《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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300 MW循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥试验研究

作者(Author)：张平, 陈陆剑, 江华, 张缦, 徐巍, 刘实, 杨海瑞, 吕俊复

摘要：循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥是一种处理煤泥等低品质煤的有效手段。利用一维小室模型对掺混不同比例煤泥的CFB锅炉运行工况进行模拟，研究了掺混煤泥比例对CFB锅炉炉膛内物料平均粒径、颗粒停留时间以及炉膛上部物料浓度的影响，确定了大比例掺烧煤泥条件下的流态优化条件。模拟结果表明，增加煤泥比例可以提高物料循环流率和中间粒径档位（0.1～0.3 mm）颗粒在炉内的停留时间，改善燃料的燃尽率，提高煤泥比例还可以增加炉膛上部的颗粒浓度，有利于提高炉膛上部的传热，降低炉膛温度，便于污染物的控制。根据盘北电厂300 MW循环流化床锅炉机组大比例掺烧煤泥的运行数据，分析了掺烧煤泥比例对床温、排烟温度、底渣与飞灰含碳量的影响。当锅炉负荷为300 MW时，掺烧煤泥后床温明显降低，飞灰含碳量和排烟温度随着掺烧煤泥比例的增加而增大，底渣含碳量则随着掺烧煤泥比例的增加而降低。为了实现大比例掺烧，建议控制矸石的入炉煤粒径，且需要强化尾部吹灰或适当调整尾部受热面。

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洁净煤技术

2020年第01期

787

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循环流化床返料阀结构对循环流率动态响应特性的影响

作者(Author)：刘贤东, 张扬, 杨海瑞, 张缦, 张海, 吕俊复

摘要：循环流化床锅炉燃烧技术是一种洁净煤燃烧技术，其应对负荷变化的灵活性未来会得到更多的关注。但目前对于负荷变化的研究集中于调峰策略优化，缺乏提升CFB本身变负荷速率的影响因素研究。在CFB锅炉负荷变化时，循环流率也随之变化，并达到新的平衡态，而返料阀的结构是循环流率的重要影响因素。因此，为了研究CFB锅炉变负荷响应速率的影响因素，基于CPFD方法对某75 t/h循环流化床锅炉立管及返料阀内在循环流率变化时的流动行为进行模拟，研究不同返料阀结构对循环流率变化的响应速度。结果表明，在立管远离回料阀侧及回料阀水平横段底部存在一定的流动死区，返料阀及立管内物料仅在较小的区域内有较大的移动速度。当循环流率增加时，较小的颗粒移动区域限制了其达到更大流量平衡的时间，减弱了系统变负荷的响应速率。在松动风、流化风分别为0.14和0.30 m/s，循环流率从50 kg/(m2·s)提升到60 kg/(m2·s)时，随着水平横段长度的增加，系统响应时间先急剧减小后缓慢上升;返料阀水平横段长度与立管直径之比为3.5时，最短响应时间为67 s。保持流化风量不变并改变松动风大小，系统响应时间随松动风量的增加而减小，但不同返料阀结构下系统响应时间的规律相似。返料阀对循环流率变化的响应速度与返料阀内的流动死区大小密切相关。

