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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荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验研究

作者(Author)：刘鹤欣, 杨富鑫, 李正鸿, 谭厚章, 杜勇乐, 冯鹏

摘要：荷电水雾团聚亚微米颗粒物是多场协同脱除微细颗粒物的一种方式，众多学者针对水雾荷电脱除颗粒物特性进行了大量理论和试验研究，但鲜见对超声波雾化液滴荷电团聚微细颗粒物的相关研究。设计了双层阻挡介质放电电极结构，在有效阻断传统电晕放电隙内放电电弧发展的同时，通过产生均匀稳定的高密度低温等离子体对雾化液滴进行荷电，并搭建荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验平台对电极稳定特性和微细颗粒物的团聚特性进行研究，主要针对电极伏安特性、负载电压对团聚效率的影响以及水雾量对团聚效率的影响3方面进行比较与表征。结果表明，双层阻挡介质结构有利于改善荷电电极间隙的均匀性，雾化液滴的存在有利于促进气隙空间放电。荷电电极的起晕电压与不稳定运行电压随雾化量的增加均表现为减小；当通入水雾流量为102.9 mg/min时，稳定运行的电压区间为17.2～41.1 kV。荷电雾化液滴对微细颗粒物团聚具有明显效果，其中30～70 nm颗粒在45.0 kV作用下最高达到40%团聚效率。粒径分布曲线随雾化量的增加整体向粒径增大方向移动，也表明雾化量的增加有利于荷电雾化液滴对微细颗粒物的脱除；相同电压下，颗粒团聚效果随水雾量的增加明显提升。

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烟气再循环与空气分级对氢氧化铝焙烧炉运行参数的影响

作者(Author)：李潇峰, 邹俊, 张扬, 王志宁, 张海, 吕俊复, 刘青, 张守玉

摘要：氢氧化铝焙烧炉常用SCR或SNCR技术降低NOx，但存在催化剂被污染以及氨逃逸等问题，亟待发展一条新的减排方案。烟气再循环和空气分级技术是降低氢氧化铝气态悬浮焙烧炉NOx排放的潜在手段，但烟气再循环和空气分级燃烧技术对气态悬浮焙烧炉运行参数的影响规律仍不明确。以3 000t/d规模的氢氧化铝气态悬浮焙烧炉系统为研究对象，研究了烟气再循环和空气分级对氢氧化铝气态悬浮焙烧炉运行参数的影响规律。通过计算发现，当烟气再循环率为20%时，系统总过量空气系数降低至1.1左右，可维持较大的一次风量，保证悬浮焙烧状态的同时，使主焙烧炉(P04)下部达到欠氧还原性气氛，进而抑制NOx的生成。烟气再循环率在20%且空气分级的燃尽风率在25%以内时，GSC炉系统中各分离器效率变化可忽略。GSC炉系统增加烟气再循环和空气分级后，若不调整燃料分配，焙烧温度会降低，可能对氧化铝产品质量产生不利影响。通过优化GSC炉的燃料分配，可显著降低烟气再循环和空气分级对系统运行参数的影响程度。烟气再循环达20%且空气分级的燃尽风率在25%时，优化后的GSC炉系统仍可在保证氢氧化铝焙烧工艺温度和整体热效率的情况下，实现主焙烧炉膛下部的欠氧还原性燃烧气氛，为GSC焙烧炉的低氮燃烧设计提供了必要条件。

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快速加热条件下煤和碳酸钙的混合反应动力学研究

作者(Author)：朱书骏, 朱建国, 李佳容, 刘敬樟

摘要：本研究建立了能够实时监测样品质量的高温垂直管式炉试验系统。试验过程中，煤粉的燃烧反应和碳酸钙（CaCO3）的分解反应可以同时进行，其混合反应特性可以反映分解炉的真实情况。在900~1 000 ℃工作温度区间内，温度变化对粉煤的燃烧反应影响很小，但温度是影响CaCO3在较低温度下分解的重要因素。随着混合物中CaCO3质量比的增加，反应速率对温度更敏感。当煤与CaCO3的质量比约为1∶9时，分解产物的BET（Brunauer，Emmett和Teller）比表面积最大。试验数据的动力学分析表明，在不同质量比下混合物的反应动力学模型不同，活化能值随着煤与CaCO3的质量比的增加而降低。为了保证水泥分解炉中CaCO3的分解率和煤的燃烧效率均在较高水平上，有必要将煤与CaCO3的质量比控制在1∶9以上。本研究获得的活化能数据可以为预分解炉的后续模拟计算提供支持。

