《煤炭学报》“低碳热转化”专题_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》“低碳热转化”专题

“双碳”目标下我国能源结构正经历深刻转型和升级。可再生能源的发展正在加速推进，装机容量和发电比例显著提升，成为我国未来能源结构的重要支撑。煤电的定位将由主体能源转变为灵活性调峰能源。推进能源绿色低碳转型，不仅顺应全球能源绿色低碳化的趋势，也为实现国家能源安全和可持续发展提供了强大动力支持。

行业视野: 加工
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烧结烟气的循环流化床焚烧处理方法

作者(Author)：沈宇帆, 韩诚良, 柯希玮, 张扬, 张杨鑫, 张海, 吕俊复

摘要：烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气，含NOx、SO2、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理，既能有效资源化利用废气中CO和余氧，又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境，将烧结烟气中SOx和NOx等污染物与燃煤产生的污染物一并去除，有望成为高效的烧结烟气一体化污染物处理技术。然而，目前燃煤循环流化床燃烧背景下烧结烟气中二噁英、挥发性有机物等污染物脱除的研究尚不足。针对该问题，先通过化学反应动力学模拟，研究烧结烟气作为助燃剂燃烧过程，发现燃烧过程中产生的氢等自由基在二噁英分解过程中发挥重要作用，燃烧反应温度提高能显著促进二噁英及挥发性有机物的脱除，而燃尽烟气的余氧量降低对二噁英的脱除也有较显著促进作用。通过计算颗粒流体动力学的方法，模拟以烧结烟气为助燃剂的燃煤循环流化床锅炉运行情况，发现燃烧过程流态化情况好，烧结烟气中低浓度CO基本燃尽，旋风分离器出口CO质量浓度约100 mg/m3，燃烧温度达到去除污染物的要求，验证了将烧结烟气作为燃煤循环流化床锅炉中助燃剂的可行性。在唐山某钢铁企业开展了烧结烟气的循环流化床焚烧方法工程验证，测试发现低低温省煤器出口处烟气二噁英脱除率超过99.5%，低至0.005 7 ng TEQ/m3，CO质量浓度低至108 mg/m3，此外烟气中NOx和SO2质量浓度低至38、24 mg/m3，满足超低排放要求。工程验证证实循环流化床烧结烟气一体化焚烧处理技术有效。

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200kW煤纯化-燃烧和宽负荷NOx排放特性研究

作者(Author)：韩绍博 , 任强强 , 杨少波 , 崔瑞芳 ,

摘要：为了适应当今我国的能源结构和降低煤炭发电等利用过程中产生的污染物排放问题，提出了煤炭纯化-燃烧的新型煤炭反应方式，将整个煤炭的燃烧途径分为纯化和柔和燃烧两个步骤，其中纯化包括中温活化过程:对煤进行性能活化，和高温还原过程:在高温下进行煤中杂质的去除，从而实现煤的纯化和在后续反应中的N元素的定向转化和NOx排放的降低。并在搭建好的200kW纯化-燃烧试验台上，对宽负荷下系统的纯化-燃烧特性和N元素的转化机理进行了研究。结果表明，系统能够在53%-89%的负荷区间内实现稳定运行，纯化单元和柔和燃烧单元温度分布均匀，系统的温度随负荷的升高而增加，纯化单元的高温区位于高温还原单元底部，最高可达1378℃，而柔和燃烧单元的高温区则出现在距顶端3700mm处。在纯化单元出口的煤气中，CO、H2和CH4的占比在89%负荷时最高可达23.28%、4.97%、1.52%，随着负荷的增加，燃料中C、H、N元素的转化率均有上升，且高温还原单元出口的元素转化率明显大于中温活化单元出口，达到了88.63%、96.83%和93.91%。大部分的N元素均生成了N2，53%负荷下仅有1.27%的N转化生成了NO， NOx排放最低可以达到47.38mg/m3，此时CO的排放达到487.25ppm，燃烧效率可达99.01%。对氮的迁移路径转化的研究表明，系统在柔和燃烧单元沿程并没有检测到HCN的存在；而NH3则广泛存在于三级三次风喷口前；NOx首先以N2O和NO2的形式分布在柔和燃烧单元沿程，在四级三次风喷入后转化为NO。

