煤炭地下气化点火阶段正庚烷着火及燃烧数值模拟研究

煤炭地下气化技术将地下煤层以天然气形式开采出来,是一种清洁、高效的能源利用方式。点火是开启气化反应的第一步,对化学点火过程中燃料着火与燃烧特性的分析将有助于高效气化。该文选取正庚烷为点火燃料,采用离散相模型模拟庚烷雾化过程,建立庚烷液滴与氧气共流燃烧模型,探究庚烷着火温度及燃烧火焰特性,并对影响初始点火过程的关键因素进行分析。结果表明:随压力升高,庚烷着火温度降低,10 MPa时达到670 K;液滴粒径在0.1~0.4 mm范围内时,着火温度随粒径减小而小幅上升;提高氧化剂中氧气浓度可显著提高火焰温度,但会导致火焰长度变短;为避免煤的熔融问题,氧气浓度控制在20%~30%附近较为合适,对壁面最高温度在1200~1530 K内。贫氧燃烧时,火焰温度较低,但过量空气系数处于0.6~0.8时,对壁面的加热温度及加热长度均高于富氧燃烧,在点火过程中能更高效利用燃料。结果可为煤炭地下气化点火过程燃料及氧化剂参数控制提供一定参考。

低阶煤热溶萃取物的配煤炼焦性能

目前,使用黏结性添加物进行配煤炼焦,降低焦/肥煤的使用比例,是焦化行业降本增效的重要途径。国内外学者已经在实验室阶段初步证明了低阶煤热溶萃取物替代焦/肥煤炼焦的可行性,工业化应用需要开展大规模的萃取物炼焦实际验证。基于此,本文搭建了低阶煤热溶萃取装置,并与多家焦化厂展开合作,完成了萃取物替代焦/肥煤的小焦炉实验验证。结果表明:萃取物取代20%肥煤或10%焦煤时能够明显降低焦炭的灰分,保持焦炭冷热性能基本不变。并且萃取物在炼焦过程中有72%~77%的留存率,不会造成焦炭产量的明显降低。因此,本研究明确了低阶煤热溶萃取物取代焦/肥煤炼焦方案的可行性,为焦化行业的降本增效提供了新选择,并进一步推动了低阶煤热溶萃取技术的工业化进展。

深部煤层地下煤气化原位点火的CFD模拟

地下煤气化(Underground Coal Gasification,UCG)作为一种新型采煤技术受到了广泛的关注,但UCG的实验成本较高,在开展UCG实验之前应当对煤层的演变机理进行深入的探究。计算流体力学(Calculated Fluid Dynamics,CFD)可以凭借计算机强大的计算能力,以较为低廉的成本模拟UCG的生产过程。采用Ansys公司开发的CFD软件Fluent模拟了1000 K烟气加热下深部煤层的原位加热着火过程,重点分析了温度、氧气摩尔分数和孔隙度的变化。结果表明,泵入500 s的1000 K烟气不足以点燃煤层,1000 s的烟气加热时间足以点燃煤层,该结果在时间上与劳伦斯实验室的点火时间相当。在煤层内表面,高温主要集中在靠近入口0~0.6 m内的煤层。着火前的最高温度低于加热烟气入口温度1000 K,而着火后的最高温度超过1000 K,最高温度约1250 K。O_(2)在高温区几乎全部消耗,而在其他温度较低的区域,到达煤层内表面的氧气摩尔分数不到2%。高温区孔隙度迅速增长,在1000 s时部分煤层孔隙度可达0.9左右。在煤层内部,煤层越厚,温度上升越低。在1000 s和2000 s时,7 cm线上煤层的最高温度仅为500 K左右,远低于相同加热时间下煤层内表面的最高温度。在2000 s的点火过程中,渗入7 cm和14 cm煤层中的氧气较少,内部煤层孔隙度均在0.4以下。较低的孔隙度是由较低的温度和较低的氧气摩尔分数共同造成的。对温度、氧气摩尔分数和孔隙度的模拟可为如何促进煤层内部的反应提供参考。

