测研究进展

作者(Author)：周怀春, 李框宇, 安元, 娄春

摘要：在碳中和背景下，燃煤发电机组深度调峰及灵活性运行对炉内三维燃烧状况实时监控提出了迫切要求。总结了燃煤电站锅炉及工业窑炉三维燃烧温度分布监测研究进展。在燃烧火焰辐射成像模型方面，重点介绍了以蒙特卡洛方法为基础建立的方向辐射强度计算的DRESOR法以及近期对DRESOR法的优化，为提高燃烧介质温度的反演精度、同时反演燃烧介质的辐射特性参数分布奠定了基础。三维温度场和辐射参数同时反演问题求解的基本方法为采用Tikhonov正则化方法从多种单色辐射强度图像中重建炉内温度分布，再用最优化方法更新颗粒介质辐射特性，迭代求解。近期，反演重建算法有了新进展，新算法分3个阶段：① 假设炉内吸收系数、散射系数和炉壁反射率分布均匀，优化求解得到最佳辐射参数及炉内温度分布；② 在第1阶段基础上，将炉内吸收系数、散射系数设置为空间坐标的二阶多项式拟合分布，壁面仍为均匀反射率，进一步优化迭代计算；③ 在第2阶段计算收敛的基础上，进一步假设炉壁反射率为壁面坐标的二阶多项式分布，再优化迭代计算。依据反演算法最新进展获得了燃烧温度重建误差1%以内的重建结果，并实现了基于辐射参数的炉内煤粉浓度相对分布的重建。炉内三维温度场可视化监测系统在200、300、600 MW燃煤电站锅炉燃烧监控中得到了工业应用，并进一步扩展应用到轧钢厂步进式加热炉、石油化工厂管式加热炉、单火嘴燃烧炉、化工厂裂解炉等燃油或燃气工业窑炉中，应用前景良好。未来需采用机器学习和人工智能理论进一步提升耦合重建问题的求解效率，与炉内工况及热力系统三维实时、动态建模相结合，实现炉内三维工况分布参数（炉内气氛、颗粒物、污染物、炉内热负荷、炉壁热负荷分布等）实时监测及诊断和锅炉水冷壁内水动力、热力系统分布参数建模预测，构建多时间尺度大数据驱动的燃煤发电机组数字孪生系统，为开发智能锅炉/工业窑炉优化控制系统做出贡献。

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洁净煤技术

2022年第10期

449

381
垃圾焚烧发电厂炉排炉数值模拟研究进展

作者(Author)：阙正斌, 李德波, 肖显斌, 苗建杰, 刘鹏宇, 陈兆立, 陈智豪, 冯永新

摘要：焚烧发电是我国处理生活垃圾的主要方式，行业市场规模庞大，未来发展前景广阔。垃圾焚烧发电厂中广泛应用的炉排炉模型试验和工程试验存在成本较高、周期较长、数据结果不详细等问题，通常考虑采用数值模拟方法开展研究工作。基于炉排炉中的垃圾燃烧过程与具体结构组成，分别描述炉排上的气固燃烧过程和炉膛内的气相燃烧过程的数学模型，总结现有炉排炉建模过程，重点阐明将不同模型耦合计算以模拟整个焚烧过程的方法。在阐述炉排炉建模过程的基础上，采用Fluent软件开展数值模拟研究，介绍数值模拟在炉排炉研究中的应用情况。目前相关研究主要采用控制变量法研究单一参数对炉排炉运行过程的影响，因此将各参数按照燃料特性、运行参数、炉排炉结构、风烟系统等方面分类，分析总结研究进展和成果。基于上述分析研究，提出垃圾焚烧发电厂采用数值模拟方法开展设计建设和改造优化的技术路线，最后对炉排炉数值模拟研究进行展望，为进一步研究工作和工程实际应用提供参考。

