洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2022年第11期

• 整型大孔SiO2基固体胺CO2吸附剂开发及性能研究

  喻树楠, 马奎, 周昶安, 宋磊, 岳海荣

  吸附法捕集CO2是实现工业尾气中CO2分离和脱除的重要技术。固体胺吸附剂由于优异的CO2吸附容量和选择性及较低的再生能耗被广泛研究。传统粉末吸附剂由于压降大等问题，需成型加工才能应用于实际工业过程。但整型吸附剂仍面临吸附性能不足、机械性能差等问题。以大孔环氧树脂聚合物为模板、正硅酸乙酯为硅源，采用牺牲模板法制备整型大孔SiO2，并在其基础上负载四乙烯五胺（TEPA）开发整型大孔SiO2基固体胺吸附剂。整型大孔SiO2材料以交联的中空SiO2微球为骨架，具有典型的大孔结构，且TEPA均匀分布在骨架表面。TEPA负载量为70%的70T-MS样品在75 ℃、0.1 MPa（12% CO2/88% N2）条件下，CO2吸附量高达191 mg/g，经50次吸脱附循环可稳定在160 mg/g以上。动态吸附试验表明，其CO2吸附动力学遵循Avrami模型，说明其受传质扩散限制影响较小。整型大孔SiO2基固体胺吸附剂机械强度可达0.72 MPa（轴向）和30.30 N/cm（径向），满足工业吸附剂要求。吸附剂还具有良好的热稳定性和较低的热容（2.79 J/(g·℃)），有望实现低能耗再生。

• 可再生能源与燃煤发电集成互补系统综述

  王瑞林, 孙杰, 洪慧

  在碳达峰、碳中和背景下，可再生能源与燃煤发电相互耦合可提高可再生能源利用效率、降低发电成本，有利于燃煤发电的绿色低碳化升级。从集成形式、运行调控及分析评价3方面综述了可再生能源和燃煤发电的集成互补相关研究。首先梳理了可与燃煤发电直接耦合的太阳能光热及生物质的各类集成形式和工作原理。其次，介绍了目前关于太阳能光热耦合燃煤发电动态特性及调控规律研究，生物质耦合燃煤发电运行中结渣、腐蚀等问题改善方法；概述了风电、光伏与燃煤发电协调运行的调控策略及优化配置研究。最后，梳理了针对光煤互补系统热力性能、经济性、综合性能的评价研究进展；介绍了生物质与燃煤发电耦合的综合性能评价及系统中生物质发电量评估的研究进展；概述了风电、光伏与燃煤发电协调运行中的稳定性、灵活性量化评价及综合性能评价指标体系构建等。最后，针对目前可再生能源与燃煤发电互补系统的研究现状，提出太阳能光热与燃煤发电集成应致力于实现综合系统深度调峰的灵活性运行调控研究；生物质与燃煤耦合发电在进一步研究减缓生物质耦合带来的燃烧问题外，应注重耦合系统中生物质发电准确计量等评价问题；光伏、风电与燃煤发电的协调运行在调度规划研究外，应进一步开展风光火项目内部责任分担和利益分配机制研究，从而实现不同类型电源间的协同持续发展。

• 不同污泥混燃发电工艺生命周期评价

  周钢, 宋涛, 马士伟, 沈来宏, 葛晖骏

  为从碳视角下研究市政污泥的最优处理工艺，通过生命周期评价方法，分别对市政污泥与一般工业固废、烟煤、稻秸混燃发电工艺的生命进程进行环境影响、资源消耗分析及碳排放核算。将3种污泥混燃工艺分为生产上游、生产过程和生产下游3个阶段，充分考虑全球性、区域性及局地性3个视角下各环境影响类型权重。计算结果表明，每处理1 t湿污泥（含水率65%），3种混燃工艺在全球性视角下总环境影响值最大，分别为0.87、0.12、0.09人·a/t；生产上游、生产过程（发电阶段）是导致环境恶化的2个主要阶段；全球变暖、酸化以及固体废弃物是对总环境影响贡献程度较大的3种环境影响类型；3种混燃工艺净碳排放量分别为6 522、742、410 kg （以CO2计）。在资源消耗方面，污泥与一般工业固废混燃发电工艺的资源消耗潜值最大，其次为污泥与烟煤混燃发电工艺，污泥与稻秸混燃发电工艺最小。综合来看，污泥与稻秸混燃发电工艺是最环保且节约资源的污泥处置工艺，值得大力推广。

