大型燃煤发电机组低碳技术进展

当前我国碳排放总量约110亿t,其中约40%的CO_(2)由燃煤机组产生,如何降低燃煤发电机组的碳排放是实现双碳目标的关键。针对燃煤发电机组大规模减碳技术,重点介绍低碳/零碳燃料替代技术(生物质、污泥、氢/氨等)和CCUS技术的研究进展:燃煤电厂耦合生物质包括直接耦合和间接耦合,但均受制于生物质原料供应和价格,生物质“种植—收割—转运—储存—预处理—燃烧”全链条控制掺烧模式可有效解决上述问题。660 MW机组掺烧试验表明,CO_(2)排放可减少77.25万t/a;市政污泥含水率高达80%,进入锅炉前需干化处理,目前蒸汽或烟气干化均存在投资运行成本高、干化后的污泥水分较大且有臭气等问题,导致掺烧比例一般低于8%。基于生物质热源的污泥炭化技术可直接在污水厂生产无臭污泥炭,热值达10.26 MJ/kg左右,电厂掺烧比例可提高至20%~30%;掺烧氢/氨燃料需解决大比例掺烧下氨逃逸和NOx排放问题,国内已开展皖能集团300 MW和国家能源集团600 MW氨煤掺烧实验,通过燃烧调控可在NOx排放略微增加的情况下实现较高的NH3燃烬率,但商业化推广还受制于氢/氨成本;燃烧前脱碳技术(IGCC电站)的商业化运行案例极为有限,由于高居不下的成本,国外多个示范项目均已停运,推动该技术商业化需解决建设成本、发电成本和设备可靠性等问题。燃烧中碳捕集包括富氧燃烧和化学链燃烧,由于空分、再循环等过程能耗,常压富氧发电效率比空气燃烧低8%~12%,从常压富氧到加压富氧可进一步提高净发电效率;我国已建成全球最大的4 MW化学链燃烧示范装置,该技术也有望应用于气化领域;燃烧后碳捕集目前以溶液吸收技术为主,固体吸附技术的再生能耗更低,但大规模商业化需要继续降低能耗和成本。

基于5 kHz平面激光诱导荧光的射流火焰局部熄火时空特性分析

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值等图像处理方法引入平面激光诱导荧光图像的预处理,在局部断裂结构数量特征的基础上,提取局部断裂结构长度和空间位置等特征;基于上述特征深入解析局部熄火的时空分布特性,进一步完善高频平面激光诱导荧光诊断与分析方法。研究表明:双边滤波算法处理后,图像峰值信噪比为34.3 dB,结构相似度为0.93,噪声水平显著降低,获得了较好的去噪效果;使用竖直滑窗局部自适应方法进行图像分割的F1分数达到93.30%;断裂结构累计数量随时间线性增加,当射流马赫数由0.5增至1.6时,单侧图像断裂结构的每秒累计数量从790.7增至9 217.2,并且局部熄火频率与射流马赫数呈指数关系;断裂结构主要分布区域为火焰臂及上侧中央燃料区。本研究进一步拓展了高频平面激光诱导荧光技术的应用能力,证明了高频平面激光诱导荧光技术用于局部熄火时空分布特性研究的可行性。

燃准东煤电站锅炉沾污结渣特性及防治措施研究进展

新疆地区的准东煤预测储量高达3900亿t,然而煤灰的高沾污结渣倾向严重制约着准东煤在电站锅炉的安全经济利用。为了明晰沾污结渣机理,推动准东煤在电站锅炉的高比例掺烧甚至纯烧,该文从准东煤的无机组分组成、煤的成灰特性、灰的沉积特性、电站锅炉受热面沾污结渣特性和防治措施5个方面对相关基础研究和工业应用情况进行总结。碱金属钠的释放、冷凝和低熔点组分的形成是沾污结渣主要原因,混煤和添加剂的使用以及燃烧调整是最常用的应对措施,降低炉膛出口烟气温度、优化受热面布置和吹灰方式是目前主流的炉型设计思路。开发完善新的炉型和技术手段有望为纯烧准东煤提供解决思路,但还需要应对燃准东煤电站锅炉灵活低碳发展过程的新挑战。

