洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2020年第05期

• 水泥炉窑高能效低排放关键技术研发及应用进展

  姚远, 魏小林, 陈立新, 李森, 谭厚章

  工业炉窑的高能效低排放关键技术能够有效提升炉窑能源利用效率、降低污染物排放。综述了节能管控与余热利用、富氧煅烧、分级燃烧以及颗粒物分离与资源化利用等工业炉窑节能减排共性关键技术的研发及其在2 500～5 000 t/d水泥炉窑上的集成应用。基于工业炉窑物质流与能量流的匹配关系，开展了节能管控平台的设计，开发了满足多品种工艺目标要求的水泥炉窑能量流优化重组节能新技术，并进行了水泥炉窑物质流与能量流匹配的节能管理平台工业示范的实施；采用低能变压吸附制氧技术与水泥熟料煅烧有机结合的新工艺，研发了满足产品种类及产量质量宽阈度变化生产的水泥炉窑富氧煅烧技术，并进行了工业示范；针对NOx和SOx等高排放问题，综合优化了分解炉分级燃烧、SNCR脱硝等技术，并进行了水泥分解炉分级燃烧和SNCR优化脱硝技术工业示范的实施；针对排放物减排与资源化利用，研发了烟气深度降温除尘颗粒排放物的净化分离与再利用新技术，并进行了工业炉窑气固排放物质的高效分离与洁净利用技术工业示范的实施，实现了颗粒物洁净排放及资源化利用

• 工业炉窑物质流和能量流匹配的节能原理分析

  魏小林, 李慧鑫, 李森, 黄俊钦, 李博, 陈立新

  工业炉窑是我国的能耗大户，每年耗能约占全国总能耗的1/4。在能源日益紧缺、环境污染严重的今天，工业炉窑节能减排工作十分紧迫。工业炉窑的生产是不同设备、不同工序协同生产的一个过程，包含物质与能量在各个系统之间的转换与转移，因此工业炉窑的物质流和能量流分析是炉窑实现高能效和低排放的基础。一般的方法主要从炉窑的产品用能或余热利用角度来分析，未将工业炉窑作为一个系统，整体来考察物质流和能量流状况。基于节点计算法，从工业炉窑整体系统出发，建立一种工业炉窑物质流与能量流匹配的数学模型，获得了典型工业炉窑不同部位的能量收支情况；同时采用热力学第二定律的㶲分析方法研究炉窑系统的㶲损失，明确了炉窑节能的重点部位。采用该方法开展了3200 t/d典型水泥炉窑的物质流和能量流分析计算，结果表明，水泥炉窑的热量损失主要包含高温损失与低温损失，其中高温损失主要是炉窑壁面散热损失与煤粉未燃尽的碳热损失，分别占6.84%与1.95%，JB(㶲损失分别为4.17%与2.59%，有较大的节能潜力；低温热损失包含烟道尾部烟气的排烟热损失、出冷却机熟料带出的显热等，AQC炉和SP炉的热量损失各占3.06%和6.19%，㶲损失分别为1.26%和1.45%，仍有利用价值。针对高温和低温热量损失的不同原因，对于炉窑的节能潜力进行了评估，提出采用先进保温、富氧煅烧、低温余热再利用等新技术，可进一步降低炉窑的煤耗；此外，也推荐了减少设备电耗的新技术，如采用高效风机以及永磁电机等，结合富余蒸汽拖动风机以及节能管控等技术，有望实现熟料烧成系统零电耗的目标

• 300 MW电站锅炉煤粉部分气化多联产系统模拟及经济性分析

  陈嘉豪, 袁野, 何勇, 王智化, 谭佳昕, 朱燕群, 岑可

  为实现煤炭的清洁高效低碳利用，结合粉煤部分气化、半焦燃烧实现煤炭的煤气、电力分级分质利用，采用Aspen Plus流程模拟软件针对300 MW煤粉锅炉进行了煤粉部分气化、半焦燃烧的煤气、电力多联产系统模拟研究。首先在一定假设条件下，使用Aspen Plus软件建立了基于反应平衡原理的煤气化模型，并将模拟计算结果与试验台架气化结果进行比对验证，模拟结果与试验结果基本吻合。在此煤气化模型的基础上探究了氧煤比和煤种对气化炉出口的煤气组成以及300 MW多联产系统经济效益的影响规律。计算结果显示，氧煤比从0.1提高到0.3时，神府东胜煤煤气化的有效气产率从58.49%提高到82.85%，多联产系统增加的年收益从16 084万元增加到62 246万元；氧煤比为0.3时，神府东胜煤、巩义无烟煤、神华烟煤和锡盟褐煤煤气化的有效气产率分别为82.85%、74.51%、77.21%和95.16%，以前3者煤种为原料的多联产系统增加的年收益分别为46 392万元、28 910万元和62 246万元。在模拟的氧煤比范围内，随着氧煤比升高，煤气品质、有效气产率以及多联产系统的经济效益均明显提高；在氧煤比为0.3的工况下，使用神府东胜煤作为原料时系统经济效益最优，其次是神华烟煤以及巩义无烟煤，锡盟褐煤由于煤气化后产生半焦量过低不利于多联产系统的运作

