洁净煤技术

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• 熔盐储热耦合燃煤机组灵活性转型研究进展

  刘芮嘉, 王晓哲, 张昊, 董勇, 徐梦侠

  在“双碳”目标驱动下，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为必然趋势。然而，常规燃煤机组在深度调峰工况下面临灵活性不足、调峰能力弱及新能源消纳受限等挑战。系统综述了熔盐储热技术耦合燃煤机组的最新研究进展，从材料、设备、系统集成及运行控制等维度进行全链条分析，以期为相关工程应用提供理论依据与技术支撑。首先，梳理了4种主流熔盐体系的热物性特点，重点分析了不同温域燃煤机组与熔盐种类的适配性及新型熔盐制备工艺的优化。其次，综述了熔盐储罐与熔盐换热器等设备的结构优化与强化传热机理。接着，列举了燃煤机组耦合熔盐储热系统在稳态与动态运行模型下的多源取热集成模式与控制策略，针对系统调峰深度、爬坡速率、往返效率及㶲效率等灵活性评价指标进行了综合分析。最后，通过分析当前示范项目的经济性与环境效益，表明该技术能够显著降低弃风弃光率，尽管初投资较高但经济回收期较短，具备良好的全生命周期经济性。面向未来规模化应用，建议重点关注高性能低成本熔盐材料的研发，全系统动态运行优化，以及形成多能互补的集成运行体系，建立更完善的容量电价机制与碳交易市场，充分体现灵活性资源的调节价值，形成技术进步与市场回报的良性循环。

• 微型燃气轮机综述 发展现状、核心部件和挑战

  范志伟, 王式兴, 范俊, 翁武斌, 何勇, 王智化

  为应对“双碳”目标下分布式能源系统对高效、低碳动力源的迫切需求，研究聚焦于微型燃气轮机的整机性能与核心部件设计进行了探讨：通过文献综述与产品对比，分析了微型燃气轮机整机性能参数及国内外技术差距，并重点剖析了压气机、涡轮、燃烧室和回热器四大核心部件的设计挑战与优化策略。结果表明：国内外在微型燃气轮机核心部件与系统集成优化方面存在一定的技术差距。在核心部件方面，被动流动控制技术是压气机应对低雷诺数流动问题的有效方法；而涡轮机则依赖高温合金与热防护技术提升耐受温度；在燃烧室中，一些先进燃烧组织方式（富淬贫燃烧、无焰燃烧、微混燃烧等）在实现高效、低氮、高燃料适应性方面有着广阔前景；大部分回热器则以金属材料和一次表面结构为主，陶瓷回热器有望将整机效率提升至40%。总之，微型燃气轮机是构建分布式能源网络的关键装备。其未来发展依赖于核心部件在材料、设计与控制方面的持续突破，以及与可再生能源系统更深入的耦合。

• 燃气燃烧热声不稳定研究进展

  王子豫, 朱彤, 潘登, 林瑜, 沈婷

  热声不稳定性是由燃烧系统中热释放率脉动与声学振荡相互耦合引发的一种自激振荡现象，广泛存在于燃气轮机、航空发动机、工业燃烧器及燃气热水器等能源动力装置中。在低碳能源转型背景下，天然气消费量快速增长，氮氧化物排放标准日益严格，燃烧系统常在偏离化学当量比的贫燃、预混等低排放工况下运行，导致热声不稳定现象频发，表现为剧烈的压力振荡、火焰脉动与噪声增强，严重影响设备运行安全与使用寿命。该综述系统梳理了燃气燃烧热声不稳定性的振荡机理、诱发因素、非线性动力学行为、研究现状与控制策略等方面的研究进展。首先，从经典瑞利准则出发，阐述了热声耦合的能量正反馈机制，并分类讨论了亥姆霍兹型、纵向模态、周向模态及本征热声模态等典型振荡类型的特征与成因。针对非线性行为，进一步分析了极限环振荡、拍振现象及间歇性振荡等动态行为的物理机制，并介绍了基于火焰传递函数和火焰描述函数的建模方法及其在非线性振荡预测中的应用。系统归纳了当前燃气热声不稳定领域的试验诊断技术（如高频压力测量、粒子图像测速、平面激光诱导荧光、化学发光成像等）、数值模拟方法（包括大涡模拟、低阶网络模型、亥姆霍兹求解器等）以及主动与被动控制策略（如声学阻尼器、燃料调制、等离子体激励等）的研究进展。最后，对当前研究中的挑战与未来发展方向进行了展望，指出需在低碳燃料燃烧机理、多尺度智能建模、高精度试验诊断及智能控制等方面进一步突破，以推动低排放、高稳定性燃烧系统的设计与优化。

