洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2022年第12期

• Ca(OH)2 / CaO流态化热化学蓄热动力学研究的快速反应热重分析的基本特征

  冯玉鹏, 邓博宇, 张双铭, 丁一, 杨欣华, 张缦, 杨海瑞

  热能储存是提高能量利用效率的重要途径。基于Ca(OH)2/CaO的流态化热化学储热可实现大规模热能的快速储存和释放，因此研究Ca(OH)2/CaO在流态化条件下的反应动力学尤为重要。热重分析仪（TGA）无法为Ca(OH)2提供恒温反应条件,且传质抑制现象显著。基于此，提出了一种快速反应热重分析仪，相比常规TGA，其可为Ca(OH)2/CaO提供更接近流态化的反应条件。通过快速移动高温反应器和实施高速吹扫气，快速反应热重分析仪可为储热材料提供更高的升温速率和更好的传质条件。通过一系列解耦试验，明确了反应器温度、反应器移动速度和吹扫气流对快速反应热重分析仪性能的影响。利用分析纯Ca(OH)2进行测试，对比快速反应热重分析仪和TGA获得的材料转化率，发现偏差仅为0.81%，证明了快速反应热重分析仪的准确性。

• 超临界循环流化床锅炉深度调峰技术研究与应用

  王虎, 范浩东, 辛胜伟, 张缦, 王君峰, 邬万竹, 杨海瑞, 张鹏

  超临界循环流化床机组深度调峰过程中除了亚临界机组面临的低负荷工况布风板的稳定流化、氮氧化物控制难题外，还涉及水动力的安全性问题。针对超临界循环流化床锅炉深度调峰面临的技术难题，通过流态重构，使临界流化风速降低，保证稳定流化所需的风量减小，同时，减少了炉膛下部燃烧份额，进而减小布风板面积，保证超低负荷流化稳定；开发了垂直管圈二次上升水冷壁工质流程，保证低负荷水动力安全性；降低床料粒度和循环物料粒径，在保证流化和燃烧的前提下，降低一次风比例，强化焦炭颗粒表面的局部还原性气氛，同时对给煤、排渣、送风等布置方式进行优化布置，保证炉内氧量和温度分布均匀，为氮氧化物控制提供保证，最终实现350 MW超临界循环流化床锅炉20% BMCR工况稳定运行，最大壁温偏差为17 ℃，炉内同层温度偏差在30 ℃以内。此外，在锅炉从启动到满负荷以及变负荷运行过程中，3个旋风分离器入口烟温的温度偏差始终在10 ℃ 以内，氮氧化物全负荷超低排放。

• 循环流化床锅炉炉内受热面磨损防护技术与应用进展

  陈翰, 姚禹歌, 张国庆, 张代鑫, 马有福, 黄中

  炉内受热面磨损是影响循环流化床锅炉长周期安全稳定的主要因素，锅炉设计结构、燃用煤质特性、运行控制方式、检修维护水平等因素均会对磨损造成影响。磨损多集中于颗粒浓度高、烟气流速大、流场发生突变的区域，如炉膛密相区、过渡区、屏式受热面连接区、稀相区不规则部位、炉顶部和炉膛出口等位置。为减轻炉内磨损带来的危害，循环流化床锅炉一般通过降低炉膛烟气流速、让管设计、采用主动防磨或被动防磨技术手段进行防护。从使用效果来看，防磨梁、防磨格栅、金属喷涂、激光熔敷（熔覆）等措施均能在一定程度上缓解炉内受热面磨损，防磨技术的选用需要综合考虑其对炉内传热的影响以及检修维护的便利性，总体而言应用较广泛且效果较好的是金属格栅与金属喷涂或激光熔敷（熔覆）相结合的组合防磨技术。目前，循环流化床锅炉炉内磨损问题已得到有效控制，锅炉的连续运行周期和安全性显著改善。

