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《洁净煤技术》2022年文章TOP30 | 论文推荐

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行业视野: 洁净煤技术
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热辐射成像法测量大型炉膛内三维温度场的算法新进展

作者(Author)：闫慧博, 唐广通, 李路江, 汪潮洋, 李欣, 闫晓沛, 李智聪, 娄春

摘要：大型炉膛内三维燃烧场与炉内燃烧过程的安全性、经济性和污染物排放水平密切相关。相对于其他大型炉膛内三维温度场可视化监测技术（声学层析成像法和吸收光谱层析成像法），热辐射成像法具有系统紧凑、易于实施等特点，且时间分辨率和空间分辨率较高，具有较大的应用潜力。介绍了大型炉膛内热辐射成像原理；分析了辐射传递反问题的不适定性；综述了辐射传递反问题求解方法研究进展。构建大型炉膛内热辐射成像模型即利用热辐射成像矩阵，将炉膛边界传感器接收的辐射能量分布与炉内温度场、介质和壁面辐射特性联系起来；计算热辐射成像矩阵的关键在于获得介质和壁面单元散射或反射份额的分布，目前通常使用DRESOR法、逆向蒙特卡洛法等进行求解。通过热辐射成像矩阵的条件数判定可知，热辐射传递反问题是不适定性的，导致解的不唯一性甚至不存在性，以及微小测量误差会引起温度场重建的不稳定。目前求解该类不适定问题，主要有优化方法和正则化方法2类。优化方法可分为传统优化方法和智能优化方法。传统优化方法基于梯度计算，通过反复迭代计算减小目标函数，常见有最小二乘法、共轭梯度法等；但该类方法对初值依赖大，需要对目标函数求导数且无法获得全局最优解。智能优化方法基于概率搜索，由相应算法设定随机解，并在求解空间中寻找最优解，特点是无须已知优化问题的精确数学模型，也无需求解目标函数的梯度。可根据对象数量，分为基于生物群体模拟和基于生物个体模拟。前者包括微粒群算法、遗传算法等，需要构建目标函数且搜寻最优解的耗时较长；后者包括人工神经网络、支持向量机等，无需获知预测问题的数学映射关系，经过训练即可获得最接近实际输出值的结果，但训练数据集的质量是影响预测精度关键因素之一。另外一类常见的处理不适定问题的方法是正则化方法，利用与原不适定问题毗邻的一系列适定问题的解近似代替原问题的解，包括吉洪诺夫正则化、截断奇异值分解等。该方法已用于多种燃煤机组锅炉内的三维温度场重建，具有较高的重建精度和效率。尽管热辐射成像法重建炉内三维温度场时需要考虑光学厚度等影响因素，但在一定适用范围内，能够较好地再现炉内真实温度场的分布特征。并且从三维空间考虑辐射传递方程，本质就是一种三维检测技术。随着成像技术的发展（光场相机、多/高光谱成像仪等），也为热辐射成像法用于大型炉膛内三维温度场重建指明了新的发展方向。

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洁净煤技术

2022年第05期

390

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双碳战略背景下燃煤电厂CCUS技术发展：挑战与应对

作者(Author)：马双忱, 樊帅军, 武凯, 杨鹏威, 陈柳潼

摘要：现阶段煤电仍是我国主要能源，装机总量大，短时间难以被完全替代，未来燃煤电厂高效清洁燃烧的技术标准是低碳排放。当前，双碳战略已上升到国家生态文明的高度，煤电亟需适应未来需求的碳捕集封存与利用（Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS）技术。但国内已有超低排放电厂投运的CCUS设备普遍存在捕集成本高、产物利用量有限等问题，开发成本低、捕集产物可有效利用的CCUS技术是电力环保的共同需求。为此，提出煤电CCUS未来技术发展方向应该是烟气污染物一体化耦合控制，如应用等离子体氧化技术，首先氧化烟气中还原性污染物SO2、NO等，而后以氨水为吸收剂协同脱硫脱硝脱碳，整体污染物脱除流程简单，副产品具有广阔的化工转化空间。继而提出稳定的氨源供给是实现上述一体化脱除的物质保障，构建燃煤电厂自给自足的制氨过程为煤电未来开发更丰富的产品线（氨能、肥料、化工品等）提供了可能。