• 生物质富氧燃烧技术研究进展

  张泽武, 毛文超, 乐笑宇, 董晓腾, 罗聪, 张立麒

  生物质能碳捕集与封存技术（Bio-Energy Carbon Capture Utilization and Storage，BECCUS）作为一种负碳技术，它将生物质燃烧和现有的CCUS技术相结合，以实现快速、大批量、可持续的CO2减排。生物质富氧燃烧技术将富氧燃烧的燃料替换为生物质与煤的混合燃料或纯生物质，再利用高纯度O2和循环烟气助燃，最终实现燃烧尾部烟气中CO2高浓度富集。较常规煤粉富氧燃烧和生物质空气燃烧，由于燃烧燃料和燃烧气氛发生显著变化，生物质富氧燃烧的炉膛温度及热流、污染物排放、受热面问题、CO2捕集效率和电厂效率也发生明显变化。对此，系统地综述了生物质富氧燃烧技术最新研究进展，详细地总结了生物质富氧燃烧特性、污染物生成特性：空气和富氧气氛下生物质富氧燃烧反应动力学参数基本保持一致、生物质焦与CO2和H2O气化反应有利于降低NOx生成以及促进煤焦燃尽生成更多的细小颗粒物、生物质的富氧燃烧特性与空气燃烧相匹配的初始氧浓度大于30%；指出了生物质富氧燃烧面临燃料不稳定性、成本高、受热面腐蚀、污染物生成等问题，并针对以上问题，提出了研究多种生物质掺混的协同效应对其燃烧特性（着火、燃尽）和污染物生成特性（NOx、SO2、HCl）的影响规律，形成强化燃烧和抑制污染物生成的新见解；优化生物质富氧燃烧运行工况参数、调控燃烧室温度，以缓解积灰、结渣和腐蚀问题；采用增压富氧燃烧技术、增压循环流化床富氧燃烧技术等新兴技术提高燃烧效率、降低污染物排放；设计基于生物质富氧燃烧的电–热–气多联产新工艺，实现多目标产物的自主调节，以适应多应用场景。最终，为实现生物质低碳清洁燃烧提供理论依据与重要参考。

• 燃煤电厂碳捕集工艺优化进展 化工侧和热工侧

  施其能, 刘海玉, 张良, 赵京, 程珩, 魏小林

  在中国“双碳”战略目标的背景下，燃煤电厂作为碳排放主要来源之一，对其进行碳减排至关重要。化学吸收法在众多碳捕集技术中最为成熟，在我国已有诸多示范项目。系统综述了燃煤电厂碳捕集技术的发展进程，聚焦于化工侧和热工侧两大技术路线。化工侧优化涵盖了从第1代基准吸收剂到第2代混合胺吸收剂，直至第3代相变吸收剂与离子液体等的迭代发展，介绍了新型吸收剂降低再生能耗的机制与潜力；同时概述了工业设备创新与吸收/解吸工艺优化等方式对系统能效的提升作用。热工侧优化旨在缓解碳捕集系统与燃煤机组的耦合矛盾，重点探讨了汽水系统抽汽方案优化、给水回热集成、吸收式热泵等热集成技术，以及通过引入太阳能、地热能、生物质能等可再生能源辅助供能方式，从根本上降低系统“能耗惩罚”。研究进一步指出，通过实施储液以及设置烟气旁路等灵活运行策略使碳捕集电厂兼具碳减排和深度调峰能力。在此基础上，从经济性、稳定性和灵活性等多个层面指出了化学吸收法碳捕集技术的未来发展方向。

