洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2022年第05期

• 2060年碳中和目标下煤炭保障性需求预测

  王兵, 李璐, 鲜玉娇, 于鹏伟, 郝文超

  碳达峰碳中和目标的提出对煤炭行业碳减排提出了巨大挑战，煤炭行业将面临全方位深度调整，在保障能源安全的前提下有序开展煤炭行业稳健可靠碳减排至关重要。基于煤炭流图和煤炭终端消费部门分析法，识别了煤炭消费重点领域并建立了基于部门情景分析法的煤炭保障性需求预测模型，系统分析预测了碳中和目标下电力、煤化工、钢铁、水泥、热力等部门在基准情景、保障情景和强化保障情景下的煤炭保障性需求，并用类比法论证了结果的可靠性。结果表明：2030、2040、2050年中长期煤炭产能需求量分别为21.2亿～28.7亿、14.0亿～20.9亿和6.6亿～13.1亿t标准煤；2060年基准情景和保障情景下煤炭保障性需求量为2.8亿～6.1亿t标准煤，考虑电力中断加剧和油气安全保障的强化保障情景下煤炭产能需求量将达到7.3亿t；电力部门和煤化工部门对于煤炭产能需求量的影响较大，且具有较高的不确定性，2060年电力部门和煤化工部门的煤炭保障性需求量分别为2.1亿～5.9亿和0.3亿～1.1亿t标准煤；其他工业部门能效提升、工艺优化、产量调整等将减少其煤炭需求，煤炭将由工业燃料向碳基原料转变；对比国际主要国家煤炭发展历程，2060年我国煤炭消费量将分别达到2.9亿和5.6亿～7.6亿t标准煤，本预测结果可信度较高。总量锐减、生产与消费结构优化、产业链延伸和低碳技术发展是碳中和背景下煤炭行业可持续发展的典型特征。面对碳中和背景下煤炭产业的长期发展趋势，煤炭行业应从煤炭产能科学评价、产业链革新、节能减排、保障电力安全和煤炭柔性化供给进行优化。

• CH4-CO2重整镍基催化剂抗积碳性能研究进展

  马清祥, 张静, 王毅婕, 吕凌辉, 范辉, 曾春阳, 赵天生

  温室效应引起的全球变暖对人类生存环境造成了严重威胁。CH4-CO2重整反应(DRM)以两大温室气体为原料，在消耗利用CH4和CO2的同时，产生H2/CO物质的量比接近1的合成气，是费托合成生产液体燃料或高值化学品的理想原料。镍基催化剂是DRM反应应用最广泛的催化剂，但在高温反应条件下易因烧结和积碳而失活，阻碍了其工业应用。针对镍基催化剂因积碳而失活的不足，综述了DRM反应热力学和反应机理，对催化剂积碳失活机理进行分析，论述了催化剂活性组分、载体、助剂以及制备方法等。CH4-CO2重整热力学分析表明高温低压有利于平衡向生成合成气方向移动。逆水煤气变换反应会消耗原料中CO2产生CO，因此一般情况下CO2转化率高于CH4转化率，H2/CO物质的量比小于1。反应温度557～700 ℃时，积碳主要来源于CO歧化反应和CH4裂解反应。反应温度超过700 ℃，不利于CO歧化反应的发生，积碳主要来源于CH4裂解反应。积碳依据活性不同可分为无定形碳和石墨碳，无定形碳在低于573 K即可被H2或含氧物种消除。而石墨碳需要在较高温度才能被气化消除，是造成催化剂失活的主要原因。增加原料气中CO2/CH4物质的量比、在原料气中添加水蒸气或氧气可以在一定程度上减少积碳，但解决积碳问题的核心是催化剂的研究。双金属镍基催化剂在一定比例下形成合金，在活化CH4及消碳过程起协同作用。载体介孔结构的限域效应使镍颗粒尽可能存在于催化剂孔道中，有利于减小金属镍颗粒尺寸且在一定程度上增强金属-载体相互作用力，从而提高催化剂对DRM反应催化活性和抗积碳能力。具有特殊氧化还原性质和超常储氧能力(OSC)的载体可利用氧空位来促进CO2活化和解离，通过将表面碳氧化为CO来减少由于碳沉积而导致的催化剂失活。使用碱性载体或助剂可适当增加催化剂碱性，使CH4裂解反应的碳沉积速率与碳消除反应速率相当，从而减少积碳。通过研发新的催化剂制备方法，实现反应过程强化和反应过程耦合，均可有效降低和消除反应积碳。说明适当调变催化剂组成和结构，可以明显提高催化剂在DRM反应中的抗积碳能力。

