洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2021年第04期

• 在线热解-质谱联用技术在煤转化中的应用

  徐吉, 朱家龙, 胡浩权, 靳立军

  热解产物分析，尤其是热解初级产物的原位检测与分析是认识煤热解反应机理的重要途径。综述了热重分析与质谱联用（TG-MS）、热裂解仪与气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）和原位热解-真空紫外单光子/电子轰击双电离与飞行时间质谱（in-situ Py-PI/EI-TOF-MS）3种在线热解-质谱联用技术在煤热解及催化热解方面的应用，并分析其优缺点。TG-MS可获得煤转化率与热解气相挥发物（尤其是轻质组分）随热解温度的逸出特性，Py-GC-MS能够实现快速升温速率下热解挥发物的定性与定量分析，而in-situ Py-PI/EI-TOF-MS具有原位分析性好、灵敏度高、弱电离和易清洗等优点，可实现对类煤模型化合物、原煤及其萃取组分、生物质、废塑料等单独热解或共热解过程初级产物的原位检测以及二次演化行为的认识，也适用于热解挥发物的催化反应研究，是一种具有前途的、从分子水平上认识煤炭等含碳有机物热转化反应机理的有效手段。

• 燃煤工业锅炉飞灰回用鼓泡（乳化）湿法脱硫除尘一体化系统研究

  赵雪, 罗楠洋, 韩枝宏, 薛瑜, 黄成梠, 张巧铃, 吕钊敏, 谭厚章

  针对目前工业锅炉石灰石湿法脱硫系统易堵塞、运行费用高等问题，开发了一种新型燃煤工业锅炉飞灰回用鼓泡（乳化）湿法脱硫除尘一体化系统，改变传统粉煤灰脱硫仅作为脱硫剂载体直接喷入烟道的利用方式，通过提纯粉煤灰中Ca2+离子制成碱性浆液实现粉煤灰湿法脱硫，不需添加其他脱硫剂。同时新型脱硫系统不设置喷头装置，通过“飓风旋流器”让烟气切割脱硫剂形成乳化层达到增加反应时间和反应面积的效果。通过某14 MW工业热水锅炉应用结果表明：高、中、低3种负荷下，新型脱硫系统均运行稳定，平均入口烟气温度为100 ℃，较改造前锅炉排烟温度降低30～50 ℃，有效提升了锅炉热效率；中负荷运行条件下，经新型脱硫系统脱硫后SO2含量为10.9 mg/m3，脱硫效率91.2%，同时脱硫系统协同除尘效率达98.94%，再经湿式静电除尘（雾）器深度除尘后烟尘浓度为4.8 mg/m3，达到超低排放标准。该系统解决了传统石灰石湿法脱硫喷头装置易堵塞问题，同时省却了传统布袋除尘器，运营成本低，具有良好的推广前景。

• 循环流化床超低NOx与SO2排放技术研究进展

  王超, 宋国良, 吕清刚

  因固有的低污染物排放控制成本优势，循环流化床(CFB)锅炉已成为商业化程度最好的洁净煤燃烧技术之一。随着超低排放标准的提出，CFB燃烧技术也面临巨大挑战。为满足超低排放标准，通常要使用烟气净化处理装置，导致CFB锅炉污染控制成本显著增加。如何低成本实现CFB锅炉NOx与SO2原始超低排放成为关注焦点。系统论述了现有CFB超低NOx和SO2排放技术、最新开发的CFB超低NOx燃烧技术、炉内CFB超低SO2排放技术和CFB超低NOx、SO2协同控制技术等。研究表明：开发高效分离器不仅可提升CFB燃烧效率，也是保证超细石灰石高效脱硫的前提，分离器效率越高，CFB燃烧效率和超细石灰石脱硫效率越高；随着循环流化床锅炉的大型化发展，炉膛截面越来越大，如何实现超细石灰石在大型炉膛内横向的均匀混合成为第1个技术难点；控制单一气体使其满足超低排放的技术相对成熟，但如何协同控制NOx和SO2使之满足超低排放标准成为第2个技术难点；现阶段CFB炉内超低排放技术仅针对某些特定的燃料可达到超低排放，针对其他常规燃料，NOx和SO2能否达到超低排放仍需要进一步深入研究。

• 费托合成渣蜡资源化利用研究进展

  王世伟, 焦甜甜, 张亚青, 李湘萍, 张华伟, 梁鹏

  我国能源结构以煤炭为主，石油、天然气对外依存度逐年升高，为了缓解能源供需矛盾和保障国家能源安全，我国煤化工行业正面临着新的挑战与机遇。基于费托合成的煤炭间接液化技术是缓解石油资源紧张和促进煤炭资源清洁高效利用的有效方法之一。费托（F-T）合成浆态床反应器后过滤系统会产生大量的固体废弃物费托合成渣蜡，其中含有40%～60%石蜡，长期存放易蓄热自燃，是一种相对危险的固废。目前对于费托合成渣蜡的处理方式主要是将其掺烧或掩埋，造成了极大的资源浪费及安全隐患。介绍了费托合成浆态床技术，费托合成渣蜡的形成及存在问题等。综述了国内外对于费托合成渣蜡回收利用的研究进展，分析对比了离心法、表面活性剂法、过热蒸汽喷射法、超声波处理法、萃取和热解技术对于回收石蜡的优势与局限性，提出了采用多种分离技术耦合可以在减少石蜡化学结构破坏的基础上提高石蜡回收率的思路。回收石蜡后的废白土可作为建筑、陶瓷、橡胶填料等再利用，或再生为新鲜白土用作染料吸附和漂白剂等。对废弃渣蜡进行资源化利用和无害化处理既可以回收优质石蜡，又可以缓解资源紧缺及环境污染问题。开发操作简单、利用率高、不产生二次污染且具有一定经济效益的综合利用路线，是费托合成渣蜡资源化利用的有效途径和迫切需求。