• 化学链燃烧钙基载氧体研究进展

  狄子琛, 巩盼, 杨凤玲, 宋慧平, 程芳琴

  化石能源燃烧产生大量CO2，碳捕集、利用与封存技术是目前唯一能实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术。化学链燃烧是一种新的解耦燃烧技术，可在燃烧过程中实现原位碳捕集。载氧体是该过程高效稳定运行的关键。钙基载氧体因其特有的高载氧量、低成本、易获得且对环境友好等优势被认为具有应用潜力。总结了化学链燃烧技术及6类常见载氧体的原理及发展，重点介绍了钙基载氧体存在的瓶颈问题——热力学和动力学适宜温区、分压匹配难，总结了国内外通过控制反应条件、添加剂等手段调控反应过程，强化其反应性和再生性的相关研究，并解析了惰性载体、金属氧化物等添加剂对钙基载氧体性能的强化效应和影响机制。研究表明，惰性载体可有效改善载氧体分散特性，从而提升反应活性，有助于提高机械强度。与惰性载体相比，添加金属氧化物可能更有效。传统的功能强化方法可一定程度改善载氧体性能，但难以从根本上突破其再生性差的瓶颈。未来研究可聚焦2方面：基于人工智能在材料科学中的应用，定向筛选与优化廉价钙基天然矿石/工业固废等材料作为载氧体；重构载氧体的形貌构造和晶体结构，调控氧原子、硫原子的迁移转化行为，降低氧传递对硫原子的携带效应，实现再生性能强化。

• 炭材料在CH4-CO2重整反应中的研究进展

  郭硕闻, 孙映晖, 李媖, 许瞳, 张国杰, 张永发, 白杰

  双碳时代，CO2的转化与利用成为研究热点。CH4-CO2重整反应在催化诱导合成气（CO和H2）时同时利用这2种温室气体，并能通过费托合成解决气体燃料固有的存储和运输问题。CH4-CO2重整反应原料中，CH4分子构型为正四面体，不易分解；CO2是最小的非极性分子，C〖FY=，1〗O键断裂需较高能量。因此CH4-CO2重整反应需使用催化剂，且使用廉价、高效率的催化剂一直是研究重点。与无法兼具催化活性和稳定性的非贵金属相比，炭材料发达的孔隙结构能对活性金属进行分散和固定，部分生物质材料含有丰富的官能团，能提高反应气体的吸附和活化，从而提高催化剂的稳定性和抗积碳能力。总结了炭材料在CH4-CO2重整反应中的应用，分析了不同炭材料在提高催化剂抗烧结和抗积碳性能方面的作用机制。炭材料单独作催化剂时活性并不理想，将炭材料用作载体或对炭材料进行改性尤为重要。通过负载活性金属及助剂将炭材料的结构性质与金属的高活性相结合，而改性是通过不同化学试剂和方法丰富炭材料表面结构，优化炭材料的理化性质。杂原子掺杂改性能扩大炭材料孔隙优势、提高炭材料表面官能团含量。这2种方法结合得到改性炭材料载体，是当前炭材料催化剂研究热点。对炭材料改性既有利于金属的分散和锚固，又提高了载体与反应气体吸附和活化速率。本研究能够为催化CH4-CO2重整反应和炭质催化剂使用研究方向提供参考。

• 正庚烷对甲醇液滴蒸发特性的影响

  张美娟, 魏衍举, 张启霞, 陈晟闽

  燃用甲醇可使柴油机实现高效清洁燃烧，燃料的蒸发特性对燃料的混合、着火、燃烧过程影响显著。甲醇十六烷值较低，着火困难，添加正庚烷可提高甲醇燃料的十六烷值。搭建了液滴蒸发试验装置，采用单液滴挂滴测量方法，使用高速摄像机拍摄液滴蒸发图像，基于图像处理技术研究了正庚烷-甲醇液滴的蒸发过程。分析不同正庚烷掺混体积比（0、5%、10%、15%）和环境温度（100～500 ℃）对液滴蒸发特性的影响。结果表明，正庚烷-甲醇燃料液滴的蒸发特性遵循D2定律，即液滴直径D与液滴初始直径D0比值的平方（D/D0）2与蒸发时间呈线性关系。液滴相对面积随时间变化JP2近似为一条斜率为负的直线。掺混体积比一定时，液滴蒸发速率随温度增加而增加。当温度从100 ℃增至500 ℃后，正庚烷掺混体积比0、5%、10%和15%的液滴单位面积蒸发速率分别增加了543%、639%、896%、556%。温度一定时，不同正庚烷添加剂掺混体积比的甲醇液滴蒸发的变化趋势基本相同。与纯甲醇相比，除200、300 ℃外，掺混体积比5%的正庚烷使液滴蒸发时间延长。100 ℃时，随正庚烷掺混体积比增加，液滴蒸发时间缩短；200 ℃时，随正庚烷掺混体积比增加，液滴蒸发时间延长；其余试验温度下，随正庚烷掺混体积比增加，液滴蒸发时间先延长后缩短。其中，在200、300、400、500 ℃，正庚烷掺混体积比从5%增至15%后，液滴蒸发时间分别延长了53.9%、17.1%、47.5%、53.1%。

