循环流化床燃煤机组SNCR脱硝过程气液传质和反应特性

采用CFD模拟方法预测了300 MW循环流化床机组SNCR脱硝过程中的还原剂液滴蒸发、烟气混合和反应特性。结果表明烟气在旋风分离器内贴壁旋转流动并形成外旋流为准自由涡和内旋流为刚性涡的双涡结构,使液滴与烟气接触约0.01 s后开始恒温蒸发,并强化了烟气与气态还原剂的混合效果。氨水为还原剂时,NH_3主要分布于旋风分离器锥体上方;尿素为还原剂时,蒸发后快速分解的HNCO消耗速率高于NH_3,其中NH_3浓度分布与氨水为还原剂相似,相同烟气温度和氨氮摩尔比时氨水和尿素溶液对应脱硝效率分别约为79.5%和76.5%。温度对脱硝效率的影响表现为先上升后下降趋势,当温度由1023 K提高至1173 K时NH_3与NO反应速率提高,脱硝效率由19.7%提高至81.0%;而当温度由1173 K进一步提高至1323 K时,NH_3由于自身氧化速率显著提高而导致脱硝效率降低至17.4%。脱硝效率随氨氮摩尔比(NSR)增大而升高,但还原剂利用率的降低致使氨逃逸率增大,综合考虑本台CFB锅炉SNCR脱硝效率和氨逃逸率,NSR选取1.25~1.50可以满足NO_(x)排放低于50 mg/m^(3)的超低排放标准。

液固流态化动态过程中相间作用力的数值模拟及实验验证

选择恰当的相间作用力模型是液固流态化动态特性CFD建模的关键。首先采用Richardson-Zaki关联式验证了稳态操作条件下整体固含率的实验结果,然后在基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉双流体模型中比较了Wen-Yu、Gidaspow、Syamlal-O’Brien、Dallavalle和TGS5个曳力计算公式对液固流化床收缩和膨胀特性的数值模拟结果,进而探讨了Moraga等提出的升力模型影响行为及主要相间作用力影响机制。与实验测量数据比较结果表明:收缩过程中Syamlal-O’Brien和TGS曳力模型对响应时间预测较为准确,TGS曳力模型对整体固含率的预测精度较高;膨胀过程中TGS曳力模型对响应时间和整体固含率的预测优于其他模型。整体而言,基于静止颗粒群绕流直接模拟得到的TGS曳力模型忽略了颗粒-颗粒相互作用,与液固散式体系中颗粒动力学特性相符合。升力模型对动态特性模拟结果影响较小,CFD模拟时根据选择体系可予以适当忽略。

城市污泥与煤矸石掺烧过程中汞的迁移转化特性

城市污泥和煤矸石在燃烧性质上存在着一定互补性,而二者均含有大量重金属汞污染物,因此有必要研究二者掺烧过程中汞的迁移转化特性。采用化学逐级提取法,研究污泥与煤矸石样品中汞的赋存形态及燃烧过程中汞释放特性,并考察温度、掺混比例和气氛对于样品中汞迁移行为的影响。结果表明,1号污泥主要以硫酸盐、碳酸盐和氧化物结合态汞和残渣态汞为主;2号污泥中残渣态汞含量最高;煤矸石中主要以硫化物结合态汞为主。污泥中低温区(200~390℃)释放的汞主要为有机物结合态和碳酸盐结合态汞,高温区(390~450℃)释放的汞主要为硫化物结合态汞;煤矸石中低温区(300~400℃)释放的汞主要为有机物结合态、碳酸盐结合态和氧化物结合态汞,高温区(400~600℃)释放的汞主要为硫化物结合态及部分氧化物结合态。污泥掺混促使掺混物中汞提前在低温区释放,且随污泥掺混率提高,促进作用越强。气氛中氧含量升高,燃烧过程中产生的CO_(2)会吸附在颗粒表面,增大传热热阻,从而抑制掺混物中有机物结合态汞和部分碳酸盐结合态汞的释放,同时发现气氛对高比例污泥掺混物汞的释放行为影响减弱。