• 褐煤热转化过程氢键分布特征及调控手段研究进展

  侯冉冉, 白宗庆, 冯智皓, 郭振兴, 孔令学, 白进, 李文

  褐煤氧含量高且具备良好热反应性，是制备酚类、腐植酸等高附加值含氧化学品的重要原料。褐煤中的杂原子尤其是丰富的含氧官能团（酚羟基、羧基等）导致了大量氢键的存在，褐煤热转化过程（热解、干燥和直接液化等）中常见氢键包括煤中氢键和褐煤-溶剂间氢键等。煤中氢键和褐煤-溶剂间氢键在构型和强度上存在明显区别，目前可通过体积溶胀度、红外光谱等观测手段以及量子化学计算进行探究。煤中氢键和褐煤-溶剂间氢键广泛存在且明显作用于褐煤热解和直接液化等热转化过程。煤中氢键是维持褐煤大分子网络结构稳定的重要因素，能在热解过程中诱导酚羟基和羧基脱水，进而促进褐煤热转化过程中的低温交联反应，不利于焦油等轻质产物的生成。褐煤-溶剂间氢键是褐煤与溶剂相互作用的重要形式，其强度显著影响褐煤在热转化过程中的物理化学反应如萃取、溶胀以及脱氧等。充分认识褐煤相关氢键的存在形态和影响因素，并以此为基础进行氢键调控，对于褐煤清洁高效转化具有重要意义。现有的氢键调控主要目的在于破坏煤中氢键，从而在一定程度上抑制热转化过程中的交联反应。氢键调控方法主要包括低温预热以及使用吡啶、离子液体等强氢键受体进行溶剂预处理等。当前针对褐煤-溶剂间氢键的研究主要停留在定性层面，缺乏褐煤热转化过程中的原位观测以及定量分析。

• 基于预热燃烧技术平台的神木烟煤预热段有机硫变化研究

  张嘉航, 朱建国

  煤炭是我国主要能源，然而煤炭燃烧释放的SO2等污染物影响环境。煤中有机硫结构复杂、形式多样，研究相对困难，因此研究煤中有机硫转化特性可为燃煤SO2污染物排放控制提供理论支撑。在30 kW预热燃烧试验平台上对神木烟煤开展了预热燃烧试验，试验过程中对于测量点进行固体取样，利用X射线光电子能谱技术（XPS）和X射线衍射（XRD）对神木烟煤及预热半焦中的有机硫进行分析。结果表明：神木烟煤中有机硫的主要形态可分为4种：硫醇和硫醚（32.6%）、噻吩（16.0%）、亚砜（15.9%）和砜类（15.3%），无机硫有CaSO4、FeS2；当循环流化床的预热温度达到800 ℃以上时，预热半焦中硫形态及含量与原煤相比发生较大变化，表现为预热半焦中无机硫除原有种类外出现了CaS，预热半焦中的有机硫随着预热中空气当量比的增加分解程度加深，其中硫醇和硫醚因分解而减少最多，噻吩、亚砜类次之，砜类物质相对含量增大。砜类物质相对含量增大的原因一方面与其他有机硫形态分解有关，另一方面可能存在硫醇、硫醚等向砜类物质的转化。

• 宁东煤热解初始段硫迁移的分子动力学模拟

  王坤, 梁文政, 王翠苹

  为探究硫元素在煤热解过程中的迁移规律和污染物的形成，以宁东煤为研究对象，采用X射线光电子能谱、13C固体核磁等表征手段结合工业分析、元素分析对宁东煤内部元素种类、化学价态以及成键方式进行分析，构建了2种含硫低阶宁东煤干燥无灰基下的化学结构模型。在Material Studio软件中经过分子动力学退火模拟和几何结构优化得到了立体结构明显的化学结构，保证了每个模型盒子中有4个硫原子，以正确归纳煤热解过程硫的迁移路径和产物。采用ReaxFF力场在参考温度2 500 K下进行200 ps的分子动力学模拟，发现热解产物分布与参考模拟结果吻合较好，证明了模型构建的合理性。通过归纳硫醇和硫酚存在形式的S原子分别在煤热解过程初段的转变特性，发现2种存在形式的硫原子均进入焦油产物中，但具有不同的迁移速率和稳定链结构。这属于硫在煤热解初始阶段的迁移，可解释实际低温煤热解时煤焦油中含硫较高的现象。需提高模拟参考温度或延长计算时间，才能确定煤热解过程硫迁移的二次反应行为。

