火电企业碳排放在线监测技术研究进展

2021年我国全国碳市场正式开市,发电行业被首先纳入全国统一碳排放权交易市场。在此背景下,准确、客观、实时且具有公信力的碳排放数据是碳交易市场高效运行的重要基础。核算法和在线监测法是目前国际上常用的两种碳排放计量方法。针对两种方法,首先分别综述了其优缺点。核算法是我国的通用方法,具有适用范围广、有统一核算标准的优点,但存在处理过程复杂、时效性差、采样等过程易受人为因素影响等问题。在线监测法因具有时效性好、自动化程度高、数据不受人为因素影响等优点而受到了广泛的关注。但目前在线监测法在国内的推广应用依然存在很多问题:缺乏相应的支撑体系;在线监测法的数据质量尚不能保证,与核算法的可比性也存在争议,而影响其数据质量的最大因素是CO_(2)浓度监测技术和烟气流量监测技术;烟气流量监测的准确性还有待研究。然后针对在线监测法的数据质量提高及评估方法进行分析总结,认为电厂中CO_(2)浓度检测精度可达到较好的水平,而烟气流量监测精确度尚未达成统一结论,其监测技术、测点布置都会影响其现场应用,研制具备自主知识产权、适用范围广、精度高的烟道流量计对我国的准确碳核查事业来说势在必行。针对在线监测数据质量评估则可采用不确定度进行量化。最后提出以下建议:设立不同碳排放在线监测试点,选取不同类型及容量的机组分别研究,根据现场具体条件在其中安装不同的流量计用以对比分析,研究更适用的流量计类型及现场测点布置;建立碳排放在线监测不确定度分析模型,量化分析其中引入较大不确定度的因素,完善数据评价体系;构建碳排放在线监测数据与核查数据的综合对比体系,若在碳市场中在线监测方法与核算法并存,则要确保不同数据的一致性,保障碳市场的公平性;尽快建立碳排放连续在线监测系统的配套机制,建立相应的国家标准,确保报告数据有据可依。

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的烟气氨逃逸检测研究及应用(特邀)

烟气氨逃逸是许多大型能源转化设备脱硝系统都存在的问题,大量的氨逃逸不仅威胁机组运行,增加系统维护成本,而且还会形成二次污染,危害大气环境和人体健康,因此,必须对氨逃逸进行实时监测和有效控制。可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种先进的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性强、可实时在线测量等优点,广泛应用于各种污染气体检测领域,并且已经成为当前烟气氨逃逸在线检测的主流技术。本文介绍了可调谐二极管激光吸收光谱技术的基本原理,总结了氨逃逸的常用检测方式,综述了可调谐二极管激光吸收光谱技术在烟气氨逃逸检测方面的研究和应用进展,并对未来的发展应用进行了展望。

水泥分解炉SNCR脱硝系统的深度强化学习多目标优化控制研究

选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction,SNCR)脱硝过程的工艺参数优化可以有效减少水泥分解炉NO_(x)排放和脱硝运行成本。以某水泥分解炉为研究对象,建立基于LightGBM的NO_(x)浓度预测模型,以脱硝成本和NO_(x)浓度最小化为优化目标,采用深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient,DDPG)算法对水泥分解炉掺烧污泥协同SNCR脱硝过程的相关工艺参数进行优化控制建模。结果表明,NO_(x)浓度预测模型均方根误差(root mean squared error,RMSE)为6.8,平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)为3.48%;采用DDPG算法可以对相关工艺参数进行优化,喷氨量和污泥掺烧量分别为427.87 L/h和9.78 t/h时,NO_(x)排放浓度为225.99 mg/(Nm^(3)),脱硝运行成本为1 747.8元/h。该优化结果与其他优化算法结果和常规工况对比,NO_(x)排放浓度和脱硝运行成本均呈现不同程度下降;对模型进行仿真及效果验证可知,所建立模型能输出合理的喷氨量和污泥掺烧量组合,减少SNCR出口NO_(x)浓度波动,有效降低NO_(x)排放浓度和脱硝成本,可实现对SNCR脱硝系统的多目标优化控制。该结果可为基于智能算法的水泥分解炉SNCR脱硝的多目标优化控制设计提供一定参考。