准东煤分步和直接化学链燃烧特性

化学链燃烧作为高效的低碳排放燃烧技术,在提高燃料利用率和减少CO_(2)排放方面显示出其独特优势。采用Fe_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)载氧体,利用两段式固定床反应器开展了准东煤直接和分步化学链燃烧试验,探究了载氧体反应前后理化特性。发现准东煤热解挥发分化学链燃烧碳转化率和CO_(2)选择性随温度和载氧体与煤质量比(OC/C)增加而升高。OC/C和温度升高提高半焦化学链燃烧碳转化率,但降低CO_(2)选择性。相比煤直接化学链燃烧,在相同条件,分步化学链燃烧CO_(2)选择性大幅提高、碳转化率有所降低。反应温度800℃,分步化学链燃烧CO_(2)选择性达89.51%,相比直接化学链燃烧提升了29.18%。反应温度950℃,分步化学链燃烧碳转化率在60.40%,比直接化学链燃烧降低6.78%。与半焦反应后载氧体还原程度高于与煤热解挥发分反应后载氧体,半焦与载氧体的反应是煤化学链燃烧的限制因素之一。本研究为实现准东煤低碳清洁燃烧提供重要理论依据和技术支撑。

MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟,而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环,不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧,极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性,由于颗粒的不均匀弥散和反应,煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区,需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果,建议通过高精度数值模拟,改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式,增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率,提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法,推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究,尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究,助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流-化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键,涉及多变量分析和高精度模拟,是未来研究的重点和难点。

中国化学链燃烧技术研发进展与展望

化学链燃烧通过载氧体将空气中的氧传递给燃料、避免了高耗能的空分制氧,能够在较低能耗下实现CO_(2)的源头捕集,是最具潜力的固体燃料大规模碳减排技术之一。该文对中国化学链燃烧的研发进展进行系统的综述,介绍化学链燃烧技术在中国的中试进展、工程示范部署及技术路线图,综述化学链燃烧在中国的基础研究现状,包括载氧体制备、载氧体氧化/还原反应动力学及模型、载氧体测试方法、双流化床等;并简要讨论化学链燃烧技术未来的发展趋势。

NH_(3)/CH_(4)/CH_(3)OH多孔介质燃烧特性模拟研究

氨(NH_(3))是一种无碳燃料,有望作为热能发电的替代燃料降低碳排放。多孔介质燃烧是一种可提高燃烧速率和稳定性的燃烧技术,实验表明其用于氨与反应性更强的燃料进行混燃可以同时提高燃烧强度和燃烧稳定性,但缺乏相应的模型研究。该文基于多孔介质导热强度高的特性,其内部燃烧满足一维假设,建立了一维多孔介质燃烧模型,对NH_(3)分别与甲烷(CH_(4))、甲醇(CH_(3)OH)掺混时的燃烧特性进行模型计算。计算结果显示多孔介质对两种混合燃料的作用不同,对于CH_(4)/NH_(3)燃料,多孔介质可以明显提高燃烧速率并降低富燃状态的NH_(3)残留;对于CH_(3)OH/NH_(3)燃料,提高燃烧速率和降低NH_(3)残留的效果较差;对两种混合燃料,可燃气体预混后直接送入多孔介质燃烧都增加一定的NOx排放,增加效果相同,而分级燃烧可以显著降低NOx排放。

静电场作用下航煤氧化结焦过程分析

航空发动机燃烧室工作环境恶劣,导致燃油组分同溶解氧反应引发氧化沉积.通过对金属平板表面沉积的研究,分析电场对氧化结焦过程的影响.搭建了金属平板氧化结焦实验系统,对不同物理条件和电场性质下的结焦情况进行分析.研究表明:随着温度升高、表面粗糙度增加,结焦量增多;金属对焦体有催化作用而改变结焦形貌;电场的加入使焦体颗粒的粒径和融并现象发生变化,采用负电场时,表面结焦量大幅降低,焦体内部元素含量和结构发生改变,电场强度使结焦颗粒间排斥作用增大,抑制结焦过程,采用正电场时由于电场方向的改变促进了沉积向壁面的移动,使结焦量增加.