• 燃煤电厂锅炉机组焦炭燃烧模型分析与展望

  刘鹏宇, 李德波, 刘彦丰, 廖宏楷, 冯永新

  焦炭燃烧是燃煤电厂锅炉中煤粉燃烧的主要过程，其燃烧过程由动力燃烧区、扩散/动力区和扩散控制区组成，其中以扩散/动力区的燃烧过程及机理最复杂，影响焦炭燃烧的数值模拟精度。为进一步提高燃煤电厂锅炉侧数值模拟精度，对FLUENT自带模型、改进的随机孔模型及已有的焦炭燃烧改进模型进行了综述与横向对比。结果表明：FLUENT自带模型未考虑实际燃烧时灰分对氧气扩散的影响，造成数值模拟与工程实际差别较大；基于改进的随机孔模型，认为温度是导致扩散区中氧气难以与焦炭接触的原因，但并非根本因素；现有模型普遍未考虑工程实际中燃用劣质煤种时内表面积对反应速率的影响，造成低转化率阶段预测值与实际值偏差较大；考虑灰层扩散阻力缩核模型的应用时，应先比较燃用煤种的软化温度与燃烧温度，且考虑热失活和多孔碳球内表面积；热失活和灰分抑制模型应采用更适宜的灰分抑制模型，提高模型预测精度；目前基于FLUENT对燃煤锅炉其他问题进行数值模拟时，均采用误差很大的扩散/动力模型，后续研究中采用改进后的焦炭燃烧模型是重要研究方向。

• 二次风配比和旋流强度对预热解式低氮旋流燃烧器性能影响的数值模拟

  范永成, 张飞龙, 王永东, 王里, 刘俊杰, 谭厚章, 许鑫玮, 王学斌

  目前我国工业锅炉保有量超60万台，其中燃煤工业锅炉占现役工业锅炉总数的80%以上，并作为主要热力供应设备被广泛应用于生产生活的各领域。燃煤工业锅炉作为我国仅次于火电厂的第二大燃煤型污染源，推进其清洁高效运行、有效节能减排，是实现经济效益、环境效益和社会效益共赢的必然途径。设计了一种预热解式低氮旋流燃烧器，在低氮旋流燃烧器的基础上添加预燃室可实现稳定燃烧，并使煤粉经过预热解后产物送入炉膛燃烧，通过控制热解气氛引导热解气中生成的NO还原成N2，控制NOx排放。使用CFD模拟方法研究了内外二次风配比和内二次风旋流强度对预热解式低氮旋流燃烧器燃烧性能及污染物排放特性的影响，通过速度场、温度场和烟气组分分布的多工况对比分析，对燃烧器运行参数的优化提出建议。模拟结果表明：内二次风率增至54%时，内二次风破坏了预燃室内的回流区，使燃烧器无法实现稳定燃烧，该预热解式低氮旋流燃烧器存在一个稳定燃烧的最大内二次风率，约为50%；在保证燃烧稳定的范围内提高二次风率，预燃室内的低氧区域面积增大，内二次风与一次风的混合延迟，NOx排放降低，但高风速使煤粉的停留时间降低，出口截面焦炭燃尽率略降低；内二次风旋流叶片角度减至30°时，预燃室内的环形燃烧区消失，使燃烧器无法实现稳定着火，在30°～45°存在一个燃烧器稳定燃烧的最小内二次风旋流叶片角度；内二次风旋流叶片角度增大，燃烧器出口火焰刚性降低并在轴向上被压缩，炉膛前段温度提高、高温区集中，使焦炭充分燃尽，但炉膛出口截面NOx浓度略有升高。

