《洁净煤技术》2021年度优秀论文（理论研究与技术研发类）

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《洁净煤技术》2021年度优秀论文（理论研究与技术研发类）

来源：洁净煤技术

行业视野: 洁净煤技术
类别; 68个
关键词; 70位
专家; 15篇
论文; 10588IP
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SCR系统流场优化数值模拟研究

作者(Author)：王海川, 曾祥浩, 廖艳芬, 田云龙, 马晓茜

摘要：为提高选择性催化还原脱硝系统（SCR）的烟气气流均匀性，进而提高SCR反应器的催化效率、减少催化剂的冲蚀和损耗、提高催化剂使用寿命和提高催化反应反应物的接触程度，针对SCR反应器的流场开展数值模拟以及导流板和整流板的结构优化，基于Realizable k-ε模型和多孔介质模型，通过对全尺寸SCR反应器模型的速度场的模拟，研究导流板结构、整流板数量对于SCR脱硝系统的流场组织和气流均匀性的影响。通过模拟SCR反应器内的颗粒分布，研究飞灰颗粒对流场的影响。通过计算整流板前截面的相对速度偏差和分析不同优化方案下的SCR反应器的速度场，评估导流板和整流板的导流效果，进而确定最佳方案。结果表明：在弧形、直弧形、弧形、直弧直4种导流板方案中，直弧直形导流效果最好，这是因为弧形导流板前的水平直板和竖直直板可以更好地引导气流流动；结合反应器采用斜顶设计的几何特点，基于流场调整导流板形状与速度梯度方向相同，可以显著优化烟气的气流组织，减少转弯处的能量耗散；催化剂层前的整流板可进一步引导气流流动，极大改善气流均匀性；但过多的整流板提高近壁面处的烟气气流阻力，加剧能量耗散和速度不均匀性，反而降低整流板的整流效果。本研究整流板数量15较为合适。经过对导流板和整流板结构及数量的调整，最终可将催化剂上层的速度偏差降至6.68%，符合工业要求。针对烟气颗粒场的分析表明，飞灰颗粒主要沉积在烟道右壁面和上升通道上壁面处；同时，对颗粒沉积处必要的飞灰处理可减少烟气飞灰对于催化剂的冲蚀作用。

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2020年第04期

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循环流化床氮氧化物排放预测模型及优化控制研究

作者(Author)：高明明, 于浩洋, 吕俊复, 于孝宏, 李文瑞, 李存怀, 魏光

摘要：随着环保要求的日益严格，为了降低CFB机组的NOx排放，需要对炉内生成的NOx浓度进行准确估计并应用到控制中，对此，建立精确实用的机理控制模型显得十分必要。同时，需要综合考虑降低炉内燃烧所生成的NOx与SNCR的优化控制，利用该模型对炉内外NOx综合控制进行优化。通过对NOx的生成机理进行分析，以CFB锅炉燃烧产生的燃料型NOx为主体，应用数学建模与仿真的方法，以给煤量、风量等作为模型输入，建立炉膛出CO浓度预测模型，并以此模型为基础，与即燃碳模型为输入，建立可以用于控制的炉膛出NOx浓度预测模型。利用上述方法建立了炉膛出CO浓度预测模型和炉膛出NOx浓度预测模型，并根据实际运行数据对模型进行参数求取及仿真，针对炉内燃烧控制与SNCR脱硝配合不佳，导致NOx排放水平较高的问题，根据所建立的炉膛出NOx浓度预测模型，提出了炉内外NOx综合控制技术路线，设计了基于NOx浓度预测模型的一二次风量优化控制与SNCR优化控制思路。仿真证明了所建立的模型具有较好的精确度，满足实际控制系统的精度要求，并具有一定的预测效果。所设计的炉内外NOx综合控制技术路线与一、二次风量优化控制思路可以为今后循环流化床机组NOx低排放控制提供参考。

