国家重点研发计划成果：“洁净燃烧与工业炉窑节能减排技术”专刊

来源：《洁净煤技术》2020年第5期

工业炉窑高能效低排放关键技术，是国家“十三五”重点研发计划应用示范类项目。项目研究人员对工业炉窑原料物流、燃烧能流与余热利用精准匹配的节能方法及管控技术进行了深入研发，提出流程工业整体节能减排的控制策略，建立工业炉窑能量流优化重组的节能管控平台；研发了间歇性煤气全干法显热高效稳定利用技术；探究了工业炉窑原料和工况波动条件下的多种污染物高排放、高能耗问题，提出分级燃烧与SNCR相结合、催化燃烧等方法降低NOx、SOx以及CO排放；探索兼顾烟气温降、颗粒物高效脱除系统的优化途径。这些研究成果有利于进一步完善燃烧学、传热学、流体力学、工程热化学等学科理论体系，对于工业炉窑节能减排技术的研发及工程应用具有重要意义。本专刊就是这方面相关研究工作的一个阶段性成果展示。

行业视野: 煤化工
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“洁净燃烧与工业炉窑节能减排技术”专刊特约主编致读者

作者(Author)：魏小林

摘要：　　工业炉窑是冶金、建材、陶瓷、化工、石化等流程工业中至关重要的用能装备。在工业生产中利用燃料燃烧或电能转化产生的热量，对物料或工件进行冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等，从而生成富有价值的工业原材料或成品，对促进工业进步与技术发展发挥重要作用。工业炉窑能耗中煤炭占70%，是化石能源消耗和环境污染的主要源头之一。目前我国使用的工业炉窑大多是比较传统的生产装备，随着经济实力的增长和科学技术的进步，这些工业炉窑越发凸显出高能耗、高污染的弊端，资源浪费和环境污染问题引起了全社会的关注。　　　　为此，需要在流程工业中加入技术创新元素，目前绿色流程与高效节能的工艺与技术已成为工业炉窑技术进步的新趋势。我国从“十一五”就提出单位GDP能耗降低20%的约束性指标，促使各省市大力开展工业炉窑节能减排技术的研发与应用，鼓励企业提高工业炉窑的生产效率与节能效率，使燃料充分燃烧，减少污染排放，在燃料洁净燃烧与余热余能高效利用等方面形成了适合我国经济健康发展的工业炉窑生产新技术，取得了显著成果。　　　　近年来，我国对生态文明建设提出了新要求，中央和地方政府都在大力度推进工业炉窑的节能减排工作。2019年7月，生态环境部等五部委联合发布《工业炉窑大气污染综合治理方案》，要求到2020年，完善工业炉窑大气污染综合治理管理体系，推进工业炉窑全面达标排放。近期，江苏、山东等东部大省纷纷颁布了工业炉窑超低排放的指标要求，工业炉窑洁净燃烧与超低排放的技术研发与应用迫在眉睫。　　　　工业炉窑高能效低排放关键技术，是国家“十三五”重点研发计划应用示范类项目。项目研究人员对工业炉窑原料物流、燃烧能流与余热利用精准匹配的节能方法及管控技术进行了深入研发，提出流程工业整体节能减排的控制策略，建立工业炉窑能量流优化重组的节能管控平台；研发了间歇性煤气全干法显热高效稳定利用技术；探究了工业炉窑原料和工况波动条件下的多种污染物高排放、高能耗问题，提出分级燃烧与SNCR相结合、催化燃烧等方法降低NOx、SOx以及CO排放；探索兼顾烟气温降、颗粒物高效脱除系统的优化途径。这些研究成果有利于进一步完善燃烧学、传热学、流体力学、工程热化学等学科理论体系，对于工业炉窑节能减排技术的研发及工程应用具有重要意义。本专刊就是这方面相关研究工作的一个阶段性成果展示。　　　　本专刊从征稿、审稿到发表历时近一年，期间经历了新冠病毒疫期，使大家更加众志成城，勇克时艰。值此专刊正式刊出之际，我们谨代表《洁净煤技术》编辑部感谢众多学者的踊跃投稿，特别感谢同行专家们对稿件认真细致的评阅，同时也感谢编辑部全体编辑的大力协作。相信通过本专刊，可以展示出我国工业炉窑节能减排领域阶段性的新成果、新技术，进一步促进高等院校、科研院所与企业之间的交流与合作，并为促进工业炉窑节能减排、推动相关原创性技术研发提供源源不断的动力！　　　　特约主编：魏小林　　特约编辑：宾峰　　魏小林，男，博士，中国科学院力学研究所，研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授；中国科学院特聘研究员，获得国务院政府特殊津贴荣誉，国家重点研发计划项目负责人；中国力学学会流体力学委员会委员，中国工程热物理学会燃烧学分会委员会委员，中国科学院能源研究委员会专家组成员；《燃烧科学与技术》和《天然气化工》期刊编委。主要研究方向为固体燃料洁净燃烧与工业炉窑节能减排方面的研究与开发。　　　　先后负责国家863目标导向类课题、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院Ａ类战略性先导科技专项课题等重要科研任务。在水泥炉窑煤粉富氧气化低NOx燃烧、冶金转炉全干法除尘节能新技术等方面研发了核心关键技术，并开展了工业示范。发表期刊论文170余篇，其中在《Proceedings of the Combustion Institute》《Applied Energy》《Energy》《Fuel》等国际著名期刊发表SCI学术论文70余篇，授权专利50余项。　　宾峰，工学博士，副研究员。2011年在天津大学动力机械及工程系获博士学位，2013年至今在中国科学院力学研究所工作，2019—2020年在英国利物浦大学做公派访问学者。主要从事催化燃烧、污染物控制等方面的研究工作。负责国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金项目等。在《Proceedings of the Combustion Institute》等国际期刊上发表论文30余篇，授权专利12项。