• 水煤浆热解及煤焦结构特性分析

  王旭阳, 于洁, 徐林林, 孙路石

  为了研究水煤浆的浓度与热解温度对热解气生成以及煤焦结构的变化规律，对内蒙古烟煤原煤及不同浓度水煤浆（55%、60%和65%）在不同温度下（800、900和1000 ℃）快速热解，考察了不同的热解气生成量随热解温度和水煤浆浓度的变化，并利用XRD和Raman分析了热解后煤焦结构随热解温度和水煤浆浓度的变化规律。结果表明，在水煤浆浓度不变的情况下，随着热解温度升高，CO、CH4、CO2、H2、HCN和NH3的生成量均逐渐升高，且HCN生成量远高于NH3生成量；在温度不变的情况下，随水煤浆浓度升高（水含量降低），CO和CH4生成量均逐渐增加，而CO2、H2、HCN和NH3的生成量均逐渐降低。XRD结果表明，随热解温度升高和水煤浆中水含量增加，煤焦的晶面间距d002逐渐减小，堆垛高度Lc逐渐增大。Raman结果表明，随热解温度升高和水煤浆中水含量增加，煤焦的AD1/AG和AD3/AG逐渐减小，AG/Aall渐增大。表明煤焦中碳微晶结构有序化程度随热解温度升高和水含量的增加而逐渐增加，煤焦石墨化程度升高。XRD与Raman关联可得在水煤浆热解过程中，随热解温度和水煤浆浓度的变化，d002与AD1/AG变化、Lc与AG/Aall变化均呈正相关。

• 煤粉工业锅炉预燃式低氮燃烧器试验研究与开发

  许鑫玮, 谭厚章, 王学斌, 杨富鑫, 刘兴, 郑海国

  日趋严苛的燃煤氮氧化物(NOx)排放标准对煤粉工业锅炉性能提出了较高的要求，我国现有的煤粉工业锅炉燃烧器难以通过运行优化直接达到排放标准。开发了一种用于煤粉工业锅炉的新型预燃式低氮旋流燃烧器，并在25 t/h煤粉工业锅炉上进行试验，研究了一次风率、二次风配比、旋流叶片角度、再循环风(FGR)及燃尽风(OFA)对NOx排放和燃烧效率的影响。结果表明：当一次风率从7.8%增加到8.5%，NOx排放升高;随着内外二次风比从0.67增大到1.32，NOx排放升高;随着旋流叶片角度从30°增大至60°，NOx排放先降低后升高;随着FGR风率从零增加至13.3%，NOx排放逐渐降低并趋于稳定;OFA风量对NOx排放影响不显著，随OFA风量增大，NOx排放总体呈先降低后升高趋势。煤粉工业锅炉试验过程中煤粉气流着火稳定，飞灰含碳量稳定在25%以下;最佳工况的NOx排放值为171~178 mg/m3(9%O2)，飞灰含碳14.9%，锅炉热效率91.7%。

• 蓄热式加热炉烟气吹扫系统设计应用

  张嘉鸣, 王子兵, 郭珊, 王绍龙, 李世成

  蓄热式加热炉作为冶金行业重要设备，主要用于钢坯加热，以高、转炉煤气等为燃料，采用周期换向燃烧方式，在换向时烧嘴会向大气中排放煤气，换向动作导致的煤气放散率高达3%～7%，造成资源浪费和环境污染。为了节约资源，减小污染，解决蓄热式加热炉在燃烧换向时造成的煤气放散问题，最直接的回收利用途径是将公共管道内的残留煤气吹扫至炉膛进行燃烧。现对某钢厂一座160 t/h蓄热式加热炉进行改造，在现有操作平台上加装烟气吹扫系统，烟气吹扫系统是从煤气烟气管道上引出一路用来吹扫管道，通过引风机将煤气烟气加压作为吹扫气源，将吹扫管道与煤气换向阀底部相接，通过调节原有煤气换向程序，配合响应快速的控制阀门进行吹扫过程的启停。吹扫时，管道内提前加压后的烟气喷出，迅速将公共管道内残留的煤气吹至炉膛内进行燃烧，以此达到放散煤气减排的效果。最后进行了工程实践，对比了改造前后系统炉温、炉压、CO减排效果以及经济性。已改造的加热炉，单次吹扫体积为37.05 Nm3，按照加热炉单次换向周期60 s，加热炉年工作时间按330 d计算，年吹扫体积为1 760.62万Nm3，吹扫效率按照90%计，则年煤气排放量为1 584.56万Nm3，对应厂用煤气价格为0.13元/Nm3，一年可节约成本206万元。蓄热式加热炉反吹系统可实现CO减排率高达90%以上。