高温烟气热解废轮胎过程中痕量金属Cu、Pb的迁移特性分析

废轮胎(WT)作为一种常见固废,不合理的处置会对环境造成较大污染。本文采用燃煤高温烟气对WT进行热解,重点研究了热解过程中重金属Cu和Pb的释放特性,以及不同金属氧化物(CaO、MgO、Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3))对两种重金属的控制效果,此外还研究了添加聚氯乙烯(PVC)对两种重金属迁移释放的影响。结果表明,当热解时间为10min时,两种元素已经基本释放完全。高温促进了Cu的富集,而低温反而促进了Cu的释放。对Pb元素而言,随着温度的升高,其释放量不断增加,展现出明显的线性规律。当WT添加金属氧化物热解时,MgO促进了Cu的富集,而Al_(2)O_(3)促进了Pb的富集。当WT添加PVC热解时,低温促进了Cu的富集,而高温促进了Cu的释放。但不论温度的高低,PVC的添加使得Pb几乎完全释放。此时,添加Fe_(2)O_(3)对两种重金属的释放均起到了抑制作用。

生物质气压烘焙技术研究进展

气压烘焙技术具备反应条件温和、能耗低、脱氧效率高、能量回收率高、半焦燃料品质近似次烟煤等优势,是一种有希望替代传统烘焙的新型技术之一。本文介绍了气压烘焙的发展脉络,综述了气压烘焙工况优化(包括原料种类、温度、压力、时间)、产物组成与理化特性,阐述了气压烘焙宏观反应路径和微观反应机理,着重介绍了半焦的燃烧、热解、气化利用途径,回顾了气压烘焙的反应器设计及其在含氯固废、污泥等处置中的拓展。最后对气压烘焙技术可将生物质转化为高品质固体燃料,直接替代煤炭进行了总结和展望。

生物质废弃物有序能源化利用评述

基于我国生物质废弃物的产量、分布和利用现状,分析了生物质废弃物资源利用过程中转运能耗大和碳排放量高的现状,指出相比于压缩、干燥、烘焙等方法,低温热解预处理技术在生物质废弃物减容提质方面更具优势;论证了生物质废弃物减容提质预处理对其资源利用过程的降耗减排具有一定的作用,提出将具有调峰能力强、使用寿命长、规模化成本低、安全环保等优点的熔盐储能技术应用于生物质废弃物低温热解预处理中,并通过基于耦合熔盐储能的生物质废弃物低温热解处理工艺案例的综合分析,验证了该工艺的可行性和经济性。结果表明:由于熔盐储能对清洁能源电能的消纳及波谷电的存储利用,可有效提高生物质废弃物能源利用过程中的能量利用率,使碳排放量减少达378.49 t CO_(2eq)/a,并可获得良好的经济效益回报(内部收益率大于行业基准收益率),从而实现“无序”生物质废弃物的“有序”能源化利用,对双碳战略具有重要意义。

从能源要素到数据要素:关键生产要素变革中的安全风险对比及治理对策研究

关键生产要素在技术革命驱动社会形态演化过程中发挥关键纽带作用,能源和数据分别作为工业社会和智慧社会的关键生产要素,是社会、经济、文化、生态等各领域高速发展的核心驱动力。研究发现,数据要素在生产环节主要面临可用性较差、权属不可控和技术成熟度低风险;在利用环节主要面临数据滥用和负外部性风险;在流通环节主要面临传输受阻和泄露、交易受限和非法交易、国际竞争和博弈风险;在分配环节主要面临分配效率低和不均衡、数据垄断和不正当竞争、社会分化和极化风险。数据要素安全风险治理应遵循“统筹发展和安全”“统筹国际和国内”“依法治理”“以人民为中心”四项基本原则,并从法治体系、治理技术、市场培育、应急管理四个维度明确我国数据要素安全风险治理的关键任务。

“燃煤电站锅炉绿色低碳转型与发展”专题特约主编寄语

在“碳达峰、碳中和”背景下,煤电的使命发生了重要变化,将从主体电源向调节型电源转变,持续发挥兜底保供、调峰调频、应急备用的重要作用,燃煤电站绿色低碳化发展是实现电力行业“双碳”目标的关键环节。燃煤电站的绿色、低碳、清洁转型,对煤电技术创新和煤电高质量发展提出了新的更高要求,激发了能源行业的创新动力,将成为我国能源发展的重要特征。