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2022年第06期

876

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煤与生物质共热解过程中碱金属迁移及检测研究进展

作者(Author)：别南西, 王焦飞, 吕鹏, 白永辉, 宋旭东, 苏暐光, 于广锁

摘要：煤与生物质共热解是实现煤炭与生物质清洁高效利用的重要手段，不仅可缓解煤炭需求量不断增加和储量不断减少的矛盾，还可以解决生物质单独利用能量密度低、分散性和季节性等问题。但是碱金属挥发带来的设备腐蚀问题严重制约了煤与生物质单独热解和共热解技术的发展。本文从煤与生物质单独热解过程中碱金属迁移的影响因素、迁移路径、研究方法和检测手段等方面出发，对国内外煤与生物质单独热解、共热解过程中碱金属迁移转化的研究进行综述，以透彻地解析煤与生物质共热解过程中碱金属的迁移机理。总结了热解温度、热转化气氛、升温速率、原料种类等对碱金属迁移的影响规律，碱金属的气相释放和固相转化，及研究方法和检测手段等方面的研究，并对煤和生物质共热解过程中碱金属挥发的原位检测方法作了展望。

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2022年第01期

754

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超级电容器用煤基多孔碳改性研究进展

作者(Author)：吴小燕, 秦志宏, 杨小芹, 林喆

摘要：煤炭因其碳含量高、储量丰富及价格低廉，而成为优质的多孔碳碳前驱体。以煤炭为原料制备超级电容器用多孔电极材料是实现煤炭高附加值利用的重要方向之一。研究表明，通过调整孔结构、改善表面化学活性均能有效提高煤基多孔碳电极材料的电化学性能。其中调整孔径分布可利用物理活化和化学活化联合、模板法和化学活化联合以及不同化学活化剂联合三种方法。物理活化和化学活化联合法主要是通过水蒸气或CO2对KOH活化过程进行辅助，在得到大量微孔的同时获得一定量的介孔，并实现煤基多孔碳孔隙与润湿性的协同调控。模板法与化学活化联合则可在获得与模板剂相同孔结构的同时，通过KOH活化进一步造出丰富微孔，从而实现合理的孔径分布。除使用模板剂外，也可利用碳前驱体自身含有的大量杂质充当自模板。采用不同化学活化剂联合的方法也能实现孔结构的调节，例如K+和Na+的离子尺寸不同，联合利用便可得到不同的孔径分布；利用KCl在高温下的流动性，可以将KOH的中间产物带入更广范围和更深层次，从而实现微孔向介孔的转化。改善表面化学活性则可通过炭前驱体预氧化和引入杂原子两种方式。如通过强酸或强氧化剂对原煤进行预处理，可以提高所制备碳材料的有机氧含量，增加活性位点并提高润湿性。通过掺杂剂掺杂可在碳材料中引入杂原子，其中应用最多的是N掺杂，所引入的含氮结构包括吡咯-N（N-5）、吡啶-N（N-6）、季铵-N(N-Q)和氧化-N（N-X）四种。此外，O、B、S和P也是常见的掺杂原子。另一种引入杂原子的方法是通过煤与生物质共碳化，此时生物质既充当碳源也充当杂原子源。杂原子掺杂可改善碳材料的润湿性、导电性和结构稳定性，并可产生一定量的赝电容。本文从以上这些方面综述了近几年来煤基多孔碳电极材料的研究进展，分析了不同改性方法的优缺点，并对目前研究所存在的问题进行了讨论，对超级电容器用煤基多孔碳未来研究趋势进行了展望。