• 可凝结颗粒物研究进展

  刘雪霞, 李玉忠, 韦性晟, 姚宣, 韩晨, 李正政, 李敬伟, 王露

  燃烧源颗粒物的控制一直是大气污染防控领域的重点问题。颗粒物包括可过滤颗粒物（FPM）和可凝结颗粒物（CPM）。FPM就是被广泛认知的烟尘，其控制技术已较为成熟，治理效果已经达到超低排放的水平；而CPM是指在烟道内呈现气态并在排放后因降温冷凝等作用转化成颗粒的物质，虽然目前CPM尚未被列入强制治理的范围，但其环境影响及潜在危害已经越来越引起重视，相关研究逐渐成为新的热点。系统综述了近年来CPM的最新研究进展：在环境影响方面，最新的定量分析显示CPM对大气中的有机气溶胶和PM2.5有重要贡献，应给予足够重视；在CPM测量方面，现有冲击瓶冷却法和稀释冷却法虽然历经改进，但其设备和操作复杂、数据实时性差、误差因素多等缺陷，严重影响了便捷性和准确性；CPM在线检测技术取得突破，但有待进一步优化；最新的CPM排放数据显示：某些排放源的CPM排放浓度已经超过FPM，CPM包含复杂的有机和无机组分，CPM凝结后形成超细颗粒物；CPM的生成机理研究取得进展：燃料中的硫、氯、氮等元素及烟气中水蒸气、硫氧化物、氮氧化物等物质影响CPM无机组分的含量，而CPM的有机组分受燃料特性、燃烧条件、燃烧充分程度等因素的影响；在CPM控制方面，大量研究聚集于现有大气污染物治理设备对CPM的协同脱除，也发展了烟气冷却法、吸附法和燃料混燃法3种CPM控制方法，但这些方法的效率有待提高。未来应进一步探明CPM的环境影响、发展可靠的CPM在线检测技术、揭示CPM生成机理、开发CPM高效控制技术，全面推进CPM污染防控的理论研究和工程实践。

• 50 MW超临界二氧化碳燃煤锅炉热力性能研究及计算平台开发

  韩磊, 于婷婷, 殷亚宁, 李冲, 杨冬

  实现煤炭的高效、清洁利用是燃煤发电领域长期以来最为关心的课题之一，持续提升发电效率、降低碳排放是实现绿色低碳转型的重中之重。超临界二氧化碳（Sc-CO2）发电技术作为新兴的动力循环发电技术之一，其具有更高的理论发电效率，有望在未来燃煤发电机组效率提升和热力系统优化等方面发挥至关重要的作用。相较于传统蒸汽锅炉，Sc-CO2锅炉的工程设计经验相对缺乏，如何校核给定设计方案下烟气能否实现全温区高效换热、工质能否达到预期热力参数，已成为该领域技术突破的关键研究课题。因此，建立一套完整的Sc-CO2锅炉热力计算体系进而计算得到各受热面处烟气与工质的温度分布情况尤为重要。基于国内自主设计的世界首台50 MW的29.2 MPa/602 ℃/602 ℃ Sc-CO2锅炉箱式布置方案建立了Sc-CO2锅炉热力计算模型，使用Fortran 90与Python 3.11搭建了超临界二氧化碳热力计算平台，并通过该计算平台开展了热力计算工作，得到了各受热面进出口烟气与工质温度分布情况。根据热力性能分析，该设计方案下过热、再热CO2能够达到预期的热力参数，烟道设计合理，但省煤器处存在进出口温差过大的问题。此外，针对Sc-CO2锅炉与传统蒸汽锅炉的设计特征进行了对比分析。

• 燃煤锅炉混氨燃烧NOx排放特性及工程应用NOx预测模型

  谢妍, 张文振, 李明, 王西伦, 刘欣, 初伟, 王赫阳

  燃煤锅炉混氨燃烧是燃煤机组低碳化的主要技术发展方向之一。但由于氨燃料含氮量高，混氨燃烧可能导致锅炉NOx排放的大幅上升，因此，能否实现NOx排放的控制是决定燃煤锅炉混氨燃烧技术可行性的关键之一。为此，对氨–煤混燃实验研究中所观测到的NOx排放随混氨比例（R_\mathrmNH_3 ）的不同变化趋势进行了综述，并基于最新实验研究结果给出了这些不同NOx趋势的统一机理解释——NO在炉内的净生成量取决于NH3的NO生成和还原反应在整个炉膛空间不同O2浓度环境下的持续竞争过程。在锅炉运行环境下，NOx排放主要由炉膛主燃区初始燃烧阶段NO的大量生成、还原区NH3对NO的还原和燃尽区残余NH3与燃尽风反应所导致的NO生成这几个阶段所综合决定；不同炉内O2浓度环境下，此NO生成–还原–生成过程可叠加产生多种NOx排放随R_\mathrmNH_3 变化趋势。因此，氨–煤混燃实验中所观测的各种NOx排放趋势不应简单地归因于混氨比例或方式的影响，而应综合考虑不同混氨条件所导致的NH3在炉内燃烧反应环境的变化的影响。基于氨–煤混燃NO生成机制，进一步阐述了开发工程应用燃煤锅炉混氨燃烧NOx预测模型所需考虑的关键因素，重点强调了将对炉内流场和O2分布有直接影响的锅炉设计与关键运行参数转化为模型边界条件和模型参数的必要性。通过对40 MW锅炉和600 MW锅炉混氨燃烧的模拟，对比和验证了不同NO反应模型。结果表明，所提出的修正Østberg机理对NOx排放的预测结果在定性和定量上皆与锅炉试验结果良好吻合。模拟结果还揭示了锅炉混氨燃烧NO生成的一个特殊性质：尽管NH3进入炉膛后会迅速生成大量NO，但其作为气体燃料对O2的快速消耗，将在紧邻NO生成区域的下游形成一个乏O2还原区，使刚刚生成的NO在此区域随即被未燃尽残余NH3大量还原。这一特殊性质大幅降低了锅炉混氨燃烧的NO净生成量。

