洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2023年第10期

• 煤燃烧非常规污染物排放控制

  张军营, 崔向峥, 王志康, 王建豪, 肖日宏, 熊卓, 赵永椿, ,

  随着工业的发展,环保和健康问题被日益重视。燃煤电厂是大气污染物的主要人为排放源之一,目前,我国针对粉尘、SO2、NOx等常规污染物的控制已达到国际领先水平。同时,针对燃煤过程产生的非常规污染物(PM2.5、重金属、汞、SO3、VOCs等)的排放控制成为当下研究的热点和难点。基于燃煤电厂非常规污染物的生成与排放特征,分析了当前尾部烟气净化装置和各种非常规污染物控制技术的优缺点及面临的挑战。针对5种典型的燃煤非常规污染物排放控制现状进行论述。首先,从多种团聚技术角度分析了煤燃烧PM2.5排放控制现状;第二,从燃烧前、燃烧中和燃烧后3个角度分析了重金属排放控制现状,并阐述了异相凝并技术治理燃煤重金属污染的优势;第三,从碳基和非碳基吸附剂角度分析了汞排放控制现状,并强调了磁珠脱汞技术治理燃煤汞排放的示范效果;第四,从碱基吸附剂、化学团聚和非碱基吸附剂等角度分析了SO3排放控制现状,并突出了非碱基吸附剂高温磺化脱除SO3的创新性;第五,从尾部烟气净化装置和活性炭喷射技术角度分析了VOCs排放控制现状。此外,针对我国非常规污染物控制现状,提出适宜的污染物协同脱除方法,为今后燃煤电厂多污染物协同脱除技术的应用提供参考。

• 大宗风电退役风机叶片资源化回收利用技术研究进展

  马文静, 张宇彤, 杨春振, 胡中发, 王中权, 孙锦余, 谭厚章, 王学斌,

  2020年我国提出“碳中和”目标后,我国风力发电呈爆发式增长,风机叶片的需求越来越大,同时大规模风电机组逐渐开始退役,预计到2040年我国累计退役风机叶片达到288万t。由于风机叶片所用材料较复杂,对其进行资源化回收利用仍是一项挑战。为此介绍了风机叶片的制造特点及其废弃物来源、处理必要性等,并从环境影响和产物价值等方面详细阐述现有处理技术。结果表明:目前对风机叶片的处理方式主要有机械处理、填埋处理、化学溶解处理、焚烧处理和热解处理等,其中焚烧处理包括焚烧发电及水泥窑协同处置;根据退役风机叶片特点及处理方法的优缺点,结合当前我国实际情况,建议优先发展水泥窑协同处置法,风机叶片中的可燃成分燃烧为水泥烧结提供能量,而玻璃纤维等固体残渣则作为熟料水泥原材料,该方法可将退役风机叶片最大化资源化利用,但应合理控制掺混比例;此外可适当发展热解处理法,可彻底处理退役风机叶片,具有减容、减量、资源化等优点,但处理成本较高,热解产物难以再利用,因此,提高风机叶片热解处理的经济效益关键在于充分发挥热解产物的价值,降低处理成本。

• 准东煤燃烧过程中钠迁移转化机制研究进展

  马瑞, 魏博, 范卫东, 姚强, 谭厚章, 姚洪, 朱权, 乌晓江, 孔成栋, 马小晶

  近年来,中国西部准噶尔盆地发现的大量低阶准东煤田引起广泛关注。准东煤田是中国目前发现的最大整装煤田,已探明储量3900多亿t,足够供应中国近100a的煤炭消耗。准东煤具有低灰、低硫、反应活性好、储量大、易开采等特点,是未来煤化工、火力发电的优质燃料。然而准东煤中含有大量碱金属钠,钠在燃烧过程中极易挥发,致使锅炉受热面极易发生沾污、结渣等问题,特别是氯化钠和硫酸钠的迁移会引起一系列灰相关的问题,严重制约了准东煤的大规模、高效清洁利用。综述了准东煤的分布及煤质特征,以及钠的赋存形态及测量方法,详细探讨了钠的内部、外部转化机理,以及煤中无机元素如硅铝酸盐、氯、钙、钾等对钠转化的影响,总结了反应条件如温度、压力、反应气氛、颗粒尺度、添加剂对钠迁移特性的影响。尽管已进行了试验、热平衡计算、模拟等多项研究,但准东煤碱金属释放及迁移引起的灰相关问题仍未从根本上得到解决,对其原因的了解还不够全面,重点回顾研究进展,揭示其形成原因。