• 燃煤发电与垃圾发电耦合供热系统性能分析

  邓庚庚, 薛小军, 徐钢, 陈衡, 刘文毅

  为积极响应双碳目标，推动可再生能源-燃煤互补发电技术的发展，提出了一种燃煤发电与垃圾发电耦合供热系统。通过抽引器利用燃煤机组部分供热抽汽抽引垃圾发电机组的全部排汽，混合后对热网水进行一次加热；随后通过尖峰加热器，再次利用燃煤机组供热抽汽对热网水进行二次加热，使其达到规定热网供水温度。通过系统集成，可有效减少燃煤机组供热抽汽和垃圾发电机组的冷端损失，从而提高系统整体效率。选择某660 MW燃煤机组与某垃圾处理量20.8 t/h的垃圾发电机组为研究对象，通过EBSILON软件进行模拟计算，进行了详细的热力学分析和经济性分析。结果表明，燃煤机组与垃圾发电机组电功率分别为495.00 MW（75% THA）和9.52.00 MW(100% THA)时，耦合系统垃圾发电机组的排汽损失降低，供热效率提高0.16%，发电效率提高0.52%，系统煤耗量降低1.65 t/h（以标煤计），节能效果显著。热网尖峰加热器（火用）损失减少6.06 MW，垃圾发电机组（火用）损失减少2.04 MW，耦合供热系统效率提高主要是由于热网加热器（火用）损失降低。供热改造后新增设备投资495.70万元，年运行维护费用达19.83万元，同时系统节能收益542.92万元，最终年化新增净收益可达423.95万元，经济收益较好。

• 医疗固废-燃煤电厂耦合发电系统优化集成与性能分析

  孙文

  为实现高效、清洁的医疗垃圾资源化利用，提出医疗固废等离子气化与燃煤机组耦合的发电系统。在集成系统中，医疗垃圾在等离子气化炉中转化为高品质合成气，经冷却后直接送入燃煤锅炉燃烧，合成气冷却释放的热能用于加热燃煤电站热力系统中2号高压加热器出口的锅炉给水，从而减少汽轮机高压缸中高品质蒸汽的抽取量。以处理量6.72 t/h的等离子气化炉和某660 MW燃煤发电机组为研究对象，基于Aspen Plus平台对原系统和集成系统进行仿真模拟，并通过能源分析、（火用）分析和经济性分析对系统集成前后进行了比较。根据热力学第一定律，系统集成后净发电功率提升了10.52 MW，垃圾侧的净发电效率高达36.21%。从热力学第二定律来看，系统集成前后，锅炉的（火用）损增幅最大，其次是凝汽器和汽轮机，而气化部分总（火用）损为5.11 MW。系统总（火用）损仅增加了0.27%，系统垃圾侧发电（火用）效率为33.41%。根据经济性分析结果，在生命周期内医疗固废处理项目的净现值可达45 764.66万元，动态回收周期为3.05 a。该集成系统具有良好的热力学性能和经济性能，有望为工程实践提供一定指导。