• 镍基CH4-CO2重整催化剂研究综述

  张云飞, 张晓娣, 王影, 李国强, 张国杰

  化石燃料的使用，导致大量CO2温室气体排放，由此引起了一系列环境和气候问题。主要温室气体CO2和CH4的处理和利用已迫在眉睫。CH4-CO2干重整 (DRM) 将CO2和CH4转化为工业原料气合成气，可以实现2种温室气体的利用。贵金属催化剂对DRM反应表现出优异的催化活性和抗积碳性能，但由于资源有限、价格高，限制了其应用。非贵金属Ni基催化剂的催化活性不仅可以与贵金属相媲美，且来源丰富、价格低，是最有可能被产业化的催化剂之一。但Ni基催化剂存在易烧结和积碳的问题。研究者对Ni基催化剂进行了大量改性工作以提高其催化活性、抗烧结能力和抗积碳能力。为更全面深入认识DRM反应及其Ni基催化剂，首先综述了CH4-CO2重整反应的热力学、反应机理和动力学。热力学研究表明，高温低压有利于DRM反应进行；但至今没有适合于所有催化剂统一的反应机理，不同催化剂的反应机理和速控步骤不同。进一步对影响Ni基催化剂性能的载体、助剂、制备方法和焙烧温度主要因素进行分析，结果发现载体、助剂、制备方法和焙烧温度对催化剂活性组分的分散度、载体与活性组分的相互作用力和表面酸碱性有显著影响，进而影响催化剂的活性和稳定性。介绍了新型结构的Ni基干重整催化剂进展，发现新型结构催化剂的限域效应可以有效提高催化剂的抗烧结和抗积碳能力。最后，对Ni基DRM催化剂未来的研究方向进行了展望，为未来新型高效催化剂的设计和开发提供新的思路。

• 限域型甲烷二氧化碳重整催化新材料研究现状

  王晶, 曹志化, 潘雅晴, 毛奕汝, 张立志, 刘文明, 彭洪根

  不断增加的二氧化碳排放量，对生态系统造成了严重威胁，二氧化碳主要来源于煤和石油燃烧。甲烷是页岩气和天然气的主要成分，是生产液体燃料和高价值化学品的重要原料，但也是一种温室气体，甲烷的温室效应约为二氧化碳的25倍。甲烷二氧化碳重整技术因将甲烷和二氧化碳同时转化为合成气CO和H2而备受关注，但反应过程中会导致催化剂的烧结和聚集，设计制备抗积碳、抗烧结性能优越的催化剂是甲烷二氧化碳重整反应亟待解决的关键问题。从限域角度出发，设计性能优异的催化剂并应用于化学反应备受关注。介绍了多种限域型高性能甲烷二氧化碳重整催化剂的研究现状，分别为孔道限域催化剂、核壳限域催化剂、晶格限域催化剂、表面空间限域催化剂和多重限域催化剂，并对其应用于甲烷二氧化碳重整反应的性能进行了阐述，最后对限域策略应用于高性能重整催化剂开发的未来发展方向进行了展望。孔道限域影响反应物种和活性中心的可接近性、催化剂的活性表面积以及结构的稳定性；核壳限域使反应物与活性中心接触更好，增强了与活性中心的相互作用；晶格限域可以有效将贵金属或非贵金属锚定在排列规律的空间骨架上，提高活性中心的分散度；表面空间限域催化剂具有高比表面积，高度有序的孔结构和窄孔径分布（在纳米范围内）的中孔载体可以提供大量的催化活性位点并稳定金属纳米颗粒；多重限域可以将活性中心限域在催化剂中，降低其暴露程度，提高催化剂的抗积碳能力。限域型催化剂被广泛应用于催化剂的设计制备过程，限域为催化反应体系提供了一个（物理或化学）约束环境，这为未来理性设计高热稳定催化剂提供了思路。未来有望通过限域效应（特别是表面空间限域和多重限域策略）来调控设计催化剂应用于高温高压甲烷二氧化碳重整反应，进一步深入探究催化剂应用于二氧化碳重整反应机理（二氧化碳如何为甲烷提供活泼氧），为甲烷二氧化碳重整反应的工业应用提供新的催化剂。