• 生物质替代燃料在水泥行业的应用进展

  王俊杰, 杨华伟, 湛月平, 柴祯, 蔡军, 朱治平

  水泥工业是重要的基础原材料行业,同时也是高耗能、高碳排放行业。我国生物质资源丰富,生物质替代燃料应用于水泥行业有助于降低化石能源消耗和碳排放,是实现我国水泥工业碳中和的主要途径之一。系统梳理并分析了生物质替代燃料在水泥行业的应用进展以及存在的相关问题,并给出了解决思路。较传统化石燃料,生物质燃料具有水分含量高、热值低、尺寸大等特点,应用于水泥生产时,可能造成燃料燃尽率降低、烟气量增大、热耗增加、熟料碱含量增加及波动增大等。国外建立了完善的固体回收燃料标准体系,为包括生物质在内的固体回收燃料规范化制备、规模化使用奠定了基础。全球水泥和混凝土协会发布数据显示,2020年全球水泥行业生物质燃料占比6.7%,其中,农业废物、有机废物、纺织废物占比最大,达32%;捷克、德国、波兰等国家生物质燃料占比超22%。与之相比,我国水泥行业使用生物质等替代燃料起步较晚,截至2021年使用替代燃料的水泥生产线占比不超过3%,热量替代率约为2%。从国内的应用情况来看,生物质替代燃料有助于降低单位熟料煤耗,仍存在与现有热工系统不适应、热量利用效率偏低、影响熟料产质量等问题。为降低生物质燃料直接投喂带来的负面影响,需对其进行预处理,对包括机械预处理和高温燃烧预处理在内的相关技术进行了介绍,对比分析各自的优缺点。最后分析生物质替代燃料应用于水泥行业存在的主要问题,并提出了针对性解决思路,包括强化中试研究,增强对实际生产的指导;完善相关标准,建立包括生物质在内的替代燃料产业链;利用水泥窑大量低温废气烘干生物质燃料,减少带入系统的水分;借助CFD模拟,优化生物质燃料喂入的相对位置;根据处置燃料种类,推广循环流化床等高温燃烧预处理技术;开发替代燃料智能控制系统,减少对于熟料产质量影响。水泥工业是我国碳减排的重要战场,生物质替代燃料必将在水泥行业展示出强大的生命力和广阔的应用前景,为我国双碳战略目标的实现做出重要贡献。

• 气流床煤气化熔渣流动行为参数预测模型的研究进展

  赵超越, 白永辉, 宋旭东, 苏暐光, 吕鹏, 王焦飞, 于广锁, 姚敏

  煤的灰熔融特性和黏温特性是气流床(EFB)气化炉能否顺利排渣的2个关键指标。EFB气化炉内的化学反应处于高温高压湍流多相反应的苛刻条件下,通过试验获取熔渣流动行为参数困难大,建立能够预测该参数的模型至关重要。在分析煤的灰熔融特性参数(灰熔融温度、全液相温度)、黏温特性参数(黏度、临界黏度温度)及影响参数因素的基础上,阐述了回归分析法、软件预测法(FactSage、LAMMPS)、数学建模法(反向传播神经网络、支持向量机)和离子势预测法4种预测方法的原理及步骤,对灰熔融特性参数和黏温特性参数构建预测模型进行了系统综述,最后归纳了4种预测煤灰流动行为方法的优缺点及应用范围。基于煤灰成分及其微观结构,结合热力学和动力学模拟软件,采用数学模型优化流动性参数,从而建立最优预测公式,对指导EFB气化过程中熔渣流动行为的准确预测具有重要意义。