• 太阳能热与燃煤电站互补发电技术综述

  侯宏娟, 张楠, 丁泽宇

  太阳能热与燃煤电站互补发电(SAPG)系统作为一种新型互补发电技术，在减少燃煤电站CO2排放的同时，可降低光热发电成本，近年来备受关注。首先，基于槽式和塔式太阳能集热场工作原理和运行特点，总结了槽式和塔式太阳能集热场与燃煤机组集成时的多种耦合方案，并对不同耦合方案下系统的集成原理进行分析。因塔式太阳能集热场换热介质的工作温度较高，与燃煤机组的集成部位既可在回热系统侧，也可在锅炉侧，槽式太阳能集热场换热介质工作温度较低，与燃煤机组集成多在回热系统侧。其次，总结了SAPG系统热力性能研究进展，目前针对SAPG系统热力性能的研究多集中在静态性能方面，动态性能分析较少。静态性能分析主要包括设计工况、变工况下系统光电转换效率、太阳能发电功率等性能指标以及蓄热系统对SAPG系统运行影响等。结果表明，无论在何种工况下，SAPG系统中的光电转换效率均明显高于纯光热系统；动态性能分析主要研究太阳辐照强度实时变化、系统云遮等工况下，SAPG系统在一段时间内的参数变化规律，分析太阳辐照扰动对系统运行稳定性、安全性的影响，并制定SAPG系统的运行控制策略。然后，论述了SAPG系统经济性能，经计算，SAPG系统发电成本约0.66元/kWh。对于太阳能贡献度的计算，分析热量比例分配法、抽汽做功能力法、热经济成本法和太阳能贡献度解析算法4种方法，其中太阳能贡献度解析法和热经济成本法不仅考虑了能量、品位，还兼顾太阳热能在系统中的不等价特性，是2种相对准确的太阳能贡献度计算方法。目前SAPG电站的实际工程较少，且多分布在国外，国内仅有大唐天威嘉峪关10 MW槽式光煤互补项目和山西国金2个实际工程项目，实际运行数据及经验相对较少。最后，基于目前SAPG系统研究现状，提出太阳能与燃煤机组互补发电技术未来可能的发展方向，即寻求提升燃煤机组深度调峰能力的SAPG耦合方案、挖掘SAPG系统的热电联供技术将成为SAPG技术重点研究课题。

• 基于镁基燃煤烟气碳捕集的太阳能-燃煤互补发电系统设计

  王雨豪, 朱岩林, 刘文卓, 邢晨健, 王瑞林, 赵传文

  燃煤等化石能源电站CO2排放量巨大，开展燃煤电站碳减排是实现双碳目标的必经之路。碱金属基固体吸收剂捕集CO2具有再生能耗低、选择性高等优点。但依靠电站自身能量实现碳捕集，能效代价巨大，对此提出利用槽式太阳能集热驱动镁基碳捕集再生，避免燃煤发电单一碳捕集的效能损失，同时将碳酸化放热替代电厂抽汽加热给水，提升发电量。基于某典型燃煤电站开展系统设计及分析，计算设计系统引入槽式太阳能和碳捕集系统带来的增发功率，比较设计系统、单一燃煤碳捕集系统及参比系统的总出功。结果表明，相比单一燃煤碳捕集系统，设计系统避免了46.4 MW发电功率损失，同时借助碳酸化放热，发电功率提升了46.2 MW。设计系统较单一燃煤碳捕集和单一光热发电的简单叠加系统发电功率增加了44 MW，实现了1+1＞2的集成效果。典型日分析下考虑1 d中太阳直射辐射强度的变化，设计系统可通过调控碳捕集过程避免辐照过高/过低对系统稳定运行的影响，典型日下系统平均碳捕集量达135.6 t/h，增发功率达23.2 MW/h，实现了系统的变工况高效运行。设计系统避免了电站自身碳捕集带来的效能损失，提高了发电量，实现了太阳能高效利用和化石能源清洁利用，为可再生能源与化石能源的互补低碳高效利用提供思路。

• 基于品位耦合的太阳能互补联合循环发电系统集成评价理论

  施瑶璐, 张振文, 孙杰, 魏进家

  太阳能互补联合循环（ISCC）系统被认为是高效利用太阳能与化石能源的最有前景的途径之一。然而，由于目前缺乏对太阳能互补集成系统的普适性分析与评价，导致统一评价体系下不同集成系统方案之间的直接性能对比难以实现。鉴于此，首先提出并建立一套具有普适性的ISCC系统理论模型，该模型涵盖了太阳能集成到布雷顿循环与朗肯循环的不同耦合方案，对不同集成系统进行合理概括。基于（火用）分析理论推导得到统一性评价指标——燃料节省因子理论表达式，并对其进行验证，运用该评价方法对不同集成方案进行横向性能评估。然后基于能量品位耦合思想，利用统一表达式中的桥接项揭示了ISCC系统集成中的“分配效应”，即分配给布雷顿循环和朗肯循环的总输入（（火用））比例因太阳能投入位置的不同而改变。最后扩展了前期工作提出的“叠加效应”在ISCC系统中的应用，说明系统总燃料节省因子由代表太阳能投入带来直接效益的基本项、代表太阳能投入对系统中各组件浮动影响的浮动项和代表太阳能投入后隐含的循环间影响的桥接项叠加综合决定，包括太阳能局部整合的直接影响和各部分之间的相互影响。该研究结果具有普适性，为未来复杂太阳能互补多循环系统研究应用提供理论指导。