• 氮掺杂生物质碳材料催化剂的制备及其催化CH4-CO2重整性能

  马晓, 秦晓伟, 张晓娣, 张国杰

  以木屑为碳源、尿素为氮源、KOH为活化剂，制备了系列氮掺杂生物质碳CH4-CO2重整催化剂。采用比表面孔结构分析仪、电镜、红外和热重等表征手段对新鲜和使用后的催化剂样品结构和特性进行了分析，考察了催化剂孔结构、N含量、N种类和碱性位等对重整催化性能的影响。研究发现，N掺杂可以显著提升生物质碳材料N及碱性位含量，从而为重整反应提供更多的活性位点；其中，后处理掺N制备的生物质碳材料（BC-750/3.5-N）氮质量分数高达26.35%。而原位N掺杂可以进一步促进造孔作用，使样品NBC-750/3.5获得大量的微孔或窄微孔，同时提高其比表面积和孔体积（1 981.53 m2/g和1.08 mL/g），从而有利于重整反应气体的吸附和活化。研究还发现，原位N掺杂制备的NBC-750/3.5催化剂样品中吡啶N和吡咯N占比较高，分别为31%和50%。其中，掺杂的吡咯N有利于CO2吸附，吡啶N有利于气体分子活化，因此通过原位掺杂制备的碳材料催化剂催化性能较好。催化重整50 h后，CH4和CO2转化率仍稳定在45%和62%左右。同时发现，重整反应后吡啶N和吡咯N占比降低，石墨N占比增加。因此，通过调控催化剂的制备方法和N杂原子掺杂方式，可以更准确地调控含N基团的生成类型和含量，从而通过调控制得高性能非金属碳基非再生型重整催化材料。

• 嵌入型Ni@S1催化剂的制备及其CH4-CO2重整反应性能

  盖希坤, 杨丹, 朱继成, 骆美宇, 马清祥, 邢闯, 吕鹏, 张良佺

  CH4-CO2重整反应能实现CH4和CO2两种气体的利用，对控制温室效应、保护环境具有重要意义。开发低成本、高活性和高稳定性的重整催化剂是研究焦点。分别采用浸渍法和研磨-晶化法制备了负载型Ni/Q10(孔径10 nm的无定形SiO2)和嵌入型Ni@S1(Silicalite-1)催化剂，并用于CH4-CO2重整反应。采用XRD、BET、IR、H2-TPR、NH3-TPD、XRF、XPS、SEM、TEM和TG技术手段对催化剂结构进行了表征。研究发现，研磨-晶化法能有效调控Ni@S1催化剂中活性金属Ni的粒度和分散度，增强活性金属相与载体的相互作用。嵌入型结构能减少催化剂积碳，在700 ℃反应6 h后，5% Ni@S1催化剂的积碳量仅为5% Ni/Q10催化剂的46.83%。采用微型固定床连续反应对催化剂进行了活性评价（CH4/CO2/Ar=44.0/47.2/8.8、进料流速Fin=40 mL/min、反应温度T=700 ℃），发现反应6 h后，CH4在5% Ni@S1和5% Ni/Q10催化剂的瞬时转化率分别为72.82%和67.24%，与初始转化率相比分别降低了1.05%和7.99%；CO2瞬时转化率分别为79.06%和76.69%，与初始转化率相比分别降低了1.16%和4.54%。嵌入型Ni@S1催化剂在CH4-CO2重整反应中的活性和稳定性优于负载型Ni/Q10催化剂。

• 电源参数和气体组分对低温等离子体转化煤层甲烷的影响

  朱丽华, 张悦, 田瑶瑶, 徐锋

  低温等离子体技术是实现CH4固碳、减排的有效手段。然而，针对煤层CH4的研究尚不深入。为探究低温等离子体转化煤层CH4的影响因素及作用规律，构建了CH4-N2-O2-H2O试验体系，以刚玉为放电介质、螺纹状不锈钢棒为高压电极、钢丝网为低压电极，在1 mm放电间隙、长度200 mm的放电区域条件下，研究了输入电压、放电频率、CH4体积分数对CH4转化及产物生成的影响，并基于反应过程中活性物种发射光谱原位诊断，分析了主要产物的生成路径。结果表明，试验主要生成物为H2、CO、CO2、CH3OH及C2H4、C2H6等C2烃，且CH4转化及产物分布受输入电压、放电频率和CH4体积分数的影响，其原因为输入电压改变了DBD（介质阻挡放电）系统的注入能量及能量损耗，放电频率改变了反应器内流光放电的数量，CH4体积分数改变了反应氧化环境；在试验研究范围内，较适宜的电源参数为输入电压75 V、放电频率9.8 kHz；以CH3OH产率为考察指标时，较适宜的CH4体积分数为35.4%；等离子体反应过程中产生CH3·、CH2·、CH·、C·、O·、OH·、Hγ、Hβ、H2和Hα等活性粒子，这些活性粒子与稳态分子作用，以及活性粒子之间相互作用生成产物分子。研究结果对深入研究煤层CH4低温等离子体活化转化的工艺条件及反应机理具有重要意义。