• 工业炉窑VOCs废气吸附-脱附-催化一体化净化技术研究

  任思达, 梁文俊, 张依铭, 李庆磊, 朱玉雪

  针对小型企业工业炉窑VOCs低浓度、不连续的排放特点，以商用活性炭为吸附材料，采用自制Pd-Ce/Al2O3双元催化剂开展工业炉窑VOCs废气吸附-脱附-催化一体化净化技术研究，通过BET、SEM和TG表征手段对吸脱附再生前后的活性炭进行表征测试。以甲苯为探针分子，考察不同脱附时间、烟气稀释倍数、催化温度及烟气循环次数对该工艺净化甲苯废气性能的影响。研究表明100 ℃下热脱附1 h即可将吸附物质基本脱除，催化温度为320 ℃时，甲苯即可完全催化氧化；系统循环操作10～15次后，活性炭材料在100 ℃下焙烧6 h进行彻底再生，具有最好的经济效益。表征结果表明，经多次热再生后，活性炭孔道存在部分坍塌，比表面积由889 m2/g降至688 m2/g，孔容由0.50 mL/g降至0.37 mL/g，孔径无明显变化，均在2.2 nm左右；这与SEM观察到的活性炭表面褶皱减少相吻合，说明多次热再生后活性炭孔道存在一定程度的坍塌，但依然保持介孔特性；TG曲线中再生后活性炭失重曲线略低于新鲜活性炭，进一步证明多次热再生对活性炭孔道结构存在一定的破坏性。

• 煅烧气氛对柠檬酸溶胶凝胶铁氧化物催化剂低温SCR脱硝性能的影响

  宋唯一, 朱宝忠, 孙运兰, 谢超越

  煅烧气氛对催化剂的活性有重要影响，为了优化柠檬酸溶胶凝胶铁氧化物（Fe2O3/LA）低温烟气脱硝催化剂的制备工艺，明确煅烧气氛对Fe2O3/LA催化剂低温脱硝性能的影响规律，通过柠檬酸（LA）溶胶-凝胶法制备了Fe2O3/LA-Air和Fe2O3/LA-Ar低温脱硝催化剂，并采用N2吸附-脱附（BET）、X射线粉末衍射（XRD）、氢气升温还原（H2-TPR）、氨气升温脱附（NH3-TPD）、X光电子能谱（XPS）等对催化剂进行了表征。结果表明：Fe2O3/LA-Air催化剂与Fe2O3/LA-Ar催化剂相比高温脱硝活性较差，但具有更好的低温脱硝活性，尤其在120～200 ℃，其脱硝效率达80%～100%；且其N2吸附-脱附曲线呈H3型滞后环Ⅱ型等温线，具有更大的孔径；在270 ℃具有典型的中低温H2还原峰，中低温还原能力强；2种气氛下煅烧的Fe2O3/LA催化剂主要活性成分皆为γ-Fe2O3，且Fe2O3/LA-Air催化剂中Fe3+含量比Fe2O3/LA-Ar催化剂Fe3+含量高3.24%，表面吸附氧Oβ含量高48.24%；Fe2O3/LA-Ar催化剂中温和高温氨脱附峰均向高温方向移动，其中高温氨脱附峰面积比Fe2O3/LA-Air催化剂脱附峰面积大，Lewis酸位点数量多，但Fe2O3/LA-Air催化剂Brnsted酸位点比Fe2O3/LA-Ar催化剂多，这些因素使得空气气氛下煅烧的Fe2O3/LA催化剂低温段的脱硝活性优于氩气气氛下煅烧的Fe2O3/LA催化剂的脱硝活性。

• 水泥分解炉中CO还原NO试验研究

  李森, 方立军, 孙立超, 谢超越

  水泥窑炉是典型的高污染排放的工业窑炉，水泥行业已成为第三大氮氧化物排放源。目前，国内外对燃料分级技术在电站锅炉上的应用进行了大量研究，而对水泥窑炉上应用燃料技术涉及较少。针对水泥分解炉高钙环境分级燃烧特点，在流化床反应器上开展了还原气体CO脱除NO的试验研究，研究了CO浓度、CaO和温度对CO脱硝过程的影响机制，采用一维柱塞流反应器模拟分析了CO还原NO反应路径。研究结果表明：CO在还原气氛中具有较强的脱硝作用，CO体积分数对脱硝具有较大影响，随着CO浓度增加，脱硝效率提高；随CO浓度提升可有效降低NO排放，当CO浓度由1%增加到5%，NO脱除效率提高了37.8%；CO脱硝过程中产生NH和H等中间产物，NH和H对CO还原NO具有重要作用；HCN可吸附于CaO表面并与CaO反应，在还原气氛中NH3吸附到—CaO表面并发生反应生成Ca(N)，最终生成N2。NO主要通过4条路径被还原为N2，其中NO→N2O→N2和NO→HNO→NH→N2为最主要反应路径。在试验温度范围内，温度升高促进了CO还原脱硝；CaO对CO脱硝具有较强的正催化作用，且在850～1 050 ℃，CaO均具有催化作用。CO体积分数为4%、温度大于900 ℃时，CO脱硝效率明显提高，说明在高温区域，CaO具有显著的催化作用；在1 050 ℃，脱硝效率提高7.56%。