• H2O2/Fe2(MoO4)3体系中H2O2吸附分解及NO氧化行为的DFT研究

  刘璇, 吕强, 王长安, 车得福, 李彩亭

  为阐明H2O2/Fe2(MoO4)3体系脱硝过程中H2O2吸附分解及NO氧化行为,基于DFT方法首次计算了H2O2和NO分子单独及二者同时在Fe2(MoO4)3表面的吸附构型,并通过考察吸附能、Mulliken电荷及氧化路径等特性揭示H2O2催化分解和NO氧化的微观机制。结果表明:H2O2在Fe2(MoO4)3表面易分解为活性自由基,而NO则以分子形式吸附;H2O2和NO共吸附时,H2O2优先吸附于催化剂表面并随后分解,NO则分别被H2O2分解产生的OH/O基团氧化为HNO2/NO2;氧化产物HNO2和NO2仅通过氢键与催化剂表面作用,易在流体扰动下进入主流烟气,从而降低了催化剂表面硝酸盐沉积的可能性。本研究阐明了Fe2(MoO4)3催化剂表面H2O2吸附分解及NO氧化的微观机制,为设计兼具高催化活性及优良稳定性的非均相类Fenton脱硝体系提供理论指导。

• 超临界水氛围下萘开环机理

  赵浩, 张英佳, 黄佐华

  超临界水气化技术是一种煤炭高效清洁低碳利用的新型技术,可以将煤直接转化为氢气、二氧化碳等产物,并将煤中的氮、硫、重金属等污染物以固体无机盐的形式沉淀。芳香烃开环反应是超临界水煤炭气化过程的关键速控步之一,运用分子动力学模拟软件LAMMPS对最简单的多环芳香烃萘,在超临界水氛围、不同温度和当量比下对开环反应过程进行模拟,结合自编程分析了原子键级变化并提取了基元反应,实现了定量化的反应动力学分析。模拟结果表明,萘分子数在高温下呈指数下降,反应速率与当量比呈弱相关。反应路径分析显示,萘的开环路径主要包括热解反应、脱氢反应和OH自由基加成反应,脱氢反应和OH自由基加成反应的通道分支比随着温度降低线性增加。物种通量分析结果表明,氢原子和水分子生成OH自由基和氢气分子反应是OH自由基的主要生成通道,萘分子的热解是氢原子生成的主要通道;水分子热解生成氢原子和OH自由基反应接近平衡,对OH自由基贡献有限。开环反应的定量分析结果可以在超临界水氛围芳香烃详细反应动力学机理上提供参考。

• 金属氧化物与掺氮生物质协同吸附CO2机理

  汪辉春, 王莹, 顾明言, 陈萍

  目前吸附材料众多,如沸石、MOFs、聚合物等,而生物质具有分布广泛、低成本、可再生和净零排放等优点成为研究热点。已有研究表明掺氮有利于提升生物质炭对CO2的吸附性能,金属矿物质可对生物炭改性,增大生物炭表面有效吸附面积。但何种氮基团对于生物质炭表面CO2吸附性能影响显著仍未清晰,金属矿物质与富氮改性协同作用下生物质炭表面CO2的吸附特性尚未明晰。基于此,采用量子化学理论计算研究了不同含氮基团生物质炭表面CO2的吸附机理,系统探究了不同金属氧化物(MgO、CaO)及其耦合掺氮生物炭对CO2吸附的影响机理。结果表明,各含氮基团生物质炭不同吸附方式中,含N-X生物质炭对CO2吸附作用最强。分析CO2在MgO与CaO体系中O-Top、Hollow和Bridge三种不同吸附方式,得出CO2以O-Top方式吸附于CaO体系中的吸附能最大,相同吸附方式下较MgO对CO2的吸附能高92.22kJ/mol。相较MgO,CaO中O对CO2中C的作用更强,电子云重叠区域更大,电荷转移更多,与CO2分子间的作用引力更强。进一步研究发现含N-X生物质炭与CaO耦合对CO2吸附有一定协同促进作用,较单独含N-X生物质炭和CaO而言,二者耦合对CO2的吸附能分别提升了136.81和0.87kJ/mol。本研究为高质含碳化学品的制备提供了理论支撑。

