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《洁净煤技术》创刊25周年专刊

来源：《洁净煤技术》2020年第1期

行业视野: 煤化工
类别; 112个
关键词; 123位
专家; 25篇
论文; 32299IP
点击量; 13561次
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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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300 MW循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥试验研究

作者(Author)：张平, 陈陆剑, 江华, 张缦, 徐巍, 刘实, 杨海瑞, 吕俊复

摘要：循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥是一种处理煤泥等低品质煤的有效手段。利用一维小室模型对掺混不同比例煤泥的CFB锅炉运行工况进行模拟，研究了掺混煤泥比例对CFB锅炉炉膛内物料平均粒径、颗粒停留时间以及炉膛上部物料浓度的影响，确定了大比例掺烧煤泥条件下的流态优化条件。模拟结果表明，增加煤泥比例可以提高物料循环流率和中间粒径档位（0.1～0.3 mm）颗粒在炉内的停留时间，改善燃料的燃尽率，提高煤泥比例还可以增加炉膛上部的颗粒浓度，有利于提高炉膛上部的传热，降低炉膛温度，便于污染物的控制。根据盘北电厂300 MW循环流化床锅炉机组大比例掺烧煤泥的运行数据，分析了掺烧煤泥比例对床温、排烟温度、底渣与飞灰含碳量的影响。当锅炉负荷为300 MW时，掺烧煤泥后床温明显降低，飞灰含碳量和排烟温度随着掺烧煤泥比例的增加而增大，底渣含碳量则随着掺烧煤泥比例的增加而降低。为了实现大比例掺烧，建议控制矸石的入炉煤粒径，且需要强化尾部吹灰或适当调整尾部受热面。

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洁净煤技术

2020年第01期

754

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煤粉高压着火特性及影响因素

作者(Author)：傅培舫, 龚雪琦, 张斌, 刘洋, 龚宇森, 许天瑶

摘要：高压气化炉内煤粉的着火特性对煤粉烧嘴和气化室的设计与运行调控具有重要意义。笔者采用加压热重分析法对3个煤样的着火特性进行研究，根据升温过程中的能量守恒原理和谢苗诺夫着火理论提出了一种新的处理PTG曲线求取着火温度的拐点法，并与传统经验切线法进行对比；讨论了压力、氧气体积分数、升温速率、挥发分和颗粒粒径对着火温度的影响。研究结果表明，煤粉着火温度区间为从初始着火温度（Ti）到极限着火温度(Tig)，环境换热条件所决定的切点位置是唯一定解条件，高温工业炉高加热速率对应的为极限着火温度；与常压条件下相比，加压下固定床煤粉的着火为异相着火，着火温度随挥发分的增加而略有增加；在0.1～1.0 MPa和3～5 MPa的压力范围内，随压力的升高，着火温度下降，且比常压下低很多，虽然在1～3 MPa的着火温度略有增加；氧气体积分数对着火温度的影响规律与常压的类似，随氧气体积分数的增加，着火温度降低；虽然加压条件下煤粉的快速反应，拐点法与切线法得到的着火温度相近，但切线法无法响应环境条件的变化，且常压下，经验的切线法无法给出令人满意的结果。