• 燃煤电厂锅炉机组受热面积灰结渣研究现状与展望

  刘鹏宇, 李德波, 刘彦丰, 陈兆立, 冯永新, 廖宏楷

  燃煤电厂锅炉机组受热面积灰、结渣往往会造成熄火、锅炉效率降低甚至导致超温爆管而停炉的重大安全事故，积灰、结渣问题已成为燃煤电厂工程实际中亟需解决的问题。综述了基于受热面积灰、结渣的工程实际和数值模拟研究现状，对其产生机理及解决方法进行了综述，横向对比后认为在积灰方面开展基于智能监测技术方向的智能化吹灰系统的研究与开发是未来重要研究方向，且应提出考虑对流、辐射综合影响的数学模型以提高半对流半辐射受热面的预测精度；由于积灰、结渣现象受多因素影响，而目前研究大多只聚焦于1种或2种方法的探究，因此在结渣方面需要开展综合多影响因素协同一体的综合优化方案；积灰、结渣问题的数值模拟可以通过有限反应速率/涡耗散模型探究2种及以上多煤种的改善作用，同时开发ANSYS Fluent扩展功能以提高传统数值模拟精度，从而对锅炉机组受热面积灰、结渣的工程问题提供技术指导。

• 热辐射成像法测量大型炉膛内三维温度场的算法新进展

  闫慧博, 唐广通, 李路江, 汪潮洋, 李欣, 闫晓沛, 李智聪, 娄春

  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。

• 煤系黄铁矿理化性质及浮选脱硫研究进展

  康文泽, 马子航

  煤炭是我国的主体能源，支撑着国民经济的快速发展。但煤中硫分严重影响了煤炭清洁利用，造成了严重的环境污染。黄铁矿是煤中硫的主要赋存形式，其表面性质及脱除方法对于煤炭的洁净利用至关重要。分析了煤系黄铁矿理化性质的差异，详细阐述了黄铁矿赋存状态的多样性、化学性质的复杂性与晶体性质的不均匀性，分析了黄铁矿的理化性质对脱硫的影响,指出针对不同理化性质采取特定脱除方法是物理法脱硫研究的重点。系统介绍了浮选脱硫的预处理方法，详述了超声波法、微波法与微生物法的研究现状与发展趋势，超声波能改变矿物表面性质和矿浆性质；微波法能提高煤泥浮选的选择性；微生物法具有污染少、能耗小等优点；将微波与超声波联用，能降低脱硫成本，最大限度提高脱硫率，因此微波与超声波联用是最有前景的方法。论述了pH调整剂、有机抑制剂、组合抑制剂的浮选脱硫效果，pH调整剂价格低廉，有机抑制剂环保有效，组合抑制剂可兼具pH调整剂和有机抑制剂的优点，是黄铁矿浮选抑制剂研究的重要方向。

• 煤及配煤黏温特性研究

  鲍金源, 冯长志, 淡树林, 刘臻, 方薪晖, 安海泉

  煤灰的黏温特性对气流床气化过程的稳定排渣有重要影响，使用高温旋转黏度计Theta研究了西湾煤、小保当煤及二者混煤的黏温特性，结合灰组分的三元相图分析，确定了适合气流床气化技术的配煤比例。结果显示，西湾煤灰渣为结晶渣，当温度低于临界温度Tc后，灰渣黏度急剧上升，造成排渣困难。在西湾煤中加入小保当煤，灰渣的酸碱比和硅铝比逐渐降低，灰成分由黄长石向钙长石转变，灰渣形态由结晶渣向玻璃渣转变，最佳硅铝比在2.35～2.97、酸碱比在1.05～2.08、钙铁比在0.70～1.98。随着混煤中小保当煤的质量分数超过30%，灰渣在黏度为2.5～25.0 Pa·s对应的温差高于100 ℃，且渣型变化趋于稳定。同时，气化工艺要求灰渣的临界温度Tc不在灰渣黏度2.5～25.0 Pa·s对应的温度区间，以便确保排渣稳定，因此适合气流床气化应用的混煤中西湾煤与小保当煤质量比为3∶7或7∶3。