• W火焰锅炉脱硝系统流场CFD优化

  耿宣, 汪洋, 王凯亮

  由于W火焰锅炉炉膛设计热负荷与火焰中心温度较高，热力型NOx生成增加，炉膛出口NOx质量浓度远高于其他煤粉锅炉，对锅炉后部的选择性催化还原（SCR）脱硝装置要求很高。为探究流场和组分浓度分布对SCR装置脱硝效率和氨逃逸的影响，提升装置脱硝性能，采用计算流体力学（CFD）仿真手段建立某电厂660 MW机组W火焰锅炉脱硝系统的三维计算流体力学模型，并进行数值模拟；为使计算结果更贴近实际工况，按照锅炉满负荷下摸底试验数据设定入口NOx浓度边界条件。通过详细分析SCR系统烟气速度分布、组分浓度分布、氨逃逸等流动特性，针对流场优化、分区喷氨和新型静态混合器对脱硝性能的影响进行模拟与优化，从而提高SCR系统流场及浓度场均匀性。优化前后模拟结果表明，通过增加顶部导流板数量，可提升催化剂入口速度分布均匀性，消除催化剂入口速度较高的条状区域，优化后催化剂入口烟气速度分布相对标准偏差由20.86%降至3.80%；通过增加三角翼型静态混合器可消除入口NOx浓度分布不均的影响，提升浓度场均匀性，分区最大氨氮物质的量比相对标准偏差由10.72%降至1.78%；改造方案明显优于原始设计，对工程设计具有重要的借鉴意义。

• 330 MW CFB锅炉机组深度调峰运行优化

  刘旋坤, 邓博宇, 张思海, 张双铭, 杨欣华, 张缦, 杨海瑞

  为进一步提高火电机组对新能源的消纳能力，当前对火电机组调峰要求越来越高，以某电厂330 MW亚临界CFB机组宽负荷调峰运行为例，针对限制深度调峰的流化安全问题、污染物排放浓度过高及工质偏差等问题，提出了相应运行策略和技术措施。通过改变筛板限距条间距为8 mm，减小入炉煤粒径；采用“回”字形布置在风帽上加装节流环，改善了机组深度调峰下的流化状态；调整布风板面积及一二次风配比，有效降低了深度调峰状态下的最小流化风量。经调整，在流化风量380 km3/h、风温245 ℃运行工况下，布风板阻力提高了2 231 Pa。50%负荷工况下，流化床前后平均温差由126.8 ℃降至27.2 ℃。引入烟气再循环系统，采用多流态多粒度炉内脱硫技术和脱硝喷枪改造。将300～500 μm石灰石由二次风输送进炉膛，1～2 mm石灰石由给煤系统投入炉膛。在炉膛中下部及二次风口倾斜段切向安装多组脱硝喷枪，根据不同调峰负荷调整脱硝喷枪开关。实现了20%机组调峰深度运行时，SO2排放量稳定控制在5 mg/m3以内，NOx排放量降至30 mg/m3以下。在水冷屏入口处安装节流圈，将原水冷屏改造为小面积并联式，降低工质流量偏差和温度偏差。对锅炉机组进行压火试验，实现机组最大限度调峰。研究结果可为同级别燃煤锅炉的深度调峰运行提供参考。