• 中高温烟气余热动力回收的复叠跨临界CO2动力循环热力学分析

  李成宇, 高振强, 高明云, 高升堂, 王有镗

  工业窑炉存在大量的中高温烟气余热，现有的动力循环或工质存在难以有效回收大温降烟气余热的问题。提出以CO2为工质的复叠跨临界动力循环，以单位质量烟气的循环净功率最大为优化目标，在400和500 ℃的烟气热源条件下，研究循环参数对循环性能的影响规律。重点分析了工质分流质量比、吸热压力对回热过程换热匹配特性以及循环性能的影响，并对简单循环、回热循环和复叠循环进行了优化对比。结果表明，复叠循环中，上下级循环的回热匹配是影响循环性能的重要因素，通过调节工质泵出口的工质分流比x以改善回热匹配性，烟气初温400和500 ℃下，最优的工质分流比0.6和0.7。吸热压力的增加有利于循环净输出功率的增加，烟气初温500 ℃下，吸热压力由20 MPa增至35 MPa时，净功率由117.4 kW增至143.8 kW，增幅为22.49%；对各部件而言，提高吸热压力可增加高、低温透平输出功率，但对回热功率的作用相反；20～35 MPa内随吸热压力的升高，低温透平输出功率占比由31.4%降至27.3%，吸热压力对高温透平的性能影响更明显。对比3种跨临界CO2循环，简单循环的热效率和净功率均最低，回热循环具有最高的热效率，复叠循环输出最高的净功率。烟气初温400 ℃下，复叠循环的净功率比简单循环和回热循环分别高22.2%和6.1%；烟气初温500 ℃下，分别高35.7%和12.5%。

• 臭氧脱硝过程中硝酸盐气溶胶的生成机理及控制

  黄元凯, 朱燕群, 邵嘉铭, 唐海荣, 何勇, 王智化

  在工程项目中，大多采用湿法喷淋对烟气进行洗涤以实现污染物高效脱除。但研究发现该过程会产生较多气溶胶，使尾部烟气无法达标排放。目前，相关研究集中在SO3酸雾和硫酸盐气溶胶的生成机理及相应控制手段，鲜见部分臭氧脱硝技术应用中出现的硝酸盐气溶胶现象。因此，通过建立臭氧脱硝试验系统，利用Gasmet烟气分析仪测定烟气组分及浓度，采用气溶胶粒度分布采样器和离子色谱对生成的硝酸盐气溶胶浓度进行测量，以开展硝酸盐生成机理及控制研究。结果表明，硝酸盐气溶胶浓度与烟气中初始NO浓度呈正相关，烟气中NO浓度从200×10-6升高至400×10-6时，硝酸盐气溶胶的浓度从7.06 mg/m3升高至18.66 mg/m3；在O3/NO摩尔比为1的条件下，浆液中存在的NH+4导致气溶胶浓度升高，虽然NH+4浓度从2 g/L升高至4g/L时，气溶胶浓度基本保持在约8 mg/m3不变，但气溶胶平均粒径有所增大；浆液中无NH+4时，气溶胶浓度随着O3/NO摩尔比的升高而降低；但浆液中存在2 g/L的NH+4时，随着O3/NO摩尔比从1.0升高至1.6，气溶胶浓度从7.06 mg/m3升高至161.94 mg/m3，上升明显；浆液中还原型添加剂X的添加可明显抑制气溶胶的产生，气溶胶抑制效率可达到47.7%，该方法可以作为一种臭氧脱硝过程中硝酸盐气溶胶生成的抑制技术

• 基于数据驱动的水泥熟料烧成系统能耗优化

  丁孝华, 黄堃, 杨文

  水泥制造业一直是我国的高能耗行业之一，对能源的依赖度高，能源消费在生产成本的占比达40%～60%。根据《建材工业“十三五”发展指导意见》，水泥企业的节能取得很大进展，但对比世界先进水平，吨水泥综合能耗仍存在差距。水泥烧成系统是水泥生产过程中的主要能耗部分，水泥烧成系统内部进行着复杂的理化反应，涉及众多环节与设备，采集的数据具有非线性、强耦合性、变量众多和大滞后等特点。随着人工智能的发展和工业数据采集的普及，分散控制系统（distributed control system，DCS）在各行各业都获得了广泛应用，人工智能分析优化方法成为工业数据分析优化的主流。为了提升水泥生产企业的生产效率，在分析水泥熟料烧成系统电力过程的历史运行变量和生产能效数据的基础上，采用一种基于数据驱动的水泥熟料烧成系统能耗优化与参数推荐混合算法。针对参数筛选问题，采用平均影响值算法进行能耗敏感度分析，对影响能耗的参数进行筛选。在建模阶段，采用改良BP神经网络对能耗进行建模，得到系统能耗模型后，通过遗传算法对其优化，使该能耗模型以吨熟料最低电耗的优化目标对可控运行参数进行寻优，能够获得运行参数的优化值。算法在白山水泥厂水泥熟料烧成系统中进行了实际部署，运行结果表明，该算法有效支撑了水泥熟料烧成系统的能耗管理，优化前水泥能耗始终在15000 kWh左右，通过仿真优化后，最优能耗为13661 kWh，约减少7%，同时可获得特征变量推荐值。

