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新型燃烧技术

来源：洁净煤技术

煤炭作为我国的主要能源，长期占据不可替代的重要地位。近年我国经济高速发展，雾霾等空气污染现象时有发生，环境污染不容忽视。虽然国内大部分燃煤电厂均已实现超低超净排放，而如何进一步降低氮氧化物等污染物排放，提高经济效益仍是研究重点。

行业视野: 煤化工
类别; 49个
关键词; 47位
专家; 9篇
论文; 7532IP
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煤粉富氧燃烧着火温度预测的优化随机森林（GA-RF）模型

作者(Author)：彭潮, 兰彦冰, 邹春, 蔡磊

摘要：二氧化碳排放是造成温室效应的主要原因之一，富氧燃烧作为一种有效的碳减排与封存技术具有广泛的研究前景。在燃煤电厂中煤粉富氧燃烧的着火温度是燃烧器设计和运行安全的重要指标，并且与煤粉组成成分、煤粉粒径以及燃烧氛围都有复杂的相关性。因此，对煤粉富氧燃烧着火温度的预测模型研究意义重大。采用滴管炉分别测量了5种煤粉在O2体积分数为30%、35%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%富氧条件下的着火温度，分析了氧气体积分数和煤粉的组成成分与着火温度之间的关系。研究发现，随着氧气体积分数分数的增加，5种煤样的着火温度均显著下降，且挥发分越高的煤，下降幅度越大。将45组试验着火温度数据与其他研究者采用同样方法测得的69组着火温度数据组成机器学习样品库，以煤粉的元素分析、工业分析、煤粉粒径及氧气体积分数为输入条件，以着火温度T为目标输出，构建了遗传算法优化的随机森林模型（GA-RF模型），准确预报了煤粉富氧燃烧的着火温度，其预报精度为：R2>0.99，RMSE<16，MAE<8。通过模型参数重要性分析发现，氢组分超过5%后，着火温度出现阶跃式上升，现有煤粉着火数据也证实了该现象。

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洁净煤技术

2020年第01期

595

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燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展

作者(Author)：吴柯, 鲍中凯, 段伦博, 黄宇

摘要：超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide,sCO2）布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广，有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源（太阳能、地热能等）领域得到大规模应用。作为新型动力循环工质的sCO2具有温和的临界点条件(31.1 ℃/7.38 MPa)，同时在临界点附近物性变化剧烈。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战，sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为实现煤炭的清洁高效低碳利用提供了新的思路。笔者分析了sCO2工质的性质，介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO2布雷顿循环的基本原理，总结了sCO2动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO2循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径：① 间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站，可与煤粉锅炉、循环流化床锅炉、富氧燃烧等技术相结合；② 发展更加高效且固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤电站技术，与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)电站竞争。分析了sCO2动力循环与燃煤电站结合的多种技术方案，讨论不同方案的优势、技术挑战与发展方向。在此基础上，重点阐述了sCO2作为工质在常规管径圆管、细管道圆管、微细管道圆管及印刷电路板式换热器（printed circuit heat exchanger,PCHE）中的传热试验研究和传热特性，总结了sCO2工质在圆管内和PCHE内流动传热经验关联式并进行分析比较，同时介绍了sCO2工质流动传热的数值模拟研究。最后，从基础理论、系统设计、设备研发层面指出了现有研究的不足和对未来研究的展望。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向，具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多关注。在我国将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义，目前我国关于sCO2循环发电技术的研究与国外仍存在相当差距，应依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站的技术积累，快速推动燃煤sCO2循环发电技术的研发进展。

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洁净煤技术

2020年第01期

1473

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纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂对烟煤燃烧性能的影响