基于甲醇重整的燃料电池与有机朗肯循环耦合热电联产系统性能分析

为了解决氢能储运困难问题,实现甲醇燃料的高效和清洁利用,提出一种基于甲醇重整的燃料电池与有机朗肯循环耦合热电联产系统。在所提出系统中,甲醇与水在中低温条件下发生重整反应生成富氢合成气。在燃料电池中,合成气的化学能转化为电能,燃料电池的高温废气不仅用于加热空气也可作为有机朗肯循环的热源,实现了能量的梯级利用。在系统稳定运行的条件下,对新系统进行能量分析、㶲分析和经济性分析。结果表明:系统输出电力为147.372 kW,系统总效率为51.29%,系统㶲效率为40.56%;新系统的动态回收周期为4.97 a;在15年的运营周期内,净现值为127.94万元。

基于聚光光伏光热的太阳能供暖系统性能优化

以北京市某办公建筑为供暖对象,提出由聚光光伏光热单元、光伏单元以及空气源热泵(CPVT-PV-ASHP)耦合的清洁供暖系统。基于Trnsys和Grasshopper平台搭建系统的动态仿真模型和优化模型,以CPVT光伏电池板面积为决策变量,采用超体积计算法(HypE)求解,探究系统在节能性、经济性和改善热泵性能方面的平衡。结果显示,在空冷型CPVT和水冷型CPVT中光伏电池板面积分别为10.9 m^(2)和2.3 m^(2)时取得最优解。此时系统的一次能源消耗量为-1 016.1千克标准煤,热泵平均能效比(COP)为3.72,投资回报周期为2.95年。与其他系统相比,CPVT-PV-ASHP系统在节约能耗、改善热泵性能等方面优势显著。

燃煤电站掺烧污泥热力学与经济性分析

我国污泥产量逐年增加,如何对其进行无害化、资源化处理成为亟待解决的问题,拟将燃煤电站与污泥干燥系统耦合,湿污泥干燥后进行掺烧。以某典型超临界660MW机组为研究对象,在THA工况下,通过对锅炉进行热力计算和对系统整体进行热力学分析及经济性分析,研究掺烧不同含水率(10%、20%、35%、50%、65%)不同掺烧量(2%、4%、6%、8%、10%)的干化污泥对排烟温度、锅炉效率、净发电效率、湿污泥发电折合净效率和干化污泥发电折合净效率等参数的影响。结果表明:当干化污泥含水率超过50%时会导致参数恶化且随掺烧量的增加变化趋势加剧;干化污泥的含水率应控制在50%及以下,若超过此值,掺烧量应小于4%;掺烧污泥导致系统的㶲效率降低,主要原因是锅炉和干燥设备的㶲损失增加;当掺烧含水率为20%,掺烧量为10%的干化污泥时,系统经济性最好,动态回收周期仅为4.02年。

碳中和背景下燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热研究

鉴于目前的碳中和目标与天然气短缺的情况,以北京市为例提出利用燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热的方案,该方案将燃气热电联产产生的电能直接用于地源热泵供热。根据北京市供热实际数据,对燃气热电联产耦合地源热泵供热方案和燃气锅炉供热方案的热力学性能和二氧化碳排放性能进行了详细的对比分析。结果表明:燃气热电联产耦合地源热泵供热方案不仅提高了化石燃料利用率,同时也减少了二氧化碳排放量;在相同单位供热量下,燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的化石燃料利用率为燃气锅炉供热方案的2.22倍,可减排二氧化碳55.02%;燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的初投资较高,但其补贴后的供热年综合成本低于燃气锅炉供热方案。

利用回热系统凝结水供热的新型生物质热电联产系统的性能分析

在常规生物质热电联产机组中,采用汽轮机抽汽加热热网水。汽水换热过程中,存在较大的㶲损失。为了减小供热系统的㶲损失,本文提出了一种新型生物质热电联产系统。采用回热系统的凝结水代替汽轮机抽汽,利用板式换热器加热热网水。不仅减少机组抽汽,提高机组出功;而且采用水水换热还可提高换热效果。本文以国内某典型35 MW生物质热电联产机组为案例,对其进行了系统改造,并进行了详细的热力学分析和经济性分析。研究表明,新型系统供电标杆单耗降低了18.29 g/(kW·h),综合效率和发电效率分别提高了0.85百分点和1.01百分点。另外,对新型系统经济性分析结果表明,采用改造后的供热系统可以获得很大的经济效益,年化新增净收益可达361.88万元。