• 氨煤混燃过程中单颗粒煤粉着火特性

  吴梓秋, 黄骞, 马鹏, 杨远平, 司桐, 李水清

  开展绿氨与煤混燃有助于双碳目标下的火电降碳,在炉内掺烧技术逐步实现增大掺氨比过程中,煤粉颗粒着火特性是影响氨煤混燃机组宽负荷灵活运行的关键因素。针对氨与煤粉混合给料的掺烧技术路径,利用新型两级平焰燃烧器开展了氨煤混燃过程单颗粒煤粉着火特性研究。利用高速摄影和背光法,通过图像分析获得了不同工况(载气掺氨比、环境氧浓度)下准东煤粉颗粒着火模式和着火延迟时间。研究发现,非掺氨工况下颗粒着火过程由非均相着火模式主导,而掺氨可增大均相颗粒着火模式的煤粉颗粒比例。同时,增大掺氨比,煤粉在脱挥发分阶段破碎的比例增大。同时,通过构建含有氨总包燃烧反应的一维暂态煤粉着火模型,可较好复现氨对煤粉颗粒着火特性的影响:在中心还原气氛下影响较小;而中心氧体积分数为0.1、0.2时,掺氨显著降低单颗粒着火延迟时间,这主要是由于氨火焰提高了煤粉颗粒的加热速率。

• 典型医疗废弃物热解行为及产物特性

  雷苏, 李爱军, 吴扬威, 姚洪, 张桐, 胡红云

  快速热解在生产能源产品和降低环境污染方面具有明显优势,因此被视为一种优良的医疗废弃物处理技术。采用GC-MS耦合LC-HRMS的表征方法,补充了医疗废弃物热解油中高沸点难挥发组分的检测空白,准确揭示了典型医疗废弃物热解产物的组分特性及其变化规律。结果表明,棉签棒热解以生成热解油与热解炭为主,二者产率均约40%,热解气以CO和CO2为主,热解油以醛酮类、酸类和酚类物质为主,特征组分为山梨酸、3(4羟基3甲氧基苯基)丙酸,随热解温度升高,CO、H2及CH4等可燃组分逐渐增加,醛酮类、酸类物质增加,酚类物质逐渐减少,其热解炭表面包含—OH、—CHx、C

• 制储氢技术经济性分析与前景展望

  丁宁, 陈千惠, 刘丹禾, 齐文义

  氢气不仅是一种重要的工业资源,也是“零碳社会”下重要的清洁能源,氢能技术在交通、能源、冶金和化工等领域拥有广阔的应用前景。不过,生产成本、储运技术、安全问题等也长期制约着氢能,尤其是绿氢的应用发展。应明确的是,无论高压储运、氢液化等物理储运方式,或基于“PowertoX”策略的化学储氢方式,均难以避免高额的全周期能耗。在理解过程能效,考虑不同储运方式下氢能全生命周期成本的基础上,对比各类技术经济性。其中,液氢和液氨的燃料利用途径在不同时期下均具有良好的经济性,更适宜用作氢能大规模供热供电场下的储运技术。基于此,对制、储氢技术及成本期望进行了归纳,并讨论了氢(氨)能源在大规模发电领域应用的技术经济问题,借鉴不同国家地区氢能发展思路,以期对我国氢能储运技术发展提供参考。

• 超临界墙式切圆锅炉低负荷燃烧特性

  尤默, 陈磊, 尚勇, 高爱国, 苏胜, 向军

  在新能源大规模消纳及国家双碳目标背景下,实现锅炉低负荷稳定燃烧对火力发电机组深度灵活调峰具有重要意义。以国内某660MW超临界墙式切圆燃烧煤粉锅炉为研究对象,对锅炉进行了低负荷下多工况燃烧特性的数值模拟及试验验证,研究了不同燃烧组织方式对炉内燃烧气流速度、温度及氧浓度分布特性的影响。通过对燃烧器区域进行加密网格划分,提高模拟结果的准确性,数值模拟结果与试验结果偏差较小,说明其模拟结果可信。研究结果表明:30%低负荷下,墙式切圆锅炉通过开启底层燃烧器并进行合理配风,煤粉在炉内能形成良好的切圆流场并增加停留时间;同时,通过适当增加运行燃烧器的间距,能够实现炉内部热负荷分布均匀,为锅炉超低负荷下稳定燃烧提供了有利条件。结果表明,模拟提出的墙式切圆锅炉燃烧组织与运行策略合理,可保证锅炉30%低负荷下稳定燃烧及各项主蒸汽参数达到运行要求,结果为该类型超临界机组深度灵活调峰运行提供基础与依据。

