新型电力系统环境下煤电与新能源等多元资源协调优化运行及其挑战

我国新能源装机规模最大、且持续高速发展,电网运行面临新能源消纳与电力保障供应的双重挑战,需多方位提升系统灵活性,构建新型供给消纳体系,促进资源优化配置。立足我国电源结构和新能源快速发展态势,提出和分析了五大关键技术:煤电与新能源灵活性运行能力提升技术、柔性电-氢-化系统集成设计与运行控制优化技术、多资源互补优化调度运行技术、容量和新型辅助服务市场机制及出清技术、煤电与新能源综合调节和优化运行系统应用技术,促进煤电与新能源的协调发展,推动构建适应我国国情的新能源供给消纳体系建设,推动电力系统的转型升级。

660MW高水分褐煤锅炉超低负荷运行特性研究

为揭示大容量高水分褐煤机组的超低负荷运行特性及性能优化方式,基于建立并验证的燃煤锅炉燃烧模型,研究了33%最大连续额定负荷下燃烧器运行方式对660 MW高水分褐煤锅炉炉内燃烧、传热及NO_(x)转化特性的影响。结果表明:超低负荷下炉内仍可形成良好组织的流动及燃烧场,但锅炉综合性能显著下降,如燃烧温度及受热面吸热量显著降低、炉膛出口NO_(x)排放增加等;运行4层燃烧器时投运连续的下、中间组或中间、上组燃烧器,可有效防止燃烧、传热过程的显著恶化及NO_(x)排放的明显增加;燃烧器投运层数影响锅炉综合性能,运行2层燃烧器时炉内剧烈燃烧区域过于集中,不利于维持较高的燃烧温度及传热强度,炉膛出口NO_(x)排放升高。研究结果揭示了超低负荷下燃烧器投运位置及层数对660 MW高水分褐煤锅炉综合性能的影响,可为大规模可再生能源电力并网背景下高水分褐煤机组参与深度调峰的运行调整及优化提供指导。

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。

等离子体拓展氨/空气预混旋流火焰贫燃极限

为探究等离子体对氨-空气预混旋流火焰贫燃极限及燃烧效率的影响规律,将等离子体等效为热源,结合计算流体力学(CFD)燃烧模拟手段分析不同当量比及等离子体放电位置下氨的燃烧特性.结果发现,布置等离子体等效热源后,氨-空气贫燃极限从0.82降至0.78以下,但同时伴随燃烧效率的下降.其原因主要在于等离子体放电输入热量可维持局部高温来防止火焰吹熄并提高局部火焰传播速度.然而,随当量比下降等离子体作用范围减小,导致部分氨逃逸进而引起燃烧不充分及燃烧效率下降.

高碱煤液态排渣燃烧条件下碱金属释放特性研究

采用液态排渣旋风燃烧技术可优先将煤中Na等碱金属以硅铝酸盐熔渣的形式从炉底排出,从而有效减缓燃高碱煤锅炉尾部受热面的强沾污、结渣问题。高温液态排渣燃烧条件下Na的迁移、释放特性对其在炉内渣膜的捕捉行为影响巨大。为此,在沉降炉上研究了3种典型高碱煤(地表高氯煤、将军庙煤、沙尔湖煤)在液态排渣高温热解—燃烧过程中,煤中Na的释放特性以及Ca、Fe等对Na释放行为的影响。研究结果表明:热解阶段,水溶性Na主要以Na2SO4、NaCl等形式释放,1500℃下释放率为63.1%~68.6%;酸溶性Na主要通过分解或与自由基反应释放,1500℃下释放率为64.4%~79.2%;高温下,部分水溶性Na、酸溶性Na会与灰中硅铝酸盐矿物反应转化为不可溶性Na。Ca、Fe在热解阶段对Na的释放影响并不显著;焦炭燃烧阶段,水溶性Na和酸溶性Na的释放率达95%以上,灰中不溶性Na分别为3种原煤中不溶性Na的2.64倍、2.28倍和5.6倍,表明高温液态排渣燃烧条件下,高温熔渣对Na具有一定的捕捉作用,且以不可溶性Na的形式固化于高温熔渣当中。

燃煤发电机组灵活运行控制技术研究进展

加快构建新型电力系统是助推“双碳”目标实现的核心关键。风、光可再生能源的大比例接入给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战,对燃煤机组的安全、深度、灵活调峰控制也提出了更高要求。依据煤电机组智能灵活调峰控制技术的发展历程,从被控对象建模和灵活运行控制方法两个层面进行梳理与分析,研究结果表明,辅以机器学习和其他智能系统辨识方法的混合建模方式,以及融合预测控制、自适应控制、多目标智能寻优等先进控制技术更加适合未来煤电机组灵活智能控制的需要,是未来煤电机组灵活、智能控制技术发展的主要方向。