准东煤燃烧过程中钠迁移转化机制研究进展

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3 900多亿t,足够供应中国近100 a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“热溶富碳”及其产物利用

生物质“热溶富碳”(Thermal Dissolution based Carbon Enrichment,TDCE)是利用非/弱极性有机溶剂在温和条件(350℃、氮气氛围)下对木质纤维素类生物质废弃物进行热萃取,经过一系列脱氧和芳构化反应,获得的目标固体产物Soluble和Deposit具有无水、无灰、高热值等优点,同时该技术还具有溶剂不参与化学反应,可回收循环利用的优势。因此,热溶富碳是实现生物质能源转化的有效途径之一。本综述首先介绍了目前生物质利用的各类方式;然后重点综述了生物质热溶富碳影响因素、反应机理以及产物利用途径。在“碳中和”的国家战略背景下,生物质热溶富碳技术具有较明显的经济价值和社会意义。

双托盘技术对燃煤电厂重金属排放的影响探究

为解决燃煤发电带来的污染物排放问题,针对二氧化硫、氮氧化物、烟尘的超低排放不断实施。但现有的净化装置对燃煤烟气中的重金属脱除效率不稳定,脱除效率不高。针对此问题,文中将湿法烟气脱硫系统中的托盘进行改造升级,在26000 m^(3)/h烟气中试台架上探究单、双托盘技术及不同喷淋强度对烟气中砷、硒、铅重金属的脱除性能,并对比不同的重金属浓度下重金属脱除性能。结果表明,加装双托盘后,WFGD装置对烟气中As、Se、Pb的脱除率均大幅度提高,脱除率>80%。

低阶煤的热溶萃取提质研究进展

低阶煤的热溶萃取提质是利用溶剂在温和条件下对低阶煤进行热萃取,通过对原煤的脱水与多级分离,可得到无水、无灰、高热值与良好热塑性的萃取产物与低水分的萃余煤。同时萃取产物在配煤炼焦、高级燃料及炭材料制备等多个领域均具有实际应用优势,拥有较高的附加值,并且该技术中溶剂具备可循环利用的优势。因此,热萃取提质是实现低阶煤分级分质转化利用的有效途径之一。本综述首先介绍了现有各类低阶煤提质处理方式;然后梳理了热溶萃取提质发展脉络,重点综述了低阶煤热溶萃取提质的各类影响因素、反应机理、现有工艺以及产物的利用途径;最后利用“Web of Science核心合集”作为数据源,使用CiteSpace科学计量软件刻画了煤溶剂萃取的知识图谱,通过对研究主题进行分析,总结研究方向并预测研究热点,为低阶煤热溶萃取提质研究提供一定的参考价值。综合分析表明:新型低成本绿色溶剂的选取、萃取产物结构表征及高值利用等领域具有较高的研究趋势,同时需要对萃取机理及萃取物特性定向调控开展深入研究,进一步推动工艺规模化生产进程。