煤中砷与硫洗选过程迁移和燃烧过程释放特性

以宁武煤田两个洗煤厂原煤及洗选产物为研究对象,采用微波消解与氢化物发生-原子荧光光谱相结合方法考察了洗煤过程硫和砷迁移规律,采用砷质量平衡验证的逐级化学提取法探讨了原煤、精煤、矸石、洗中煤和煤泥燃烧后硫和砷形态转化与释放特性及其依赖性。原煤中20%−28%硫和砷迁移至精煤中,46%−61%迁移至矸石中,Pearson相关系数结果表明,样品中无机矿物质是硫和砷迁移的控制因素。精煤中有机硫和砷提高至30%−50%,而矸石中无机硫和砷占比达90%以上,说明原煤及洗选产物中砷与硫赋存形态具有一定相关性。精煤中较多的有机硫和砷在500℃以下伴随水分和挥发分析出呈现明显释放特征,矸石中以无机态为主的砷则主要在500−1000℃伴随黄铁矿和硫酸盐等矿物质分解与硫一起释放,体现了原煤及洗选产物燃烧时硫与砷释放的同步性。精煤中硫和砷释放速率最快,300和200 s分别达到最大释放率80%−95%和60%−75%;矸石中最慢,300 s时砷达到最大释放率40%−45%,而硫600 s时仍未达最大释放率;洗中煤和原煤介于精煤和矸石之间,样品燃烧时硫和砷赋释放速率差异是由其固有赋存形态差异所致。

湿法烟气脱硫塔内传递与化学反应过程CFD模拟

以某330MW燃煤发电机组湿法烟气脱硫塔为研究对象,采用欧拉-拉格朗日方法建立了塔内气-液两相流动、热质交换模型,以溶解平衡、质量守恒及电荷守恒描述浆液内13种溶质组分瞬时化学反应特性,通过用户自定义函数实现流动模型与传质模型、化学反应模型的耦合。基于上述模型预测了脱硫塔内气-液两相流动、液滴蒸发与SO2化学吸收过程,获得了SO2浓度与浆液pH的径向分布特性,详细分析了气-液流动对化学吸收特性的影响,结果表明局部液气比分布特性是影响SO2径向分布的关键因素之一,可通过调控近壁区及主管道区的两相流动状态提高脱硫塔的吸收性能;随着气相侧SO2浓度提高或液滴粒径减小,浆液pH下降速率增大且各化学组分浓度达到稳定状态用时缩短。

330 MW发电机组贫煤燃烧NO_x排放特性及控制

针对330 MW贫煤锅炉开展了低氮燃烧系统的现场试验,研究了炉膛出口以及SCR前后的NO_x排放情况,还考查了NO_x浓度随烟道深度和锅炉负荷的变化情况。结果表明:炉膛出口的NO_x浓度基本维持在600 mg/m^3左右。NO_x排放浓度与取样位置有关,现场检测NO_x时要在断面合理布点。在炉内低氮燃烧+SCR共同控制下,贫煤锅炉在不同负荷下都可实现烟气出口NO_x浓度≤50 mg/m^3。SCR系统正常运行情况下脱硝效果较好,但存在氨耗量较大,催化剂堵塞、磨损、低负荷情况脱硝效率较低等问题,建议对于贫煤机组可以采用SNCR+SCR的联合脱硝方法,增加氨气在系统内停留时间,提高脱硝效率,避免氨逃逸。

洗选过程对宁武煤中汞迁移和热释放的影响特性

采用逐级化学提取和热分析方法,选取宁武煤田某洗煤厂原煤及洗选产物为研究对象,在汞质量平衡基础上对煤中汞赋存形态进行分类并验证,进而考察了洗选过程对煤中汞迁移行为和热释放的影响特性。结果表明,洗选过程在降低原煤灰分和硫分含量的同时也改变了汞的富集规律,引起了汞的重新分配;样品中汞元素与灰分和硫含量之间的线性相关性分别为0.89和0.99,原煤中汞主要以无机结合态存在,其迁移行为受控于无机矿物质迁移,洗选后矸石总汞绝对含量较原煤增加了322.8%,而精煤汞含量降低至原煤的40%,汞脱除率达到56.4%;洗煤产物中汞富集程度的差异与其在原煤中赋存形态密切相关,其中,矸石中硫化物结合态汞的占比高达56.6%,而精煤和煤泥中有机结合态汞较原煤中均有所提高;相同温度下汞在煤泥中释放率最大,矸石中最小,所有样品中汞至650℃均接近完全析出;煤中汞热释放特性也与其赋存形态密切相关,不同热解温度段汞热释放行为由煤中汞的固有赋存形态所决定,其中,有机结合态汞随有机质分解在300℃已大量逸出,而硫化物结合态汞分解温度主要为400−600℃。