基于人工神经网络的甲烷富氧燃烧机理优化

采用带误差传播的直接关系图法、全物种敏感性分析和人工神经网络(ANN)联合方法,以点火延迟时间和CO摩尔分数为优化目标,通过对甲烷富氧燃烧详细机理USC mech2.0的简化和优化,提出了基于人工神经网络的甲烷富氧燃烧优化机理(ANN-OMOC)。甲烷富氧燃烧模拟计算和对比分析的结果表明:相比于甲烷富氧燃烧简化机理FSSA的预测误差,优化机理ANN-OMOC对点火延迟时间、层流火焰速度的预测误差分别从2.53%、24.38%降到0.50%、14.41%;与甲烷富氧燃烧的简化机理DRGEP和FSSA相比,优化机理ANN-OMOC对点火延迟时间、OH摩尔分数峰值和CO摩尔分数峰值的预测结果最佳,其相对误差均在10%以下。

宽负荷下切圆燃煤锅炉H_(2)S分布特性的数值模拟

锅炉采用空气分级燃烧降低NO_(x)排放的同时也提高了主燃区H_(2)S体积分数。炉墙壁面过高的H_(2)S体积分数是加剧水冷壁高温腐蚀的重要因素。为保障新能源并网发电,大型燃煤机组灵活调峰的需求增加,不同负荷下的水冷壁近壁面H_(2)S分布特性值得关注。通过正交试验分析了切圆燃煤锅炉运行参数对水冷壁近壁面H_(2)S体积分数分布的影响。选取一台超临界600 MW切圆燃煤锅炉建立数值模型,设计L_(16)(4^(5))正交工况,覆盖100%BMCR、75%THA,50%THA以及35%BMCR四种负荷。建立了自定义SO_(x)生成模型以确定燃料硫的析出和转化路径,模型包含多表面反应子模型以描述焦炭与O_(2)/CO_(2)/H_(2)O等3种气体的异相反应,并确定焦炭气化反应消耗量占总消耗量的比例,进而对炉膛H_(2)S空间分布进行了模拟计算。研究表明,近壁面高体积分数H_(2)S区域主要位于投运燃烧器层中最下层燃烧器以下以及最上层燃烧器以上至SOFA层之间,烟气切圆沿炉膛高度增加逐渐增大是造成后一区域H_(2)S体积分数较高的重要原因。35%BMCR负荷下水冷壁重点区域的H_(2)S平均体积分数为364μL/L,明显低于其他负荷。锅炉运行参数对重点区域H_(2)S体积分数影响程度的排序为:锅炉负荷>一次风率>主燃区空气过量系数>假想切圆直径>燃烧器竖直摆角。

C/CO_(2)摩尔比对CO_(2)气氛流态化预热活化半焦特性的影响

我国工业领域涉及的行业多,碳减排压力大。富氧燃烧是燃烧中碳捕集的核心工艺,将流态化富氧预热活化与工业窑炉富氧燃烧过程耦合是拓宽燃料适应性、实现工业领域燃烧中碳捕集的新途径。利用小型流化床连续给料实验系统,在1050℃、CO_(2)流化速度为0.17 m/s条件下,通过调整给料速度,考察C/CO_(2)摩尔比(CC比)对半焦原料(RC)流态化预热活化的影响,分析煤气组分及低位热值,计算CO_(2)还原率,表征粗颗粒活化半焦(LC)和细颗粒活化半焦(FC)的比表面积、孔隙结构和碳架结构,并利用高温管式炉热天平实验系统评价了RC和FC在1300℃条件下的反应活性。结果表明:采用流态化预热活化技术实现了CO_(2)的资源化利用,制备出富CO煤气,CC比由1增至4时,煤气中CO+H_(2)体积分数由69.24%增至79.08%,CO体积分数最高为68.96%,CO_(2)体积分数由29.48%降至20.13%,CO_(2)还原率由50.37%提升至57.56%,煤气低位热值由8.69 MJ/m^(3)增至9.83 MJ/m^(3),是参考文献所述工程产出煤气低位热值的1.55~1.88倍,有利于窑炉系统的着火及稳定燃烧。随CC比增加,FC和LC的比表面积先增加后减小,FC和LC的最高比表面积分别为291.21 m^(2)/g和477.15 m^(2)/g,分别为半焦原料的48倍和78倍;FC和LC具有丰富的微孔结构,且石墨化程度比RC降低、活性点位增加;FC和LC的微孔面积占比表面积的54.93%~68.42%;相比较而言,LC具有更高的比表面积和增量孔容积,主要是由于LC在反应器内的停留时间较长,促进了孔隙的发展,形成了大量微孔。不同CC比条件下所得FC的反应活性指数R0.5、质量平均反应速率均高于RC,表明FC具有较高的反应活性,可预测在高温气固活化态热燃料燃烧过程中,FC将实现高效转化。提出了碳基燃料流态化富氧预热活化-高温气固活化态热燃料富氧燃烧的新思路,获得了CC比对CO_(2)气氛流态化预热活化半焦特性的影响规律,揭示了CO_(2)作为碳和氧载体的积极作用,研究结果为流态化预热活化技术在工业窑炉富氧燃烧行业的应用提供了数据支持。