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2020年第03期

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脱硫湿烟气喷淋冷凝过程数值模拟研究

作者(Author)：李璐璐, 姚宣, 张缦, 金燕, 杨海瑞

摘要：大中型燃煤电厂多采用湿法脱硫技术，脱硫过程导致大量水分蒸发，600MW机组经湿法脱硫后排放的烟气中携带水蒸气超过200t/h。脱硫湿烟气中的水蒸气及低温余热是燃煤电厂水资源和能量损耗的重要部分。为降低烟气中的含湿量，有效回收烟气中的水分及余热，同时解决因湿烟气中水蒸气凝结引起的烟囱腐蚀、“石膏雨”及“白烟”等问题，基于Fluent软件，构建三维稳态CFD模型，对湿法脱硫后烟气的冷凝过程进行数值模拟研究，将优化设计后的冷凝室作为计算对象，充分考虑气液两相流之间的能量、质量、动量交换，全面讨论了冷凝室本身结构和气液两相参数对传热传质的影响。结果表明：两喷淋层的布置存在最佳间距，模拟中最佳间距为1m，此间距可使液滴在冷凝室内停留时间和气液接触均匀性同时达到较高水平。在一定的烟气流速范围内，烟气流速高，烟气在冷凝室中停留时间短，气液两相接触时间少，换热程度差；烟气流速低，烟气雷诺数小，湍流流动弱，单位时间单位面积处理的空气量小，故存在最佳烟气流速，研究表明，最佳烟气流速为3.5m/s。适当增大液气比、合理减小液滴直径、降低喷淋液温度、加大喷嘴角度，都可有效保证流场均匀性，提高气液接触强度，增强气液之间传热传质效果。但增大液气比需较大水量，不利于节水节能；降低喷淋液温度可加大换热温差，但需较低的冷却水源；加大喷嘴角度对提高冷凝效果幅度有限。其中减小液滴直径是最有效的方法，采用雾化程度好的喷嘴，使液滴直径小于210μm，可将湿烟气从323K冷凝至311.75K，600MW机组每小时可回收至少80t水资源以及6.59MW能量，达到节水节能、“消白”、除尘一体化的目的。

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2020年第03期

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高速煤粉燃烧器内燃烧特性数值模拟及结构优化

作者(Author)：张鑫, 陈隆

摘要：高速煤粉燃烧器火焰喷射速度高达60～200m/s，炉膛内火焰较长，对流换热比例提高，使得炉膛内温度分布均匀，没有传统低速煤粉燃烧器火焰短，炉膛内局部过热和结焦等缺点。笔者以14MW高速煤粉燃烧器为研究对象，采用数值模拟的方法，研究旋流强度、二次风温度等关键参数对燃烧器内煤粉燃烧的影响，针对燃烧器内煤粉燃烧特点进行结构优化设计。对旋流强度研究结果表明，当旋流强度S=2.2、2.8、3.2及3.7时，燃烧器内回流区形状变化不大，从一次风喷口开始到旋流叶片位置结束，回流区环绕一次风管；最大回流量在一次风喷口附近，距离一次风喷口越远，回流量越小；旋流强度对一次风喷口附近最大回流量影响不大，喷口附近最大回流量均在0.45kg/s左右，当距喷口超过一定距离（L/H<0.35）时，旋流强度对回流量的影响开始变得明显，表现为旋流强度越大，回流区末端回流量越大，回流区末端回流量最大为0.30kg/s，最小为0.17kg/s。研究燃烧器喷口处燃烧状态表明，喷口处火焰旋流强度为0.10～0.28，与入口旋流强度正相关，火焰喷射速度150m/s，为中等旋流强度的高速旋流火焰；喷口中心区可燃性组分富集，缺氧，燃料和氧气分层分布。当旋流强度提高，喷口中心区可燃性组分浓度降低，CO浓度从11%降低到10%，H2浓度从1.65%降低到1.40%，焦炭浓度从0.14%降低到0.11%，喷口边缘O2浓度从13%降低到10%。旋流强度S=3.2和S=3.7时可燃组分和氧气浓度分布变化较小，说明旋流强度提高对燃烧的影响减弱。考察0、100和200 ℃下二次风温度对燃烧的影响，结果表明，当二次风温度提高，煤粉在燃烧器内的反应时间有所降低，从0.15s降低到0.11s，但燃烧器内的煤粉碳转化率提高20%，达到65%。对燃烧器结构进行优化，加入中心风，对比中心风直流和旋流与不加中心风3种状态，结果表明，加入旋流中心风和直流中心风后喷口中心区半径r≤75 mm范围内可燃组分浓度降低，采用直流时由于气流刚性较强，喷口中心区氧气浓度升高，采用旋流中心风对中心区氧浓度影响弱，对可燃组分浓度降低效果优于直流中心风。