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洁净煤技术

2022年第01期

608

342
燃煤发电-物理储热耦合技术研究进展与系统调峰能力分析

作者(Author)：周科, 李银龙, 李明皓, 鲁晓宇, 杨冬

摘要：近年，可再生能源的快速发展提高了对电力供应系统灵活性运行的要求。未来几年燃煤机组深度调峰将成为常态。燃煤发电机组的灵活性改造是解决火电与新能源发展之间冲突的重要举措。为提高燃煤发电机组的深度调峰能力，提出燃煤发电-储热耦合技术。耦合技术能够实现热电解耦，提升机组的深度调峰能力与灵活运行特性，为新能源提供更多的上网空间。针对燃煤发电-储热耦合技术，论述了可应用于燃煤机组的3种物理储热技术：热水储热、相变填充床储热与熔盐储热技术，并分析3种储热技术的特点，提出未来3种物理储热技术的研究方向。总结评价储能装置热力性能的指标，包括蓄放热功率、无量纲温度、Richardson数、蓄放热效率。同时建立燃煤发电-储热耦合系统的调峰能力计算模型，将燃煤发电机组的电热特性与储热系统计算模型耦合，以此分析燃煤发电-储热耦合系统的调峰能力。提出燃煤发电-储热耦合系统合理的运行机制，建立评价耦合系统的热力性能指标：储热过程、放热过程与全过程的热效率、系统调峰容量与调峰裕度。构建燃煤发电-储热耦合系统的电热综合调度模型，模型包括目标函数与调度约束。其中调度约束包括电力平衡约束、供热约束、可再生能源出力约束、电功率约束、热功率约束、爬坡速度约束、储热装置的蓄放热能力约束、储热装置容量约束。以燃煤发电-储热耦合系统的电热综合模型作为调度系统合理安排配置储热后系统运行规划的决策工具，为电力系统提供运行规划策略。燃煤发电-储热耦合技术利用储热技术在热能利用方面的灵活性，根据外界热负荷的波动及时调节系统供热量，有效满足不同时段的热需求，增加了燃煤发电机组的调峰容量，达到提升综合系统消纳可再生能源水平、移峰填谷的目的，构建新型电力供应系统。

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洁净煤技术

2022年第03期

506

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660 MW煤粉锅炉掺烧生物质数值模拟

作者(Author)：王俊, 龙慎伟, 马同胜, 牛胜利, 王永征, 韩奎华, 路春美

摘要：生物质作为可再生的碳中性能源，是化石能源的优良替代品，合理利用生物质能是我国实现“双碳”目标的重要途经。在现有生物质利用技术中，燃煤锅炉掺烧生物质不仅能减少化石燃料消耗及NOx、SO2等污染物排放，还能降低纯烧生物质导致的锅炉尾部受热面腐蚀风险，是提高能源利用率的有效措施。以660 MW煤粉锅炉为研究对象，基于Fluent数值模拟仿真软件对生物质与煤粉混燃过程进行研究，采用可实现湍流模型描述气相湍流，使用涡耗散模型计算挥发分燃烧，考察了生物质喷入位置和颗粒粒径对燃烧过程和NOx排放的影响。计算结果表明，加入生物质对煤粉燃尽有一定促进作用，但NOx排放降低。当生物质从最下层一次风喷口喷入时，能更早释放挥发分等有还原作用的成分，使得NOx减排效果更好，炉膛出口烟气中NOx质量浓度从原始工况的298.92 mg/m3降至243.97 mg/m3，降低了18.4%。虽然生物质颗粒粒径变化对炉膛内烟气温度、O2和CO体积分数影响较小，但颗粒粒径过大会导致生物质颗粒燃尽率降低，所需氧气减少，煤粉更易完全燃烧，出口烟气中NOx质量浓度增大。