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水泥炉窑高能效低排放关键技术研发及应用进展

作者(Author)：姚远, 魏小林, 陈立新, 李森, 谭厚章

摘要：工业炉窑的高能效低排放关键技术能够有效提升炉窑能源利用效率、降低污染物排放。综述了节能管控与余热利用、富氧煅烧、分级燃烧以及颗粒物分离与资源化利用等工业炉窑节能减排共性关键技术的研发及其在2 500～5 000 t/d水泥炉窑上的集成应用。基于工业炉窑物质流与能量流的匹配关系，开展了节能管控平台的设计，开发了满足多品种工艺目标要求的水泥炉窑能量流优化重组节能新技术，并进行了水泥炉窑物质流与能量流匹配的节能管理平台工业示范的实施；采用低能变压吸附制氧技术与水泥熟料煅烧有机结合的新工艺，研发了满足产品种类及产量质量宽阈度变化生产的水泥炉窑富氧煅烧技术，并进行了工业示范；针对NOx和SOx等高排放问题，综合优化了分解炉分级燃烧、SNCR脱硝等技术，并进行了水泥分解炉分级燃烧和SNCR优化脱硝技术工业示范的实施；针对排放物减排与资源化利用，研发了烟气深度降温除尘颗粒排放物的净化分离与再利用新技术，并进行了工业炉窑气固排放物质的高效分离与洁净利用技术工业示范的实施，实现了颗粒物洁净排放及资源化利用

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工业炉窑物质流和能量流匹配的节能原理分析

作者(Author)：魏小林, 李慧鑫, 李森, 黄俊钦, 李博, 陈立新

摘要：工业炉窑是我国的能耗大户，每年耗能约占全国总能耗的1/4。在能源日益紧缺、环境污染严重的今天，工业炉窑节能减排工作十分紧迫。工业炉窑的生产是不同设备、不同工序协同生产的一个过程，包含物质与能量在各个系统之间的转换与转移，因此工业炉窑的物质流和能量流分析是炉窑实现高能效和低排放的基础。一般的方法主要从炉窑的产品用能或余热利用角度来分析，未将工业炉窑作为一个系统，整体来考察物质流和能量流状况。基于节点计算法，从工业炉窑整体系统出发，建立一种工业炉窑物质流与能量流匹配的数学模型，获得了典型工业炉窑不同部位的能量收支情况；同时采用热力学第二定律的㶲分析方法研究炉窑系统的㶲损失，明确了炉窑节能的重点部位。采用该方法开展了3200 t/d典型水泥炉窑的物质流和能量流分析计算，结果表明，水泥炉窑的热量损失主要包含高温损失与低温损失，其中高温损失主要是炉窑壁面散热损失与煤粉未燃尽的碳热损失，分别占6.84%与1.95%，[JB(]㶲损失分别为4.17%与2.59%，有较大的节能潜力；低温热损失包含烟道尾部烟气的排烟热损失、出冷却机熟料带出的显热等，AQC炉和SP炉的热量损失各占3.06%和6.19%，㶲损失分别为1.26%和1.45%，仍有利用价值。针对高温和低温热量损失的不同原因，对于炉窑的节能潜力进行了评估，提出采用先进保温、富氧煅烧、低温余热再利用等新技术，可进一步降低炉窑的煤耗；此外，也推荐了减少设备电耗的新技术，如采用高效风机以及永磁电机等，结合富余蒸汽拖动风机以及节能管控等技术，有望实现熟料烧成系统零电耗的目标