• 工业炉窑高温含尘烟气金属丝网除尘技术研究

  张婉婧, 魏小林, 李腾, 黄俊钦

  工业炉窑生产中产生的大量高温含尘气体携带了大量的余热余能，若能得到合理回收利用，将创造巨大的经济价值和环保价值，因此，对高温气体净化除尘是一项实现资源合理利用和环境保护的关键技术。新型的金属多孔材料凭借良好的耐温性、机械性能和导热性等，在高温烟气除尘方面具有很好的适用性和优越性。选择金属丝网除尘器作为研究对象，通过试验和数值模拟相结合的方法，探究除尘器进口气流流量、气流含尘浓度、气流入口温度对于除尘系统压降的影响规律。结果表明，系统压降随着进口空气流量的增大而升高，当进气流量从0.4 Nm3/h增加到34.3 Nm3/h时，压降从12.6 Pa迅速升高到1989 Pa，通入含尘气体产生的系统压降要高于通入相同流量的洁净空气产生的系统压降，压降随着含尘浓度的增加有上升趋势，但含尘浓度大于53 g/m3时，压降反而下降。进气温度越高，系统平均压降越高，进气温度从13 ℃上升到202 ℃时，压降从520.5 Pa上升到941.5 Pa。系统压降与出口温度的模拟结果与试验结果吻合较好。对于进气温度较低（<300 ℃）的工况条件，除尘器的系统压降主要来自于金属丝网滤袋的表面压降；当温度上升后，压降上升很快，当温度为600 ℃时，系统压降在3000 Pa左右，远高于滤袋表面压降，这时需要考虑除尘器结构压降带来的影响

• 粉煤灰湿式化学法合成沸石及其对重金属的吸附脱除研究

  王文霞, 郑梓涵, 张轩, 乔瑜, 徐明厚

  针对粉煤灰固废的处理/处置问题，采用湿式化学的方法将其合成沸石，探索粉煤灰的资源化高值利用方式。通过设计四因素、三水平的正交合成试验，结合阳离子交换容量的评价，确定湿式化学方法下粉煤灰合成沸石的最佳工况。为了检验合成的沸石对阳离子重金属的吸附脱除效果，进行9种正交工况下合成的沸石对重金属Pb(Ⅱ)的吸附脱除试验，同时研究了合成的沸石对阴离子基团的吸附脱除。采用湿式化学法，粉煤灰合成沸石的最优工况为：NaOH浓度4 mol/L、液固比4 mL/g、研磨时间24 h、转速350 r/min，对沸石合成效果影响较大的因素是研磨时间，其次是液固比、碱液浓度，行星球磨机的转速影响最小。该试验条件下合成的沸石对重金属Pb的吸附脱除结果表明，不同正交工况合成的沸石对Pb(Ⅱ)的吸附以物理吸附为主，其脱除率均达70%以上，最高可达92.5%，主要依赖于合成沸石的阳离子交换容量；对重金属Cr的吸附脱除结果表明，不同正交工况合成的沸石对Cr(Ⅵ)的吸附既有物理吸附也有化学吸附，对Cr(Ⅵ)的吸附脱除率最高可达35.7%，说明湿式化学法合成的沸石对重金属阳离子和阴离子基团均有一定的吸附脱除效果。

• 基于集成神经网络的水泥生产能耗建模

  黄堃, 杨文, 丁孝华

  为了提高水泥生产过程的能耗建模和预测的精度，提出了一种基于神经网络与马尔科夫修正的水泥生产集成能耗预测模型：在数据预处理阶段，为了减小处理数据的规模，采用平均影响值法进行数据降维，筛选敏感变量，从12个变量中选出对能耗输出影响较大的6个，构建一个6输入单输出的神经网络，使能耗建模阶段选用的神经网络模型结构更为简单，可以有效减少训练神经网络所需的时间。在能耗建模阶段，为了建立性能更佳的能耗模型，在以神经网络作为能耗建模元学习器的基础上采用集成学习思想，组合数个元学习器成一个性能更佳的强学习器，即将多个神经网络的预测输出值求平均作为集成模型的预测结果，采用水泥烧成系统的依赖变量和对应的炉窑能耗值作为试验数据进行模型的训练、验证和预测，结果表明，集成模型预测结果的决定系数R2值较单个神经网络提高了0.019，预测值与真实值的相对残差的均值较单个神经网络也减少了0.027，模型性能有所提高。在能耗预测阶段，为了进一步提高模型的预测精度，引入马尔科夫残差修正法，即依据历史预测能耗值与实际能耗值的残差修正当前预测值，提升集成能耗模型的预测精度。结果表明，经马尔科夫修正法修正的预测值相对残差从-0.6%降至-0.25%，能耗预测值更加接近实际值，预测精度提升，可更好地挖掘水泥炉窑烧成系统电能耗变化与依赖变量的规律，实现能耗精确预测，为水泥生产过程的能耗监管提供了更精确的参考依据。根据水泥生产能耗建模3个阶段的描述，提出一种基于神经网络与马尔科夫修正的水泥生产集成能耗预测模型，在水泥生产能耗预测上有更佳的预测效果和更高的预测精度。