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稀土冶炼电解槽余热取热试验研究

作者(Author)：潘利生, 杨欢, 李博, 魏小林, 陈红迪, 史维秀

摘要：冶金行业能耗巨大，稀土冶炼工艺具有同样特点，采用熔盐电解法制备稀土金属时，冶金槽侧壁和冶金槽内熔融液体上表面向外散发出大量热量，并且冶炼过程伴随产生酸性气体。针对稀土冶炼过程中，电解槽以辐射和对流换热的方式向外散失大量余热问题，搭建了稀土冶炼模拟试验槽，采用燃煤放热获得相似的槽内温度场，采用冷却水与模拟电解槽侧壁进行对流换热、与模拟电解槽高温辐射面进行辐射换热，开展稀土冶炼过程中槽壁余热换热和顶部辐射余热换热试验研究。结果表明，槽壁余热换热量随水流量的增大呈上升趋势，水流量对槽壁余热换热量的影响强于辐射受热面与模拟槽顶面距离对其的影响。在试验条件下，模拟槽辐射受热面距离模拟槽顶面0.2 m、水流量为0.285 kg/s 时，槽壁余热换热量最大可达2.256 kW。辐射余热换热量受辐射受热面与电解槽顶面距离的影响较大，随辐射受热面与电解槽顶面距离的减小呈增大趋势。辐射受热面与电解槽顶面距离为0.1 m时、水流量为0.292 kg/s时，辐射余热换热量与总余热换热量达到最大值，分别为19.541 kW和21.114 kW。基于试验数据推算的电解槽实际运行工况下辐射余热换热量可达52.796 kW，总余热换热量最大可达83.237 kW，占电解槽总电耗的55.5%，可为研发稀土冶炼工艺的节能减排技术、实现能源的合理利用提供依据

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基于微火焰燃烧的新型低氮燃烧器模拟优化

作者(Author)：宋佳霖, 程星星, 孙荣峰, 王志强, 耿文广, 张兴宇, 赵改菊, 员冬玲, 王鲁元

摘要：为应对大气污染严重问题，我国近年来加速了“煤改气”政策的推行，燃煤锅炉逐渐被燃气锅炉替代，开发和设计新型低氮燃气燃烧器具有重要意义。为响应国家“低氮环保”号召，提出了一种新型微火焰燃气低氮燃烧器。采用数值模拟方法对该燃烧器进行了相应的孔径结构优化，并在此基础上进行燃烧工况模拟，以选出燃烧的最优工况。结果表明：随着空气入口口径由16 mm增大到22 mm，由于口径增大，空气流速变慢，燃气甲烷与空气混合反应燃烧时间变长，燃烧释放出更多热量，继续增大口径时，由于小火焰具有更大的散热面积，热量向四周散失，故火焰中心高温区温度先升高后降低，而燃烧器燃烧原料为清洁燃料甲烷，生成NOx主要为受温度影响较大的热力型NOx，故NOx生成量亦先升后降；随着过量空气由1.1增大到1.4，火焰中心高温区明显变小，温度也由2270 K降低到2042 K，由于炉膛内高温区温度降低且空气在高温区停留时间变短，NOx生成量也由412 mg/m3降低到52 mg/m3。因此该新型低氮燃烧器燃烧效果良好，能有效降低NOx排放。在甲烷入口口径设计为2mm，空气入口口径设计为16 mm，过量空气系数设置为1.4时，该新型低氮燃烧器可以达到很低的NOx排放量。