• 低阶煤低温干馏工艺煤焦油组分还原与组成分析

  杨秦林, 刘永琦, 唐星, 么秋香, 孙鸣, 马晓迅

  中低温煤焦油的真实产率与组成分布对于评价煤低温干馏工艺具有关键的指导作用。为了得到煤焦油的准确产率、轻重油分布规律和全组分信息，以中低温煤焦油轻油（LCT）和重油（HCT）为原料，对LCT∶HCT∶水=1∶1∶1的混合物进行加热重组，得到重组煤焦油（RCT）、重组煤焦油轻油（RLCT）和重油（RHCT）。通过正己烷超声萃取分别得到正己烷萃取物（E-CT、E-LCT、E-HCT、E-RCT、E-RLCT以及E-RHCT）和萃余物（I-CT、I-LCT、I-HCT、I-RCT、I-RLCT以及I-RHCT），利用气质联用仪（GC-MS）和热重分析仪-傅里叶红外联用（TG-FTIR）技术，对各萃取物和萃余物的组成结构、热解行为及气体逸出特性进行分析。结果表明，通过煤焦油重组试验，RLCT为24.93%，RHCT为75.08%；重组煤焦油正己烷萃取物以烷烃、芳烃和酚类物质为主；E-CT相较于E-LCT和E-HCT，脂肪烃含量减少、酸性化合物增多；E-RCT相较于E-CT，芳烃含量明显降低，E-RHCT富集芳烃和酸性化合物，脂肪烃含量降至35.05%；重组煤焦油萃余物主要由饱和分和芳香分构成；重组后I-RHCT与I-RLCT轻质组分减少，萃余物的热稳定性更好。

• 碱/碱土金属对煤热解半焦燃烧特性的影响

  郑洪岩, 黄有航, 曾浩, 赵消旭, 冯智皓, 侯冉冉, 白宗庆

  低温热解提油-半焦燃烧可以实现低阶煤的梯级高效利用，是目前低阶煤高效利用的研究热点。由于热解半焦挥发分低，导致其燃点高、难燃尽，而添加助燃剂是改善低挥发分煤热解半焦燃烧特性的有效途径。采用热重法研究了碱金属（K2CO3）和碱土金属（CaCO3）添加剂对半焦燃烧特性的影响，并利用Kissinger-Akahira-Sunose （KAS）模型对不同条件下的燃烧活化能进行研究。结果表明，半焦着火温度高、燃烧性能差，半焦中碱性矿物质对其燃烧性能有一定催化作用；CaCO3的添加对半焦燃烧特征参数的影响不大，说明其对半焦燃烧性能的促进作用不明显；与碱土金属CaCO3不同，添加碱金属K2CO3能显著降低煤热解半焦的燃点、最大燃烧峰温及燃烧指数；同时随着K2CO3添加比例的增加，半焦表观燃烧活化能显著降低，说明其能明显促进半焦的燃烧反应性；在本研究试验条件下，添加2% K2CO3对改善半焦燃烧性能效果最好，同时采用浸渍法添加K2CO3的分散效果更好，因此相比机械混合方式，浸渍法添加K2CO3更能改善半焦的燃烧特性。

• 压力对热解煤焦结构及其燃烧反应性的影响

  闫华青, 张先炼, 许凯, 李寒剑, 徐俊, 汪一, 江龙, 苏胜, 胡松, 向军

  加压富氧燃烧被认为是一种更加高效清洁的第2代富氧燃烧技术而备受关注。热解作为煤燃烧的第1步，不同的热解条件（压力、气氛、升温速率等）将直接影响煤焦的物理和化学结构，导致其燃烧反应性的差异，目前加压富氧燃烧条件下，煤焦反应性与结构性质之间的关联研究鲜见报道。自主设计并建立了一套加压聚光光热快速升温试验平台，最大升温速率可达80 ℃/s，选用红沙泉（HSQ）和五彩湾（WCW）2种准东煤，制备了不同压力（常压～1.5 MPa）及热解气氛（N2、CO2）下的煤焦，采用比表面积分析仪、拉曼分析仪、热重分析仪等表征手段考察了压力及热解气氛对煤焦的结构特性及其燃烧反应性的影响。结果表明，在惰性N2气氛下，HSQ和WCW煤在压力1.5 MPa时的煤焦产率较常压下分别增加了3.54%和10.49%；在CO2气氛下，HSQ煤在压力1.5 MPa时的煤焦产率较常压下降低了16.40%，煤焦产率在2种气氛下随压力的改变呈相反趋势。N2气氛下，随着压力从常压增至0.4 MPa，HSQ/WCW煤焦的比表面积增加，从24.20/14.85 m/g增至26.27/46.19 m/g，但压力继续增至1.5 MPa时，HSQ/WCW煤焦的比表面积呈下降趋势，从26.27/46.19 m/g降至21.21/39.46 m/g；相同压力下，CO2气氛下制备的煤焦孔隙结构更发达，常压和1.5 MPa压力时，CO2气氛下制备的HSQ煤焦比表面积分别为N2气氛制备煤焦的6.46和9.03倍，这也是CO2气氛下制备的HSQ煤焦燃烧反应性优于N2气氛煤焦的主要原因。随着压力增加，2种气氛下，2种煤焦拉曼光谱分峰拟合计算得到的I(GR+VL+VR)/ID值均逐渐下降，煤焦的化学结构趋于更加稳定，这也使得高压下制备煤焦的燃烧反应性下降。但相同压力下，CO2气氛下制备的HSQ煤焦I(GR+VL+VR)/ID值低于N2气氛制备的HSQ煤焦，高压下由于CO2与焦炭的气化反应增强，消耗更多的无定形碳，2种气氛的I(GR+VL+VR)/ID差异更明显，但由于物理孔隙结构差异的主导作用，使CO2气氛下制备的HSQ煤焦燃烧反应性更好。可见，煤焦的燃烧反应性受其物理结构和化学结构的共同影响。