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洁净煤技术

2022年第10期

346

275
基于共轭传热的甲烷MILD燃烧炉内传热特性

作者(Author)：李卫杰, 谢梦茜, 涂垚杰

摘要：为明确MILD燃烧方式下炉内的传热特性和机制，建立了20 kW甲烷MILD燃烧炉的共轭传热（CHT）模型，开展了燃烧、流动及传热的耦合CFD数值模拟。通过对比模拟预测结果和试验测试数据，验证了模拟方法的可靠性。结果表明，Okafor反应机理虽能准确预测MILD燃烧炉内的温度及O2、CO分布，但会过高预测NO生成量。通过对Okafor反应机理部分含N基元反应进行修正能够提高NO预测精度。通过对比耦合CHT模型前后燃烧炉内各壁面上的温度与热流密度分布，发现未耦合CHT模型时在炉膛前墙壁面出现了逆换热现象，与实际情况不符，说明耦合CHT模型在描述炉内传热特性方面精度更高。在耦合CHT模型基础上比较了MILD燃烧与传统钝体燃烧2种方式下炉内传热机制的差异，发现相较MILD燃烧，传统燃烧在所有炉壁上的温度均高20～40 ℃，导致传统燃烧在炉膛前墙、侧墙及后墙上的换热量比MILD燃烧分别高0.018、0.622和0.028个百分点，排烟热损失减少0.67%。进一步对各炉壁上的对流和辐射换热进行区分，发现MILD燃烧在前墙和后墙上的辐射换热量比传统燃烧分别高2.21和24.62 W，但对流换热量分别减小3.93和27.27 W。在侧墙上，MILD燃烧相较于传统燃烧辐射换热量减少290.71 W，对流换热量增加231.63 W。总体上，辐射换热在MILD燃烧和传统燃烧方式下的占比分别为70.72%和81.92%，对流换热占比分别为29.28%和18.08%。侧墙上辐射换热量的减少是导致MILD燃烧总体换热效率下降的主要原因，而更深层次的原因为MILD燃烧方式下更低的燃烧温度。

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洁净煤技术

2022年第10期

327

412
燃煤机组掺烧市政生活污泥现场试验

作者(Author)：李德波, 阙正斌, 苗建杰, 陈拓, 陈智豪, 陈兆立, 冯永新

摘要：焚烧处理是我国生活污泥主要处置方式，燃煤与污泥掺混燃烧是研究热点之一，但在小规模燃煤机组研究和应用较少，基于国内某电厂210 MW四角切圆燃煤机组，对8个工况分别开展掺烧生活污泥的现场试验。结果表明，随污泥掺烧比例增加，燃料水分、灰分和硫分含量逐渐增加，热值逐渐降低。对于固体产物，由于污泥中重金属含量高于燃煤，在掺混污泥燃烧后，飞灰、炉渣和脱硫石膏的重金属含量增加，存在二次污染风险。常规烟气污染物NOx、SO2和粉尘排放受掺烧污泥影响较小，现有烟气净化工艺可满足燃煤烟气的超低排放要求；掺烧污泥后重金属及其化合物等污染物浓度上升，最高提升了约3.6倍，满负荷工况下掺烧10%污泥时，二噁英平均质量浓度为0.021 ng/m3（以毒性当量浓度TEQ计），但仍满足相关排放要求；掺烧10%生活污泥时，炉膛平均温度仅下降15 ℃，热效率降幅低于0.5%，影响并不显著。