• 活性炭辅助低温等离子体脱除燃煤烟气中NO

  范金航, 李业, 汪世清, 王焕君, 刘练波, 牛红伟, 郭东方

  燃煤烟气中氮氧化物以NO为主，其大量排放对自然环境和人类健康危害极大。针对低温等离子体（Nonthermal plasmas,NTPs）技术脱除NO效率低、能耗高的问题，系统研究不同气体流量、O2含量和NO初始浓度等因素对低温等离子体过程中NO去除效果的影响。结果表明，在N2/NO混合气体条件下，NO脱除率为90%、气体流量为5 L/min对应的单位能耗NO处理量最高，为4.17 g/kWh〖JP〗。O2的存在对于NO转化具有一定抑制作用，且在高O2含量下，升高电源的输出功率反而不利于NO脱除。研究发现，O2体积分数6%条件下，NO脱除率低于46%，对应单位能耗NO处理量仅为2.29 g/kWh。为实现有氧条件下NO的低能耗高效脱除，在低温等离子体反应段前添加活性炭吸附氧化工艺。首先利用活性炭对高浓度NO进行吸附氧化预处理，降低进入低温等离子体反应器中的NO浓度；随后，采用低温等离子体技术对剩余NO进行深度氧化处理，实现NO的低能耗高效脱除。结果表明，采用该耦合工艺，活性炭吸附氧化NO去除率达55%以上，控制低温等离子过程输出功率为9.66 W，NO整体脱除率达90.5%，单位能耗NO处理量达13.58 g/kWh。与仅采用低温等离子体过程相比，该耦合工艺对应的单位能耗NO处理量提升了近5倍，具有良好的应用前景和社会经济价值。

• 多喷嘴脱硫废水烟道蒸发特性模拟分析

  焦世权, 李玉龙, 李恒凡, 韩中合

  火力发电厂湿法脱硫产生的脱硫废水处理难度大，脱硫废水烟道蒸发技术能够有效降低脱硫废水排放量，甚至实现脱硫废水零排放，进而降低电厂运行成本。为研究多喷嘴脱硫废水雾化液滴在锅炉尾部烟道中的蒸发规律，建立了脱硫废水雾化液滴在烟气内的传热传质模型。以某330 MW锅炉尾部烟道为研究对象，利用Ansys Fluent模拟研究了不同喷嘴数量时，烟气和雾化液滴性质对废水运动蒸发过程的影响。结果表明，当脱硫废水流量一定时，随喷嘴数量增多，单个喷嘴废水流量逐渐减少，使废水液滴在烟道内的分布更均匀，喷嘴上方的低温区域面积沿流动方向逐渐增大，平均温度和最低温度升高。在不同烟气和液滴性质条件下，随喷嘴数量增多，液滴的蒸发速度均增大，蒸发时间和运动距离缩短，但降幅逐渐变小，且液滴蒸发距离与蒸发时间正相关。此外，液滴运动速度几乎不受喷嘴数量变化的影响，液滴运动速度主要受烟气速度的影响。不同喷嘴数量时，随烟气温度升高、烟气含水量降低、液滴粒径减少、液滴初始速度初始温度增加，废水液滴的蒸发时间降低，蒸发距离缩短；烟气流速的增加降低了蒸发时间，单喷嘴时，蒸发距离先减小后增大，当烟气流速为10 m/s时，蒸发距离最短为9.85 m，多喷嘴时，蒸发距离一直减少。

• 基于环保超低排放的管式空预器长周期运行策略

  王鹏程, 刘旋坤, 蔡晋, 杨海瑞

  针对管式空预器磨损、腐蚀和堵塞等问题，以河坡350 MW超临界循环流化床锅炉机组为例，通过空预器入口风温智能温控策略，根据酸露点的预测结果确定空预器管壁温度，从而调整暖风器出力，保证空预器的入口风温始终在酸露点以上，从而减小空预器末端低温腐蚀。结合低氧量燃烧技术，通过运行试验，最终确定锅炉在不同负荷下的氧量：350 MW负荷时氧量为2.7%～3.0%，310 MW负荷时氧量为3.0%～3.2%，230 MW负荷时氧量为3.2%～3.5%，有效减少了空预器低温段腐蚀。采用二次风口喷入石灰石快速响应炉内脱硫技术，使石灰石可以直接喷入炉内微氧化稀相区域，缩短了脱硫响应速率时间，减少了炉内脱硫剂石灰石的用量，避免了烟气中SO2含量大幅波动，有效提高炉内脱硫效率。对比各脱硝喷枪效率以及脱硝喷枪的位置，确定喷枪效率，对SNCR系统的喷枪进行优化，在二次风管倾斜段增设脱硝喷枪，提高了全负荷平均脱硝效率，降低氨逃逸量，有效减少了该机组脱硝还原剂的消耗量，并且大幅降低氨逃逸硫酸氢氨对空预器腐蚀和堵塞的风险。通过以上技术手段，空预器运行6 a来，工作状态良好，运行平稳，可为同类机组空预器的运行维护提供参考。