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2020年第02期

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半焦空气分级燃烧NOx排放试验研究

作者(Author)：李慧, 杨石, 周建明

摘要：半焦是低阶煤经低温热解后的产物，其中半焦粉与煤粉工业锅炉常用煤种烟煤相比价格低廉。若能将半焦粉用作煤粉工业锅炉的燃料，既可拓宽煤粉工业锅炉的适用燃料范围，又可增强煤粉工业锅炉的市场竞争力。由于半焦挥发分低、固定碳高，实现其着火和稳定燃烧需要更高的温度，同时，降低NOx初始排放也是一个技术难题。为了实现半焦在煤粉工业锅炉中的稳定燃烧及NOx排放的降低，采用两段式滴管炉开展半焦空气分级燃烧NOx排放规律研究。笔者对半焦空气不分级燃烧NOx排放规律进行了研究，主要探究了主燃区温度（1000～1400 ℃）及过量空气系数的影响，为后续空气分级燃烧降低NOx的效果提供对比依据。半焦空气分级燃烧试验主要研究了主燃区温度（1000～1400 ℃）及二次风比例（0.4～0.8）的影响，并从燃尽率、NOx减少比例、灰样微观孔隙和形貌等方面进行论证，试验结果表明，在空气不分级燃烧条件下，即燃尽风配风比例为0时，随着主燃区温度升高， NOx排放浓度随之迅速升高；随着过量空气系数增加，NOx浓度先迅速增加，过量空气系数大于1.15时，NOx浓度增速变缓；在空气分级燃烧中，相同主燃区温度条件下，二次风比例由高到低变化时，NOx排放呈先迅速下降后缓慢回升的变化趋势，燃尽率先快速升高而后趋于平缓。二次风比例为0.56时（即燃尽风率为0.39），燃尽率达90%，NOx排放浓度降至最低，为120 mg/m3以下，此时是试验条件下的最佳二次风比例。

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2020年第02期

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基于催化臭氧氧化去除煤化工废水中污染物——苯系物

作者(Author)：彭思伟, 何绪文, 白玉勇, 谷小兵, 刘海洋

摘要：苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）是煤化工废水中典型的难降解有机污染物,通常情况下BTEX较难通过传统的化学氧化技术去除。笔者自主制备了多孔臭氧催化剂，并对催化剂进行表征分析；考察了催化臭氧化降解BTEX的最佳反应条件，并对不同反应体系中自由基的激发情况进行比对；在此基础上探究催化臭氧化对BTEX的去除机理，为BTEX在实际处理过程中的技术应用提供理论基础。XRD分析结果表明，多孔臭氧催化剂含有氧化铝、氧化硅等，且含有沸石结构的化合物。XPS分析结果表明，所合成的催化剂含Si、O、 Cu、Fe、Mn、Al等元素。SEM结果表明，催化剂由许多不规则的细小块状粉末构成，且表面非常蓬松，堆叠成多级结构，使催化剂呈多孔性。比表面积分析表明，催化剂的比表面积为20.8 m2/g，孔隙直径主要集中在3.8 nm。使用该催化剂对BTEX进行催化臭氧化试验，结果表明，反应温度为30 ℃、溶液pH=8、臭氧投加量为3.5 mg/L、催化剂投加量为5 g/L时，BTEX的降解效果最佳。在该反应体系中有机物去除率为99.1%，其中苯、甲苯、乙苯、二甲苯的去除率分别为95.6%、98.2%、100%、100%。ESR分析结果表明，催化臭氧化反应体系中羟基自由基和超氧自由基的激发强度明显高于臭氧氧化反应体系，这是因为本文制备的催化剂含有Al、Fe、Mn、Cu氧化物，使催化反应过程中负载的金属氧化物价态间相互变化，转移的电子可促进臭氧分子分解，从而产生更多的自由基。催化臭氧化技术是以羟基自由基为主导，超氧自由基、催化剂吸附为辅助，协同实现煤化工废水中典型有机污染物BTEX的高效去除。

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2020年第01期

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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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