• 污泥燃烧过程氮迁移转化机理

  赵亮, 王欣, 黄宝成, 孙瑜, 薛永明, 张海

  焚烧是目前最有前景的污泥处理方法,但焚烧过程中会产生大量NOx、SOx等污染气体,增加了烟气脱硫脱硝负荷。关于煤、生物质等燃料燃烧过程氮氧化物排放机理的研究较多,但污泥氮元素的燃烧反应和污染排放研究较少。选取污泥中4种常见氨基酸模型化合物(甘氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸和色氨酸),通过密度泛函理论DFT/B3LYP方法,采用6-31G基组进行化学计算。分析比较氨基酸的不同键长和Mulliken布居数,确定相对易断裂的键作为热解的引发键,反应路径的每一步都选择较弱的化学键断裂,逐步优化计算,直到分离出所有NO。对于甘氨酸,设计了3条氮迁移反应路径,对于谷氨酸,设计了5条氮迁移反应路径,对于苯丙氨酸,设计了2条氮迁移反应路径,对于色氨酸,则存在7条氮迁移路径。每条路径的生成物均为NO,比较计算得到的热力学参数,选择从外界吸热最少的路径为氨基酸最佳的反应路径。其中甘氨酸的最佳氮迁移路径需从外界吸收339.21kJ/mol的热量,谷氨酸从外界吸收的热量为304.92kJ/mol,苯丙氨酸从外界吸收324.27kJ/mol的热量,色氨酸氮迁移的最佳反应路径无需从外界吸热。4种氨基酸的反应路径构建出污泥燃烧时含氮组分迁移和转化的多通道反应网络,明确污泥中典型含氮化合物的迁移和转化反应机理,为污泥资源化、无害化利用提供必要的基础数据和理论依据。

• Na-K协同作用对湿法脱硝NOx演化过程的影响机制

  邵然磊, 韩世旺, 玄承博, 王鲁元, 张兴宇, 程星星, 王志强

  以KMnO4、NaClO2为氧化剂进行模拟烟气吸收试验,探究单一碱液吸收剂、Na-K协同吸收剂对去除烟气中NOx的影响,引入微量SO2-3离子对吸收效率进一步优化。结果发现,KOH碱液性能明显高于NaOH,30min内KOH平均吸收率高达99.4%,NaOH的平均吸收率仅86.9%,这是K+离子半径更大,更易解离OH-所致。以0.1mol/L的KMnO4作为氧化剂、双组份吸收液(n(Na)∶n(K)=1∶2,n为物质的量浓度)效率更高更稳定,30min仍可达86%,是双金属离子的电荷传递效应,使气相反应物向液相传递时气膜迅速破裂,减少了气液两相的扩散时间所导致,并通过DFT模拟计算充分证实了这一点。通过在吸收液中引入微量SO2-3离子,平均吸收率提高了3%,证明SO2-3离子进一步促进了硝酸盐物种的吸收转化。

• 氧弹燃烧过程煤中氟的释放和捕集影响因素

  陈思涵, 隋艳, 皮中原, 方全国

  为探究煤中氟元素在氧弹燃烧过程中的释放和捕集规律,揭示造成高灰高氟样品测定结果偏低的关键因素,选取不同灰分和氟含量的煤样为研究对象,采用热力学状态函数法,考察了煤质特性对氧弹内最高火焰温度和该温度下汽/氟质量比的影响,研究了煤质变化对氟释放和捕集率的影响规律。结果表明:样品的热值直接影响最高火焰燃烧温度和燃烧环境的汽/氟质量比,氟分解过程获得的有效热量是影响氟释放和捕集的关键因素,采用掺配苯甲酸提高样品的热值和降低样品的氟含量手段,可提高高灰高氟样品氟的释放和捕集率,提高最高火焰温度至2800K可将高灰高氟样品氟的释放和捕集率由52%~70%提升至85%~100%,可实现氟的全部释放与捕集。为拓展氧弹燃烧法测定氟含量的适用范围提供依据,也可为高氟煤应用中的固氟技术开发提供依据。