• Cu-Ce催化剂上CO催化燃烧反应机理研究进展

  康润宁, 魏小林, 宾峰, 王子兵

  CO作为大气主要污染物之一，来源较为广泛。工业炉窑、冶金工业以及机动车尾气排放等均会造成CO大量排放，污染环境。催化燃烧技术是公认的有效限制并消除CO的主流技术，可通过引入催化剂的方式实现CO低温高效转化，已在汽车尾气排放、CO优先氧化等低温催化氧化领域形成了产业化应用，且效果显著。Cu-Ce复合氧化物催化剂具有低温高效、寿命长且廉价等优点，成为应用于CO催化燃烧的首选催化剂。综述近年来Cu-Ce体系催化剂上CO催化燃烧反应的研究进展，列举了不同的催化剂制备方法，概括了Cu-Ce催化剂的结构形貌-性能关系与载体-活性组分的强相互作用规律（尺寸效应、界面效应），分析了基于表征技术、原位试验与反应动力学等方法得到的不同反应路径之间的差异，总结出CO催化燃烧微观反应机理。同时根据不同工业废气中CO浓度变化特点，介绍了中国科学院力学研究所高效洁净燃烧课题组近年的相关工作进展，最后对CO催化燃烧反应研究未来发展方向进行了展望。以转炉炼钢过程中产生的转炉放散煤气（CO≤35%）为例，设计制备出低温高效CuCe0.75Zr0.25Oy催化剂，并进一步合成工业级蜂窝陶瓷催化剂，提出了CO自持催化燃烧技术，探究得到宽CO浓度范围（1%～20%）条件下的CO催化燃烧反应规律（诱导阶段、热飞温及热自持阶段），确定了较详细的CO催化燃烧反应路径（M-K和L-H机理）与稳燃机制（贫燃极限、稳燃温度场、换热特性），为转炉放散煤气从所需燃气引燃到自身能量回收利用的双向节能提供切实可行的技术方案。未来CO催化燃烧反应机理研究可从新型高效纳米Cu-Ce催化剂出发，寻找精细的形貌可控催化剂制备方法与规模化生产技术，制得活性位原子利用率高、持久高效的催化剂，采用先进的原位表征试验技术与理论模拟计算方法，深入研究催化剂载体-活性组分相互作用演化规律，开展CO催化燃烧吸附-反应-脱附过程的定性定量研究，以丰富CO催化燃烧安全控制理论，考察长时间复杂烟气环境下催化剂的各项性能，促进工业节能减排的发展

• 荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验研究

  刘鹤欣, 杨富鑫, 李正鸿, 谭厚章, 杜勇乐, 冯鹏

  荷电水雾团聚亚微米颗粒物是多场协同脱除微细颗粒物的一种方式，众多学者针对水雾荷电脱除颗粒物特性进行了大量理论和试验研究，但鲜见对超声波雾化液滴荷电团聚微细颗粒物的相关研究。设计了双层阻挡介质放电电极结构，在有效阻断传统电晕放电隙内放电电弧发展的同时，通过产生均匀稳定的高密度低温等离子体对雾化液滴进行荷电，并搭建荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验平台对电极稳定特性和微细颗粒物的团聚特性进行研究，主要针对电极伏安特性、负载电压对团聚效率的影响以及水雾量对团聚效率的影响3方面进行比较与表征。结果表明，双层阻挡介质结构有利于改善荷电电极间隙的均匀性，雾化液滴的存在有利于促进气隙空间放电。荷电电极的起晕电压与不稳定运行电压随雾化量的增加均表现为减小；当通入水雾流量为102.9 mg/min时，稳定运行的电压区间为17.2～41.1 kV。荷电雾化液滴对微细颗粒物团聚具有明显效果，其中30～70 nm颗粒在45.0 kV作用下最高达到40%团聚效率。粒径分布曲线随雾化量的增加整体向粒径增大方向移动，也表明雾化量的增加有利于荷电雾化液滴对微细颗粒物的脱除；相同电压下，颗粒团聚效果随水雾量的增加明显提升。

• 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

  李潇峰, 邹俊, 张扬, 王志宁, 张海, 吕俊复, 刘青, 张守玉

  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。

• 快速加热条件下煤和碳酸钙的混合反应动力学研究

  朱书骏, 朱建国, 李佳容, 刘敬樟

  本研究建立了能够实时监测样品质量的高温垂直管式炉试验系统。试验过程中，煤粉的燃烧反应和碳酸钙（CaCO3）的分解反应可以同时进行，其混合反应特性可以反映分解炉的真实情况。在900~1 000 ℃工作温度区间内，温度变化对粉煤的燃烧反应影响很小，但温度是影响CaCO3在较低温度下分解的重要因素。随着混合物中CaCO3质量比的增加，反应速率对温度更敏感。当煤与CaCO3的质量比约为1∶9时，分解产物的BET（Brunauer，Emmett和Teller）比表面积最大。试验数据的动力学分析表明，在不同质量比下混合物的反应动力学模型不同，活化能值随着煤与CaCO3的质量比的增加而降低。为了保证水泥分解炉中CaCO3的分解率和煤的燃烧效率均在较高水平上，有必要将煤与CaCO3的质量比控制在1∶9以上。本研究获得的活化能数据可以为预分解炉的后续模拟计算提供支持。