作者(Author)：闫小川, 张宝军, 王调妮, 樊喜兵

摘要：在煤炭催化领域，无机铁系催化剂易中毒，CaO分散性较差，为了提高催化效率，急需寻求一种新型有机-无机复合燃煤催化剂。采用高温煅烧氧化钙，二氯化碳溶液浸渍的方法制备负载率为85.46%纳米氧化钙负载二茂铁复合催化剂（CaO-Fe(Cp)2），并对华亭东华镇煤矿烟煤的烧失率、热值释放率、硫释放率、灰分、灰融性等催化性能进行研究。纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂在烟煤燃烧过程中的催化性能明显优于单独添加CaO和二茂铁的煤样。500 ℃燃烧2.5 h时，添加纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂煤样烧失率比原煤提高24.95%，比添加1%纳米CaO煤样增加13.20%，比添加1%二茂铁煤样增加6.95%。添加纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂煤样的热值释放率比原煤增加27.16%，比添加1%纳米CaO煤样增加9.63%，比添加1%二茂铁煤样增加4.75%。添加纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂煤样的硫释放率比原煤降低5.87%，比添加1%纳米CaO煤样增加3.98%，比添加1%二茂铁煤样降低9.92%。添加纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂煤样的灰分比原煤降低10.58%，比添加1%纳米CaO煤样降低13.50%，比添加1%二茂铁煤样增加4.28%。研究表明：纳米CaO-Fe(Cp)2复合催化剂在煤炭中分布均匀，增大了与煤炭分子的接触面积，增加了反应活性，加快燃烧速率，促进硫释放，降低了灰分，在催化初期缓慢释放Fe2O3，避免催化剂中毒。二者协同催化作用，具有良好的催化助燃和节能环保作用，是一种新型高效燃煤催化剂。

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洁净煤技术

2019年第06期

520

220
气化细渣基础燃烧特性试验研究

作者(Author)：杜杰, 戴高峰, 李帅帅, 王学斌, 孙晓伟, 谭厚章

摘要：煤气化过程中产生大量含碳量较高的气化细渣，其填埋处理不仅占用大量土地，污染土壤和水体，同时造成能源浪费。在获得气化细渣工业分析、元素分析、粒径分布、灰成分和微观形貌等基础上，利用热重对气化细渣单独燃烧及与燃料煤混合燃烧特性进行研究，对比了气化细渣与典型煤种燃烧特性的差异，并考虑掺混比例对混燃的影响。研究结果表明:气化细渣的Mar=69.7%，Ad=54.5%，w(Cd)=43.4%，Qgr,d=16.14 MJ/kg，干化后的气化细渣中碳含量和发热量与对比劣质烟煤相当;干燥后的气化细渣粒径普遍小于200 μm，且孔隙结构发达，电镜结果显示其微观结构由球形颗粒和不规则多孔形状颗粒组成。气化细渣与其他煤种燃烧特性对比表明:气化细渣的着火温度和燃尽温度分别为601.6 ℃和680.8 ℃，着火和燃尽特性比对比煤样和对应的原煤略差。气化细渣和原煤在不同掺烧比例下的热重燃烧试验结果表明，气化细渣和原煤掺烧存在显著的协同效应，与原煤掺烧能显著改进气化细渣的燃烧特性，在25%气化细渣掺烧比例下，气化细渣的燃烧特性得到显著改善，且相比于纯烧原煤，掺烧气化细渣后混煤的燃烧特性未显著下降。研究结果表明，干化后高含碳量的气化细渣极具应用价值，且与原煤掺烧对混煤的燃烧特性影响较小，还能显著改进混煤的燃烧特性，将干化后的气化细渣与原煤掺烧是一种可行的利用气化细渣热值的技术方案。