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300 MW电站锅炉煤粉部分气化多联产系统模拟及经济性分析

作者(Author)：陈嘉豪, 袁野, 何勇, 王智化, 谭佳昕, 朱燕群, 岑可

摘要：为实现煤炭的清洁高效低碳利用，结合粉煤部分气化、半焦燃烧实现煤炭的煤气、电力分级分质利用，采用Aspen Plus流程模拟软件针对300 MW煤粉锅炉进行了煤粉部分气化、半焦燃烧的煤气、电力多联产系统模拟研究。首先在一定假设条件下，使用Aspen Plus软件建立了基于反应平衡原理的煤气化模型，并将模拟计算结果与试验台架气化结果进行比对验证，模拟结果与试验结果基本吻合。在此煤气化模型的基础上探究了氧煤比和煤种对气化炉出口的煤气组成以及300 MW多联产系统经济效益的影响规律。计算结果显示，氧煤比从0.1提高到0.3时，神府东胜煤煤气化的有效气产率从58.49%提高到82.85%，多联产系统增加的年收益从16 084万元增加到62 246万元；氧煤比为0.3时，神府东胜煤、巩义无烟煤、神华烟煤和锡盟褐煤煤气化的有效气产率分别为82.85%、74.51%、77.21%和95.16%，以前3者煤种为原料的多联产系统增加的年收益分别为46 392万元、28 910万元和62 246万元。在模拟的氧煤比范围内，随着氧煤比升高，煤气品质、有效气产率以及多联产系统的经济效益均明显提高；在氧煤比为0.3的工况下，使用神府东胜煤作为原料时系统经济效益最优，其次是神华烟煤以及巩义无烟煤，锡盟褐煤由于煤气化后产生半焦量过低不利于多联产系统的运作

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水煤浆热解及煤焦结构特性分析

作者(Author)：王旭阳, 于洁, 徐林林, 孙路石

摘要：为了研究水煤浆的浓度与热解温度对热解气生成以及煤焦结构的变化规律，对内蒙古烟煤原煤及不同浓度水煤浆（55%、60%和65%）在不同温度下（800、900和1000 ℃）快速热解，考察了不同的热解气生成量随热解温度和水煤浆浓度的变化，并利用XRD和Raman分析了热解后煤焦结构随热解温度和水煤浆浓度的变化规律。结果表明，在水煤浆浓度不变的情况下，随着热解温度升高，CO、CH4、CO2、H2、HCN和NH3的生成量均逐渐升高，且HCN生成量远高于NH3生成量；在温度不变的情况下，随水煤浆浓度升高（水含量降低），CO和CH4生成量均逐渐增加，而CO2、H2、HCN和NH3的生成量均逐渐降低。XRD结果表明，随热解温度升高和水煤浆中水含量增加，煤焦的晶面间距d002逐渐减小，堆垛高度Lc逐渐增大。Raman结果表明，随热解温度升高和水煤浆中水含量增加，煤焦的AD1/AG和AD3/AG逐渐减小，AG/Aall渐增大。表明煤焦中碳微晶结构有序化程度随热解温度升高和水含量的增加而逐渐增加，煤焦石墨化程度升高。XRD与Raman关联可得在水煤浆热解过程中，随热解温度和水煤浆浓度的变化，d002与AD1/AG变化、Lc与AG/Aall变化均呈正相关。