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2020年第01期

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分解炉空气分级燃烧及NOx排放特性研究

作者(Author)：朱书骏, 朱建国

摘要：随着我国经济的飞速发展，作为重要基础材料的水泥产品需求量极大且趋于稳定。水泥生产过程中的NOx排放与燃煤火电厂和汽车尾气产生的NOx排放已成为空气污染的主要来源，而分解炉是降低水泥生产工艺中NOx排放的有效设备。笔者在引入高温烟气的模拟分解炉内进行空气分级燃烧试验，研究配风位置、配风比例以及石灰石/煤比例对分解炉内燃烧和NOx排放特性的影响规律。试验稳定过程中，高温烟气发生装置的给煤量和配风量保持不变。此时，高温烟气发生装置的时间平均温度为911 ℃，其产生的高温烟气温度稳定在750 ℃左右，高温烟气中NOx主要以NO和N2O的形式存在，其浓度分别为261.49×10-6和12.96×10-6。该股高温烟气将模拟实际回转窑产生的烟气进入分解炉内。在分解炉的上部区域（距离顶部0～2 000 mm区域）的温度为800～1 000 ℃，与实际分解炉运行温度一致，排放烟气中NOx主要以NO和N2O形式存在。随着中间配风位置的下移，煤粉燃烧放热区域下移，而顶部区域的石灰石吸热量变化较小，则原有热量平衡被打破且原有吸热量高于现有放热量，导致顶部区域内燃烧温度降低。此时，还原气氛中煤粉燃烧和石灰石分解反应时间均变长，导致NOx的还原反应更加充分。但石灰石分解产生的氧化钙（CaO）作为中间产物会促进NO的生成反应，其反应时间增加也促进了NO的生成；另一方面，石灰石作为催化剂参与焦炭和挥发分还原NO的反应过程，分解炉顶部区域的温度下降使得该还原反应变弱。综上，NO的最终排放浓度是以上反应的综合结果。随着配风位置的下移，该变化对NO的生成作用更加明显，故NO的排放浓度逐渐升高。当一级风量与二级风量的配风比例降低时，分解炉上部区域的煤粉燃烧份额减少和石灰石分解量降低，而分解炉下部区域的煤粉燃烧份额增加和未分解的石灰石份额增加，但石灰石的吸热增加量高于燃烧增加份额的放热量，因此分解炉内整体温度均降低。分解炉内NO浓度是由石灰石催化的氧化过程和还原过程综合决定的。一级风量变小时，尾部CO浓度随之增加，烟气中NO浓度呈现降低的趋势。当石灰石/煤比例增加时，分解炉内沿程温度逐渐下降。随着石灰石给粉量增加，分解炉内石灰石受热分解产生的CaO浓度增加，CaO催化NO还原反应更剧烈，从而NO浓度逐渐降低。而石灰石给粉量增加和分解炉温度降低的过程导致尾部的CO浓度升高。

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洁净煤技术

2020年第01期

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煤粉工业锅炉技术发展及应用

作者(Author)：周建明, 崔豫泓, 贾楠, 崔名双, 张斌, 王彩虹

摘要：中国煤粉工业锅炉借鉴油气锅炉和德国煤粉工业锅炉技术理念，经历立项研发、中试验证和工业示范，系统技术逐步成熟，自2010年起，实现规模化工业应用。煤粉工业锅炉系统具有高热效率、低烟气污染物排放等优点，有效带动了燃煤工业锅炉产业发展。笔者论述了煤粉工业锅炉技术与发展，重点介绍了煤粉工业锅炉的关键技术，并对主要技术进行对比，分析了煤粉工业锅炉的工业应用情况，最后提出了煤粉工业锅炉技术发展方向。煤粉工业锅炉系统由燃料煤粉生产、储供、油气点火、燃烧、锅炉本体、烟气净化以及自动化控制等系统构成。锅炉热效率大于91%，烟气污染物达到国家超低排放标准，系统技术符合国家煤炭清洁利用方向。燃料煤粉生产采用一步法工艺，通过强化流动性和安全措施，现可实现最大为1 000 m3安全存储量。锅炉供粉采用气动活化、无脉动给料及高速引射流浓相输送技术，已实现输送阻力低于20 kPa，粉风固气比大于2.5 kg/m3，供料精度在±3.0%以内，最大供料量为5 t/h的浓相供料技术与装备，广泛应用于锅炉供料系统。供料量在2.5 t/h，供料精度在±2.0%和±1.0%以内的第三代和第四代供料器也分别开展了工业验证和样机的试制工作，并取得了阶段性的成果。煤粉燃烧器采用逆喷式回流式结构，设计工作依据其结构特征，通过模拟气流扩展角、回流区域范围、回流量、旋流强度以及温度和速度场等研究开展，再经过实际工程应用，进一步验证优化设计参数，最终实现燃烧器的逐级放大。天然气/煤粉双燃料燃烧器具有便捷切换和快速着火功能。风冷燃烧器采用内外双级旋流供风燃烧技术，具有点火迅速、燃烧稳定、燃烧效率高和初始NOx排放低等优点。随着煤粉锅炉系统测控技术向智能化、网络化和集成化方向发展。锅炉烟气脱硫除尘采用NGD高倍率灰钙循环脱硫技术，具有占地小，运行成本低等特点，在低钙硫摩尔比下，系统脱硫和除尘效率分别达到90%和99.95%以上。低温炭基预氧化脱硝耦合NGD协同烟气净化技术具有工艺简单，耗水少，废物资源再利用，无二次污染产生等优点，更加适合于煤粉工业锅炉的烟气净化。煤粉工业锅炉在发展历程中通过关键技术和装备优化升级，在大型化、模块化和系列化方向已取得成效，在节能性、环保性和经济性等方面较常规工业锅炉具有显著优势，技术已达到世界先进水平。未来随着国家能源结构优化，天然气/煤粉锅炉、低氮燃烧、生物质复合半焦粉及协同化烟气净化等技术的开发与成熟，煤粉工业锅炉技术将成为煤炭清洁燃烧利用主要技术之一。