脉冲放电等离子体光谱干扰机制及其修正方法研究

为解决脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱(PF-SIBS)中钨电极激发引起的谱线干扰问题,研究了基于等离子体信号探测优化的谱线干扰修正方法。搭建PF-SIBS测量实验系统,以化学纯石墨的颗粒流为研究对象,根据电极间等离子体产生和消亡过程、各特征谱线在等离子体内的分布情况以及各特征谱线信号强度在电极间的变化规律,解析了放电等离子体内各特征元素蒸发、解离和激发的过程,并据此优化光谱探测位置以减弱谱线干扰。研究结果表明:电子在阴极斑点生成,向阳极发射的过程中与电极金属、石墨颗粒流和电极间空气介质发生碰撞电离,产生更多的电子发射,从而形成并维持从阴极向阳极的放电通道。在阴极区域,高能电场产生的焦耳热促使阴极尖端钨金属蒸发溅射,膨胀产生的冲击使得颗粒和空气被排出阴极区域,钨金属的原子及电子占据在阴极区域;在放电通道中部,电子与密集的石墨颗粒流发生碰撞电离;在阳极区域,剩余的放电能量难以蒸发阳极金属,电子主要电离空气介质。可将阴极到阳极的区域划分为阴极金属激发区、中部颗粒激发区和阳极空气激发区。被电离的电极金属、石墨颗粒、空气介质的离子和中性原子占据各自的激发区域,形成等离子体并辐射出对应的特征谱线。从阴极到阳极的特征谱线强度变化呈现了与上述相同的结果,W 247.78 nm谱线强度在阴极区域较强并呈现逐步降低的趋势;C 247.86 nm谱线强度先增后减,在电极间距中心处达到最大;N 744.23 nm谱线强度逐步增强,在阳极尖端处达到最大。以C-W信号强度比作为C-W谱线干扰程度的评价指标,确定了最佳的光谱探测位置为距阳极0.5 mm处。相比于常见的光谱探测位置(电极间距中心),C-W信号强度比从1.200提升至1.348,C 247.86 nm的分峰拟合值与观测值之比从86.02%提升到94.93%,C-W谱线干扰效应显著降低。

基于数据挖掘技术的锅炉岛运行能效诊断

为应对火电机组深度调峰背景下锅炉岛运行条件多变时能效诊断问题,提出基于数据挖掘技术构建能效基准库,结合耗差因子理论建立锅炉岛的运行能效诊断模型,实现对不同运行条件下锅炉岛的能效诊断。将负荷、煤质及环境温度作为锅炉岛运行外部约束条件,通过改进的K-means算法对历史运行数据进行工况划分;结合灰色关联分析与K近邻算法构造了工况相似度计算模型,以相似工况中能效状态最优的工况构建了能效基准工况库;通过分析运行工况与基准工况的偏离程度实现了对锅炉岛运行能效的评价,并对基准工况库进行更新,基于能效特征参数的煤耗偏差及耗差因子实现对锅炉岛运行能效逐层分析,从而得到造成能效偏离的具体原因,便于运行人员及时做出运行调整。

LIBS测量飞灰含碳量的研究现状及展望

飞灰含碳量是评价燃煤锅炉燃烧效率的重要参数之一,实现其在线测量对于提高燃煤机组节能水平与智能化发展具有重要意义。激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种具有竞争力的在线快速测量技术,在飞灰含碳量测量方面的应用已取得了较大进步。本文综述了LIBS测量燃煤飞灰含碳量的基础研究进展,根据测量时飞灰样品形态差异,梳理了LIBS在不同测量模式下的测量参数优化方法;总结了目前LIBS测量飞灰含碳量的光谱数据处理方法和定量分析算法的发展趋势;回顾了在实际工业中LIBS测量飞灰含碳量的应用现状,并对未来研究方向进行了展望。

圆柱形空间约束对LIBS检测煤粉颗粒流的优化研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)检测煤粉颗粒流时光谱信号的质量和检测结果的可靠性,根据颗粒流的检测特点,设计了一种圆柱形空间约束,并分析了其对LIBS直接检测煤粉颗粒流的实验系统的优化效果。先后对比分析了添加约束前后煤中一些重要元素的特征谱线的绝对强度、信噪比(SNR)和脉冲到脉冲间的相对标准偏差(RSD)等重要信息。结果表明:圆柱形空间约束能够有效地提升LIBS检测煤粉颗粒流的光谱强度和信号的稳定光谱信号的重复性,达到提高检测结果的可靠性的目的。