• 粉煤灰基沸石-TiO2复合催化剂的合成及性能

  薛海月, 王连勇, 刘向宇, 韩建丽

  粉煤灰作为一种固体废弃物，具有成本低廉、来源广泛等优点，可被广泛用于制备沸石的催化剂载体，实现其高值化利用的同时保护生态环境。以固体废弃物粉煤灰为原料制备了X型沸石-TiO2复合光催化剂，在合成沸石的过程中成功负载TiO2，相较于合成沸石后再进行负载的方式，节约制备成本。采用4因素4水平正交试验，以TiO2与粉煤灰的质量比、粉煤灰与氢氧化钠的质量比、粉煤灰与超纯水的质量比、晶化时间为影响因素，以亚甲基蓝去除率为目标函数探索了催化剂最佳制备条件，并对最佳催化剂进行了XRF、XRD、FTIR、SEM表征分析。试验结果表明，当m1/m2为1.0∶2.9、m3/m2为1.5∶1.0、灰水质量比为1∶10、晶化时间为24 h时（其中，m1、m2、m3分别为TiO2、粉煤灰和NaOH的质量），催化剂性能最佳。配制质量浓度为10 mg/L的亚甲基蓝模拟废液，添加该组条件下的催化剂0.25 g/L，30 ℃条件下反应1 h，在黑暗及紫外光照射条件下，亚甲基蓝去除率分别为42.47%和98.15%，说明该方法合成的X型沸石-TiO2复合光催化剂对印染废水中的染料分子处理效果好，且粉煤灰属于火电厂废弃物，在低成本条件下制备了较理想的催化剂材料，实现以废制废。

• 兰炭和秸秆掺混燃料热重分析及动力学研究

  武鹏魁, 韩奎华

  现有兰炭具有高固定碳、低灰、低硫、低磷等优点，但其挥发分低，着火缓慢。在兰炭燃料中掺混少量生物质可有效改善其燃烧性能，减少燃煤污染物排放，优化生物质秸秆的利用现状。通过热重分析法分别研究了3种兰炭、麦秆和玉米秆单独及混合燃料的燃烧特性，分析了掺混样品种类和掺混比例对混合燃料着火温度、燃尽温度、燃烧特性指数和热释放速率等的影响，并确定了最佳掺混比例。结果表明：兰炭与秸秆掺混后的燃烧效果与掺混样种类及掺混比例密切相关。5种样品中燃烧性能从大到小依次是麦秆、玉米秆、府谷兰炭、大同兰炭和包头兰炭，府谷兰炭掺混玉米秆后燃烧特性优于其他掺混燃料，燃料的着火温度和燃尽温度相比兰炭原样分别降低了约200 ℃和40 ℃，综合燃烧特性指数是原样的1.5倍左右。在府谷兰炭/秸秆掺混比为8∶2时，着火特性指数仅为0.625，小于原样的0.979，此时第1波峰实际值也小于理论模拟值，混合燃料对低温段秸秆的挥发分析出有抑制作用，随着秸秆掺混比例增大，促进作用大于抑制作用，第1个波峰迁移且增大，第2个波峰减小，掺混比为6∶4时，第2个波峰处出现短暂增大，可能是由于秸秆占比增大，裂解出大量易燃半焦导致燃烧短时间加速。兰炭中掺混一定比例秸秆，有利于减少燃料主要燃烧阶段的活化能，但随掺混比例的增加其燃烧性能提升有限，掺混比为6∶4时，府谷兰炭活化能下降近36 kJ/mol。府谷兰炭和玉米秆掺混比例约7∶3时，混合燃料的释热率明显高于其他掺混比，结合其燃烧特性发现此时燃烧效果最好。