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洁净煤技术

2020年第01期

966

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超超临界锅炉流动不稳定性的形成机理及研究进展

作者(Author)：朱超, 吴鹏举, 王永庆, 郁翔, 欧阳诗洁, 杨冬

摘要：以煤炭为主要能源的国家火电机组，尤其是煤电机组持续低负荷运行或深度调峰在未来几年将成为常态。在深度调峰过程中，机组负荷多数偏离设计工况，很有可能产生流动不稳定问题。笔者主要研究了现代机组运行的流动不稳定性形成机理及影响因素，分析超超临界机组的流动不稳定性的研究方法。按发生特性归类，流动不稳定性可分为静态不稳定性和动态不稳定性。而在超超临界锅炉系统变负荷运行过程中，主要存在密度波型流动不稳定性、压力降型流动不稳定性和热力型流动不稳定性，几种不稳定现象都影响系统的正常运行。流动不稳定性的主要影响因素包括热负荷分布、管道结构及系统流动参数等。由于分析和计算工具的发展，流动不稳定性的发生条件及其变化规律能较准确预测，大量试验及数值研究表明，热流密度越小，系统压力越大，进口节流系数越大，出口节流系数越小，则系统越趋于稳定。从管道结构上来看，加热长度越短，管道内径越大，则系统越稳定，且具有交叉连接的系统比没有交叉连接的系统和单通道系统更稳定。针对超超临界水流动不稳定性的研究，主要有试验和数值模拟2种方法。试验方法的优势在于可以有针对性地以实际物理系统为研究对象，为相应的数值模拟研究提供有价值的参考。考虑到水在超超临界压力和温度下的流动不稳定试验系统极为复杂，所需费用庞大，数值模拟就成为一种重要的研究手段，其可以借鉴成熟的两相沸腾研究成果，能够方便分析各种参数对流动不稳定性的影响规律。针对超超临界流体系统的流动不稳定性的数值模拟研究，其分析方法通常可分为频域法和时域法。频域分析方法的缺点在于不能很好地解决非线性问题，为有效解决频域分析方法非线性效应消失的问题，可通过Hopf分岔技术来确定极限环的振幅。时域法作为用于分析诸如振荡周期和混沌等非线性效应的最常用方法，结合一系列无量纲数，能在保留动态变化的同时，有效地描述亚临界及超超临界流体的流动不稳定边界。

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洁净煤技术

2020年第01期

677

294
抗结渣生物质燃料研究进展

作者(Author)：刘宏宇, 张守玉, 宋晓冰, 胡南, 孙梦圆, 常明

摘要：生物质作为价格低廉、来源广泛的绿色能源，具有巨大的利用潜力。但由于生物质本身碱金属(主要为钾)含量较高，在燃烧利用过程中存在如碱结渣、灰分融合、团聚、腐蚀等问题。其中，结渣存在于整个生物质利用过程中，形成极难处理的结块与沉淀，对锅炉本身及运行造成危害。因此，抗结渣生物质燃料是实现生物质高效利用的可行手段。目前可通过添加剂、共燃、化学预处理、涂层等方式改变生物质利用过程中碱金属氯化物、硫酸盐、硅酸盐的生成和转化途径，以解决生物质热转化利用过程中的结渣问题。其中利用添加剂与生物质受热反应生成新的高熔融点产物的处理方式具有较好抗结渣效果。笔者介绍了生物质中碱金属的存在形式及其热转化过程中钾的释放路径、迁移规律，概括了生物质热转化利用过程中的结渣机制，总结了铝基、钙基、磷基3种添加剂在生物质抗结渣过程中的作用机理。使用添加剂可使生物质燃料达到较好的抗结渣效果，磷基添加剂可较好地解决烟道与炉底结渣问题，钙基添加剂只能解决炉底结渣但会造成严重的烟道结渣，铝基添加剂虽能达到与磷基相近的结果，但成本较高且作用效果随温度的升高而减弱。未来抗结渣生物质燃料的研究方向可从新型添加剂出发，寻找既可固定气相中的钾，也能与灰渣中硅酸钾形成高熔融点物质的单一化合物或混合矿物质添加剂；另一方面也应考虑添加剂与生物质混合后的成型问题，开发具备高机械强度的抗结渣成型生物质。最后介绍了上海理工大学碳基燃料洁净转化实验室在抗结渣高机械强度生物质成型燃料方面的进展。以期为抗结渣生物质成型燃料的研究与开发提供一定的参考。

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洁净煤技术

2020年第01期

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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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