• 2种离子液体对水泥窑窑尾烟气CO2吸收特性试验研究

  闫全英, 吕一帆, 潘利生, 魏小林, 李冰

  随着全球气候变暖趋势不断持续，工业领域的碳减排迫在眉睫。水泥熟料生产工艺中，水泥窑产生大量富含CO2的烟气，浓度高达30%以上。因此，水泥窑窑尾烟气的碳捕集将对工业领域的碳减排具有重要作用。以2种离子液体M4GuAc(四甲基胍醋酸盐)、TMGLac(四甲基胍乳酸盐)为研究对象，分别考察了其在30、50、70 ℃下对纯CO2和水泥窑窑尾模拟烟气中CO2的吸收特性。结果表明，离子液体对纯CO2和水泥窑窑尾模拟烟气中CO2的最大吸收量皆随温度的升高而大幅降低，70 ℃时2种离子液体对纯CO2的最大吸收量小于其在30 ℃时最大吸收量的50%;M4GuAc、TMGLac对水泥窑窑尾模拟烟气中CO2的吸收效果明显劣于对纯CO2的吸收效果，最大吸收量仅为相同工况下2种离子液体对纯CO2最大吸收量的22.3%和20.9%。70 ℃下对离子液体进行5次吸收和再生循环试验结果表明，2种离子液体的吸收性能基本稳定，再生次数对其CO2吸收能力影响不大。

• 稀土冶炼电解槽余热取热试验研究

  潘利生, 杨欢, 李博, 魏小林, 陈红迪, 史维秀

  冶金行业能耗巨大，稀土冶炼工艺具有同样特点，采用熔盐电解法制备稀土金属时，冶金槽侧壁和冶金槽内熔融液体上表面向外散发出大量热量，并且冶炼过程伴随产生酸性气体。针对稀土冶炼过程中，电解槽以辐射和对流换热的方式向外散失大量余热问题，搭建了稀土冶炼模拟试验槽，采用燃煤放热获得相似的槽内温度场，采用冷却水与模拟电解槽侧壁进行对流换热、与模拟电解槽高温辐射面进行辐射换热，开展稀土冶炼过程中槽壁余热换热和顶部辐射余热换热试验研究。结果表明，槽壁余热换热量随水流量的增大呈上升趋势，水流量对槽壁余热换热量的影响强于辐射受热面与模拟槽顶面距离对其的影响。在试验条件下，模拟槽辐射受热面距离模拟槽顶面0.2 m、水流量为0.285 kg/s 时，槽壁余热换热量最大可达2.256 kW。辐射余热换热量受辐射受热面与电解槽顶面距离的影响较大，随辐射受热面与电解槽顶面距离的减小呈增大趋势。辐射受热面与电解槽顶面距离为0.1 m时、水流量为0.292 kg/s时，辐射余热换热量与总余热换热量达到最大值，分别为19.541 kW和21.114 kW。基于试验数据推算的电解槽实际运行工况下辐射余热换热量可达52.796 kW，总余热换热量最大可达83.237 kW，占电解槽总电耗的55.5%，可为研发稀土冶炼工艺的节能减排技术、实现能源的合理利用提供依据

• 基于微火焰燃烧的新型低氮燃烧器模拟优化

  宋佳霖, 程星星, 孙荣峰, 王志强, 耿文广, 张兴宇, 赵改菊, 员冬玲, 王鲁元

  为应对大气污染严重问题，我国近年来加速了“煤改气”政策的推行，燃煤锅炉逐渐被燃气锅炉替代，开发和设计新型低氮燃气燃烧器具有重要意义。为响应国家“低氮环保”号召，提出了一种新型微火焰燃气低氮燃烧器。采用数值模拟方法对该燃烧器进行了相应的孔径结构优化，并在此基础上进行燃烧工况模拟，以选出燃烧的最优工况。结果表明：随着空气入口口径由16 mm增大到22 mm，由于口径增大，空气流速变慢，燃气甲烷与空气混合反应燃烧时间变长，燃烧释放出更多热量，继续增大口径时，由于小火焰具有更大的散热面积，热量向四周散失，故火焰中心高温区温度先升高后降低，而燃烧器燃烧原料为清洁燃料甲烷，生成NOx主要为受温度影响较大的热力型NOx，故NOx生成量亦先升后降；随着过量空气由1.1增大到1.4，火焰中心高温区明显变小，温度也由2270 K降低到2042 K，由于炉膛内高温区温度降低且空气在高温区停留时间变短，NOx生成量也由412 mg/m3降低到52 mg/m3。因此该新型低氮燃烧器燃烧效果良好，能有效降低NOx排放。在甲烷入口口径设计为2mm，空气入口口径设计为16 mm，过量空气系数设置为1.4时，该新型低氮燃烧器可以达到很低的NOx排放量。