• 660 MW煤粉锅炉掺烧生物质数值模拟

  王俊, 龙慎伟, 马同胜, 牛胜利, 王永征, 韩奎华, 路春美

  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。

• 脱硫塔流场结构优化及速度不均匀度分析

  李伟伟, 宋献, 张立栋, 陈继宇, 睢银江, 霍延明

  脱硫塔内浆液喷淋均匀程度，对烟气分布及脱硫反应有重要影响，研究脱硫塔内的流场速度不均匀性及结构优化对提高脱硫效率具有重要意义。为此，提出不均匀度的量化指标，建立机组负荷与脱硫效率的关系，优化塔内结构，采用数值模拟方法分析不均匀度随脱硫效率的变化趋势。研究了入口速度为3.0、3.4、3.7和4.0 m/s的脱硫塔内部流场，增加入口导叶，并利用倾斜式格栅均流板进行流场优化，分析塔内不同高度的水平截面和垂直截面的速度分布，对比优化前后流场动压沿垂直方向的变化。结果表明，波动中负荷与脱硫效率呈明显负相关，脱硫效率与不均匀度的变化趋势基本相同，各工况下，优化后中间区域烟气不均匀度降低10%，中部主要脱硫反应区的动压差异减少70%左右，出口速度提高0.1～0.2 m/s，出口湍动能降低最高50%。优化方案能有效改善塔内烟气速度分布，提高不同入口速度下的流场均匀性和烟气脱硫效率，降低浆液被裹挟出塔的可能性，减少烟气流动阻力和运行成本。

• Co对工业V-Mo／Ti脱硝催化剂的影响

  常峥峰, 刘洋, 高义博, 黄力, 纵宇浩, 王虎, 李金珂, 韩沛

  为提升工业V-Mo/Ti脱硝催化剂的低温活性，拓展催化剂的活性温度窗口，对催化剂进行过渡金属元素Co改性。通过浸渍法制备了一系列不同CoO负载量的V-Mo/Ti脱硝催化剂。采用XRF、N2-吸附脱附、H2-TPR、拉曼光谱和NH3-TPD对不同催化剂进行表征，分析了CoO对催化剂物理化学性质的影响。通过固定床微型反应评价装置，对不同催化剂的脱硝性能和抗SO2、H2O性能进行测试。研究表明：CoO负载对V-Mo/Ti催化剂的孔结构、晶型影响较小。V-Mo-Co/Ti催化剂上VOx、MoOx物种的结构也与V-Mo/Ti催化剂基本一致。向V-Mo/Ti催化剂上负载适量CoO(质量分数0.28%)后，催化剂的酸性性能提升，还原性能基本不变，催化剂的脱硝活性增加。负载CoO质量分数0.28%的CO-2催化剂在烟温280 ℃时，脱硝效率达80%以上。继续增加CoO负载量，尽管催化剂的酸性进一步增加，但催化剂的活性组分被CoO覆盖，减少了与反应气体的接触，催化剂脱硝活性下降。研究还发现，负载一定量CoO后，能有效增强催化剂的抗SO2、H2O性能。

• Mn-Ce修饰高铁灰吸附剂脱除NO性能

  梁云波, 郑仙荣, 谭煜幺, 樊保国

  烟气脱硝是大气污染治理的必然趋势，燃煤电厂废弃物粉煤灰可对NOx进行氧化脱除，为进一步提高粉煤灰的吸附能力，对其进行适当改性处理。以高铁灰为基体，经过碱改性后负载Mn、Ce，制得Mn-Ce高铁灰吸附剂，通过动态脱硝试验，研究改性修饰后的高铁灰吸附性能和脱硝机理。结果表明，高铁灰（DMA）经6 g CaO、0.1 mol Mn(NO3)2和0.02 mol Ce(NO3)3·6H2O改性后获得吸附剂Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA500的脱硝能力最高，吸附剂可脱除NOx 823 μg/g。这主要是因为机械研磨和水合法制备吸附剂过程中，灰中玻璃体被破坏，玻璃体包裹的FeOx暴露，Fe质量分数增加有助于提高吸附剂脱硝能力；负载Mn和Ce组分后，首先在载体表面形成MnSiO3和Ca2Fe2O5，多晶MnSiO3壳组成的中空纳米结构常用于吸附剂和催化剂，Ca2Fe2O5结构中存在的大量无序的氧空位使其具有较高的催化氧化活性，显著增加脱硝效率；其次部分Mn在吸附剂中以无定形态存在，与吸附剂中的Fe、Ce形成铁锰固溶体和锰铈固溶体，进而提高吸附剂脱硝性能；焙烧温度500 ℃时，孔洞分布均匀，孔隙结构发达，比表面积和孔体积最佳；CaMnSi2O6的晶化程度更高，其表面杂质被分解或脱附。因此，Mn-Ce修饰高铁灰具有较好的脱硝性能，对于大气污染治理中烟气脱硝具有重要意义。

