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
类别; 115个
关键词; 99位
专家; 26篇
论文; 12617IP
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水泥分解炉中CO还原NO试验研究

作者(Author)：李森, 方立军, 孙立超, 谢超越

摘要：水泥窑炉是典型的高污染排放的工业窑炉，水泥行业已成为第三大氮氧化物排放源。目前，国内外对燃料分级技术在电站锅炉上的应用进行了大量研究，而对水泥窑炉上应用燃料技术涉及较少。针对水泥分解炉高钙环境分级燃烧特点，在流化床反应器上开展了还原气体CO脱除NO的试验研究，研究了CO浓度、CaO和温度对CO脱硝过程的影响机制，采用一维柱塞流反应器模拟分析了CO还原NO反应路径。研究结果表明：CO在还原气氛中具有较强的脱硝作用，CO体积分数对脱硝具有较大影响，随着CO浓度增加，脱硝效率提高；随CO浓度提升可有效降低NO排放，当CO浓度由1%增加到5%，NO脱除效率提高了37.8%；CO脱硝过程中产生NH和H等中间产物，NH和H对CO还原NO具有重要作用；HCN可吸附于CaO表面并与CaO反应，在还原气氛中NH3吸附到—CaO表面并发生反应生成Ca(N)，最终生成N2。NO主要通过4条路径被还原为N2，其中NO→N2O→N2和NO→HNO→NH→N2为最主要反应路径。在试验温度范围内，温度升高促进了CO还原脱硝；CaO对CO脱硝具有较强的正催化作用，且在850～1 050 ℃，CaO均具有催化作用。CO体积分数为4%、温度大于900 ℃时，CO脱硝效率明显提高，说明在高温区域，CaO具有显著的催化作用；在1 050 ℃，脱硝效率提高7.56%。

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中高温烟气余热动力回收的复叠跨临界CO2动力循环热力学分析

作者(Author)：李成宇, 高振强, 高明云, 高升堂, 王有镗

摘要：工业窑炉存在大量的中高温烟气余热，现有的动力循环或工质存在难以有效回收大温降烟气余热的问题。提出以CO2为工质的复叠跨临界动力循环，以单位质量烟气的循环净功率最大为优化目标，在400和500 ℃的烟气热源条件下，研究循环参数对循环性能的影响规律。重点分析了工质分流质量比、吸热压力对回热过程换热匹配特性以及循环性能的影响，并对简单循环、回热循环和复叠循环进行了优化对比。结果表明，复叠循环中，上下级循环的回热匹配是影响循环性能的重要因素，通过调节工质泵出口的工质分流比x以改善回热匹配性，烟气初温400和500 ℃下，最优的工质分流比0.6和0.7。吸热压力的增加有利于循环净输出功率的增加，烟气初温500 ℃下，吸热压力由20 MPa增至35 MPa时，净功率由117.4 kW增至143.8 kW，增幅为22.49%；对各部件而言，提高吸热压力可增加高、低温透平输出功率，但对回热功率的作用相反；20～35 MPa内随吸热压力的升高，低温透平输出功率占比由31.4%降至27.3%，吸热压力对高温透平的性能影响更明显。对比3种跨临界CO2循环，简单循环的热效率和净功率均最低，回热循环具有最高的热效率，复叠循环输出最高的净功率。烟气初温400 ℃下，复叠循环的净功率比简单循环和回热循环分别高22.2%和6.1%；烟气初温500 ℃下，分别高35.7%和12.5%。

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臭氧脱硝过程中硝酸盐气溶胶的生成机理及控制

作者(Author)：黄元凯, 朱燕群, 邵嘉铭, 唐海荣, 何勇, 王智化

摘要：在工程项目中，大多采用湿法喷淋对烟气进行洗涤以实现污染物高效脱除。但研究发现该过程会产生较多气溶胶，使尾部烟气无法达标排放。目前，相关研究集中在SO3酸雾和硫酸盐气溶胶的生成机理及相应控制手段，鲜见部分臭氧脱硝技术应用中出现的硝酸盐气溶胶现象。因此，通过建立臭氧脱硝试验系统，利用Gasmet烟气分析仪测定烟气组分及浓度，采用气溶胶粒度分布采样器和离子色谱对生成的硝酸盐气溶胶浓度进行测量，以开展硝酸盐生成机理及控制研究。结果表明，硝酸盐气溶胶浓度与烟气中初始NO浓度呈正相关，烟气中NO浓度从200×10-6升高至400×10-6时，硝酸盐气溶胶的浓度从7.06 mg/m3升高至18.66 mg/m3；在O3/NO摩尔比为1的条件下，浆液中存在的NH+4导致气溶胶浓度升高，虽然NH+4浓度从2 g/L升高至4g/L时，气溶胶浓度基本保持在约8 mg/m3不变，但气溶胶平均粒径有所增大；浆液中无NH+4时，气溶胶浓度随着O3/NO摩尔比的升高而降低；但浆液中存在2 g/L的NH+4时，随着O3/NO摩尔比从1.0升高至1.6，气溶胶浓度从7.06 mg/m3升高至161.94 mg/m3，上升明显；浆液中还原型添加剂X的添加可明显抑制气溶胶的产生，气溶胶抑制效率可达到47.7%，该方法可以作为一种臭氧脱硝过程中硝酸盐气溶胶生成的抑制技术