基于CFD模拟的臭氧低温氧化烧结烟气中NO过程分析

以256 m2烧结机O3氧化烧结烟气中NO过程为研究对象,采用CFD数值模拟方法考察了含O3喷射气体与烧结烟气流动及NO低温氧化特性。通过与76步复杂反应机理的对比验证了11步简化机理的适用性,分析了反应温度、O3/NO摩尔比以及O3分布特性对NO氧化效率和不同价态NOx转化率的影响规律。通过对简单结构反应器的模拟结果表明:NO3稳定性较差,烟道内主要氧化产物为NO2与N2O5;随反应温度升高,NO氧化效率基本保持不变,NO2转化率提高且提升速率逐渐增大而N2O5呈相反规律;随O3/NO摩尔比增大,NO氧化效率提高但提升速率逐渐减小,NO2转化率先增大后在摩尔比高于1.25时开始减小,而各工况均产生N2O5且生成量逐渐增大,其原因为射流核心区可提供高O3/NO摩尔比条件;通过优化O3分布器结构改善O3与烟气接触与混合条件,O3与NO摩尔比为1.0、停留时间为0.87 s时NO氧化率可提高约12.8%,摩尔比为2.0、停留时间为1.73 s时N2O5转化率可提高约15.6%。

煤热解过程中汞和硫的释放特性

采用热分析和动力学分析方法,选取宁武煤田某洗煤厂原煤及其洗选产物为研究对象,考察了在煤热解过程中汞和硫的释放特性。结果表明:汞和硫释放与煤成分有关,在相同热解条件下煤泥和精煤中汞和硫释放率大于矸石和原煤;汞和硫的释放特性受其赋存形态的影响,煤中汞和硫均以无机物结合态为主,精煤和煤泥中的汞更易在低温阶段释放;汞和硫释放率均随温度升高而提高,汞与其赋存体的结合程度弱于硫,温度为500℃时汞释放率已经超过50%,而800℃下硫释放率仅为20%左右;反应时间对汞和硫释放率的影响不大;在煤热解过程中汞释放的反应活化能低于硫,热分析实验结果与动力学推断相吻合。

厌氧发酵与焚烧耦合的新型垃圾发电系统

为实现垃圾资源的综合利用以提高垃圾发电系统的经济性,提出了2种厌氧发酵与焚烧耦合的新型垃圾发电系统方案,以某垃圾焚烧发电机组为研究案例,采用热力学仿真软件EBSILON模拟该机组耦合利用厌氧发酵沼气系统的工质热力学参数变化和发电效率的提升。通过热力学方法分析了新系统能量利用率提高的原因并评估了新系统的经济性。结果表明:得到的2种新型发电系统方案分别比案例垃圾焚烧发电机组的发电效率高6.59%和14.89%,沼气发电效率分别达31.82%和45.66%,动态回收周期分别为4.01 a和2.77 a。

燃煤机组SCR烟气脱硝系统流场均布一体化建模与性能优化

选择性催化还原(SCR)烟气脱硝效率与其内部烟气和还原剂流动的均匀性密切相关。在建立SCR脱硝反应数学模型基础上,采用用户自定义子程序耦合了多组分烟气流动与反应过程;通过比较不同负荷下330 MW等级燃煤机组脱硝性能的实测与模拟数据验证了模型的可靠性和有效性,基于对反应器内烟气和还原剂流动及其反应特性的数值模拟分析,提出了喷氨格栅上游导流板结构优化方案,进而考察了操作条件对NO和NH3排放质量浓度的影响。结果表明:喷氨格栅来流烟气速度分布的非均匀性是导致烟气与还原剂混合效果较差的主要原因,进而通过调整喷氨格栅上游导流板结构并在烟道壁面增设挡板可将脱硝效率提高约3.37%;为满足NO_(x)质量浓度为50 mg/m^(3)及NH3质量浓度为2.5 mg/m^(3)的排放限值需选取适宜喷氨量,以所选取SCR脱硝装置为例,当烟气初始NO质量浓度为650 mg/m^(3),SCR脱硝系统适宜氨氮摩尔比应约为0.94。