旋流雾化技术特点分析及其在烟气脱硫中的实验研究

针对火力发电厂烟气超洁净排放要求,用旋流雾化深度脱硫技术改造某300 MW火电机组脱硫系统,在原喷淋层下增设1层旋流雾化层,通过切向布置于脱硫塔圆周的旋流雾化器,使脱硫浆液高效雾化,强化吸收塔内烟气与浆液传质及反应过程,提高流场均匀性,解决了脱硫塔内烟气走廊问题,同时因为颗粒比表面积和气液接触时间增大,提高了脱硫效率,降低了系统能耗。结果表明,脱硫效率达99%以上,出口SO2浓度低于10~20 mg/Nm3,脱硫塔内烟气粉尘脱除效率达90%,实现了脱硫除尘一体化。

基于LIBS和NIRS信号同步采集和融合的入炉煤发热量测量研究

快速准确地对入炉煤发热量进行检测是指导电厂经济安全运行的关键,然而煤炭成分复杂,其发热量与元素组成和分子结构都有一定的相关性,单一分析技术快速准确测量入炉煤发热量比较困难。基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和近红外光谱(NIRS)技术,提出联用2种技术检测入炉煤发热量的方法。同步采集输送带上煤炭的LIBS和NIRS光谱信号,进行光谱数据预处理后融合2种光谱信息,并结合偏最小二乘(PLS)建模方法定量分析煤炭发热量。将该方法用于搭建煤样测量系统,得出煤样发热量定标集的决定系数为0.98,预测集均方根误差为0.37 MJ/kg,平均绝对误差为0.26 MJ/kg,平均相对误差为1.09%。表明所提出的在输送带上LIBS和NIRS信号同步采集方法可快速准确测量入炉煤发热量。

基于综合性能评价的SCR静态混合器优化研究

为综合考量选择性催化还原(SCR)系统静态混合器的混合效果和对系统造成的阻力损失,提出了一种结合流场均匀性和阻力特性的综合性能评价指标——无量纲混合效率η。结合现场需求,采用数值模拟方法,以圆形、花瓣形和SMV混合器为例对系统的综合性能进行评估。结果表明:圆形混合器、SMV混合器、花瓣形混合器的η分别为16.18%、22.50%和26.88%,其中花瓣形混合器综合性能最佳;在顺序排列、同向布局、覆盖率为37%的条件下,花瓣形混合器的综合性能达到最佳,其无量纲混合效率η为28.60%,较优化之前提高6.40%。

“激光光谱前沿与技术”专辑导读

激光光谱技术作为光谱学领域的核心技术,具有灵敏度高、选择性强、非接触式及在线测量等优点,已经成为研究物理、化学、生物、医学以及天文学等领域光和物质相互作用的重要手段。随着激光技术和探测手段的快速发展,近年来激光谱技术取得了长足的进步,目前激光光谱学的研究重点包括但不限于:新的光谱技术、为了满足实际应用而追求的更优探测性能、新应用领域的拓展、器件及系统的集成等。

德士古气化炉内气体辐射的数值模拟研究

为了探究气体辐射对气化炉物理场的作用机制,采用数值模拟的方法,以灰气体加权和模型(WSGG)描述气体辐射特性,对比分析了加入气体辐射后辐射强度、温度分布以及气体组分体积分数分布的变化。结果表明:气体辐射在气化炉的辐射热流计算中占有很大一部分比例;在定热流边界条件的情况下,气体辐射模型对温度分布的影响主要是体现在射流区中下部;气体辐射的加入会使H_(2)与CO_(2)的反应朝正向进行,在一定程度上改善模拟结果的准确度和精确度。