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基于数据驱动的水泥熟料烧成系统能耗优化

作者(Author)：丁孝华, 黄堃, 杨文

摘要：水泥制造业一直是我国的高能耗行业之一，对能源的依赖度高，能源消费在生产成本的占比达40%～60%。根据《建材工业“十三五”发展指导意见》，水泥企业的节能取得很大进展，但对比世界先进水平，吨水泥综合能耗仍存在差距。水泥烧成系统是水泥生产过程中的主要能耗部分，水泥烧成系统内部进行着复杂的理化反应，涉及众多环节与设备，采集的数据具有非线性、强耦合性、变量众多和大滞后等特点。随着人工智能的发展和工业数据采集的普及，分散控制系统（distributed control system，DCS）在各行各业都获得了广泛应用，人工智能分析优化方法成为工业数据分析优化的主流。为了提升水泥生产企业的生产效率，在分析水泥熟料烧成系统电力过程的历史运行变量和生产能效数据的基础上，采用一种基于数据驱动的水泥熟料烧成系统能耗优化与参数推荐混合算法。针对参数筛选问题，采用平均影响值算法进行能耗敏感度分析，对影响能耗的参数进行筛选。在建模阶段，采用改良BP神经网络对能耗进行建模，得到系统能耗模型后，通过遗传算法对其优化，使该能耗模型以吨熟料最低电耗的优化目标对可控运行参数进行寻优，能够获得运行参数的优化值。算法在白山水泥厂水泥熟料烧成系统中进行了实际部署，运行结果表明，该算法有效支撑了水泥熟料烧成系统的能耗管理，优化前水泥能耗始终在15000 kWh左右，通过仿真优化后，最优能耗为13661 kWh，约减少7%，同时可获得特征变量推荐值。

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工业炉窑高温含尘烟气金属丝网除尘技术研究

作者(Author)：张婉婧, 魏小林, 李腾, 黄俊钦

摘要：工业炉窑生产中产生的大量高温含尘气体携带了大量的余热余能，若能得到合理回收利用，将创造巨大的经济价值和环保价值，因此，对高温气体净化除尘是一项实现资源合理利用和环境保护的关键技术。新型的金属多孔材料凭借良好的耐温性、机械性能和导热性等，在高温烟气除尘方面具有很好的适用性和优越性。选择金属丝网除尘器作为研究对象，通过试验和数值模拟相结合的方法，探究除尘器进口气流流量、气流含尘浓度、气流入口温度对于除尘系统压降的影响规律。结果表明，系统压降随着进口空气流量的增大而升高，当进气流量从0.4 Nm3/h增加到34.3 Nm3/h时，压降从12.6 Pa迅速升高到1989 Pa，通入含尘气体产生的系统压降要高于通入相同流量的洁净空气产生的系统压降，压降随着含尘浓度的增加有上升趋势，但含尘浓度大于53 g/m3时，压降反而下降。进气温度越高，系统平均压降越高，进气温度从13 ℃上升到202 ℃时，压降从520.5 Pa上升到941.5 Pa。系统压降与出口温度的模拟结果与试验结果吻合较好。对于进气温度较低（<300 ℃）的工况条件，除尘器的系统压降主要来自于金属丝网滤袋的表面压降；当温度上升后，压降上升很快，当温度为600 ℃时，系统压降在3000 Pa左右，远高于滤袋表面压降，这时需要考虑除尘器结构压降带来的影响

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粉煤灰湿式化学法合成沸石及其对重金属的吸附脱除研究

作者(Author)：王文霞, 郑梓涵, 张轩, 乔瑜, 徐明厚

摘要：针对粉煤灰固废的处理/处置问题，采用湿式化学的方法将其合成沸石，探索粉煤灰的资源化高值利用方式。通过设计四因素、三水平的正交合成试验，结合阳离子交换容量的评价，确定湿式化学方法下粉煤灰合成沸石的最佳工况。为了检验合成的沸石对阳离子重金属的吸附脱除效果，进行9种正交工况下合成的沸石对重金属Pb(Ⅱ)的吸附脱除试验，同时研究了合成的沸石对阴离子基团的吸附脱除。采用湿式化学法，粉煤灰合成沸石的最优工况为：NaOH浓度4 mol/L、液固比4 mL/g、研磨时间24 h、转速350 r/min，对沸石合成效果影响较大的因素是研磨时间，其次是液固比、碱液浓度，行星球磨机的转速影响最小。该试验条件下合成的沸石对重金属Pb的吸附脱除结果表明，不同正交工况合成的沸石对Pb(Ⅱ)的吸附以物理吸附为主，其脱除率均达70%以上，最高可达92.5%，主要依赖于合成沸石的阳离子交换容量；对重金属Cr的吸附脱除结果表明，不同正交工况合成的沸石对Cr(Ⅵ)的吸附既有物理吸附也有化学吸附，对Cr(Ⅵ)的吸附脱除率最高可达35.7%，说明湿式化学法合成的沸石对重金属阳离子和阴离子基团均有一定的吸附脱除效果。