电感耦合等离子体串联质谱法测定煤灰中痕量稀土元素

煤灰是稀土等战略性关键金属资源的重要资源来源之一,目前国内外尚未建立煤中稀土元素的标准分析方法。相比其他类型的传统稀土矿产,煤灰基体组成更为复杂。针对现有酸湿法消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测试煤灰中稀土元素存在的前处理效率低、质谱干扰及其消除方法繁琐复杂、测试结果不够准确等问题,提出一种基于石墨消解-(动态反应池)电感耦合等离子串联质谱(ICP-MS/MS)的煤灰中微量稀土元素快速、准确测定含量的方法。通过比较不同消解体系(硝酸、硝酸-盐酸、硝酸-氢氟酸、硝酸-盐酸-氢氟酸)与消解温度(100、140、180℃)对测试结果的影响,发现以硝酸-盐酸-氢氟酸为消解介质、140℃温度条件下煤灰消解效果最好,氢氟酸的加入可以显著提升稀土提取效率,二次加水消解赶去HF避免了难溶氟化物的生成及HF对质谱测试的不利影响。ICP-MS/MS测定过程中分别将Rh、Re元素作为内标在线加入补偿基体效应,通过对比无气体质量原位模式(M-SQ-N/A)、氦气碰撞和动能歧视模式(M-SQ-KED)、氧气质量转移模式(M-TQ-O_(2))、氨气质量转移模式(M-TQ-NH_(3))四种测定模式,发现M-SQ-KED模式下测试值更接近真实值,质谱干扰最小,各元素测试回收率为92.49%~112.88%,检出限低于0.0052μg·g^(-1),相对标准偏差低于1.71%。以煤灰测定过程中常见的Ba对Eu干扰为例,模拟高Ba本底溶液中Eu测试,揭示出M-SQ-KED模式通过反应气与待测元素和干扰离子碰撞概率不同可极大程度减弱多原子离子干扰。将以上方法应用到我国不同电厂燃煤飞灰样品分析,测定得到的稀土标准化曲线分布均一平滑,表明建立的方法稳定、可靠,相比于微波消解前处理,具有成本低、操作简便、效率高可大批量测定等优点;而动态反应池技术可在线消除质谱干扰,极大提高了工作效率。

典型医疗废弃物热解行为及产物特性

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CO_(2)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、H_(2)及CH_(4)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、—CH_(x)、C=C、芳环骨架以及C—O等官能团或结构;口罩热解产物中热解油占比超过65%,基本无热解炭生成,在400℃热解程度很低,500℃时热解油产率达92.56%,600℃时约30%热解油转化为热解气,产物主要是C_(2)H_(2)和2,4-二甲基-1-庚烯,且部分烯烃会在较高温度下环化成甲苯等;手套热解油产率超60%,热解炭产率约20%,热解气以C_(1)~C_(2)烃类气体为主,热解油以烯烃和芳香烃为主,二者总量占比超过70%,D-柠檬烯是其特征组分,600℃时脂肪烃易环化生成芳香烃,其热解炭表面结构以芳环骨架为主,还有部分—OH。

氧化硅添加剂对常压和加压条件下准东煤灰中钠和硫转化特性的影响

本实验研究了常压和加压条件下氧化硅添加剂对准东煤灰中钠和硫转化特性的影响。结果表明,氧化硅添加剂在高压下对钠的释放具有更强的抑制作用。0.1 MPa下,添加比为4%时,灰中钠含量比无添加剂时高3.5%。而4 MPa、添加比例为0和4%时,灰中钠含量比0.1 MPa、无添加剂时分别高5.4%和6.9%。在0.1 MPa时,钠主要以NaAlSiO_(4)和NaAlSi_(3)O_(8)的形式存在。随添加比的升高灰中NaAlSiO_(4)的含量增加,这有效地减弱了灰的团聚。在4 MPa时,添加剂含量的增加,抑制了低熔点矿物CaSO_(4)的分解,并且显著促进了NaAlSiO_(4)与CaSO_(4)反应生成Na_(6)Ca_(2)Al_(6)Si_(6)O_(24)(SO_(4))_(2)的反应。本实验提出了高压下氧化硅抑制煤灰中钠和硫释放的机理。

氨/二甲醚燃料分级燃烧的排放特性

由于本身含氮和氨的燃烧过程会造成高额燃料型NO_(x)排放,为了减少氨燃料利用过程释放的NO_(x),本研究采用燃料分级燃烧技术进行氨/二甲醚燃烧,通过实验探究了燃料分级方法对污染物排放特性的影响.研究发现燃料分级方法能够降低NO和NO_(2)的排放浓度,最高使得NO减少60.1%,NO_(2)减少88.7%.在进行单级燃烧时NH_(3)几乎被完全消耗,采用燃料分级方法后则会造成NH3排放,其浓度随二级氨注入量增多而增大,而NO浓度则随二级氨注入量增多而减小,当热功率为0.6 kW、局部当量比为0.85时,NH3和NO排放浓度达到3×10^(−3)左右的相同水平.实验结果表明燃料分级燃烧方式在降氮方面有良好应用前景.为了进一步了解污染物NO在分级燃烧过程中的生成和消耗特性,本研究建立了一种化学反应器网络(CRN)模型,在Chemkin软件中对本实验测试工况下的燃烧过程进行了模拟.结果表明,数值模拟准确预测了NO的排放数值,验证了CRN计算方法的准确性.敏感性分析表明二甲醚具有比常规碳氢燃料更强的活化作用,对NO生成具有显著的促进作用.产率分析表明,NO在一级燃烧区主要通过HNO路径生成,在二级反应区主要通过NH2+NO=N2+H2O和NH2+NO=NNH+OH反应被消耗.