• 新疆淖毛湖煤直接液化反应行为研究

  单贤根, 舒歌平, 曹雪萍, 王洪学, 高山松

  为研究新疆淖毛湖煤直接液化反应特性和产品分布规律，在0.5 L间歇式高压釜中，以四氢萘为溶剂，纳米氧化铁为催化剂及S为助剂，考察了不同反应温度、反应时间条件对煤转化率和液化产物收率的影响。结果表明：淖毛湖煤易液化，在反应器温度刚加热到425 ℃时，煤转化率和液化油收率已分别达到96.6%、56.68%；随着反应温度的升高以及反应时间的延长，煤转化率、氢耗、气体产率、油收率逐渐增加，而沥青类物质产率下降，水产率基本保持不变；当反应温度进一步增加以及反应时间继续延长，轻质油将会发生裂解，导致气体产率进一步增加，而油收率有所降低。当反应温度为455 ℃、反应时间为80 min时，煤转化率达到99.6%，油、沥青和气体收率分别为73.42%、1.64%、16.61%，氢耗为4.85%。基于液化试验结果，建立了5集总的反应动力学模型，采用优化算法获得动力学模型参数，煤转化率、沥青类物质和油气收率的模拟值和试验值的相对误差分别为0.5%、1.0%、8.0%。

• 煤直接液化残渣的成焦行为及在配煤炼焦中的应用

  陈智辉, 吴幼青, 吴诗勇, 黄胜, 陈大波, 孙硕, 顾嘉乐

  红柳林煤(HLL)经温和加氢液化(430 ℃)和炭化(410 ℃)得到的液化残渣(DCLR)与其他5种原料煤在实验室条件下配煤炼焦制备坩埚焦，有利于缓解优质炼焦煤短缺的现状，降低配煤炼焦的成本，有利于实现煤炭资源的综合利用。研究了原煤黏结指数，利用不同配比的煤样进行实验室坩埚焦的制备，分析了其焦炭成焦率、冷态强度和热态强度等性质，并提出配煤体系中加入DCLR的作用机理。结果表明：加入5%和10%的DCLR可分别替代12%和18%的优质炼焦煤，且得到的焦炭品质不变。DCLR加入量从5%增至10%时，焦炭的抗碎强度提升了1.20%，耐磨强度降低了1.04%，焦炭的热反应性提升了3%，反应后强度增加了2%；此外，DCLR的添加量不宜过高(<15%)，这是因为DCLR的高活性和高含量的惰性组分使配合煤的黏结性下降。DCLR最佳的制备条件为：液化温度430 ℃、炭化温度410 ℃、1%碱式氧化铁催化剂，此时制备的DCLR的黏结性指数为68，黏结性较强，适合作为配煤炼焦的添加剂和黏结剂。DCLR和气煤(QM)相互作用可部分替代肥煤(FM)，使中间相的流动度增加、配煤的熔融温度区间拓宽，体系中大量气体冲刷胶质层，使胶质体充分渗透到煤颗粒的孔道中，得到高强度的焦炭。焦化初期，DCLR和QM的相互作用对于焦化关键过程有一定的影响，焦炭的各向异性程度增加。

• 移动式颗粒床气固分离性能冷态试验

  樊英杰, 刘今乾, 马琛, 郭伟, 杨伯伦, 吴志强

  以热解为首要步骤的煤炭分质转化技术可在较温和的条件下实现煤炭高效利用，其中含尘热解气净化是该技术规模化应用需要解决的关键问题之一。颗粒床过滤技术具有过滤效率高、滤料成本低等优势。为考察移动式颗粒床对粉煤热解气除尘过滤的有效性，选用小麦为颗粒床冷态试验的滤料介质，硅胶粉为试验粉尘，在自行设计的冷态试验平台上考察各操作条件对颗粒层过滤除尘效率的影响规律。结果表明：过滤效率的影响因素顺序为：表观风速＞过滤层厚度＞滤料下料速度；过滤效率随表观风速的增大而减小，随过滤层厚度的增加而增大。过滤层厚度增至200 mm以上时，过滤效率变化较小；而滤料下料速度增大，过滤效率减小。粉尘粒径达10 μm后，过滤效率基本可维持在98%。在优化的过滤条件下（过滤层厚度为300 mm，滤料下料速度为0.002 m/s，过滤时间为10 min），最佳过滤效率可达98.1%。试验结果不仅实现了对常温下移动颗粒层过滤性能的预测，也为粉煤热解含尘煤气颗粒床热态除尘装置的设计提供了依据。