• 预混/分级模式下氨煤混燃着火特性的试验研究

  冷猛, 娄依崇, 陈境烨, 余作超, 翁武斌, 孟德润, 何勇, 朱燕群, 王智化

  为探究在近工业应用的湍流旋流条件下氨煤混燃的关键着火机理与调控规律，以应对其在燃煤锅炉推广应用中面临的着火稳定性挑战，采用自主搭建的管式双旋流燃烧器试验台，通过光学诊断与图像处理技术，对煤粉火焰的着火特性进行了系统性研究。试验定量分析了氨气注入方式（随一次风预混/随二次风分级）、氨热值掺烧比（E_\mathrmNH_3 ，0~50%）和总体当量比（Φtotal，0.59~0.95）对着火延迟时间的影响。结果表明：氨气的注入方式是调控煤粉着火性能的主导因素。相较于预混模式，分级注入（氨气随二次风供给）能极大促进煤粉着火，在相同掺氨比（E_\mathrmNH_3 =30%）下，其下游煤粉着火延迟时间可从预混模式的9.8 ms显著缩短至4.4 ms，降幅超过55%。其核心机理在于：分级模式下，氨气在二次风中形成独立的高温火焰，为一次风中的煤粉颗粒提供了强大的热烟气环境，有效避免了2种燃料在贫氧的一次风中对氧气的竞争，实现了快速点火。在分级模式下，提高氨掺烧比可有效缩短着火延迟时间，当E_\mathrmNH_3 从10%增至50%，上游煤粉着火延迟时间呈现持续缩短的趋势。与此同时，降低总体当量比则会抑制煤粉着火，当E_\mathrmNH_3 维持在50%而Φtotal从0.95降至0.59时，下游煤粉着火延迟时间从6.1 ms延长至8.3 ms。在预混模式下，氨掺烧比的影响则呈现出显著的空间依赖性。在上游近场区着火延迟时间随E_\mathrmNH_3 的增加而延长，而在下游远场区着火延迟时间随E_\mathrmNH_3 增加反而缩短。研究证实，实现氨与煤粉的空间分级注入，是保障高比例氨煤混燃系统稳定着火的根本途径。研究揭示的关键调控策略与机理，为工业级氨煤混燃燃烧器的设计与优化提供了参考。

• 基于垃圾与燃煤飞灰固化电厂脱硫污泥中有害重金属元素稳定特性研究

  王家伟, 樊德钦, 侯琦骏, 霍敬尧, 陈宏刚, 汪涛, 张永生

  在“以废制废”理念下，采用燃煤飞灰和垃圾焚烧飞灰作为固化剂，评估其对脱硫污泥中Cu、Zn、Ni、Cr、Cd、Hg、Pb、As的固化稳定性能。选取3个电厂的污泥与飞灰，经TCLP浸出试验筛选出代表性污泥，在固化剂添加量6%、固液比1∶3的条件下进行固化试验。结果表明：2类飞灰均能显著降低重金属浸出浓度，其中垃圾焚烧飞灰整体固化效果更优。表征显示固化过程中生成的水化产物可填充孔隙并提高结构致密性，从而实现对重金属的物理包覆与化学吸附。进一步采用球磨法与碱激发法对飞灰进行改性后，多种重金属固化率可提升至85%~95%。BCR逐级提取结果表明固化后重金属由易迁移形态向稳定形态明显转化，验证了飞灰固化技术在脱硫污泥重金属固化处理中的可行性。