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洁净煤技术

2022年第10期

319

189
轧钢油泥窑内燃煤中黏结行为模拟及结圈物特性

作者(Author)：谢斌, 杨建平, 冷立健, 李海龙

摘要：为明确轧钢油泥在回转窑内中的结圈原因和结圈特性，采用一种氧化球团回转窑结圈特性评价方法，对轧钢油泥在不同工况下的黏结行为进行研究，并通过灰熔融温度、粉末X射线荧光光谱(XRF)、粉末X射线衍射光谱（XRD）、块状扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对结圈物的物相组成和形貌进行表征测试。以结圈指数和黏附指数为评价指标，考察了焙烧温度和焙烧时间对轧钢油泥在耐火砖表面黏结性能的影响。研究表明轧钢油泥的结圈指数和黏附指数随焙烧时间和焙烧温度的增加而增加；1 150～1 250 ℃时增长速度最快，与实际回转窑中主要结圈物情况相吻合，间接证实了该方法对评价结圈行为的适用性。结果表明，结圈物的矿相晶粒粗大、结构不均匀、空隙较多，单个颗粒晶体分布明显且表面主要呈熔蚀状，整体上多晶粒关联性的结晶程度不高。轧钢油泥回转窑结圈主要是Fe2O3固相固结反应，余下的少量杂质生成了低熔点物质，一定程度上促进了铁晶粒的迁移，加剧了结圈行为，这与XRD检测到的结圈物的物相主要是赤铁矿，其次是磁铁矿等铁氧化物和低熔点物质相吻合。灰熔融温度测试中结圈物的变形温度和软化温度总体上升，进一步证明氧化环境下二次生成的Fe2O3和生成的Fe3O4再结晶作用使结圈物强度更高且不易破碎。

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洁净煤技术

2022年第10期

283

177
联合发射光谱与动力学计算的非热等离子体重整CO2-CH4机理

作者(Author)：陈玉民, 卢钱程, 雷文涛, 岳文静, 张兵, 黄文捷, 赵永椿, 张军营

摘要：非平衡等离子体重整CO2-CH4制合成气是实现2种温室气体资源化利用的新兴技术途径。综合采用发射光谱分析、反应动力学计算和连续质谱对常温常压介质阻挡放电（DBD）非热等离子体重整CO2-CH4反应途径进行探索。比功率SEI为52 J/cm3时，可得到CH4和CO2转化率最大分别为22.8%和9.4%。稳态气相产物连续质谱在线分析表明，C2H4为C2烃生成重要中间体，CH4比例越高C2烃生成量越大，且按C2H6<C2H4<C2H2顺序升高。发射光谱检测到·CH、·C2自由基和CO、CO+2特征谱线，·CH相对强度随比功率增加明显降低，CO+2相对强度变化较小。通过动力学计算分析C2和C3产物生成消耗途径，发现89.2% C2H6来自复合反应CH3+CH3(+M)C2H6(+M)，78.9% C2H4主要由CH4+CHC2H4+H和C2H3+H(+M)C2H4(+M)反应生成，61.1% C2H2受电子碰撞反应影响形成，C2产物形成遵循路径：CH4→C2H6→C2H4→C2H2。电子碰撞离解CO2反应e+CO2CO+O-是CO重要形成途径，而CH3+CH4C2H+5+H2反应和电子碰撞解离CH4是H2关键生成路径。研究表明，动力学模拟结合发射光谱可为合理揭示DBD重整CO2-CH4过程复杂反应机理提供有力工具。