330 MW机组煤粉炉还原区喷入水煤浆热解气还原NO_(x)数值模拟

以330 MW机组煤粉锅炉为研究对象,采用数值模拟方法研究了水煤浆热解气的脱硝作用,重点讨论了主燃区过量空气系数α1和热解气比例β对炉内燃烧特性和NO_(x)排放的影响规律。结果表明:当β保持不变时,随着α1减小,主燃区温度降低,燃尽区及炉膛出口温度升高;同时,α1的减小增强了主燃区的还原性气氛,有利于提高热解气的脱硝速率,从而降低炉膛出口的NO_(x)质量浓度,但α1的减小会影响煤粉的燃烧性能并使得炉膛出口CO增多;随着β的增加,炉膛火焰中心上移,热解气对NO_(x)的还原速率升高;当β从5%增至20%时,炉膛整体的NO_(x)质量浓度呈现先减小后增大的趋势,β=15%时NO_(x)质量浓度最低,热解气的NO_(x)还原效率为44.35%。

高灰熔点煤高温下煤焦CO_2/水蒸气气化反应特性的实验研究

我国煤炭年产量中,1400℃以上的高灰熔点煤约占50%以上。为探索固态排渣方式的高灰熔点煤气流床气化,文中选出具有代表性的3种高灰熔点煤种和1种低灰熔点煤种,在TGA-51H型高温热天平上进行了煤焦—CO2和煤焦—水蒸气气化反应特性的实验研究,并利用SEM考察了气化条件下煤焦及灰的微观结构。实验结果表明:在煤焦—CO2/H2O反应过程中,反应速度明显表现出高温区域的扩散反应和低温区域的化学反应;无论在1273～1573K的低温区域,还是在高于1573K的高温区域,反应速率随燃料比的增加而减小;低灰熔点煤在高温条件下,气化反应速率随温度的升高变化不大,有时甚至略有下降;对于高灰熔点煤种其气化反应速率随温度的升高仍继续升高。

高灰熔点煤加压气流床气化特性

在25kg／h规模的沉降式加压气流床气化实验装置上，研究了高灰熔点煤种在固态排渣温度范围内的气化特性及灰渣熔融特性．结果表明，气化温度、碳转化率均随O／C物质的量比的增加而增加，冷煤气效率则随O／C物质的量比的增加呈现先增大后减小的变换规律；本实验条件下，最佳O／C物质的量比在1．0—1．2之间，此时冷煤气效率达最大值（42％左右），相应碳转化率为90％；对最佳工况下气化炉底部、旋风分离器和布袋除尘器内的灰渣进行SEM分析表明，该工况下气化炉底部、旋风分离器内的灰渣在整体上仍以固态形式存在，只是有部分低熔融成分发生熔融，其熔融部分的粒径在数微米左右，而布袋除尘器内的灰渣没有发生熔融现象．

高灰熔点煤气化特性及灰渣熔融特性的研究

在0.1-0.2 kg/h小型电加热式常压气流床气化装置上,研究了不同温度、不同O/C物质的量比对高灰熔点煤气化特性和煤灰熔融特性的影响.结果表明：在不同温度下,随着O/C物质的量比增加,CO2体积分数呈线性增加.当O/C物质的量比较低时,H2和CH4体积分数较高;随着O/C物质的量比的增加,合成气中H2和CH4的含量下降较快.在不同温度下,随着O/C物质的量比的增加,碳转化率增加;但当O/C物质的量比达到1.1时,进一步增大O/C物质的量比,则使得炉内煤焦及合成气中可燃气体（CO、H2、CH4等）的燃烧份额增加,从而导致冷煤气效率下降;在该文试验条件下的最佳O/C物质的量比为0.9-1.1.对于淮南高灰熔点煤,该试验条件下适合干排渣工艺的最佳气化温度为1 300-1 350℃.