• 300 MW燃煤电厂生命周期排放气态有机污染物环境影响

  岳朴杰, 孟磊, 王长清, 谷小兵, 白玉勇, 彭娅, 杨晴

  近年来，我国煤电生产行业环境影响评价取得了一定进展，但主要集中在评估常规污染物带来的影响，而非常规气态有机污染物的排放影响一直被忽视，导致对人体健康和生态环境的危害被低估。为研究燃煤电厂气态有机污染物排放造成的环境影响，采用生命周期评价法(LCA)，利用Gabi软件建模，通过实地数据采集和文献数据调研，详细编制了我国典型300 MW超临界燃煤机组发电过程排放气态有机污染物的能耗物耗数据清单，并对其排放清单结果及生命周期环境影响进行了综合评估。结果表明，2017年某300 MW燃煤电厂生命周期排放气态有机污染物总量约为9.99×10-3 kg/MWh。其中，燃煤发电系统排放量为3.87×10-3 kg/MWh，占总排放的38.69%，燃煤发电过程中间接排放是直接排放的1.64倍，占总排放的62.16%。燃煤电厂生命周期气态有机污染物排放计算得出的光化学臭氧合成潜值（POCP）、陆地生态毒性潜值（TETP）、潜在全球变暖效应潜值（GWP）、海洋生态毒性潜值（MAETP）、人体毒性潜值（HTP）、淡水生态毒性潜值（FAETP）和臭氧消耗潜值（ODP）环境影响类型的标准化值分别是7.43×10-14、9.05×10-17、7.72×10-17、5.21×10-17、1.43×10-13、4.13×10-16和3.21×10-18。其中，POCP和HTP是对环境危害程度最大的影响类型，分别占总环境影响潜在值的50.63%和47.82%，煤炭开采、分选和烟气净化系统分别是POCP和HTP的主要贡献者，电厂运行阶段的煤炭消耗变化量对总环境影响最大。

• T91和Super304H钢材料高温腐蚀试验

  王小龙, 王永东, 刘俊杰, 李政, 熊小鹤

  锅炉受热面腐蚀、超温爆管严重影响机组的安全运行，尤其是在煤质复杂多变、机组频繁调峰的背景下，受热面管材失效，发生泄漏，威胁机组稳定运行。为探究高温下钢材腐蚀行为特性，选取2种典型的锅炉对流受热面常用钢材料T91和Super304H，在空气以及另外2种模拟含硫烟气（H2S、SO2）气氛环境中，比较钢材料腐蚀行为特性。结果表明，Super304H钢的抗高温腐蚀性能明显优于T91钢，在3种气氛下，T91钢与Super304H钢的平均腐蚀速率之比最小为2，最大为18；2种钢材均在H2S气氛下腐蚀速率最大；在SO2气氛下腐蚀速率最小。从腐蚀产物形貌看，T91钢基体腐蚀后出现明显波纹化痕迹，表面粗糙，腐蚀产物之间分界明显，裂纹变大，出现较多孔状结构，较大的针状腐蚀产物呈脱落趋势；而Super304H钢基体仅在H2S气氛下出现明显的腐蚀痕迹，在SO2和O2气氛下，基体表面总体仍然平整，腐蚀不明显。对腐蚀产物的线扫描分析发现，T91的腐蚀层主要为Cr2O3和Fe2O3，而Super304H主要为Cr2O3、NiO和Fe2O3。但对腐蚀层厚度而言，Super304H仅为11.94 μm，而T91为34.8 μm，说明添加Cr、Ni元素对Super304H的抗氧化性能具有增强效应。虽然2种钢材腐蚀速率有差异，但按照GB/T 13303—1991《钢的抗氧化性能测定方法》划分的抗氧化性级别可知，2种钢材料均属于抗氧化性类型。

• SO2气氛下316L合金纤维滤袋的气固腐蚀特性

  丁守一, 黄亚继, 陈奎续, 徐力刚, 樊聪慧, 胡华军, 戚二兵, 戴闻骁

  高温除尘领域，316L合金纤维滤袋由于可重复利用性引起广泛关注，但316L合金纤维材料的气固腐蚀特性及机理尚不明确，成为实际应用中的风险因素。基于316L合金纤维滤袋的气固腐蚀特性，采用固定床模拟腐蚀试验，研究SO2气氛下316L合金滤料的腐蚀行为，分析腐蚀后滤料的过滤性能及力学性能变化，探究SO2浓度和烟气组分(O2、H2O)对其腐蚀特性的影响，并结合腐蚀前后滤料微观形貌以及元素分布，研究腐蚀机理。结果表明，316L合金纤维滤料的整体腐蚀程度低，腐蚀周期内腐蚀增重率最大为2.30 mg/g，主要体现为局部腐蚀，表面点蚀坑内观察到Mn、S元素的富集，局部质量分数达21.28%、13.08%；SO2浓度变化对腐蚀反应的影响较弱，O2对腐蚀过程的影响主要体现在腐蚀初期的氧化反应，对整体腐蚀进程的促进作用很小，H2O对于腐蚀反应具有显著的抑制作用；腐蚀后滤料透气度和孔结构稳定性保持良好，开孔隙率降至小于5%，而材料屈强比显著提高，抗振性能显著下降。