• 污泥阴燃过程及残渣特性分析研究

  成明锴, 李琛, 付建红, 冯超, 徐明厚, 乔瑜

  阴燃是一种新型低热值有机固废热处理技术，针对污泥的阴燃灰渣特性开展污泥自持阴燃试验，以期为污泥的阴燃处置技术推广提供关于灰渣处置的技术支持。利用自制阴燃台架，含水率50%污泥在空气达西流速3.5 cm/s、污泥/沙掺混比1∶4的条件下进行自维持阴燃试验。通过阴燃温度曲线图解析了污泥自持阴燃处置的过程特性，并根据温度曲线对失重及质量变化速率进行计算分析。通过同时开展污泥在1 000 ℃的燃烧以及500 ℃的热解试验，分别收集燃烧灰、热解焦，利用BCR逐级提取法对阴燃灰、燃烧灰、热解焦中的常量元素（Na、K、Mg、Ca、Al、Fe、P）和痕量重金属元素（Zn、As、Cr、Cd、Pb、Ni、Cu）的赋存形态进行对比解析。研究发现，自持阴燃过程可以划分为4个阶段：预热、引燃、自持阴燃、燃尽；试验过程最高温度为引燃阶段底部物料燃烧峰值温度678 ℃，自持阴燃过程平均温度517 ℃；自持阴燃过程燃烧面平均传播速率为0.37 cm/min，平均质量变化速率为10.41 g/min；阴燃灰中主量无机矿物元素为Si，主要痕量重金属元素为Zn、Pb、Cr；阴燃灰、热解焦、燃烧灰中Na、K、Al、Fe、P以及As、Cr、Cd、Pb主要以残渣态形式存在，同时，阴燃灰中Na、K、Mg以及Ca、Zn、As、Ni酸可溶态含量比热解焦和燃烧灰高，对于污泥阴燃、热解、燃烧处置后固体产物的处理及利用应对元素的不同赋存特点予以区分。

• 扰流件排列对亚微米颗粒湍流团聚效率影响研究

  李正鸿, 刘鹤欣, 杨富鑫, 冯鹏, 谭厚章

  燃煤工业亚微米颗粒物的排放会危害环境和人体健康，而团聚方法是脱除亚微米颗粒的主要手段之一。通过搭建亚微米颗粒湍流团聚试验台，利用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）测量湍流段前后进出口亚微米不同粒径数量浓度，研究不同扰流柱排列对亚微米颗粒团聚效率的影响，并结合Fluent软件分析了流场对颗粒团聚效率的影响。结果表明，亚微米颗粒湍流团聚效率与颗粒粒径大小有关，粒径较小的亚微米颗粒团聚效果较好，小粒径颗粒（粒径30 nm）团聚效率均在10%以下，颗粒直径大于502 nm时，不同流速下颗粒的团聚效率变为负值；对流速分析，发现亚微米颗粒团聚效率随流速增大出现先增大后减小的趋势，是由扰流区湍流强度及颗粒停留时间造成；探究扰流柱布置及排列对团聚效率的影响时，发现亚微米颗粒的团聚效率随扰流件的增大而减小，随扰流件横向间距的增大而逐渐减小，随纵向间距的增大先变大后减小，随排数的增大而变大，主要是扰流件尾迹区域内涡街强度与涡街长度的综合作用，涡街强度大会促进颗粒的碰撞几率，而涡街长度能提高颗粒在湍流区的停留时间，进而提高团聚效率。

• 亚微米颗粒物湍流团聚数值模拟研究

  冯鹏, 盛虎, 周虎, 王承亮, 刘鹤欣, 李正鸿, 谭厚章, 杨富鑫

  亚微米颗粒物（Submicron Particle）是大气污染物的重要来源之一，危害人体健康，湍流团聚是脱除燃煤烟气中亚微米颗粒的重要手段。利用k-ε湍流模型与离散相（DPM）模型，在亚微米颗粒物湍流团聚试验平台基础上建立了一个由湍流效应和布朗运动共同作用的亚微米颗粒团聚过程的数值模型，根据试验数据对模型进行合理性验证，研究了湍流团聚器的进口流速、扰流件排布、扰流件形状对亚微米颗粒团聚特性的影响规律。结果表明：扰流件迎风面和扰流件的纵向尾迹区是碰撞和聚集的主要区域；小粒径亚微米颗粒物的团聚效率明显大于大粒径，从粒径593.5 nm处团聚效率开始变为负数；不同流速下，由于更小粒径颗粒物在涡流中跟随能力更强，PM0.1的团聚效率均大于PM1，湍流团聚器的进口流速不宜过大，以保证亚微米颗粒物所需要的停留时间。模拟所采用的三棱柱错排扰流件的最大团聚效率对应的流速为5 m/s；亚微米颗粒物在顺排、错排结构的团聚效率差别不大，但顺排和错排结构对亚微米颗粒物的作用机制有较大差别，顺排结构扰流件尾迹区的涡街得到充分发展，而错排结构包含更多迎风面，增大了颗粒物碰撞几率，更易受到侵蚀；此外，单个扰流件条件下，由于Y型扰流件的产涡能力更强，比圆柱型扰流件和三棱柱型扰流件具有更好的湍流团聚效果。