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基于集成神经网络的水泥生产能耗建模

作者(Author)：黄堃, 杨文, 丁孝华

摘要：为了提高水泥生产过程的能耗建模和预测的精度，提出了一种基于神经网络与马尔科夫修正的水泥生产集成能耗预测模型：在数据预处理阶段，为了减小处理数据的规模，采用平均影响值法进行数据降维，筛选敏感变量，从12个变量中选出对能耗输出影响较大的6个，构建一个6输入单输出的神经网络，使能耗建模阶段选用的神经网络模型结构更为简单，可以有效减少训练神经网络所需的时间。在能耗建模阶段，为了建立性能更佳的能耗模型，在以神经网络作为能耗建模元学习器的基础上采用集成学习思想，组合数个元学习器成一个性能更佳的强学习器，即将多个神经网络的预测输出值求平均作为集成模型的预测结果，采用水泥烧成系统的依赖变量和对应的炉窑能耗值作为试验数据进行模型的训练、验证和预测，结果表明，集成模型预测结果的决定系数R2值较单个神经网络提高了0.019，预测值与真实值的相对残差的均值较单个神经网络也减少了0.027，模型性能有所提高。在能耗预测阶段，为了进一步提高模型的预测精度，引入马尔科夫残差修正法，即依据历史预测能耗值与实际能耗值的残差修正当前预测值，提升集成能耗模型的预测精度。结果表明，经马尔科夫修正法修正的预测值相对残差从-0.6%降至-0.25%，能耗预测值更加接近实际值，预测精度提升，可更好地挖掘水泥炉窑烧成系统电能耗变化与依赖变量的规律，实现能耗精确预测，为水泥生产过程的能耗监管提供了更精确的参考依据。根据水泥生产能耗建模3个阶段的描述，提出一种基于神经网络与马尔科夫修正的水泥生产集成能耗预测模型，在水泥生产能耗预测上有更佳的预测效果和更高的预测精度。

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Cu-Ce催化剂上CO催化燃烧反应机理研究进展

作者(Author)：康润宁, 魏小林, 宾峰, 王子兵

摘要：CO作为大气主要污染物之一，来源较为广泛。工业炉窑、冶金工业以及机动车尾气排放等均会造成CO大量排放，污染环境。催化燃烧技术是公认的有效限制并消除CO的主流技术，可通过引入催化剂的方式实现CO低温高效转化，已在汽车尾气排放、CO优先氧化等低温催化氧化领域形成了产业化应用，且效果显著。Cu-Ce复合氧化物催化剂具有低温高效、寿命长且廉价等优点，成为应用于CO催化燃烧的首选催化剂。综述近年来Cu-Ce体系催化剂上CO催化燃烧反应的研究进展，列举了不同的催化剂制备方法，概括了Cu-Ce催化剂的结构形貌-性能关系与载体-活性组分的强相互作用规律（尺寸效应、界面效应），分析了基于表征技术、原位试验与反应动力学等方法得到的不同反应路径之间的差异，总结出CO催化燃烧微观反应机理。同时根据不同工业废气中CO浓度变化特点，介绍了中国科学院力学研究所高效洁净燃烧课题组近年的相关工作进展，最后对CO催化燃烧反应研究未来发展方向进行了展望。以转炉炼钢过程中产生的转炉放散煤气（CO≤35%）为例，设计制备出低温高效CuCe0.75Zr0.25Oy催化剂，并进一步合成工业级蜂窝陶瓷催化剂，提出了CO自持催化燃烧技术，探究得到宽CO浓度范围（1%～20%）条件下的CO催化燃烧反应规律（诱导阶段、热飞温及热自持阶段），确定了较详细的CO催化燃烧反应路径（M-K和L-H机理）与稳燃机制（贫燃极限、稳燃温度场、换热特性），为转炉放散煤气从所需燃气引燃到自身能量回收利用的双向节能提供切实可行的技术方案。未来CO催化燃烧反应机理研究可从新型高效纳米Cu-Ce催化剂出发，寻找精细的形貌可控催化剂制备方法与规模化生产技术，制得活性位原子利用率高、持久高效的催化剂，采用先进的原位表征试验技术与理论模拟计算方法，深入研究催化剂载体-活性组分相互作用演化规律，开展CO催化燃烧吸附-反应-脱附过程的定性定量研究，以丰富CO催化燃烧安全控制理论，考察长时间复杂烟气环境下催化剂的各项性能，促进工业节能减排的发展

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