《洁净煤技术》清华大学吕俊复院士文章集锦

来源：洁净煤技术

吕俊复教授是热能动力工程专家，在锅炉科学技术工程方面做出创造性贡献。他和他带领的团队揭示了循环流化床超高超大炉膛的气固两相流动特性和热流密度分布特征，建立了超临界循环流化床锅炉关键技术体系框架，开发了世界首台600MW超临界循环流化床锅炉；阐明了泡态沸腾中可溶性盐行为和沉积临界条件，提出了自然循环分段蒸发实现高盐给水生产过热蒸汽的技术路线，开发了世界首台以采油污水为给水的过热蒸汽燃煤注汽锅炉；发现了气固两相流态对反应的影响机制，提出了减小床料粒度以提高炉内石灰石脱硫效率、降低NOx原始排放的流态设计方法，开发了世界首台燃烧控制达到原始超低排放的循环流化床锅炉。相关技术成果得到产业化应用，取得显著经济效益，他曾获国家科技进步一等奖(第1完成人)和二等奖(第4完成人)、省部级科技进步/发明一等奖7次(第1完成人2次)，授权发明专利60余项，发表论文400余篇。

行业视野: 院士
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关键词; 83位
专家; 24篇
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钝体稳燃的旋流预混火焰污染物生成和流场分析

作者(Author)：韩徳琳, 王天天, 邹俊, 张海, 张扬, 吕俊复, 王随林

摘要：π型锅炉“煤改气”后的低氮燃烧器易发生火炬“刷墙”和积碳问题，而旋流预混燃烧方法因火炬短、燃尽快等优势备受关注。将贫预混旋流燃烧与钝体相结合，设计带有位移钝体的贫预混旋流燃烧器，通过移动钝体位置，可改变燃烧器出口流速。使用此燃烧器研究了不同旋流数、热功率、钝体位置工况下，旋流预混火焰污染物生成特性，并利用激光颗粒成像测速技术测量燃烧器喷嘴出口处流场。研究发现，NOx生成量随旋流数增加呈先减小后增加的趋势，旋流数为0.25时，NOx生成量最低；钝体位置固定时，由于此时流速随热功率的增加而增大，导致NOx生成量随热功率的增加而降低，CO生成量随热功率的增加而增加；改变钝体位置保证出口流速不变时，NOx和CO生成量均保持较低水平，NOx生成量<12 mg/m3，CO生成量<7 mg/m3，且仅在最低热功率下有少量CO生成。通过分析流场和火焰可知，旋流数由0增至0.25时，火焰宽度增加，对周围烟气卷吸作用增强，NOx生成量降低；旋流数由0.25增至0.83时，火焰宽度基本维持不变，但轴向回流增强，热烟气停留时间增加，NOx生成量升高。因此，优化位移钝体位置和旋流数，可以使燃烧器出口流场和火焰结构更加合理，使污染物维持在较低水平。

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2022年第06期

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碳定价背景下生物质发电前景分析

作者(Author)：张东旺, 史鉴, 杨海瑞, 吕俊复, 张缦, 黄中, 李诗媛

摘要：针对能源供需矛盾日益加剧，开发可再生新能源实现节能减排成为全球性问题。采用碳定价的方式，可以提高燃煤发电成本并促进可再生能源发电。生物质储量丰富，CO2净排放量为0，为实现碳中和提供可能。国外越来越多的国家采用碳定价的方式来促进减排，本文分析了不同碳定价情形下，我国附加碳价的燃煤发电成本，并将生物质发电与其他发电方式进行了对比，明确了随着煤价的不断上涨及《巴黎协定》温控目标实现需要进一步提高碳定价的迫切需求，生物质直燃发电成本与燃煤发电间的差距将逐渐缩小，此外，随着生物质发电技术的不断成熟和完善，其运行可靠性将会得到大幅度改善，为生物质发电的大力推广奠定了基础。研究结果表明：综合经济和技术优势，生物质发电有着非常好的市场前景。

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2022年第03期

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330 MWe循环流化床锅炉掺烧污泥性能影响

作者(Author)：柯希玮, 孙国瑞, 黄中, 巩太义, 杨海瑞, 吕俊复, 张缦

摘要：利用循环流化床(CFB)锅炉掺烧一定比例污泥是减量化、无害化和资源化处理污泥的有效方式。为了解污泥掺烧对大型电站CFB锅炉物料平衡和运行性能的影响，以某330 MWe亚临界CFB锅炉为研究对象，借助一维CFB数学模型对其掺烧污泥后的物料平衡特性进行预测和分析，然后结合实炉运行数据讨论掺烧对锅炉性能的影响。模型计算结果表明，在原煤矸石和煤泥混合燃料中(煤泥质量分数为15%)，掺入10%污泥替换一部分煤矸石后，飞灰和底渣粒度变化很小，而循环灰粒度略微增大；循环流率由9.2 kg/(m2·s)提高至11.8 kg/(m2·s)，提高了近30%；稀相区平均压降即颗粒悬浮浓度增大约35%；飞灰占总灰渣份额增加约1.5个百分点；同时床料颗粒在炉膛内的停留时间有所延长。在不同锅炉负荷(50%～100%)下的实测结果均显示，掺烧10%污泥后，床温下降10 ℃左右；排烟温度升高3 ℃以内；低温过热器及低温再热器出口蒸气温度有所提高，大部分工况下温升在10 ℃以内；而炉内屏式过热器出口蒸气温度则略有降低，降幅为2～15 ℃。模型和实炉运行结果表明，掺烧少量污泥有利于改善CFB锅炉物料循环性能，尾部烟道对流换热增强，而炉内屏式过热器传热系数有所降低。但总体上看，在较宽负荷范围内，当污泥掺烧比例较低时，锅炉蒸气参数等变化较小，对整体运行性能影响不大。