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洁净煤技术

2022年第05期

349

466
碳中和目标下发电领域低碳转型路径

作者(Author)：胡道成, 张帅, 韩涛, 郑旭帆, 顾永正, 徐冬

摘要：“碳达峰、碳中和”目标为我国发电领域低碳转型科技创新指明了方向和路径，在全球能源电力行业创新发展的背景下，发电领域向低碳化、清洁化、智能化、电气化、市场化、国际化发展成为必然趋势。分析了我国发电领域在煤炭清洁高效发电、可再生能源发电、核能、先进储能、氢能等方向的低碳转型科技创新现状、存在问题以及未来技术发展路径。为适应以新能源为主的新型电力系统，我国煤电机组正由传统主体电源逐步向基础电源转变，但国内大部分机组按照基本负荷设计，负荷调节范围、变负荷速率等关键指标与国外差距较大，且存在老机组效率低、碳排放高等问题，未来还需加大灵活智能发电、超高参数燃煤发电、新型高效燃煤发电、碳捕集利用和封存（CCUS）技术的攻关；我国水电技术已实现全面提升，形成了全产业链的整合能力，还需在高水头大容量和超低水头发电机组、安全高效运行和智慧电站关键技术方面发力；我国风电技术从风机设计制造、风电场开发运维、设备检测认证到标准体系建设等方面进行了全面研究部署并取得突破，还需向大型化、轻量化、低成本风力发电方向攻关，推动新一代信息技术应用，提高关键部件国产化率；光伏发电技术基本与世界同步，高效、低成本是技术主攻方向，光热发电技术在系统设计、集成运行等方面与国外差距明显，还需开发大容量、高参数、长时间储热、低成本的光热发电技术；地热发电和海洋能发电处于基础研究或技术研发和验证阶段，仍需加大技术研发和工程示范；我国已拥有完整的核燃料循环和核工业体系，核电技术走在世界前列，但在基础技术、工艺、材料、软件等方面卡脖子问题仍存在，还需在先进核能系统、核能综合利用方面加强研究，坚持走闭式核燃料循环技术路线，持续改进核能利用安全性；当前我国储能正向“规模化发展”迈进，但储能产业距离整体健康发展仍有差距，储能技术仍需向安全性、长寿命、低成本、规模化方向发展；氢能已形成完整产业链，但氢气主要来自灰氢，未来发展与大规模光伏发电或风力发电配套的电解水制绿氢技术将成为重点。

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洁净煤技术

2022年第07期

686

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低温等离子体协同催化技术处理VOCs研究综述

作者(Author)：韩丰磊, 季纯洁, 张子琦, 朱一凡, 李丹丹, 张婷婷, 周硕, 郭雯雯

摘要：针对浓度较低、流量较大的挥发性有机化合物（VOCs）的治理，传统处理技术在技术和经济上存在一定局限性，达不到预期结果。而低温等离子体（Non-Thermal Plasma，NTP）技术在处理VOCs方面具有反应器处理费用少、反应器结构简单、适用范围广、反应条件温和等优点，近年来受到广泛关注。单独等离子体降解VOCs存在O3、NO2、有机副产物众多等问题，易对环境造成二次污染。低温等离子体协同催化降解VOCs体系对于提高VOCs降解率、降低反应系统能耗、减少有害副产物产生均有显著作用。详细介绍了NTP协同催化降解VOCs技术，总结了NTP协同催化降解VOCs的影响因素、不同催化体系和放电类型对降解率的影响，对等离子体技术降解VOCs机理及低温等离子体协同催化降解VOCs的机理进行了推断，并阐述了等离子体技术与催化剂催化在降解VOCs方面产生的协同作用，最后对该技术进行了展望。目前单一处理技术很难满足VOCs的处理要求，普遍采用多种技术耦合的方式进行处理。近年来学者将低温等离子体技术与催化技术联合，对提高VOCs降解率、降低反应系统能耗、减少有害副产物产生均有显著作用，该技术具有可行性和研究价值。目前研究集中于催化剂与低温等离子体的复合方式、催化剂种类、工艺参数等因素对污染物的降解效果，研究不深入。等离子体技术仍存在矿化率较低、副产物多等缺点，如等离子体内反应后会产生NOx、臭氧等副产物，形成二次污染。由于气体放电产生的低温等离子体中活性自由基种类繁多，降解VOCs的化学反应过程复杂，关于低温等离子体与催化协同的作用机理还不明确，尤其是等离子体降解VOCs的分子动力学基础理论还有待进一步研究。因此，应立足本质安全，着眼于工业应用，提出一套适于低温等离子体协同催化治理VOCs工艺特性的安全评价理论、方法与工具，对整个工艺体系开展全方位的危险性辨识与风险评价，确定可能的安全隐患，并给出改善举措，最大限度降低工艺流程设计中的不合理选择与缺陷，从根本上达到安全工业应用的目标。

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洁净煤技术

2022年第02期

678

359