基于实测数据的高炉煤气单位热值含碳量推荐值的修正方法

钢铁工业碳排放核算方法依据GB/T 32151.5-2015《温室气体排放核算与报告要求第5部分:钢铁生产企业》所提供的排放因子法,单位热值含碳量(C_(C))作为表征可燃物质在单位热值下碳元素含量的指标,是排放因子法计算碳排放量的重要影响因子。前人对于钢铁工业碳排放研究主要侧重于各种核算方法之间的差异性,而对于单位热值含碳量推荐值准确性鲜有研究。为研究可燃物质单位热值含碳量对于碳排放计算的影响,选择钢铁工业炼铁工序副产气体高炉煤气作为研究对象,基于某钢厂高炉煤气各项指标实测数据,计算得出不同组分(CO和CO_(2))含量下高炉煤气C_(C)实测值,分析不同组分含量高炉煤气低位发热量实测值、全碳组分C_(C)实测值、燃烧过程C_(C)实测值等实测参数变化。结合排放因子法广泛应用的现状,基于C_(C)实测值波动情况,提出3种将C_(C)推荐值修正为燃烧过程C_(C)的方法,在各自适用条件修正值与实测值的偏差均小于5%;最后,用该钢厂高炉炼铁工序2021年有关统计数据,针对高炉煤气C_(C)推荐值修正前后高炉本体碳排放计算结果进行对比分析,修正前高炉本体每吨铁的碳排放量-0.19 t,修正后高炉本体每吨铁的碳排放量0.415 t,修正结果与真实碳排放情况较吻合。研究结果表明,在计算钢铁工业高炉本体二氧化碳排放时,使用实测均值、修正系数w(CO)[w(CO)+w(CO_(2))]和w(CO)—C_(com)拟合曲线修正高炉煤气单位热值含碳量,计算结果与实际相符。

氨气/甲烷无焰燃烧污染物生成特性的实验研究

为了深入了解氨气/甲烷无焰燃烧的污染物生成特性,本文在改进的旋风无焰燃烧炉中通过实验研究了氨气/甲烷燃料组成、当量比(φ)、热负荷(P)以及空气预热温度(Tin)对炉膛温度以及污染物排放的影响.研究结果表明:随着氨气热值比例的升高,炉膛温度和NO_(x)排放均是先升高后降低,并在中等掺氨比附近取得温度和排放的峰值.在相同条件下,纯氨和氨气/甲烷无焰燃烧都在理想当量比附近时取得最低排放.热负荷和预热温度的升高会提高炉膛温度造成NO_(x)排放的升高,热负荷的升高不利于控制氨逃逸,但预热温度的升高有利于降低氨逃逸.

气化炉内熔渣流动特性预测模型的研究进展

双碳战略目标下,煤气化技术将会是我国未来煤炭领域的重要发展路线。在煤气化技术推广应用中,熔渣的流动行为严重影响气化炉的平稳运行时长,间接影响合成气的质量和炉壁的热量损失,有效求解流动参数的熔渣流动特性预测模型备受关注。本研究论述了现有的气化炉内熔渣流动特性的预测模型,并展望了预测模型的未来研究方向。综述当下,预测模型根据熔渣流动维数可分为一维预测模型和二维预测模型;一维稳态和非稳态预测模型均经历了构建和完善阶段;二维预测模型因无相关的数学公式描述和流动理念假设尚处于构建阶段;通过对液态熔渣的温度分布、附加应力的取舍,临界黏度的选取和熔渣黏度的处理方式等方面可以提高模型的计算精度。展望未来,一维预测模型的应用场景需更完善的规定,针对稳态和非稳态预测模型求解的参数需要更细致的辨析;二维预测模型的构建理论需更详细的突破,明确非稳态工况下熔渣在轴向和周向上流动的优先级;流动预测模型的计算精度需更全面的提升,熔渣性质的非恒定性、熔化的不均匀性、烟气流速的波动性等因素需要侧重考虑。

掺杂秸秆的高硫煤气化脱硫行为研究

通过热重分析法研究高硫肥煤与玉米秸秆混合物的热解动力学,并利用Coats-Redfern法计算混合物的活化能、指前因子。通过对其混合物的热解实验,发现掺杂玉米秸秆对高硫煤有明显的脱硫作用。