气化条件下混煤灰熔融特性及矿物质演变规律

通过实验研究了高温气化条件下混煤灰的熔融特性及矿物质演变规律.结果表明,气化条件下混煤灰熔融温度的变化规律并不与配煤比例成线性关系,而与相应三元相图的液相线温度具有良好的相似性;随着低灰熔点煤灰的加入,混煤灰在三元相图上的位置逐渐由莫来石结晶区向钙长石结晶区移动,并在二元共晶线或三元共晶点附近熔融温度的变化最为显著,且低于周围位置的熔融温度;由于低灰熔点煤灰中含有较多的硬石膏、辉石、长石等矿物,高温气化条件下能分解成CaO、FeO等助熔矿物,这些助熔矿物能够与高灰熔点煤灰中的莫来石、石英等发生反应生成钙长石、铁橄榄石等低熔融矿物,从而降低了高灰熔点煤灰的熔融温度.

配煤对降低高灰熔融性煤的三元相图分析

采用2种低灰熔融性温度煤对一种高灰熔融性温度煤进行配煤降低煤灰熔融性温度的研究。依据相平衡理论分析了配煤降低高灰熔融性温度煤的熔融特性。研究表明:配煤可以有效的降低高灰熔融性温度煤的灰熔融性温度,其灰熔融性温度变化并不与配煤比例成线性关系,而与相应的三元相图液相线温度具有很好的相似性,三元相图同样适用于混煤灰的熔融特性研究。在相图的三元低温共晶点和二元共晶线附近灰的熔融温度随灰成分的变化比较显著,且低于周围灰成分的灰熔融性温度,相图理论可以很好的对配煤降低高灰熔融性温度煤的灰熔融性温度进行理论分析。

煤粉加压气流床气化特性实验研究

煤气化技术由于具有高煤炭利用率和低污染排放,近年来得到快速发展。我国煤种灰熔点普遍偏高,约占保有储量的57%,无法满足现有液态排渣气流床气化技术的需要。为扩大该技术对我国高灰熔点煤种的适应性,本文在25 kg/h规模的加压气流床气化装置上,对我国高灰熔点煤种进行了气化特性实验研究。研究结果表明:高温有利于气化反应向吸热方向进行,碳转化率升高,但过多氧气存在,使得气化炉内燃烧份额增加,导致合成气中CO_2和H_2O的含量升高,CO、H_2含量降低,冷煤气效率下降,因此,存在最佳气化温度。本实验条件下,最佳气化温度为1300～1350℃;1350℃连续运行1小时30分,此时气化炉底部和旋风分离器内的灰渣,整体上仍以固态形式存在,只有灰中部分低熔融成分发生熔融,其熔融部分在数μm左右。

高温加压气流床内生物质气化特性的实验研究

在15-20kg／h规模的沉降式加压气化实验装置上，实验研究了高温条件下，不同O／C摩尔比对生物质气化特性的影响。并根据实验气化炉的边界条件，建立了相应的气化模型。模型计算结果与实验结果吻合较好，模型能够很好的预测气化参数对生物质气流床气化特性的影响。研究结果表明：在气化还原反应区，高温有利于气化反应向吸热方向进行；O／C比在1．0—2．0范围内，随O／C比的增加，CO、H2均呈现先增加后减小的趋势，可燃气体成分（CH4＋H2＋CO）占总合成气的50％左右；部分燃烧反应区温度在1600K以上时。碳转化率大于90％，冷煤气效率达到50％左右。

煤焦-CO_2/H_2O气化反应过程中灰的熔融特性

利用TGA-51H型高温热天平、扫描电镜-X射线能谱研究了我国典型高、低灰熔点煤种煤焦-CO2／H2O气化反应过程中灰的熔融变化行为和熔融机制。研究结果表明：高温下煤中的灰主要在煤焦-CO2／H2O气化反应过程中的中、后期（碳转化率大于50％）开始发生熔融，且初始熔融部分的主要成分为Fe系硅铝酸盐矿物（如铁橄榄石、铁铝榴石等），随着煤灰的进一步熔融，熔融部分中Ca元素含量逐渐增加，大量钙系矿物的出现，导致了煤灰熔融进程的加速；对于同一煤种，煤焦-CO2气化反应过程中灰的熔融温度要比其在煤焦—H2O气化反应过程中的熔融温度约低50-100℃；高温下煤焦颗粒上熔融或半熔融状态的灰渣易粘附在煤焦颗粒上，从而堵塞了煤焦颗粒上的孔隙，减少了气化剂与煤焦表面的有效接触，导致高温下随温度的升高，高灰熔点煤的气化反应速率仍继续上升，而低灰熔点煤的气化反应速率则变化缓慢。