高热强度型煤制备机理与热转化行为研究

为了高效利用新疆地区日益增长的粉煤资源,最简单有效的解决手段是将粉煤制备成型煤,型煤的优劣可以通过冷态抗压强度和热强度进行判断。本文选取沥青渣作为黏结剂,提出了热预处理提升型煤热强度的方法,研究了工艺关键参数对热强度提升的效果和机理,并计算了型煤产品的燃烧动力学参数。研究结果表明,以沥青渣为黏结剂的冷压型煤冷态抗压强度为10.9 MPa、热强度为0 MPa;250℃热预处理后型煤的冷态抗压强度为9.8 MPa,热强度为21.5 MPa;450℃热预处理后型煤的冷态抗压强度为8.5 MPa,热强度为35.3 MPa。热预处理过程中提升了型煤内颗粒之间的固体桥联联结力,在250℃时,随着沥青渣的软化,熔融分散,再冷却形成固桥提升热强度,只发生了物理变化;在450℃时,由于热预处理导致型煤内部发生化学反应,在接触面反应完成后形成稳定的大分子结构,导致热强度提升。采用不同的机理函数对型煤的活化能、指前因子和相关系数进行计算,对比相关系数的结果显示,型煤产品的燃烧遵循二阶反应动力学。研究内容为制备高热强度型煤和完善型煤热强度提升机理提供了支撑。

反应精馏隔壁塔提纯乳酸工艺研究

以反应精馏隔壁塔替换传统的反应精馏塔,形成了新型双向反应精馏隔壁塔提纯乳酸工艺,并通过灵敏度分析和遗传算法对工艺流程进行了优化,优化后的反应精馏隔壁塔工艺与传统反应精馏工艺相比年度总费用减少10.15%,CO_(2)排放速率降低31.75%,乳酸收率提升4.68%。

垃圾焚烧电厂重金属排放与控制

城市生活垃圾产量不断增长,使得垃圾焚烧电厂已成为我国主要的重金属排放源之一。针对垃圾焚烧造成的重金属污染危害问题,本文总结了我国垃圾焚烧电厂重金属的排放现状,概述了国内外关于垃圾焚烧电厂重金属的控制标准,指出垃圾产量持续增加的形势下重金属的排放与控制不容忽视;并从重金属的释放行为、形态转化及产物中质量分布三方面阐明了焚烧过程中重金属的迁移转化规律,分析了重金属释放的影响因素和形态转化的反应机理,介绍了掺烧其他有机固废对重金属迁移、分布特性的影响;最后总结了垃圾焚烧电厂重金属的控制技术,详细介绍了吸附剂、烟气净化装置和飞灰处理处置方法对重金属的控制效果,论述了强化烟气净化装置协同脱除能力以及开发可抗酸性气体的高效吸附剂的重要性,且固化稳定化后飞灰中重金属的浸出风险值得进一步关注。

煤和污泥燃烧和气化过程中汞析出行为的研究

固体燃料和固体废物在燃烧和气化过程中的汞排放问题在全球已经受到广泛关注。该文首先选取3个煤种和3种干城市污泥作为样本,通过热重(TG)实验了解汞在燃烧和气化过程中的基本析出行为。然后选取一个污泥样在滴管炉里燃烧,研究汞在接近实际燃烧状况下的析出行为。通过热平衡计算预测了在和实验相同条件下汞析出的变化趋势。结果表明,污泥燃烧过程中汞的析出行为受到污泥中硫和固定碳含量的抑制,煤燃烧过程中汞的析出行为受到煤中固定碳含量和Cl含量的重要影响。另外,因为单质汞在还原性气氛下极易形成,在气化过程中,即使是低温汞也很快析出。