掺氢航空发动机燃料的基础燃烧特性

面向航空“碳中和”需求,基于数值模拟研究了掺氢对航空燃油替代燃料火焰传播、自着火以及自着火协助下火焰传播的影响。结果表明:在富燃条件下,无量纲化火焰速度随掺氢量的增加呈非线性增大,可接近20,这给避免火焰回火带来了巨大挑战;掺氢后火焰温度的升高对火焰速度的影响在贫燃时可忽略,而在富燃时不可忽略;对于自着火,纯正十二烷和纯氢两种燃料的混合物存在动力学耦合。基于此构建的自着火风险图表明,氢气在亚音速巡航条件下抑制自着火,而在超音速巡航条件下可能抑制也可能促进自着火,取决于掺氢量和燃烧室入口温度。针对自着火与火焰传播的耦合,一维自着火协助火焰的计算结果表明,对于具有两阶段着火特性的燃料,掺氢的质量分数达到50%时可消除其第一阶段自着火的协助效应。

煤粉火焰着火燃烧特性与光学诊断测试

经过上百年的煤燃烧研究为煤炭的工业应用奠定了坚实的基础,但是煤燃烧的内部稳定性、着火的机制的转变以及污染物的生成依然没有明确的理论指导,光学测量技术的发展为研究燃烧机理提供了合适可靠的工具,燃烧诊断在全球的学术界研究成为热点。本文综述了煤粉燃烧的激光诊断研究特性:着火、燃烧稳定性、挥发分燃烧等,并分析国内外的研究现状。

330 MW循环流化床锅炉深度调峰技术

为推进“双碳”政策的实施,消纳波动性较强的新能源并网发电,当前对火电机组的深度调峰要求越来越高。循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉机组在深度调峰低负荷运行工况有着先天优势,但实现20%以下的超低负荷运行依然面临众多的困难,如炉内流化的稳定性、氮氧化物的排放及炉内局部超温带来的安全性等问题。以某330 MW CFB锅炉的深度调峰技术应用为例,介绍了输煤筛分破碎系统、风帽节流圈、下二次风管等机组部件的改造,并配合烟气再循环等技术应用,成功实现了18%的超低负荷深度调峰运行,同时也很好地控制了NOx的排放。最后总结了CFB机组超低负荷深度调峰技术的关键点和难点,对深度调峰运行带来的潜在问题进行了分析,并提出了相应的解决措施。研究结果具有重要的工程借鉴作用。

差速流化床及差速循环流化床锅炉

介绍差速流化床的历史背景、工作原理以及低速床内埋管防磨效果和与差速循环流化床相匹配的带加速段卧式旋风分离器结构及其应用。综述了江联重工集团股份有限公司35~220 t/h差速流化床的研发成果,以及哈尔滨工业大学在10~130 t/h差速循环流化床研发方面取得的业绩。比较了常规循环流化床与差速循环流化床的优缺点,在燃烧低热值燃料时差速循环流化床比常规循环流化床具有显著的优越性。

西藏三种木材生物质的燃烧特性及动力学分析

为了探讨西藏地区丰富的藏川杨、高山松和川滇高山栎3种木材生物质在燃烧过程中的反应机理,采用热重分析了三种木材的燃烧特性,通过Coats-Redfern积分法研究了其动力学特性。结果表明:3种木材生物质燃烧过程总体趋势一致,可分为失水干燥、生物质燃烧、焦炭燃烧和生物质燃尽共4个阶段,其中挥发分燃烧阶段失重占比最大。根据综合燃烧特性指数,川滇高山栎的燃烧特性最好,其次是藏川杨、高山松;随着升温速率增大,木材生物质的综合燃烧特性指数增大,燃烧速率增大,DTG曲线峰值增大,峰形变宽;藏川杨、高山松和川滇高山栎的最佳反应级数分别为1、2、2,相关系数均大于0.95。燃烧反应活化能从低到高分别为:藏川杨46.10 kJ/mol、高山松70.05 kJ/mol、川滇高山栎85.59 kJ/mol;频率因子从低到高依次为:藏川杨2.25×10^(4)min^(-1)、高山松3.99×10^(6)min^(-1)、川滇高山栎2.14×10^(7)min^(-1),该研究为优化燃烧过程和提高能源利用效率提供了理论依据。