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2022年第03期

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循环流化床锅炉脱硝工艺经济性分析

作者(Author)：蔡晋, 吴玉新, 张缦, 马强强, 刘青, 吕俊复, 杨海瑞

摘要：循环流化床锅炉炉内低氮燃烧无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化。烟气净化工艺主要有SNCR脱硝和SCR脱硝。为了比较2种工艺的经济性，建立了技术经济分析模型，对比分析了满负荷时的经济技术指标。结果表明：脱硝剂价格、催化剂价格和年运行时间是影响脱硝成本的主要因素，尿素价格对SNCR脱硝成本的敏感度最大，液氨对SCR脱硝成本的敏感度大于催化剂价格。SNCR脱硝的运行成本和总成本相对较低时要求NOx浓度分别低于140和228 mg/m3。基于入口NOx浓度200 mg/m3，对SCR工艺和SNCR工艺的经济性比较表明，当尿素价格低于3 402元/t时，SNCR总成本较低；当液氨单价高于3 300元/t时，SNCR工艺总成本更经济；在催化剂和年运行时间研究波动范围内，SNCR总成本始终最低、最经济。SNCR-SCR联合脱硝工艺不具备经济优势，且入口NOx浓度为151～273 mg/m3时总成本最高。超低排放循环流化床锅炉技术可以改善SCR工艺和SNCR工艺的经济性，并使SNCR工艺的优势更为突出。

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2021年第04期

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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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2020年第05期

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循环流化床锅炉循环流率在线测量方法研究

作者(Author)：刘贤东, 吴玉新, 张扬, 周帅, 杨海瑞, 张海, 吕俊复, 张凯

摘要：高温床料的循环流率是循环流化床锅炉的重要参数，但目前鲜有能应用于实际锅炉中的测量技术。为此，笔者提出了一种新型冲击式循环流率的在线测量方法，并研制了原理样机；建立了测量过程的理论模型并进行了实验室冷态试验，将新型循环流率测量方法应用于某116 MWth循环流化床锅炉中进行热态试验。测量装置具有悬臂梁式几何结构，其整体布置于循环流化床锅炉立管底部。悬臂梁型装置的一端固定于锅炉外壁面，另一端固定有靶片并伸入至立管密相区中。装置通过测量立管物料下落时冲击靶片而造成的形变来计算颗粒冲击力并反推颗粒冲击速度，进而获得循环流率。同时，通过仪表风吹扫冷却装置并防止堵塞。该方法具有耐受高温、可在线测量和不影响锅炉正常运行等优点。冷态试验测量得到不同冲击速度下的气固两相流绕流阻力和阻力系数，随着冲击速度增大，气固绕流阻力随之增大而阻力系数减小，且存在“剪切变稀”现象。在实际锅炉的热态测试中，该测量装置能较好地捕捉到锅炉起停炉、变负荷时循环流率变化趋势。通过量级分析并利用炉膛稀相区压差与炉膛截面风速之积校核测量结果，验证了该方法在实际循环流化床锅炉中在线应用的可行性。

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2020年第03期

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基于传热系数的高温循环流率测量方法研究

作者(Author)：张杨鑫, 王志宁, 张扬, 程璐, 樊保国, 张海, 吕俊复

摘要：循环物料流率是循环流化床锅炉中重要的设计和运行参数，但其热态在线测量一直是难点。基于换热原理进一步改进和完善了在线测量循环流率的方法，通过热态试验研究了影响高温颗粒与管壁之间传热系数的因素，并且利用热态试验数据和Borodulya等提出的对流传热系数预测模型进行了关联式推导，从而将传热系数和颗粒流率相关联。结果发现，传热系数的影响因素包括颗粒流率、颗粒温度、颗粒粒径等；热态试验测量得到的物料流率值与预设值的误差在±25%内；在实际流率工况下，该方法可以将物料流率和传热系数一一对应，在较宽的流率变化范围内都具有良好的预测能力。根据研究结果，测量中传热系数确定后，由计算模型可以获得物料流率，即实现高温物料流率的测量。换热法测量循环流率的原理简单，成本低廉，通过研究进一步提升了其实用性，在循环流化床锅炉的循环流率测量领域具有广阔的应用前景。

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2020年第03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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