• 循环流化床锅炉脱硝工艺经济性分析

  蔡晋, 吴玉新, 张缦, 马强强, 刘青, 吕俊复, 杨海瑞

  循环流化床锅炉炉内低氮燃烧无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化。烟气净化工艺主要有SNCR脱硝和SCR脱硝。为了比较2种工艺的经济性，建立了技术经济分析模型，对比分析了满负荷时的经济技术指标。结果表明：脱硝剂价格、催化剂价格和年运行时间是影响脱硝成本的主要因素，尿素价格对SNCR脱硝成本的敏感度最大，液氨对SCR脱硝成本的敏感度大于催化剂价格。SNCR脱硝的运行成本和总成本相对较低时要求NOx浓度分别低于140和228 mg/m3。基于入口NOx浓度200 mg/m3，对SCR工艺和SNCR工艺的经济性比较表明，当尿素价格低于3 402元/t时，SNCR总成本较低；当液氨单价高于3 300元/t时，SNCR工艺总成本更经济；在催化剂和年运行时间研究波动范围内，SNCR总成本始终最低、最经济。SNCR-SCR联合脱硝工艺不具备经济优势，且入口NOx浓度为151～273 mg/m3时总成本最高。超低排放循环流化床锅炉技术可以改善SCR工艺和SNCR工艺的经济性，并使SNCR工艺的优势更为突出。

• 煤气化细渣预热脱碳工艺燃烧特性研究

  史兆臣, 王贵山, 王学斌, 陈永强, 于伟, 苗延军, 彭永红, 谭厚章

  煤化工气化工艺会产生大量气化细渣，其含碳量高、烧失量大，不符合建筑掺混原料国家标准和行业标准，产量巨大的气化细渣因缺乏有效的规模化消纳方式，成为现阶段制约煤化工企业可持续发展的重要因素。通过对一种低挥发分低热值燃料恒温预热-脱碳装置的预热脱碳工艺进行机理研究，利用热重试验平台进行恒温热重试验，对低挥发分、低热值燃料恒温预热-脱碳装置内部燃烧过程进行模拟，以对比分析不同预热温度、不同燃烧气氛下粒径分级气化细渣的燃烧特性。研究发现，通入氧气后，气化细渣样品迅速发生氧化反应，900 ℃、10% O2下燃尽时间在6.6～9.4 min，900 ℃、21% O2下燃尽时间在3.7～5.6 min，因此在保证NOx排放量在规定范围的条件下，可适当提高窑内燃烧区氧浓度以缩短燃尽时间。随预热温度的升高，同粒度分级的气化细渣样品的平均质量变化速率增大，燃尽时间缩短，预热温度的提高可改善气化细渣的燃尽特性，在设备安全运行下可适当提高燃烧区温度以更快燃尽。不同燃烧气氛、不同预热温度下，随气化细渣粒度增大，失重量增大，燃尽时间延长，平均质量变化速率递减，该“预热-脱碳装置”可根据物料粒度合理调整物料停留时间实现充分燃尽。

• 碳税交易下的典型生物质混烧技术经济分析

  范翼麟, 王志超, 王一坤, 张缦, 姚伟, 张广才, 吴玉新

  随着中国2030碳达峰、2060年碳中和目标的提出，在发展能源的同时不断降低温室气体排放已成为电力生产的必要约束条件，生物质混烧技术可有效降低CO2排放量，增加绿色能源的份额。但我国现有燃煤电厂中混烧的实际应用仍较少，目前，经济性是制约生物质混烧在我国发展的主要因素。随着政府补贴机制的退出，该技术应用于发电面临着巨大挑战。然而，碳税交易机制可能会给生物质混烧的经济性带来新的转机。建立了生物质混烧发电的技术经济计算模型，评估了混烧技术取代煤炭装机容量的技术经济潜力，研究了在碳税交易背景下考虑不同约束条件时采用生物质混烧的经济可行性。结果表明，当标准煤价格为780元/t、碳税价格为60元/t、定热值生物质价格为450元/t时，可基本实现生物质混烧的盈亏平衡。对参数的敏感性分析表明，在给定热值下，标准煤价增加100元/t与生物质价格减少50元/t或碳税增加36元/t对额外成本的影响基本相同。单位热值的生物质价格、标准煤价格和碳税均对经济性具有重要影响，较低的单位热值生物质价格和较高的碳税比率有利于煤价达到混烧与纯燃煤的盈亏平衡点。由于单位热值生物质价格、煤价、运输费用等因素对混烧的经济性均有影响，需以各电厂的具体参数为背景确定混烧的经济性。