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蓄热式加热炉烟气吹扫系统设计应用

作者(Author)：张嘉鸣, 王子兵, 郭珊, 王绍龙, 李世成

摘要：蓄热式加热炉作为冶金行业重要设备，主要用于钢坯加热，以高、转炉煤气等为燃料，采用周期换向燃烧方式，在换向时烧嘴会向大气中排放煤气，换向动作导致的煤气放散率高达3%～7%，造成资源浪费和环境污染。为了节约资源，减小污染，解决蓄热式加热炉在燃烧换向时造成的煤气放散问题，最直接的回收利用途径是将公共管道内的残留煤气吹扫至炉膛进行燃烧。现对某钢厂一座160 t/h蓄热式加热炉进行改造，在现有操作平台上加装烟气吹扫系统，烟气吹扫系统是从煤气烟气管道上引出一路用来吹扫管道，通过引风机将煤气烟气加压作为吹扫气源，将吹扫管道与煤气换向阀底部相接，通过调节原有煤气换向程序，配合响应快速的控制阀门进行吹扫过程的启停。吹扫时，管道内提前加压后的烟气喷出，迅速将公共管道内残留的煤气吹至炉膛内进行燃烧，以此达到放散煤气减排的效果。最后进行了工程实践，对比了改造前后系统炉温、炉压、CO减排效果以及经济性。已改造的加热炉，单次吹扫体积为37.05 Nm3，按照加热炉单次换向周期60 s，加热炉年工作时间按330 d计算，年吹扫体积为1 760.62万Nm3，吹扫效率按照90%计，则年煤气排放量为1 584.56万Nm3，对应厂用煤气价格为0.13元/Nm3，一年可节约成本206万元。蓄热式加热炉反吹系统可实现CO减排率高达90%以上。

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工业炉窑VOCs废气吸附-脱附-催化一体化净化技术研究

作者(Author)：任思达, 梁文俊, 张依铭, 李庆磊, 朱玉雪

摘要：针对小型企业工业炉窑VOCs低浓度、不连续的排放特点，以商用活性炭为吸附材料，采用自制Pd-Ce/Al2O3双元催化剂开展工业炉窑VOCs废气吸附-脱附-催化一体化净化技术研究，通过BET、SEM和TG表征手段对吸脱附再生前后的活性炭进行表征测试。以甲苯为探针分子，考察不同脱附时间、烟气稀释倍数、催化温度及烟气循环次数对该工艺净化甲苯废气性能的影响。研究表明100 ℃下热脱附1 h即可将吸附物质基本脱除，催化温度为320 ℃时，甲苯即可完全催化氧化；系统循环操作10～15次后，活性炭材料在100 ℃下焙烧6 h进行彻底再生，具有最好的经济效益。表征结果表明，经多次热再生后，活性炭孔道存在部分坍塌，比表面积由889 m2/g降至688 m2/g，孔容由0.50 mL/g降至0.37 mL/g，孔径无明显变化，均在2.2 nm左右；这与SEM观察到的活性炭表面褶皱减少相吻合，说明多次热再生后活性炭孔道存在一定程度的坍塌，但依然保持介孔特性；TG曲线中再生后活性炭失重曲线略低于新鲜活性炭，进一步证明多次热再生对活性炭孔道结构存在一定的破坏性。

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煅烧气氛对柠檬酸溶胶凝胶铁氧化物催化剂低温SCR脱硝性能的影响

作者(Author)：宋唯一, 朱宝忠, 孙运兰, 谢超越

摘要：煅烧气氛对催化剂的活性有重要影响，为了优化柠檬酸溶胶凝胶铁氧化物（Fe2O3/LA）低温烟气脱硝催化剂的制备工艺，明确煅烧气氛对Fe2O3/LA催化剂低温脱硝性能的影响规律，通过柠檬酸（LA）溶胶-凝胶法制备了Fe2O3/LA-Air和Fe2O3/LA-Ar低温脱硝催化剂，并采用N2吸附-脱附（BET）、X射线粉末衍射（XRD）、氢气升温还原（H2-TPR）、氨气升温脱附（NH3-TPD）、X光电子能谱（XPS）等对催化剂进行了表征。结果表明：Fe2O3/LA-Air催化剂与Fe2O3/LA-Ar催化剂相比高温脱硝活性较差，但具有更好的低温脱硝活性，尤其在120～200 ℃，其脱硝效率达80%～100%；且其N2吸附-脱附曲线呈H3型滞后环Ⅱ型等温线，具有更大的孔径；在270 ℃具有典型的中低温H2还原峰，中低温还原能力强；2种气氛下煅烧的Fe2O3/LA催化剂主要活性成分皆为γ-Fe2O3，且Fe2O3/LA-Air催化剂中Fe3+含量比Fe2O3/LA-Ar催化剂Fe3+含量高3.24%，表面吸附氧Oβ含量高48.24%；Fe2O3/LA-Ar催化剂中温和高温氨脱附峰均向高温方向移动，其中高温氨脱附峰面积比Fe2O3/LA-Air催化剂脱附峰面积大，Lewis酸位点数量多，但Fe2O3/LA-Air催化剂Brnsted酸位点比Fe2O3/LA-Ar催化剂多，这些因素使得空气气氛下煅烧的Fe2O3/LA催化剂低温段的脱硝活性优于氩气气氛下煅烧的Fe2O3/LA催化剂的脱硝活性。

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