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洁净煤技术

2022年第10期

396

213
燃煤电厂砷、硒、铅等重金属全流程控制技术研究进展

作者(Author)：邹仁杰, 罗光前, 吕敏, 方灿, 王莉, 付彪, 李泽华, 李显, 姚洪

摘要：煤炭清洁高效利用是推动我国能源结构低碳绿色转型的重要途径。重金属作为燃煤主要污染物之一，对人类及生态环境危害巨大，目前美国已开始执行燃煤电厂重金属排放标准，主要通过选煤技术降低重金属源头生成以实现达标排放。我国煤炭用量大、部分煤种重金属含量高、地区差异大，亟需开发符合我国国情的重金属控制技术。以挥发性强、毒性高的3种典型重金属砷、硒、铅为对象，总结了国内外燃煤电厂重金属排放现状及控制技术进展。我国煤电污染物超低排放技术路线对重金属具有一定的协同控制效果，其中硒较多以气态形式存在，集中在湿法烟气脱硫系统内洗涤脱除，砷、铅主要附着于颗粒物上，除尘器对其具有协同捕集效果，但仍存在痕量气态硒传质驱动力差、细颗粒态砷、铅易穿透等瓶颈问题，严重制约了重金属的稳定高效捕集。“转化与固定”是重金属控制的总体思路，即通过化学组分调控与物理流场优化等方式，促进烟气重金属由细颗粒态、气态向粗颗粒态，由高毒性向低毒性转变，以实现重金属的无害化处理。基于该思路，目前已形成了一系列燃煤电厂重金属全流程控制技术，根据作用阶段可分为炉前、炉中、炉后3类,主要包括选煤、煤种调配、炉内吸附剂、凝并、脱硫塔内构件优化等技术。此外，燃煤副产物（脱硫石膏与废水）中重金属的稳定化问题需额外关注，可通过浆液原位固化或先进废水处理技术，降低副产物中重金属的环境释放风险，以上部分技术已通过中试或实际机组试验验证，具备较好的推广应用前景。为进一步发展燃煤重金属控制技术，提高我国重金属污染治理水平，对重金属控制技术发展进行展望：应开发实际燃煤中痕量重金属在线连续检测技术，实现重金属浓度实时获取；剖析多机制耦合作用下重金属转化行为与动力学特性，明晰复杂烟气条件下重金属详细迁移机制；建立燃煤重金属控制技术的评估体系，根据电厂特征、目标重金属、技术成熟度、经济性、环境风险等，提供具有针对性的重金属控制方案。

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洁净煤技术

2022年第10期

351

121
燃煤烟气中单质汞脱除及应用进展

作者(Author)：倪鹏, 刘亭, 马晓彤, 冯太, 李子顺, 李银翠, 邓胜男, 张华伟

摘要：燃煤烟气中的痕量元素单质汞是我国大气中主要的汞排放源之一，如何实现燃煤烟气中单质汞的高效脱除是关注重点和研究热点。前期众多学者研究了不同组分、浓度、温度和空速等对现有装置协同脱汞、催化剂氧化、等离子体氧化、光催化氧化、自由基氧化以及吸附剂等的脱汞效果和反应机理。由于烟气组分SO2和H2O对活性位的竞争、吸附剂吸附容量低和二次产物污染等难题，在应用上仍存在瓶颈。系统介绍了现阶段单质汞捕获的不同方式和特点以及现阶段脱汞进展，从降低H2O和SO2的脱汞毒害性、确定反应温度、获得稳定的脱汞化合物、探索安全简便的样品制备方法及实现活性位官能团的定向负载4个方面进行总结，重点分析了催化剂和吸附剂在脱汞过程中的特点，讨论了喷射脱汞过程中吸附剂的影响因素和传质过程。结果表明，硫活性位的负载可有效克服烟气中SO2的影响；甲基基团和特定结构可使吸附剂具有高疏水特征；具有适宜的孔隙结构和具有一定层间距的吸附剂，可克服传质扩散步骤的限制从而提高除汞性能。烟气中实际条件如流场和物理化学反应等，是影响流体与吸附剂界面反应和反应活性的关键步骤，影响吸附剂的应用效果。实验室试验、动力学模型和密度泛函理论反映了限制因素、迁移路径、参数设置等对单质汞脱除的影响，如对气态单质汞在缺陷表面和完整表面的吸附构型和迁移路径等分析可揭示单质汞的吸附过程。在分离再生方面，金属铁等金属类氧化物的引入可改善吸附剂的分离问题，对现有吸附剂的喷射应用效果、应用影响因素和吸附剂的再生方式等进行了对比；再生效果和再生温度高是再生环节面临的问题。吸附剂主要通过热处理过程实现再生，再生温度300～500 ℃、再生时间30～180 min即可实现较高脱汞效率，再生过程主要通过相应活性位的补充和官能团的转变实现。最后对催化剂和吸附剂存在的瓶颈、挑战和优化方向进行了展望，为单质汞防治的工业化应用提供参考。

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洁净煤技术

2022年第10期

341

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