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洁净煤技术

2019年第03期

894

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空气分级技术对焙烧炉内煤气燃烧NOx生成的影响

作者(Author)：杨协和, 蔡润夏, 张扬, 张建胜, 张海, 吕俊复

摘要：煤气化后的煤气常用于氢氧化铝焙烧过程。煤气中一般含有一定量的氨气，造成焙烧过程的氮氧化物生成量较高。针对一种燃用煤气的氢氧化铝气态悬浮焙烧炉，采用空气分级的方案，开展了煤气低氮燃烧过程的研究，探究空气分级技术对焙烧炉内煤气燃烧氮氧化物生成的影响规律，从而指导实际焙烧炉内的燃烧组织设计及优化。利用BarracudaTM气固两相流动计算软件，分析了一台3 000 t/h的氧化铝焙烧炉的炉内气固流动及燃烧过程。结果表明，悬浮焙烧炉炉膛底部存在明显的高温区，局部高温负荷点较集中，最高温度达1 700 K。随着炉膛高度的增加，炉膛温度逐渐降低。同时由于气流回流的作用，炉膛内部在炉膛底部以及上部气流转向处存在明显的颗粒堆积造成的颗粒高浓度区域。基于气固流动计算得到炉内的温度场，耦合详细化学反应机理来考虑详细的化学反应过程，利用Chemkin Pro软件建立了反应器网络，通过数值计算探究空气分级技术对含氨煤气在焙烧炉内燃烧过程中NOx生成的影响。结果表明，燃用煤气的焙烧炉内生成的氮氧化物主要为燃料型氮氧化物。空气分级为20%时，空气分级对煤气燃烧氮氧化物生成的抑制效果有限。当空气比例为40%时，主燃烧区呈现还原性气氛，焙烧炉内煤气燃烧生成氮氧化物减排率能达到70.3%。

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洁净煤技术

2019年第03期

1202

347
循环流化床锅炉炉膛横向温度非均匀性模型研究

作者(Author)：胡南, 徐梦, 杨海瑞, 吕俊复, 张戟

摘要：随着循环流化床锅炉不断向大型化高参数发展，炉膛截面在尺度上已远超过化工领域的循环流化床反应装置，炉膛内运行参数的横向非均匀性问题愈发突出，尤其是横向温度偏差问题，严重影响锅炉汽水系统安全和高效运行。针对300 MW亚临界三分离器循环流化床锅炉燃烧系统建立二维整体小室模型，模型以分离器为回路单元将截面划分为3个并联的小室，包括炉内气固流动模型、密相区气固横向扩散模型、稀相区气固横向扩散模型、燃烧模型及传热模型等子模型。模型计算和实炉测试结果显示，炉膛宽度方向的温度分布存在明显的不均匀性，炉膛中间小室温度高于炉膛两侧小室，并且温度偏差沿床高方向一直存在。稀相区扩散系数的取值对温度横向分布有明显影响，根据模型计算和测试数据结果比较分析，稀相区的扩散系数取值应在0.006~0010 m2/s。密相区颗粒横向混合扩散作用强烈，改变各个给煤点给煤量分配时，局部浓度变化很快被强烈的横向混合扩散作用消除，因此炉膛横向温度分布受给煤量分布变化的影响较小，与测试结果一致。导致炉膛温度偏差的主要原因是两侧小室内水冷壁面积比中间小室多，使两侧小室温度偏低，通过调整炉内屏式受热面的布置位置，可有效改善温度分布不均的问题。

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洁净煤技术

2019年第02期

670

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等离子体煤气化技术研究进展

作者(Author)：龚泽儒, 王晓娜, 吕俊复, 张戟

摘要：等离子体煤气化技术是一种能够实现煤的超洁净使用的新技术，具有很大的潜在应用前景。介绍了等离子体煤气化的基本原理及3种典型技术：水蒸气等离子体煤气化技术、等离子体辅助煤气化及CO2等离子体煤气化技术，其中水蒸气等离子体煤气化中碳转化率可达93%～94%，比常规气化合成气浓度高十多个百分点；等离子体辅助煤气化以用氮气、氩气为工作等气体，实现了气化剂与工作气体的分离以及发生器和反应器的分离；CO2等离子体煤气化技术为煤炭的清洁利用和CO2的资源化利用提供了可借鉴的方法。同时，笔者还论述了学科交叉产生的最新成果：即等离子体煤气化技术在电站燃煤锅炉点火启动和降低氮氧化物方面的应用。在锅炉点火启动方面，与常规等离子体点火技术相比，采用等离子体煤气化技术虽然会增加成本，但相对于燃用低挥发分煤的煤粉锅炉每年上千吨的节油量，经济效益显著。在氮氧化物减排方面，烟台龙源电力技术股份有限公司采用等离子体辅助煤气化技术与低NOx燃烧技术相结合，以达到深度降低氮氧化物的目的，且解决等离子体煤气化普遍存在的煤处理量少、能耗高的问题，试验结果表明，采用60 kW等离子体发生器即可处理5 t/h煤量，实现了低能耗的等离子体辅助煤气化。据估算，该技术的初投资略低于SCR脱硝技术，而运行费用则仅为SCR的一半。因此建议将基于等离子体点火的内燃技术引入等离子体煤气化技术，可大幅提高煤处理规模、降低能耗，与低NOx燃烧技术相结合并实现工业化，将会推动其在电站燃煤锅炉技术领域的快速发展，成为一种具有很好应用前景的煤炭清洁高效利用手段。