• 混合生物质燃料循环流化床锅炉受热面结焦机理研究

  赵小军, 孙锦余, 薛东发, 刘义

  某75 t/h生物质循环流化床锅炉长期燃用混合燃料(桉树皮、木尾、木板、竹子和工业合成板)，在实际运行过程中高温过热器和低温过热器区域结焦严重。考虑到不同生物质燃料特性的差异性，了解混合生物质燃料燃烧中壁面的结焦机理尤为迫切。研究了5种生物质燃料的灰成分和灰熔点特性，并对该循环流化床锅炉结焦严重的高温和低温过热器受热面区域的结焦和积灰样品进行物理和化学特性表征。研究结果表明：该锅炉所燃用的生物质燃料中，竹、木尾和木板的钙和钾含量高，灰中CaO含量在30%左右，K2O含量在10%以上；桉树皮硅和铝含量高，灰中SiO2含量高达62.4%；工业合成板与木尾含有较多的氯元素，灰中氯含量分别为0.670%和0.865%。5种生物质除竹和工业合成板灰熔融温度较低外，其余生物质灰熔融温度高，软化温度在1 200 ℃以上。过热器区域的结焦呈分层结构：高温过热器焦样的外层较硬，中层包含白色的KCl晶体和飞灰颗粒，外层以及飞灰颗粒均以Ca2Al2SiO7、SiO2、KCl、Ca2MgSi2O7等为主；低温过热器焦样外层的灰成分与高温过热器侧焦样的组分相同，但白色中层的KCl晶体含量更高，其同烟气中KCl蒸气的冷凝析出密切相关。

• 基于动态自适应反应的煤粉无焰燃烧燃料氮转化机理研究

  刘璐, 李鹏飞, 成鹏飞, 刘耀蔚, 胡帆, 柳朝晖, 郑楚光

  无焰燃烧是近年来广受关注的新型高效清洁燃烧技术之一，具有容积式低反应速率燃烧区和典型中低温燃烧特性,需耦合详细反应机理并考虑湍流与化学反应交互，以提高无焰燃烧及其NO生成数值模拟精度。基于动态自适应反应机理对煤粉无焰燃烧和NO生成特性进行了高保真数值模拟研究。通过采用动态自适应机理简化算法，模拟过程实时对自主发展的含氮骨架机理进行当地简化。评估发现，相较于单纯采用骨架机理模拟，采用动态自适应反应可在不牺牲计算精度的条件下获得约3倍的计算加速，且对炉内NO生成的预测精度显著优于传统NO后处理模拟方法。基于经试验验证的模拟结果，还获得了HCN和NH3等典型含氮前驱体的炉内分布，并进一步分析了煤粉无焰燃烧燃料氮转化路径、炉内活跃组分和活跃反应等氮转化关键信息。结果表明，煤粉无焰燃烧NO生成主要取决于NH3、HCN和N2O中间体，而NCO和HNO是较为关键的中间组分。HCN中间体主要通过HNCO/CN和NCO路径生成NO。NH3中间体由HNCO生成，并进一步转化为NH2和HNO，最终生成NO。N2O路径主要参与NO还原，对NO生成贡献较低。CH3CN也是生成NO的重要中间组分，可通过NCO路径生成NO。

• 一次风速对高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器性能影响的数值模拟

  王小龙, 张飞龙, 王里, 许鑫玮, 张仪祥, 王学斌, 谭厚章

  高浓度煤粉燃烧器能稳定燃烧和显著降低NOx排放，是一种经济环保的燃烧技术，其一次风速对炉内着火延迟、煤粉燃烧稳定性以及NOx排放量都有重要的影响。为了确定适合新型高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器的一次风速，为燃烧器的现场试验和实际运行提供指导依据，采用ANSYS Fluent软件模拟计算了一次风速对煤粉燃烧稳定性和NOx排放的影响。先进行网格无关性检验，并用一台25 t/h全尺寸煤粉工业锅炉进行试验，验证了模型的准确性。数值模拟计算结果表明：新型高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器可在预燃室和炉膛内形成2个回流区，预燃室内的回流区保证煤粉稳定燃烧，炉膛内的回流区降低NOx。一次风速过低时，一、二次风的后期混合减弱，煤粉燃烧不稳定，NOx排放量略微升高；一次风速过高时，二次风与煤粉的混合被削弱，煤粉燃烧同样不稳定，且焦炭转化率明显下降，NOx排放大幅增加;一次风速从17 m/s增加到20 m/s，出口截面NOx浓度提高约10%；适当的一次风速不仅能稳定煤粉着火和燃烧，还能实现NOx低排放。试验研究燃烧器的最佳一次风速在14～17 m/s。

• 煤粉燃烧过程中硫组分详细反应机理评估及简化

  刘仕海, 吕嗣晨, 郝昊, 李春玉, 周璐, 马红和

  空气分级燃烧等低NOx燃烧技术广泛应用于电厂锅炉，以降低炉膛出口NOx浓度，但实际应用过程中会造成锅炉水冷壁腐蚀，严重影响煤粉锅炉的安全运行。为了准确预测锅炉水冷壁附近H2S浓度，运用Chemkin软件对已建立的H2S生成详细反应机理模型进行评估并简化。验证C/H/O详细反应机理与H2S生成详细反应机理的耦合性，表明GRI-3.0能更好地预测煤粉富燃料燃烧过程中重要组分浓度分布；将耦合后的机理作为起始机理，与其他学者建立的硫详细反应机理进行比较，结果表明，本课题组的硫组分详细反应机理模型能够较好地描述煤粉燃烧过程中气态硫组分的演化，将CS2作为重要硫组分进行研究，能够更好地预测硫组分浓度分布；通过简化结果比较，选择基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)的简化结果作为硫组分简化反应机理，包含15个组分和28个基元反应，并在1 373～1 673 K验证，表明该简化机理适用于煤粉富燃料燃烧过程中硫组分浓度分布预测。