• 煤气化废水处理研究进展

  张波涛, 陈贵锋, 彭万旺

  煤炭在满足全球能源需求方面发挥着重要作用,是我国一次能源的重要组成部分,随着我国经济转向高质量发展阶段,生态文明建设进入推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期,煤炭清洁高效利用成为国家工作重点。煤气化废水是煤制天然气过程中低温/中温气化装置产生的主要废物流,主要特征为高酚、高氨、含多种有毒难降解的有机和无机污染物,是一种典型的高浓度难生物降解工业废水,对环境负面影响极大。我国水资源和煤炭资源的逆向分布,废水处理与回用既是对节能减排政策的响应,也是优化水资源和煤炭资源配置的重要措施。目前,已有多种技术被应用于煤气化废水治理,在平衡处理效果和经济性等因素后基本达成共识,即采用物化+生化、厌氧+好氧的处理工艺。治理技术路线主要由预处理、生物处理和深度处理3部分组成,治理后的废水可满足国家废水排放标准。介绍了煤气化废水的预处理、生物处理和深度处理相关技术及处理效果和工艺的优缺点,分析了生产中存在的技术瓶颈,并介绍了其他新型处理工艺,如冷冻浓缩法、水汽集成式近零排放法、微生物燃料电池法等。目前,多数关于煤气化废水处理的研究仍局限于特定方法,忽视了处理过程的综合工程系统,应关注对物化、高级氧化与生物处理技术的优化集成,提高处理效率并降低建设和运行成本,同时加强对新工艺的开发,将煤气化废水的处理过程与煤气化工艺过程更好结合,提升水再利用的潜力、减少能量消耗和污染物产生,最后需关注煤气化废水的资源化利用和其潜在的资源价值,开发其利用方式,真正将气化废水的资源潜力挖掘出来,实现变废为宝。

• 磁场对重介质旋流器介质稳定性的影响

  杜鹏涛, 赵世永, 肖雨辰, 杨珍妮

  重介质悬浮液具有非均相性,在离心浓缩作用下极易降低悬浮液的稳定性,继而直接影响重介质旋流器的分选精度。为削弱重悬浮液浓缩的影响并提高其稳定性,根据重介质磁铁矿粉具有顺磁性的特点,引入径向向内的磁场力以调节重介质颗粒在旋流器中的分布状态。采用理论计算、单因素试验以及三因素三水平的Box-Behnken正交试验方法,解释了磁力复合场中颗粒的运动规律;分析了入料压力、电流强度和线圈匝数对重介质分配以及悬浮液稳定性的影响规律;探究了各因素对重悬浮液浓缩效率Eth的影响规律,给出了各因素与响应值Eth的数学模型及其极小值。结果表明:在离心力场中引入径向向内的磁场力使重介质颗粒拥有更低的离心沉降末速vmro,改变了重介质分配规律,使溢流悬浮液密度升高,底流密度降低;随入料压力增大,重悬浮液浓缩度C1、澄清度C2、分层度C3以及浓缩效率Eth均呈相似增加的趋势;随电流强度和线圈匝数增加,均呈相似降低的趋势;在正交区间内,浓缩效率Eth与入料压力正线性相关,与电流强度和线圈匝数负线性相关,影响程度按大小排序:入料压力>线圈匝数>电流强度;最终得到Eth的线性模型和极小值,即当入料压力为0.03MPa,电流强度为3A,线圈匝数为1000时,Eth=0.067,相较于无磁场状态下的浓缩效率0.37,重悬浮液稳定性提高了81.89%。