高温熔渣对高碱煤碱金属捕捉特性研究

旋风燃烧技术是将煤中大部分灰在旋风燃烧器内形成液态渣膜并从锅炉底部排出的一种锅炉燃烧技术,高碱煤燃烧过程中释放的气相Na、K等碱金属在高温下与熔渣反应生成富含Na、K的低温共熔物,并随高温熔渣一起从锅炉底部排出,在解决新疆高碱煤强沾污结渣问题上具有一定的优势。实验研究了高碱煤在高温熔渣内燃烧过程Na、K、Ca、Fe等碱性金属的迁移、转换特性及其高温熔渣对碱金属的捕捉特性。研究结果表明:高碱煤与高温熔渣反应过程中挥发的Na、K、Ca、Fe、S等元素与高温熔渣反应,生成富含Na、K的变钾铁矾、三斜钾沸石、新硅钙石、白矾、斜钾铁矾等硫酸复盐和硅铝系复盐;煤中部分Na、K、S等元素通过高温熔渣的固化作用被固化至熔渣中,从而形成了一定量的富集。

高岭土对新疆高碱煤沾污结渣特性的影响研究

为深入研究高岭土对减缓新疆准东高碱煤沾污结渣特性的影响规律与作用机制,利用3 MW_(th)多功能煤燃烧中试平台模拟实际电站锅炉四角切圆燃烧环境下研究高岭土对新疆准东高碱煤燃烧过程中灰的生成及沾污结渣特性的影响。试验结果表明:高岭土成分以SiO_2为主,虽然SiO_2单质熔点高达到1 730℃,但煤灰中SiO_2主要以非晶体状态存在,有时可提高熔融温度,有时则起到助熔作用;添加10%高岭土后,其炉膛结焦比纯烧准东高碱煤要好一些,虽然仍有流渣,但其渣的致密程度要比纯烧准东高碱煤要低;在炉膛燃烧区域准东高碱煤的碱酸比(B/A值)高于添加高岭土对应灰样的碱酸比值,而在高温对流受热面烟温区域(末级过热器、末级再热器区域),添加高岭土后其灰样的碱酸比值比燃准东高碱煤工况下灰样的碱酸比要低,添加高岭土后,与纯烧准东高碱煤相比,高碱酸比分布温度区间沿烟气流向方向向后推移,即易发生严重沾污的烟温区间向低温区域偏移。因此,相同条件下其在对流受热面上的沾污烧结程度要低,添加高岭土对降低锅炉对流受热面发生大面积沾污具有一定的效果。

叶型气动设计的杂交型方法计算软件

将建立在气体动力学变分原理基础上的叶栅气动正问题与杂交问题有限元计算程序加以组合,构成一种具有特色的叶片型线气动设计软件,使叶栅的气动计算、叶型的设计修改以及两者的相互校核可以方便进行。采用Visual Basic和Visual Fortran混合语言编写界面操作程序,并与图像显示软件相结合,提高了设计计算过程的直观性与可操作性。

气体再燃低NO_x排放试验研究

在一台具有空气分离、燃料分级燃烧等多用途的一维热态试验台上,研究了天然气再燃燃烧过程中停留时间、空气过量系数、温度、煤种等一些关键因数对NOx释放规律的影响.结果表明:提高再燃区停留时间有利于降低NOx的排放,其最佳停留时间为0.6s;再燃区过量空气系数存在一个最佳值(0.8～0.9);脱氮效率随着再燃量的增加而增大,随着再燃区温度的增加而增大;对于不同煤种,均能起到显著的降低NOx排放作用;试验室的脱氮率为70%～80%,NOx的排放浓度可在200mg/Nm3以下.

配煤对煤灰熔融特性影响的实验与量化研究

采用量子化学计算方法和实验研究,从微观分子结构和宏观煤灰熔融特性两个层面上,研究了高温下高、低灰熔点煤配煤降低高灰熔点煤煤灰熔融温度的熔融特性和熔融机理。实验和计算结果表明,配煤时,Ca2+作为电子受体进入煤灰中莫来石的晶格,使晶格发生重组,易生成熔点较低的钙长石。莫来石的分子结构较钙长石的要稳定得多,Ca2+进入莫来石晶格后位于由[SiO4]4-和[AlO4]5-两种四面体形成的网络之间,与O配位的Ca原子削弱了莫来石中的Si—O键,使得配煤后的混煤灰熔融温度降低。量子化学计算得到的灰中矿物质分子结构及相应的物理化学特性,如化学状态、表面化学活性及成键特性等,能够很好的从灰中矿物质分子微观结构特性解释高温下煤灰熔融过程中耐熔矿物与助熔矿物间的反应机理。