• 太阳能耦合1 000 MW二次再热超超临界机组节能优化设计

  王婧, 段立强, 姜越

  为降低600 ℃二次再热超超临界燃煤发电机组的发电煤耗和碳排放量，针对某1 000 MW典型二次再热超超临界燃煤发电机组（方案1），提出耦合太阳能加热除氧器出口回热系统给水的设计方案（方案2），并进行对比研究。采用基于（火用）分析的单耗分析法对比了1 000 MW等级600 ℃二次再热机组不同方案的热力性能，并分析各方案在变工况下的能耗分布情况。结果表明：二次再热燃煤机组集成太阳能后，显著降低发电煤耗和碳排放量；耦合太阳能的二次再热燃煤机组方案2在各工况下发电煤耗均低于方案1，100% THA工况下，方案2抽取除氧器出口10%、30%、50%、70%、100%的给水用太阳能加热时，发电煤耗分别降低4.59、15.70、24.96、32.56、41.32 g/kWh，碳排放量分别降低12.70、43.50、69.10、90.28、114.50 g/kWh，节煤降碳效果明显；采用单耗分析法研究机组各设备单元的附加单耗，方案2锅炉、回热加热器和冷凝器的附加单耗相比方案1均下降；随除氧器出口给水采用塔式太阳能加热比例的提高，方案2锅炉的附加单耗明显降低，方案2增加了太阳能设备，太阳能的附加单耗高于方案1。因此，耦合太阳能有助于进一步提升火电机组性能。

• 火电与风光储耦合规划设计

  程瑜, 邵振州, 张金波, 高培鑫, 刘树昌, 魏忠平

  结合我国煤资源丰富、火电输出稳定的优势以及清洁能源快速发展的趋势，建设多能互补的集成化能源基地是国家进行能源结构调整和能源体系建设的重要方式。陇东能源基地拥有丰富的煤炭、石油、风、光资源，具备建设风光火储一体化综合能源基地的条件。以当地能源资源和地理条件为基础，规划设计了千万千瓦级风光火储一体化能源系统，其中风电、光伏和清洁火电规划容量分别为450万、150万和400万kW。为增强电网友好性，综合能源基地配置了30 MW/15 MWh储能系统进行AGC调频和150 MW/300 MWh储能系统以平抑光伏发电的波动性。为进一步分析综合能源基地规划的合理性，对发电系统进行了生产模拟。结果表明，火电调峰方案可以满足较高可靠性、较低主网依赖性以及高比例新能源占比的目标，配置储能调峰方案可以进一步提高直流可用率，增加了新能源综合利用率。因此，本基地设计实现了多能互补、统一调度、电源侧灵活调节以及源网荷统筹协调发展。