• 600 MW旋流对冲锅炉燃烧器燃尽特性及其优化数值模拟

  毛睿, 李源, 任利明, 张平安, 马仑, 陈鑫科, 张耿范, 方庆艳, 张成

  在实际运行中，旋流对冲燃烧锅炉的大风箱分配到同层各燃烧器的流量不均匀，显著影响煤粉的燃尽特性。然而，对该炉型锅炉炉内单个燃烧器的燃尽特性研究相对较少。基于此，以一台600 MW前后墙旋流对冲锅炉为对象，开展炉内燃烧器燃尽特性及其优化的数值模拟，探究燃烧器不同配风方式、旋流强度及出力对煤粉燃尽特性影响。模拟结果表明，下层燃烧器对应的飞灰含碳量高于中、上层燃烧器；中间燃烧器对应的飞灰含碳量（平均值约0.1%）低于两侧燃烧器（平均值约3%），这与现场测量的结果基本一致。侧墙附近燃烧器煤粉的不完全燃烧是锅炉出口飞灰含碳量的主要来源。适当减少中间燃烧器的风量并增加侧墙附近燃烧器的风量对中间燃烧器煤粉的燃尽特性影响相对较小，但能有效改善靠近侧墙燃烧器煤粉的燃尽特性（飞灰含碳量从3.0%降至1.6%以内）；适当增加侧墙附近燃烧器二次风旋流强度或提高中间燃烧器出力、降低侧墙附近燃烧器出力，也可有效降低侧墙燃烧器对应的飞灰含碳量（2%以内），改善锅炉煤粉燃尽特性。

• 基于有机工质及CO2的跨临界动力循环研究进展

  陈崇辉, 欧少端, 苏文, 李晓雅, 蔺新星, 周乃君

  跨临界动力循环是一种将热能转化为机械能的热力系统，因其在中低温热能转换中循环效率高、经济性好等优势受众多学者关注。现有文献多针对跨临界动力循环的特定应用展开综述，鲜有关于循环结构、仿真模型及循环工质的一般性论述。以跨临界动力循环为主线，首先回顾已有的跨临界动力循环结构，介绍循环的热力学模型（稳态模型、动态模型）及经济性模型（系统成本模型、（火用）经济模型），然后根据不同的循环工质（有机工质、CO2和CO2混合工质）重点阐述国内外跨临界动力循环的理论研究进展，最后简述近年来跨临界动力循环的试验研究现状。循环形式的构建将朝着与人工智能结合的方向发展，CO2混合工质或将成为研究热点，同时亟需加大循环部件的研发及系统试验研究。

• 铝灰基聚合氯化铝处理选煤废水试验

  李占兵, 李会泉, 刘青青, 张建波, 黄形中, 吴秀文, 李少鹏

  铝灰是电解铝、铝加工和铝再生行业产生的危险废弃物，直接堆存易造成严重的环境污染和资源浪费。铝灰中氧化铝质量分数达70%以上，可用于制备聚合氯化铝净水剂。为实现铝灰废弃物利用和解决选煤废水的污染问题，以铝灰基聚合氯化铝（Aluminum dross-based poly aluminum chloride,AD-PAC）为原料处理选煤废水，系统考察了AD-PAC投加量、絮凝温度、pH、快搅速度、快搅时间、慢搅速度、慢搅时间、静沉时间等因素对选煤废水浊度去除率的影响；通过絮凝体粒径变化研究了AD-PAC与选煤废水颗粒物结合机制，初步明确了AD-PAC对选煤废水的絮凝机理。结果表明：在AD-PAC投加量100 mg/L、絮凝温度40 ℃、pH=10、快搅速度300 r/min、快搅时间30 s、慢搅速度100 r/min、慢搅时间45 min、静沉时间20 min的条件下，选煤废水浊度由54.63 NTU降至0.50 NTU，浊度去除率达99.08%。絮凝过程形成的絮凝体中位粒径由59.67 μm增至145.90μm；AD-PAC通过电中和/吸附、网捕作用使废水中的颗粒物脱稳，转变成大颗粒絮凝体，实现选煤废水净化,为AD-PAC在废水处理行业中的应用提供技术支撑。