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氨/煤气流床半气化燃烧及氮转化特性实验研究

作者(Author)：崔保崇, 王肖肖, 舒逸翔, 林辉, 谭厚章, 王学斌

摘要：氨气(NH3)作为零碳富氢燃料，在燃煤锅炉中掺烧NH3是从燃烧源减少碳排放的有效途径，但会带来NOx排放升高和煤粉燃尽变差等问题。为实现燃煤锅炉掺烧NH3的低NOx排放，在自行搭建的气流床半气化燃烧实验台上探究了气化炉掺烧20%的NH3(G-20%NH3)和燃烧室掺烧20%的NH3(C-20%NH3)中燃料氮的转化和NOx排放特性。研究发现，气化炉内掺烧NH3会降低炉膛温度，但对煤粉的气化反应影响较小，与纯煤工况相比，煤氮的转化率仅降低了3.64%，挥发分和固定碳转化率分别仅降低了0.70%和2.54%。在气化炉掺烧NH3中，NH3在气化炉中的转化率可达69.55%。气化炉内总燃料氮向N2的转化率为68.88%，其中NH3-N向N2的转化率为67.73%。同时，气化炉掺烧NH3促进了煤-N和NH3-N向HCN的转化，转化率为0.36%。气化炉中煤粉的热解促进了NH3的热解，相较于纯煤，气化炉掺烧NH3使气化炉出口H2体积分数升高了69.23%。掺烧NH3降低了燃烧室燃烧初期的温度分布。相较于纯煤，气化炉和燃烧室掺烧NH3使燃烧室的温度峰值分别降低了46 ℃和62 ℃。但是，掺烧NH3推迟了气化半焦的燃烧，增加了燃尽区的温度。气化炉和燃烧室掺烧NH3中燃尽区平均温度比纯煤工况分别升高了135.8 ℃和72.8 ℃，促进了煤粉的燃尽。其中燃烧室掺烧NH3的促进效果更为显著，相较于纯煤，C-20%NH3中飞灰含碳降低了1.8%。但气化炉掺烧NH3更有利于降低NOx排放，相较于C-20%NH3，G-20%NH3的NO排放降低了23.51%。

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污泥与煤流化床混燃特性

作者(Author)：高远, 王卫群, 黄治军, 段元强, 段伦博

摘要：污泥与煤混燃能够有效改善燃料的着火和燃烧特性，实现污泥的无害化与资源化利用。市政污水在消毒和脱水过程中引入的氯元素会增加市政污泥中氯的质量分数，进而对锅炉换热面和环保设备产生不利影响。利用热重−傅立叶红外分析仪和鼓泡流化床反应器，考察了不同操作条件对燃料着火、氯元素析出、灰粒径和元素分布的影响规律。结果表明，污泥中的挥发分质量分数较高，在其微商热重曲线中有3个失重峰，且最大失重峰出现在挥发分析出和燃烧阶段。随着污泥掺烧比例增加，燃料的着火温度和燃尽温度降低；烟气中CO、NO和SO2的体积分数随着污泥掺烧比例的增加而增加，污泥中较高的挥发分质量分数促进了CO的生成，同时减弱了密相区的还原性气氛，不利于NO的还原；燃烧过程中，无论是热重还是流化床实验均表明燃料中85%以上的氯元素都以HCl形式析出，且灰对HCl的自捕集作用较弱，燃料中绝大多数氯元素最终都以气态HCl形式进行排放；飞灰的平均粒径随着污泥掺烧比例的增加而减小；随着污泥掺烧比例的增加，飞灰中钾、磷和铁的质量分数显著上升，尤其是磷元素的增幅最为明显。