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洁净煤技术

2019年第02期

1013

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五彩湾煤在O₂/CO₂燃烧条件下的积灰特性

作者(Author)：段晓丽, 张彦迪, 朱晨钊, 杨浩, 张旭, 王长安, 赵磊, 韩涛, 刘银河

摘要：锅炉燃用准东煤极易发生严重的受热面积灰结渣等问题，制约了新疆准东地区煤炭资源的大规模利用。在一维沉降炉燃烧与积灰试验系统上，研究了准东五彩湾煤的积灰特性，分析了稀释气体种类、O2/CO2燃烧中氧浓度对飞灰沉积的影响。结果表明:在21%氧浓度下，与稀释气体为N2相比，稀释气体为CO2时得到的沉积灰颗粒之间黏连现象不明显，积灰倾向较弱;O2/CO2燃烧条件下，随着氧浓度提高，五彩湾煤的积灰倾向加重，细散灰颗粒减少，球形灰颗粒比例增加，灰颗粒的黏连现象加重。SEM-EDS分析结果表明:O2/CO2燃烧中随氧浓度的提高，沉积灰中的块状灰颗粒表面缩孔及凹坑增多，且灰颗粒表面黏附了白色细散絮状灰，Na和Cl的富集加重，这是造成高氧浓度燃烧受热面积灰加剧的重要原因;稀释气体种类对五彩湾煤积灰倾向的影响研究中，稀释气体为N2(空气燃烧)时，Na和Cl含量明显高于稀释气体为CO2(O2/CO2燃烧)时的含量。此外，燃烧稀释气体为N2的沉积灰中还出现了Ca和S元素的富集，高温下CaO与硅铝酸盐发生反应生成低温共熔体，这也是空气燃烧时积灰较O2/CO2燃烧严重的重要原因。XRD分析结果在一定程度上佐证了EDS的分析结论，灰分中CaSO4、NaCl等低熔点物质的富集导致了空气燃烧工况和O2/CO2高氧浓度燃烧工况积灰的加剧。燃烧的颗粒温度差异是导致O2/CO2燃烧和空气燃烧积灰特性不同的主要原因，也是造成不同氧浓度下O2/CO2燃烧积灰特性差异的主要原因。煤燃烧的颗粒温度较高时，煤粉着火、燃烧性能得到改善，更高的颗粒温度会导致烟气中出现更多的熔融灰，灰颗粒表面出现熔融相进而增强了灰表面的黏性，加剧积灰现象。

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洁净煤技术

2019年第02期

674

216
煤粉热解气化耦合燃烧超低氮燃烧技术进展

作者(Author)：刘兴, 和宇, 卢旭超, 熊小鹤, 谭厚章, 惠世恩

摘要：随着环保政策趋严，常规火电机组经超低氮排放改造对炉膛内部燃烧过程及尾部烟道燃烧后烟气进行氮氧化物协同脱除后，NOx已达到低于50 mg/m3的水平。随着低NOx燃烧技术的发展，煤粉热解气化耦合燃烧超低氮燃烧技术已引起重视，其主要思路是在预燃室内引入高温热源，对远低于化学当量比的浓煤粉气流进行加热，煤粉在预燃室内先快速释放挥发分并发生部分燃烧，其气相产物及高温半焦离开预燃室经燃烧器组织送入炉膛后进行低氮燃烧处理。与传统的选择性催化/非催化还原法(SCR/SNCR)等燃烧后降氮策略相比，该技术通过燃烧高温半焦直接在炉内燃烧过程中降氮，技术优势和经济潜力显著。预燃源是产生气相产物、高温半焦的关键环节，笔者根据预燃源方式的不同，介绍了天然气供热煤粉预燃、循环流化床供热煤粉预燃、等离子点火预燃室、感应加热点火预燃室、传统预燃室燃烧器等煤粉预燃技术的发展现状及应用情况，为相关技术人员提供参考。

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洁净煤技术

2019年第02期

757

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O₂/CO₂气氛下烟气物性参数对燃煤锅炉对流传热影响的模拟研究