• 高钠煤掺烧煤矸石固钠和协同作用研究

  颜井冲, 杨启同, 张丽, 方红新, 雷智平, 李占库, 水恒福

  为研究高钠煤掺烧煤矸石抑制煤灰沾污结渣可行性，采用热重分析仪和固定床反应器考察了二者掺烧性能及掺烧对煤灰中Na保留的影响。通过掺烧前后灰渣中Na含量的差异，评价高钠煤掺烧煤矸石提高Na在灰渣中保留的可行性。通过对比理论和试验燃烧失重和质量变化速率，确定二者掺烧中协同转化性能。试验用高钠煤中的Na主要以水溶性、酸溶性和胺溶性钠为主，但燃烧前后均未检测到含钠化合物的晶体衍射峰。掺烧可显著提高灰渣中钠含量，当高钠煤燃烧中添加10%煤矸石时，灰渣中Na含量提高50%～75%，证实了掺烧煤矸石可实现燃烧中固钠。同时，掺烧提高了燃烧反应速率，降低了最大燃烧失重峰温，表现出明显的协同转化作用。通过进一步优化掺烧工况，有望实现高钠煤与煤矸石协同、高效、安全转化，达到节能减排目的。

• 660 MW燃煤机组汞迁移转化特性研究

  陈崇明, 党志国, 车凯, 韩忠阁, 张立军

  燃煤电厂是我国汞排放的主要源头。为表征燃煤电厂中汞的脱除性能，以某660 MW燃煤机组为例，系统研究了500 MW和600 MW工况下,汞在选择性催化还原脱硝装置（SCR）、静电除尘器（ESP）、湿法脱硫（FGD）以及湿式除尘器（WESP）等设施中的迁移特性。结果表明，各测试位置的汞质量平衡率分别为72.01%～90.05%、79.14%～96.36%，验证了测试准确性；烟气汞是主要的排放形式，其次为排灰、石膏，脱硫废水和炉渣排放占比很小；脱硝催化剂促进单质汞向氧化汞和颗粒汞的转化率超过40%，但对总汞减排不明显；ESP可以去除全部颗粒态汞，但因对单质汞和氧化汞的脱除率较低，总汞脱除率最高仅为33.73%；600 MW工况下因浆液中HSO-3还原氧化汞作用更强，导致单质汞浓度增加更明显，FGD和WESP对氧化汞的累计脱除率达91%以上。沿程环保设施对总汞的脱除效率高于59%，SCR下游设施对单质汞和氧化汞的协同脱除率最低分别为6.16%、94.12%，表明SCR对单质汞的氧化是降低汞排放的关键。机组排放的烟气总汞质量浓度最高为3.66 μg/m3，小于国家排放标准。

• 660 MW切圆燃烧塔式锅炉烟温偏差机理数值模拟

  毛睿, 李源, 任利明, 张平安, 陈鑫科, 马仑, 方庆艳

  降低烟温偏差是塔式锅炉的特性之一，但实际运行过程中其烟温偏差仍存在，目前还缺乏其偏差形成机理的深入研究。以一台660 MW 四角切园燃烧的塔式锅炉为对象，研究了额定工况下的屏式受热面区域烟气流场偏斜与温度偏差特性；设计了3种不同的烟道结构和屏式受热面布置工况，研究其烟温偏差机理。结果表明：模拟值和烟温偏差特性与试验值和实际运行偏差特性一致。屏式受热面区域存在明显的烟气流动偏斜和温度偏差，左侧区域的速度和温度明显高于右侧区域；随着高度增加，左右两侧的流动和烟温偏差先增后减，在标高68 m的三级过热器入口附近烟温偏差达到最大值。引起烟气流动和烟温偏差的原因有两方面：一是在受热面管屏分割约束的作用下，旋转上升进入屏区的烟气垂直于管屏方向的速度分量被迫发生转向，导致靠近左侧区域烟气主要向前墙流动，而右侧区域烟气主要向后墙流动。二是由于炉膛顶部烟气出口不对称布置在后墙，在引风机的抽吸作用下，左侧区域的烟气流动先向前墙倾斜，而后转向后墙，在整个屏式受热面区域分布较居中；而右墙区域的烟气先向后墙倾斜，后沿后墙区域被抽走；左右两侧不同的烟气流动偏差导致温度偏差。

• 基于机器学习的燃煤锅炉燃烧效率在线计算

  陈波, 曹歌瀚, 黄亚继, 岳峻峰, 徐文韬, 王亚欧, 李雨欣, 金保昇

  经济发展方向与政策导向促使火电厂燃煤锅炉朝着智能化方向升级，燃煤锅炉的燃烧效率是衡量锅炉运行状况的重要指标。为了满足实时计算锅炉热效率的要求，借助于电厂的日常测量数据计算锅炉效率，计算方法为：① 分析锅炉的燃烧运行特征；② 根据提取的特征采用剔除异常数据、稳态判别、相似性处理的预处理方法，生成更好的训练样本；③ 采用遗传算法改进的神经网络算法建立锅炉排烟温度、飞灰含碳量和煤质灰分之间的计算模型；利用燃煤热值与理论空气量的比例关系计算入炉煤热值，计算值用于锅炉热效率的反平衡计算模型。计算结果表明，神经网络模型的预测值能满足工程计算的要求；计算所得的排烟温度、飞灰含碳量与煤质灰分用于锅炉效率的计算过程，可实现实时动态的锅炉效率计算；计算所得锅炉效率的变化与实际蒸发量变化基本一致。锅炉实际蒸发量下降时，锅炉效率降低；锅炉实际蒸发量保持60%以上额定蒸发量时，锅炉效率易保持在较高水平。