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高碱煤纯烧的灰化学问题及高效燃烧研究进展

作者(Author)：李林宣, 任强强, 杨少波, 周丽

摘要：煤炭在我国的能源消费结构中占有至关主要的地位，新疆地区拥有丰富的煤炭资源储量，是我国重要的能源接续区和战略储备区。新疆地区的煤炭资源，特别是准东煤中碱金属和碱土金属(Alkali metals and Alkaline Earth Metals, AAEMs)含量普遍较高，属于典型高碱煤，可供长期使用。随着新疆地区煤炭资源的大规模开采和利用，高碱煤在燃烧过程中发生的结渣、沾污和腐蚀等问题严重限制了其大规模和高效利用。实现100%纯烧高碱煤是高碱煤利用的重要目标，但解决纯烧过程中涉及的灰问题是首要问题。基于现代多元、分时、动态分方法，利用CiteSpace软件获取近20 a来高碱煤研究领域的4401条文献，对文献结果进行文献聚类分析、关键词凸显分析和时间序列分析，对不同时期的研究热度峰值区间进行了系统分析。指出了该领域未来研究需要关注AAEMs的存在形式与迁移特性、低温共熔物形成机制、燃烧高效利用调控措施等方面。以典型高碱煤为基础，总结了其基本理化特性，重点剖析煤灰碱性组分对煤灰熔融温度的影响和AAEMs的存在形式。在此基础上，调研AAEMs和低温共熔物2个核心方面研究进展，探究AAEMs迁移特性与低温共熔物的生成机制，对煤炭清洁高效利用低碳具有重要意义。然后，将高碱煤燃烧高效利用调控措施归纳为降低AAEMs含量、增加酸性组分和反应器运行与结构优化三大类别，分析了利用措施对缓解高碱煤结渣沾污的原理与效果，并指出对应方法的问题和不足。此外，提出煤粉纯化−燃烧高效利用技术或许是解决高碱煤燃烧高效利用难题的有效手段。最后，双碳背景下对火电提出了灵活性改造需求，火电机组需要提高变负荷调节能力，以保证稳定的功率输出。指出了实现高碱煤燃烧高效利用调控建议和未来研究方向，需要结合地方多样化资源优势并系统地制定整体方案，在全流程精准控制结渣、沾污和腐蚀等难题，实现清洁高效低碳利用。

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基于数据驱动的锅炉水冷壁壁温分布实时预测模型

作者(Author)：闫靖文, 刘欣, 王光礼, 张文振, 李明, 金东昊, 李驰, 李新颖, 王赫阳

摘要：水冷壁等高温受热面超温及由此导致的爆管事故是影响燃煤发电机组安全运行的痛点问题之一。管壁超温一般发生在锅炉受热面局部区域，为预测并缓解超温问题，就必须实时监测受热面壁温的详细分布，并做出针对性调整。由于测量手段受限且CFD数值模拟方法耗时较长，目前仍缺少一种能实时、准确地反映锅炉运行过程中壁温详细分布的技术手段。为此采用将耦合传热模型与人工神经网络相结合的方法。以某350 MW超临界对冲燃烧锅炉为研究对象，首先以壁温耦合传热预测模型为基础，通过改变耦合模型的46个锅炉关键运行参数，生成220个典型工况，并通过快速扩充方法以极低时间成本衍生出4 400个扩充工况。然后，基于典型工况与扩充工况组成的综合数据库，以锅炉的46项运行参数及壁面坐标为输入，以对应位置的壁温为输出，构建深度学习模型。模型MSE误差仅为0.005 3，准确率AUC5为0.988，且计算时长在0.1 s以内。结果表明，提出的基于数据驱动的水冷壁壁温分布预测模型通过泛化有限工况的数值模拟结果，实现了锅炉全工况下水冷壁管壁温度详细分布的实时预测，且针对模型在低负荷工况时难以准确预测传热恶化的问题，提出快速扩充数据库的方法，以极低时间成本明显提高模型对传热恶化问题的预测准确率。