作者(Author)：张恬, 闫凯, 乌晓江, 韩志江, 周月桂

摘要：新疆准东煤作为一种可开发利用前景广阔的高碱金属煤种，易沾污结渣特性极大限制了其高效利用。前人大量研究了准东煤在常规气氛下的燃烧特性，但鲜见其在富氧气氛下的燃烧和传热特性相关研究。为了研究富氧气氛下燃用准东煤对碱金属释放及换热器传热性能的影响，运用化工流程分析软件Aspen Plus建立空气和富氧气氛下准东煤燃烧工艺流程模型并进行反应模拟。通过控制氧燃比恒定并调节O2/CO2配比进行变工况分析，使准东煤燃烧绝热火焰温度与空气气氛下较为接近，对应工况下锅炉内具有相似的温度分布。借助吉布斯反应器模拟得出反应物系在满足相平衡和化学平衡的条件下所得产物组分及状态参数、Na元素的赋存与转化规律，为预测Na元素释放形式提供参考。由于富氧燃烧烟气富含高浓度CO2且水蒸气含量增加，富氧燃烧方式下燃煤烟气的传热特性将发生显著差异。运用带有Boston-Mathias α函数的Peng-Robinson立方状态方程(PR-BM物性方法)对准东煤在空气和富氧气氛下燃烧产生的烟气进行物性估算，对比分析不同气氛下烟气密度、比热容、导热系数、黏度随温度的变化规律，为分析空气及富氧气氛下准东煤燃烧烟气的对流传热特性差异提供更为准确的参数。采用外掠管束强制对流传热修正计算方法分析了不同燃烧气氛下锅炉烟道内各对流受热面的传热性能。并采用CFD软件对一束高温再热器管屏进行“烟气-管壁-蒸汽”流固耦合传热数值模拟，对比空气及富氧气氛下燃煤烟气物性参数对换热器传热系数的影响。结果表明：40% O2/60% CO2气氛下，Na元素释放规律与21% O2/79 %N2基本一致。随着烟温的降低，Na存在形式逐渐由NaCl和NaOH向Na2SO4转变。但烟气再循环的富集作用会加剧准东煤灰沾污结渣。由于富氧燃煤烟气中三原子气体浓度增加，物性参数发生变化使得对流传热性能增强，各对流受热面传热系数约为常规工况的124~127倍。在换热器结构和烟气及蒸汽入口流速、温度相同时，富氧工况下再热器各管圈对流传热系数较常规工况增加约21.43 W/(m2·K)，出口蒸汽平均温度提高约11.32 K。

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洁净煤技术

2019年第01期

880

278
生物质预处理制成型燃料研究进展

作者(Author)：曹忠耀, 张守玉, 黄小河, 宋晓冰, 吴渊默

摘要：生物质能具有CO2零排放、普遍易得、价格低廉等优势。生物质成型处理有利于其远距离运输与长时间储存。但是，生物质细胞壁高分子聚合物形成了物理和化学抗降解屏障，严重阻碍了生物质成型燃料品质的提高，因此，采用预处理技术是实现生物质能源高效利用的必要手段。目前，生物质预处理技术主要分为物理法、物理-化学法、化学法和生物法四大类。由于各种预处理技术对生物质化学组分占比以及结构的影响不同，预处理后的生物质成型燃料所体现出的物理性质和燃烧特性各有特点。本文介绍了生物质原料中的纤维素、半纤维素以及木质素等主要化学成分的结构特点及其对成型过程的影响，并从提升生物质成型燃料的物理性质和燃烧特性角度总结了蒸汽爆破预处理、低温热解预处理及水热预处理3种预处理技术的研究进展。总体而言，水热预处理技术使处理后生物质成型燃料在燃烧热值、能量密度、耐久度以及机械强度等各方面性能得以全面提升，但是水热预处理成本较高且对环境有影响。未来生物质成型燃料预处理技术的研究方向应从平衡生物质燃料品质与预处理成本之间的关系、减少污染物排放、预处理过程流程配置差异性集成和精确工艺参数匹配等方面为基础，开发适于规模化灵活生产的节能高效生物质预处理技术。上海理工大学碳基燃料洁净转化实验室利用水热预处理技术制备高机械强度生物质成型燃料及成型炭燃料，并获得过程副产物-木醋液，开发了多产品、环境友好的生物质综合利用技术。

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2019年第01期

861

284

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