• 循环流化床预热燃烧试验研究及数值模拟

  潘飞, 朱建国, 刘敬樟

  循环流化床预热燃烧过程中，预热燃料在下行燃烧室的燃烧过程至关重要。为了研究预热燃料在下行燃烧室中的流动和燃烧特性，采用计算流体力学软件Fluent，结合试验手段，对不同二次风喷口配风方式下，预热燃料在下行燃烧室的燃烧过程进行试验及数值模拟，对比了不同配风方式下，流动特性、温度特性、组分浓度分布特性以及氮氧化物排放特性的差异。结果表明，预热燃料在下行燃烧室的燃烧过程中，二次风会卷吸烟气在下行燃烧室上部产生回流，稀释反应物，在中心喷口配风时回流区域更大。不同配风方式下，下行燃烧室中的温度分布不同。环形喷口配风时下行燃烧室中的温度峰值为1 459 K，而中心喷口配风时下行燃烧室的温度峰值为1 555 K，同时环形喷口配风时下行燃烧室的高温区域较小，温度分布更加均匀。环形喷口配风时，预热燃料和二次风的混合更加充分，高温煤气和空气的反应更加强烈，有助于燃料的着火及升温。而中心喷口配风时下行燃烧室顶部的CO和H2等还原性气体浓度较高，有助于还原NOx。同时较高的温度促进了气化反应，生成更多的CO和H2，在燃尽风喷入前的区域形成还原性气氛，有助于进一步还原NOx。二次风中心喷口配风时，更多的氮氧化物被还原，尾部烟气中的NOx排放浓度为107×10-6，二次风环形喷口配风时，尾部烟气中的NOx排放浓度为121×10-6。

• 硅铝比对CaO-SiO2-Al2O3熔体微观结构的影响分析

  马芳茹, 魏博, 买尔哈巴·阿不都热合曼, 王建江, 李显, 王学斌

  煤灰的酸碱比和硅铝比是影响煤灰特性的关键因素。在煤中加入添加剂或采用混煤等方法，改变煤灰硅铝比来调节煤灰的熔融特性，是改善煤高温转化过程中带来灰渣问题的重要手段。为了分析硅铝比变化对煤灰体系微观结构产生的影响，得出宏观性质改变的理论机理，基于第一性原理在1 600 ℃下模拟计算了CaO-SiO2-Al2O3体系中SiO2/Al2O3从0.5升至3.1时，径向分布函数（RDF）、平均配位数（CN）、聚合度、氧的分布等微观结构的变化规律。结果表明：SiO2/Al2O3从0.5增至3.1时，Si—O有稳定的四配位结构且平均键长为1.61×10-10 m；Al—O的平均键长为1.75×10-10 m，Al—O配位较为稳定，且配位数随着硅铝比的增加而降低，合成煤灰硅酸盐体系中Si、Al为网络形成体。随着SiO2/Al2O3从0.5增至3.1时，Q4、Q5逐渐减少，生成聚合度低的Q、Q3，其中Q4、Q5分别降低23%、10%左右，Q3、Q分别升高14%、11%左右。大量［SiO4］4-和［AlO4］5-被破坏，煤灰体系的聚合度降低，无序性升高，网络结构被破坏，导致煤灰熔融性降低。随着体系硅铝比的增加，Ot和Ob含量逐渐降低，Onb含量增加显著，其中，Ob、Ot含量分别降低7%、13%左右，Onb含量升高18%左右。体系网络结构遭到破坏变得松散，疏松的网络结构导致体系硅酸盐网络在高温下更易塌陷和瓦解，宏观表现为煤灰的熔融温度降低，更易产生低温共熔体。

• 铜-腐植酸催化剂制备及催化苯甲醇氧化

  王蒙, 沙宇飞, 王晓璐, 刘全生, 周华从

  以褐煤中提取的腐植酸为原料，利用水热法制备铜-腐植酸催化剂（Cu-HAs），并对催化剂结构进行FTIR、XRD、XPS、SEM表征，将此催化剂用于催化苯甲醇氧化反应。对催化剂的制备条件如一水醋酸铜与腐植酸比例、老化温度、老化时间等进行考察，探讨了不同反应条件对铜-腐植酸催化剂催化苯甲醇氧化反应的活性影响。结果表明，此催化剂在制备温度30 ℃、老化时间3 h下具有较好的催化活性，苯甲醇转化率71%、苯甲醛产率68.6%；提升反应温度至110 ℃、反应时间3 h时，苯甲醇的转化率可达到91.3%、苯甲醛产率可达到87.8%。对该催化剂循环使用性及底物普适性考察，发现铜-腐植酸催化剂经过6次循环后，产率和转化率基本保持不变，催化剂能重复使用，具有良好的循环稳定性，所制备催化剂能够催化不同结构醇选择性氧化，在优化条件下产率均达到90%以上。