• 煤与可再生能源深度耦合的典型零碳综合能源系统构建

  林光平, 刘兆川, 聂立, 李维成

  煤与可再生能源及绿氢耦合，构建煤基零碳/低碳综合能源中心，可显著提高新型电力系统的稳定性和调节的灵活性，且可显著降低发电的碳排放，同时生产低碳替代燃料，以供下游工业领域的深度脱碳，或跨季节储能。基于此构建IGCC联产甲醇耦合光伏制氢、IGCC联产合成氨耦合光伏制氢、富氧燃烧耦合光伏制氢及CO2加氢制甲醇等典型系统。以典型容量进行了各单元基本的质量能量平衡匹配，及适应可再生能源波动性的白天/夜间不同运行模式分析，并进行各单元技术现状分析，认为这些系统具备基本的技术可行性。投煤量2 000 t/d等级的IGCC与420 MW光伏、8.4万m3/h电解水制氢、2 500 t/d等级甲醇合成构成的耦合系统，可实现上网电负荷在0～557 MW调节，甲醇产量在750～2 500 t/d调节。投煤量2 000 t/d等级的IGCC与435 MW光伏、8.7万m3/h电解水制氢、2 000 t/d等级合成氨构成的耦合系统，可实现上网电负荷在0～605 MW调节，合成氨产量在600～2 000 t/d调节。200 MWe煤富氧燃烧发电系统与8万m3/h CO2捕集、3 600 MW光伏、72万m3/h电解水制氢、2 743 t/d甲醇合成（CO2加氢制甲醇）构成的耦合系统，可以实现上网电功率在60～3 660 MW调节，甲醇产量在823～2 743 t/d调节。在这些系统中，煤的转化利用过程是系统稳定可靠运行及灵活调节的基础，可大幅消纳可再生能源的波动。煤与可再生能源二者耦合，实现了各自单独运行时难以同时实现的低碳与稳定的双重目标。同时绿氢副产O2的有效利用可有效降低传统IGCC及富氧燃烧的成本。煤与可再生能源及绿氢耦合的煤基零碳/低碳综合能源中心具有很好的发展前景，将在我国碳达峰、碳中和战略目标的实现过程中发挥重要作用。适应可再生能源波动性的PEM电解水制氢技术、H2大规模低成本储存技术、CO2加氢制甲醇技术、燃气轮机燃用H2技术等还有待进一步大型化并大幅降低成本，以促进煤基零碳综合能源中心在未来的大规模应用。

• 气化条件下高岭土固定生物质中碱金属机理的热力学研究

  贺冲, 白进, 郭晶, 鲁浩, 黄磊

  生物质中碱金属（钾和钠）在气化过程中易释放至气相，导致气化炉腐蚀、积灰、结渣等问题，严重影响气化炉的长周期运行。采用热力学模拟，分别从碱金属释放和分布规律、物相演化机理、熔渣结构单元和熔渣固定碱金属吉布斯自由能，阐明添加高岭土对秸秆气化过程中碱金属释放的影响机制。结果表明，800 ℃秸秆灰渣中碱金属钾主要存在于钾镁硅酸盐和长石，而钠存在于长石，温度升高促进灰渣中碱金属释放至气相；此外，矿物质种类和熔渣结构分别是决定碱金属释放行为的关键因素；800 ℃时添加高岭土促进灰渣中固钾矿物质由钾镁硅酸盐转变为白榴石，固钠矿物质由钠钙硅酸盐转化为霞石，减弱碱金属释放行为。高温下添加高岭土，熔渣解聚参数G下降，熔渣中Si-Si-O-O结构单元转变为Al-Si-O-O结构单元，促进碱金属以电荷补偿形式与四配位Al3+结合，Si-KAl-O-O结构单元和Si-NaAl-O-O结构单元含量升高，抑制碱金属释放。此外，1 400～1 600 ℃时，添加高岭土导致熔渣固定碱金属反应的吉布斯自由能降低，熔渣固定碱金属能力增强，碱金属释放减弱；熔渣固定碱金属钾反应的吉布斯自由能高于碱金属钠，因此碱金属钾更易释放至气相。

• 新型固定床气化模拟及验证

  王学云, 臧雪晶, 读刚, 郭良元

  为探究新型固定床气化炉工艺操作条件。选用低阶煤，煤颗粒平均粒径10 mm，加煤量35 kg/h，氧气量10 m3/h，运行压力设定为0.1 MPa进行试烧试验。分别进行Fluent动力学数值模拟与Aspen Plus热力学数值模拟，与实际试烧数据对比。结果表明，Fluent模拟的上出气口CO、H2、CH4、CO2体积分数与试烧的绝对误差分别为0.027、0.010、0.020、-0.057，下出气口CO、H2、CH4、CO2模拟体积分数与试烧绝对误差分别为-0.038、0.007、0.003、0.037，而Aspen Plus上出气口CO、H2、CH4、CO2模拟体积分数与试烧的绝对误差分别为0.025、-0.028、0.012、-0.009，下出气口CO、H2、CH4、CO2模拟体积分数与试烧数值的绝对误差分别为-0.022、0.010、0.002、0.010，Aspen Plus模拟结果除上出气中H2体积分数的绝对误差为-0.028，其余各组分的误差绝对值≤0.025，因此选择该模型进一步研究O2流量与煤质量流量比（O2/煤）及H2O与煤的质量流量比（H2O/煤）对煤气组成的影响。发现当O2/煤为0.328，H2O/煤为0.405时，上、下两段出气表现出较好的特性，热值较高，均达11 MJ/m3以上，可作为气化过程中的推荐操作参数。