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洁净煤技术

2019年第01期

856

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钙基脱硫剂对循环流化床NOx排放影响研究进展

作者(Author)：柯希玮, 蔡润夏, 吕俊复, 张缦, 吴玉新, 杨海瑞, 张海

摘要：近年来提出的燃煤电厂大气污染物超低排放标准对CFB锅炉的污染物治理提出了更高的要求。为解耦CFB锅炉高效脱硫和低NOx排放之间的矛盾，需要更加深入了解钙基脱硫剂对含氮反应的影响。目前普遍认为，石灰石脱硫和NOx排放2个过程，通过各含钙化合物相互转化和对含氮反应选择性催化构成一个整体，而影响其中任一环节的因素都可能使最终NOx排放量发生变化。笔者围绕CFB燃烧条件下NOx基本反应，各含钙化合物间相互转化规律和表面选择性含氮催化反应性，以及烟气组分、温度和配风等影响因素，阐述了钙基脱硫的影响。通常，投放钙基脱硫剂会导致NOx排放量升高，N2O排放量降低，这是多方面因素共同作用的结果，如CaO催化挥发分氮氧化生成NO、促进CO等还原性气体氧化消耗、促进N2O分解等。而脱硫产物CaSO4及CaS等也对NO还原表现出明显的催化活性，实践发现基于钙基脱硫和喷氨脱硝的同步脱硫脱硝技术是可行的。未来还需进一步定量研究石灰石脱硫与NOx排放之间的相互作用规律，并在此基础上开发一体化脱硫脱硝技术，以期实现CFB锅炉NOx和SO2的双超低排放。

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洁净煤技术

2019年第01期

785

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滚筒冷渣机能效计算

作者(Author)：贺建平, 李建锋, 丰斌, 王振山, 吕俊复

摘要：为进一步提高滚筒冷渣机的底渣余热利用水平，增加循环流化床锅炉机组收益，建立了滚筒冷渣机本体及机组系统的能效计算模型，并以某350 MW等级的超临界循环流化床锅炉机组为研究目标，计算了其滚筒冷渣机的能效指标。结果表明，对于现役冷渣机，在控制冷却水流量，提高出水温度后，其本体热效率将降低，但系统发电量增加。在出水温度增至150 ℃时，尽管冷渣机自身效率降至不足90%，但由于冷渣机出水可直接进入除氧器，机组发电量增加值可以超过11 MW。对于新建机组，可在减少冷渣机冷却水流量的情况下维持其热效率不变，当出水温度同样为150 ℃时，机组的发电功率增加值接近12 MW。因此，不断提高出水温度是冷渣机最重要的技术发展方向。

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洁净煤技术

2018年第06期

802

334
高碱煤中碱金属及氯元素析出特性

作者(Author)：赵勇纲, 史航, 吴玉新, 徐会军, 吕俊复, 白杨

摘要：煤灰的理化特性与灰化温度密切相关,试验研究了不同灰化温度下高碱煤中碱/碱土金属以及氯元素的析出特性,分别采用X射线荧光光谱分析(XRF)与电感耦合等离子光谱分析(ICP-OES)对样品成分进行分析,并对结果进行对比。结果表明,煤的灰分和煤灰中的碱金属含量随灰化温度的升高而降低,碱土金属含量变化不大;Cl元素析出温度低于500℃,且在815℃前基本完全析出;Na元素的析出特性与煤中Cl元素含量密切相关;低温灰化造成高灰分煤种碳燃尽困难,但对碱金属测量造成的相对误差有限,ICP-OES对于元素含量测试的结果低于XRF,但2种测试方法获得的碱/碱土金属元素含量随灰化温度的变化趋势一致,前者具有更高精度,因而推荐采用ICP-OES测试方法测量碱/碱土金属的含量。

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洁净煤技术

2018年第05期

726

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