双碳目标下园区综合能源系统长周期多阶段经济规划

为实现双碳目标,本文提出一种计及需求响应及碳交易机制的园区综合能源系统长周期多阶段规划模型。首先,分析建设时序、需求响应和碳交易价格对系统容量配置及运行成本的影响;其次,设置不同的碳达峰时间并引入碳捕集装置,探究园区综合能源系统达峰后的状态特点;最后,分析了长期规划中电价、气价、光伏成本、储能成本、碳交易价格对系统碳排放和总成本的敏感性。结果表明,考虑建设时序、需求响应及碳交易机制可以改变设备容量并不同程度减小系统的总成本和碳排放,且电价对于系统的总成本和碳排放最为敏感。由于负荷的逐年增长,碳排放总体上呈增长趋势,因此需要借助碳捕集等技术助力“双碳”达成。

基于阶梯型碳交易机制的综合能源系统低碳经济调度

为实现综合能源系统的经济低碳运行,提出了计及阶梯型碳交易机制的综合能源系统优化模型,首先以系统全年运行维护成本和投资成本最小为目标,建立了考虑多元负荷需求的综合能源系统容量优化模型,其次基于k-means聚类方法及平均值法选取典型日冷热负荷,最后以系统运行维护成本以及碳交易成本最小为目标,分析不同基准碳价对系统运行方式、碳排放量以及经济性的影响,并以典型日进行详细分析。结果表明:将阶梯型碳交易机制引入综合能源系统可以有效降低碳排放量并提高系统的经济性,尤其对于供热季,能以较低基准碳价对系统产生显著影响。

厌氧发酵与焚烧耦合的固体废物发电系统综合性能分析

提出了一种高效的厌氧发酵与焚烧耦合的固体废物(固废)发电综合系统,采用固废厌氧发酵产生沼气,沼气进入沼气燃烧器燃烧产生高温烟气,烟气通过机组中的加热器和空气预热器对汽水系统和一、二次风进行加热;在保证进入锅炉中固废焚烧产生的热量不变的情况下,增加了进入汽轮机中做功的能量,从而提高了整体机组的发电效率;同时根据热力学第一定律和热力学第二定律分析机组发电效率和?效率提升的原因。结果表明:与案例机组相比,所提出加入沼气燃烧高温烟气系统可增加8.69 MW净发电量;此外,新系统的发电效率提升了3.56百分点,发电?效率提升了9.74百分点。经济性分析表明:所提出的耦合系统增设了厌氧发酵沼气燃烧系统,动态回收周期为3.78年,经济优势明显。

煤泥间歇微波干燥模拟及介电性质

微波干燥是一种提高煤泥干燥效率的先进技术,其中间歇式在能耗和超温问题上具有更大的改进潜力。在微波干燥过程中,煤泥的介电性质会显著影响干燥性能,然而当前缺乏介电性质影响煤泥微波干燥的机理研究。本文首先建立了一种适用于间歇微波干燥的多相多孔介质模型,通过与实验数据对比,验证了模型的有效性。由于介电性质实际是温度和水分含量的函数,从机理上着重分析了温度、水分含量相关的介电性质(VP)对煤泥平均温度、水蒸气质量分数、气相压力及液态水饱和度的影响,通过与以往处理成常数的介电性质(CP)相对比,结果发现,CP平均温度明显低于VP,并且温升速率在干燥过程中没有显著变化,而VP的平均温度表现出先急剧升高后维持稳定的趋势。CP水蒸气质量分数和气相压力分布虽然与VP分布趋势相同,但是CP明显低于VP。VP能够模拟出间歇微波干燥期间的“泵送效应”,而CP不能有效显示此现象。因此在煤泥间歇微波干燥中VP比CP更加符合实际。