• 含钒气化熔渣对致密刚玉材料的侵蚀作用机理

  马晓彤, 王志刚, 潘彦宏, 刘伟, 赵江山, 王烟霞

  高硫石油焦用于气化，可实现石油焦的高效清洁利用。煤与石油焦气流床共气化是石油焦气化应用的主要技术路线。石油与煤相比V元素含量较高，V元素易造成耐火材料的侵蚀，目前耐火材料正向无铬方向发展，含V熔渣对新型耐火材料的侵蚀研究还较少。选用一种典型气化用煤的煤灰，配入V2O5模拟石油焦与煤共气化灰，对具有广泛应用前景的刚玉耐火材料进行侵蚀试验，考察气化操作温度、V元素含量和侵蚀时间等因素对侵蚀程度的影响，利用XRD分析含V熔渣高温侵蚀过程中的矿物质变化，利用SEM表征含V熔渣和刚玉材料侵蚀过程中形貌表面变化，阐明含V熔渣侵蚀刚玉材料机理。研究表明：熔渣V元素在刚玉界面处形成钒铝尖晶石，熔渣中V元素与Al元素相互取代，形成相互反应层侵蚀材料表面，破坏了刚玉材料的表面致密性，导致熔渣中低黏度液相渗透加剧。随反应温度增加，V元素与刚玉中Al2O3反应加剧，熔渣与刚玉材料界面处形成的尖晶石颗粒变大，反应层致密性降低，加剧低黏度液相熔渣向刚玉材料渗透，导致刚玉材料侵蚀程度增加。V含量增加时，熔渣与刚玉材料的反应层厚度增加，相互作用界面更加不规则，导致刚玉材料侵蚀程度明显增加。相互作用时间增加，液相熔渣渗透加剧，刚玉材料侵蚀程度明显增加。V含量是决定侵蚀程度的最关键因素，当熔渣中V2O5质量分数为10%、反应温度高于流动温度200 ℃时，刚玉材料侵蚀最严重。石油焦与煤共气化时，应严格控制灰渣中的V含量和操作温度，避免造成耐火材料的侵蚀加剧。

• 基于酚醛塑料黏结剂活性焦的制备及其脱硫性能

  牛俊天, 乔晓磊, 余欣月, 杨丽, 刘海玉, 樊保国, 金燕

  国内外缺乏有效手段对废弃的热固性塑料进行回收利用，大部分只能填埋或焚烧处理，不仅占用大量土地资源，且由于含有多种有害物质，通常造成二次污染，若以废弃酚醛塑料为黏结剂，可达到废弃物资源化利用的目的。同时，酚醛塑料以酚醛树脂为基体，结构中含有大量苯环，具有较大的交联密度，作为活性焦黏结剂具有可行性。因此以酚醛塑料作为黏结剂，褐煤、焦煤为原料煤制备成型活性焦，通过FTIR和氮气吸附脱附法等表征手段探究了酚醛塑料含量和活化温度对活性焦性能的影响。结果表明，随酚醛塑料含量增加，活性焦强度增强，而碱性官能团含量和比表面积均减小，其质量分数为20%时，活性焦的耐压强度和耐磨强度达到国家优级品标准，比表面积262 m2/g、硫容可达9.88 mg/g，高于工业焦硫容。随活化温度升高，活性焦碱性官能团含量及比表面积先增大后减小，活化温度为800 ℃时碱性官能团含量和比表面积最大，活性焦表面C—C及C与其他原子之间连接方式发生改变，芳香环不断压缩，侧链支链减少，活化效果明显，此时硫容最大，具有最佳脱硫性能。