• 300 MW燃煤机组电除尘器内部极线裹灰关键影响因素

  黄见勋, 谢玉仙, 王乐乐, 苏胜, 尹子骏, 王中辉, 雷嗣远, 向军

  针对某电厂300 MW燃煤机组超低排放条件下电除尘器极线出现的严重裹灰、板结现象，通过分析积灰样品烧失量、可溶性离子浓度、灰成分、粒径以及比电阻特性，结合锅炉超低排放运行特点，研究了电除尘器极线裹灰形成的关键影响因素。结果表明，低低温电除尘器极线上裹灰样品的NH+4、SO2-4及灰样中SO3含量均较高，证实了电除尘器极线裹灰的主要原因是SCR脱硝系统逃逸氨与烟气中SO3反应生成硫酸氢铵，且由于低低温电除尘器工作温度较低，烟气中硫酸氢铵一旦形成后难以分解，造成电除尘器极线裹灰严重。同时由于除尘器入口烟气湿度过大，导致飞灰黏性增加，加剧了电除尘器极线裹灰与板结现象。硫酸氢铵使飞灰性质发生改变，飞灰粒度降低，同时硫酸氢铵的附着会影响电除尘器荷电，导致电除尘器除尘效率下降，进一步加剧极线积灰现象。因此，为减少电除尘器裹灰、板结现象，必须有效控制电除尘器入口烟气含水率，同时严格控制脱硝系统氨逃逸及SO3生成浓度等关键影响因素。

• 燃煤电厂脱硫废水固化体耐久性能研究

  郑扬帆, 黄文耀, 杜志坚, 乔琳, 曲保忠, 武凯, 马双忱

  脱硫废水零排放是火电厂废污水管理的重点内容，水泥固化技术作为零排放的最终处置手段具有潜力，其中水泥固化技术工艺简单，制得的固化体性能稳定，应用广泛。为进一步优化水泥固化技术在高盐脱硫废水处理中的应用，基于现有的烟气浓缩脱硫废水及水泥固化技术开展耐久性能试验，将固化体抗压强度作为主要考核指标考察固化效果。首先将脱硫废水与水泥、粉煤灰和河砂拌合制得固化体，养护至特定龄期后检测其抗压强度。通过控制单变量的方法设计正交试验，探究水胶比、泥灰比以及河砂量对固化体抗压强度的影响。结果表明：水胶比对混凝土抗压强度的影响显著，固化组分配比优选的关键在于水胶比，水胶比增大会导致固化体抗压强度下降，水胶比在0.4～0.6为宜；当泥灰比达3.2∶1.0时，固化体抗压强度性能最佳；而河砂量的变化对固化体抗压强度影响较小。同时对重金属离子的浸出率进行分析，证明了固化途径的可行性，为高盐脱硫废水固化研究提供基础数据。

• 基于小波包-LSTM神经网络磨煤机故障诊断

  陈波, 徐文韬, 黄亚继, 曹歌瀚, 李雨欣, 管诗骈, 王亚欧

  磨煤机作为火电厂制粉系统最重要的设备，设备运行状态直接影响火电机组运行性能，因此，对磨煤机进行故障诊断对于保障电厂安全生产具有实际意义。针对磨煤机实际运行过程中故障类型难以确定及故障诊断时间滞后等问题，提出一种基于小波包-LSTM神经网络磨煤机故障诊断方法。首先，基于LSTM神经网络建立磨煤机出口压力和出口温度预测模型，以亚临界燃煤机组为例，将磨煤机运行时正常数据与故障数据组成混合数据作为LSTM神经网络预测模型输入量，预测磨煤机出口压力和出口温度并获取残差信号；其次，针对残差信号进行小波包分解，辨识残差信号突发奇异点；最后，对磨煤机故障库中故障发生前后部分数据和混合数据中故障发生前后同时段内部分数据的全部变量变化趋势进行相关程度分析以诊断磨煤机故障类型。结果表明：LSTM神经网络预测磨煤机出口压力和出口温度最大相对误差不超过1%；采用小波包分解残差信号能够较精确地确认故障发生时刻；采用相关系数法分析全部变量变化趋势能辨识磨煤机故障类型。