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污泥阴燃过程及残渣特性分析研究

作者(Author)：成明锴, 李琛, 付建红, 冯超, 徐明厚, 乔瑜

摘要：阴燃是一种新型低热值有机固废热处理技术，针对污泥的阴燃灰渣特性开展污泥自持阴燃试验，以期为污泥的阴燃处置技术推广提供关于灰渣处置的技术支持。利用自制阴燃台架，含水率50%污泥在空气达西流速3.5 cm/s、污泥/沙掺混比1∶4的条件下进行自维持阴燃试验。通过阴燃温度曲线图解析了污泥自持阴燃处置的过程特性，并根据温度曲线对失重及质量变化速率进行计算分析。通过同时开展污泥在1 000 ℃的燃烧以及500 ℃的热解试验，分别收集燃烧灰、热解焦，利用BCR逐级提取法对阴燃灰、燃烧灰、热解焦中的常量元素（Na、K、Mg、Ca、Al、Fe、P）和痕量重金属元素（Zn、As、Cr、Cd、Pb、Ni、Cu）的赋存形态进行对比解析。研究发现，自持阴燃过程可以划分为4个阶段：预热、引燃、自持阴燃、燃尽；试验过程最高温度为引燃阶段底部物料燃烧峰值温度678 ℃，自持阴燃过程平均温度517 ℃；自持阴燃过程燃烧面平均传播速率为0.37 cm/min，平均质量变化速率为10.41 g/min；阴燃灰中主量无机矿物元素为Si，主要痕量重金属元素为Zn、Pb、Cr；阴燃灰、热解焦、燃烧灰中Na、K、Al、Fe、P以及As、Cr、Cd、Pb主要以残渣态形式存在，同时，阴燃灰中Na、K、Mg以及Ca、Zn、As、Ni酸可溶态含量比热解焦和燃烧灰高，对于污泥阴燃、热解、燃烧处置后固体产物的处理及利用应对元素的不同赋存特点予以区分。

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扰流件排列对亚微米颗粒湍流团聚效率影响研究

作者(Author)：李正鸿, 刘鹤欣, 杨富鑫, 冯鹏, 谭厚章

摘要：燃煤工业亚微米颗粒物的排放会危害环境和人体健康，而团聚方法是脱除亚微米颗粒的主要手段之一。通过搭建亚微米颗粒湍流团聚试验台，利用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）测量湍流段前后进出口亚微米不同粒径数量浓度，研究不同扰流柱排列对亚微米颗粒团聚效率的影响，并结合Fluent软件分析了流场对颗粒团聚效率的影响。结果表明，亚微米颗粒湍流团聚效率与颗粒粒径大小有关，粒径较小的亚微米颗粒团聚效果较好，小粒径颗粒（粒径<30 nm）团聚效率在10%～90%，但对于大粒径颗粒（粒径>30 nm）团聚效率均在10%以下，颗粒直径大于502 nm时，不同流速下颗粒的团聚效率变为负值；对流速分析，发现亚微米颗粒团聚效率随流速增大出现先增大后减小的趋势，是由扰流区湍流强度及颗粒停留时间造成；探究扰流柱布置及排列对团聚效率的影响时，发现亚微米颗粒的团聚效率随扰流件的增大而减小，随扰流件横向间距的增大而逐渐减小，随纵向间距的增大先变大后减小，随排数的增大而变大，主要是扰流件尾迹区域内涡街强度与涡街长度的综合作用，涡街强度大会促进颗粒的碰撞几率，而涡街长度能提高颗粒在湍流区的停留时间，进而提高团聚效率。

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亚微米颗粒物湍流团聚数值模拟研究

作者(Author)：冯鹏, 盛虎, 周虎, 王承亮, 刘鹤欣, 李正鸿, 谭厚章, 杨富鑫

摘要：亚微米颗粒物（Submicron Particle）是大气污染物的重要来源之一，危害人体健康，湍流团聚是脱除燃煤烟气中亚微米颗粒的重要手段。利用k-ε湍流模型与离散相（DPM）模型，在亚微米颗粒物湍流团聚试验平台基础上建立了一个由湍流效应和布朗运动共同作用的亚微米颗粒团聚过程的数值模型，根据试验数据对模型进行合理性验证，研究了湍流团聚器的进口流速、扰流件排布、扰流件形状对亚微米颗粒团聚特性的影响规律。结果表明：扰流件迎风面和扰流件的纵向尾迹区是碰撞和聚集的主要区域；小粒径亚微米颗粒物的团聚效率明显大于大粒径，从粒径593.5 nm处团聚效率开始变为负数；不同流速下，由于更小粒径颗粒物在涡流中跟随能力更强，PM0.1的团聚效率均大于PM1，湍流团聚器的进口流速不宜过大，以保证亚微米颗粒物所需要的停留时间。模拟所采用的三棱柱错排扰流件的最大团聚效率对应的流速为5 m/s；亚微米颗粒物在顺排、错排结构的团聚效率差别不大，但顺排和错排结构对亚微米颗粒物的作用机制有较大差别，顺排结构扰流件尾迹区的涡街得到充分发展，而错排结构包含更多迎风面，增大了颗粒物碰撞几率，更易受到侵蚀；此外，单个扰流件条件下，由于Y型扰流件的产涡能力更强，比圆柱型扰流件和三棱柱型扰流件具有更好的湍流团聚效果。

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