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基于时空注意力图卷积网络的锅炉NO_x预测方法

作者(Author)：周永清, 郝大伟, 樊昱晨, 温昕彤, 韦昌, 刘欣, 张文振, 王赫阳

摘要：在可再生能源大规模并网背景下，火电机组的调峰运行大幅增加了锅炉NOx排放控制的难度。锅炉NOx排放的实时预测，对于指导火电机组调峰工况下的高效、清洁运行具有重要意义。CFD计算方法涉及多个物理场的耦合迭代计算，计算量巨大，难以实时地建立锅炉运行参数与NOx排放质量浓度之间复杂的非线性映射关系。随着大数据分析和人工智能技术的快速发展，数据驱动建模为锅炉NOx的实时预测与控制提供了新方法。锅炉调峰运行状态下的运行数据具有明显的时序特征，同时亦存在着复杂的空间关联特征。然而，目前所普遍采用的深度神经网络等方法无法有效地识别运行数据的时−空关联特征，因此限制了其准确预测NOx排放的能力。针对上述问题，提出一种基于时空注意力图卷积网络(AST-GCN)的锅炉NOx预测模型。该模型不仅可以在空间维度挖掘运行参数间的关联特征，还能捕捉历史运行数据与NOx排放质量浓度的动态映射关系。此外，模型中所嵌入的注意力机制能够进一步提高对运行数据中时空相关特征的动态提取能力，并增加了模型的可解释性，从而可用于指导锅炉在调峰运行下对关键运行参数的优化调整。基于某600 MW锅炉实际运行数据的预测结果表明，相较于传统神经网络模型，AST-GCN模型由于可有效提取锅炉运行参数间的空间关联与时序动态特性，显著提升了模型的预测精度和泛化性能。

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炭化预处理对空心棕榈果壳成型颗粒气化反应特性的影响

作者(Author)：余浩文, 陈倩, 杨明明, 郭松灵, 丁路, 王辅臣

摘要：水热炭化和干法烘焙等低温炭化预处理方式可有效改善生物质的燃料特性，实现生物质的高效利用。选取空心棕榈果壳(Empty Fruit Bunch，EFB)为实验原料，在180～220 ℃的温度范围对其进行水热炭化和干法烘焙预处理，研究了炭化预处理方式对生物质理化特性的影响。结果表明：水热炭化和干法烘焙均能提高生物质碳质量分数和热值，降低H/C原子摩尔比和O/C原子摩尔比，且在相同的反应温度下，水热炭化的提质作用更为明显。利用大颗粒热重在800～950 ℃下开展了炭化产物成型颗粒CO2气化反应特性研究，实验结果表明：在60 min内，EFB原料颗粒在800 ℃时碳转化率仅30%，在850～950 ℃时碳转化率可达100%，且颗粒的气化反应速率峰值由800 ℃时的0.007 %/min提升至950℃时的0.042 %/min。当气化温度为950 ℃时，水热炭颗粒的气化反应性R0.5(50%碳转化率对应的反应性)由EFB原料颗粒的0.034 min−1降低至180 ℃水热炭颗粒的0.023 min−1，水热温度由180 ℃提升至220 ℃时，R0.5进一步降低至0.011 min−1；200 ℃烘焙炭颗粒的R0.5最高，为0.039 min−1。通过对950 ℃不同气化阶段颗粒气化半焦的表面形貌与比表面积分析证明，EFB原料与烘焙炭颗粒气化过程中灰渣熔融形成的球团黏附于其表面，在碳转化率由50%提升至80%的过程中，颗粒孔隙出现堵塞，比表面积分别降低了502.40 m2/g和452.44 m2/g；碳转化率由80%提升至98%的过程中，灰渣球团逐渐融合并包覆气化半焦表面，导致颗粒的比表面积均降低至1 m2/g左右，R0.98(98%碳转化率对应的反应性)分别降低至0.017 min−1和0.018 min−1；水热炭颗粒在碳转化率由80%提升至98%的过程中比表面积增大了126.98 m2/g，这是由于水热炭化对碱及碱土金属(AAEMs)的脱除缓解了成型颗粒气化过程中的结渣现象，导致颗粒气化反应性无明显变化。研究炭化预处理方式对生物炭成型颗粒理化特性的影响及半焦结构与气化反应性演变的关联机制对生物炭成型颗粒气化技术的开发应用提供重要理论意义。

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