水泥窑炉湿法脱硫耦合控制SNCR脱硝氨逃逸的研究

针对水泥分解炉脱硝系统氨逃逸问题,提出了利用湿法脱硫系统实现水泥工业烟气氨排放达标的方法。通过在水泥窑尾脱硫系统进行试验,研究了湿法脱硫系统对气态NH_(3)的脱除特性。结果表明,湿法脱硫系统浆液吸收作用能有效脱除烟气中的气态氨。液气比、脱硫浆液pH及浆液中氨氮浓度对尾气中氨逃逸影响较大。增大液气比有利于提高氨脱除效率,在液气比由4.3 L/m^(3)提高到7.0 L/m^(3)时,氨脱除效率由86.0%提高到92.5%;当浆液pH由5.8升高至6.4时,氨脱除效率由94%降低至67%;氨氮浓度由4.03×10^(3)mg/L升高至4.06×10^(3)mg/L时,氨脱除效率由91.9%降低至86.0%。

种子颗粒联合声波凝并微细颗粒的研究

为了研究种子颗粒联合声波凝并微细颗粒的效率,将颗粒群平衡模型与欧拉多相流模型进行耦合,通过用户自定义函数引入声波凝并核函数,采用数值仿真,在颗粒粒径及流速一定的情况下,分别研究了声频、声压级、停留时间和初始粉尘浓度对种子颗粒联合声波凝并效率的影响.仿真结果表明:微细颗粒总凝并效率受声频的影响较大,存在一个最佳凝并声频,且高频声波有利于小颗粒的凝并,低频声波则有利于大颗粒的凝并;声压级越大,微细颗粒振动幅度越大,凝并效率越高;延长停留时间有利于提高微细颗粒间的碰撞机率,促进凝并的发生;初始粉尘浓度的增加能有效地提高微细颗粒的总凝并效率,且最高凝并效率处在初始峰值粒径附近.上述仿真结果与试验结果一致.

小尺度双网格荷电雾化燃烧器热损失特性研究

以无水乙醇为燃料,运用荷电雾化技术,实验研究了锥-射流喷雾模式下双网格燃烧器的燃烧与热损失特性。结果表明,在当量比Φ为0.85~1.40区间内燃烧稳定,圆形片状火焰附着于燃烧网格附近,火焰直径与燃烧器内径相当。火焰温度、燃烧效率均随当量比的增大先上升后下降,在当量比Φ=1时分别达到最大值1 197.38 K、93.26%。尾气温度随当量比的增大而降低,壁面热损失随当量比增大而增加。壁面热损失与燃料完全燃烧释放热量比例为27.25%~33.08%,其中辐射热损失略高于对流热损失。燃烧器热效率在当量比Φ≤1下可达69%。双网格燃烧器可实现小尺度条件下液体乙醇的良好喷雾、蒸发与燃烧。

基于激光诱导击穿光谱的煤质快速分析研究及应用

煤电是我国的主力电源,也是碳排放的主要来源,实现煤质快速检测有利于提升煤电机组的安全、低碳和经济运行水平,促进电厂智能化发展。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一项新兴的快速测量技术,具有无需复杂样品预处理、多指标同步分析、适用于在线测量等优点,在煤质快速检测领域具有良好的应用前景。对本团队近年来在LIBS煤质检测领域的基础研究和应用开发成果进行了总结和展望,重点概括了LIBS检测煤质中遇到的主要问题及解决方案,展示了LIBS技术在煤质快速检测领域的应用潜力。

基于便携式激光诱导击穿光谱技术的耐热钢老化等级评估

长期承受高温高压耐热钢的运行状态严重影响着设备系统的安全生产,传统检验手段在时间和操作上存在一定的局限性。将开发的便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)设备应用于耐热钢失效分析,结合化学计量学方法实现T91钢老化等级的预测评估。首先对不同老化等级T91样品的光谱特性进行了分析,研究了不同表面状态样品的元素特征谱线随脉冲数变化趋势,获取各样品的典型光谱;然后采用K折叠支持向量机递归特征消除算法(K-SVM-REF)对光谱变量进行特征选择,以提高模型预测性能。结果表明基于特征选择的光谱变量较全谱变量建立的支持向量机(SVM)预测模型测试集的分类准确率从84.38%提升到90.63%。此外还研究了样品表面状态对模型性能的影响,为开发的便携式LIBS设备用于实现金属受热面失效诊断的实际测量提供了有效的依据和方法。

基于EMD的中红外TDLAS检测低浓度NO优化方法研究

为了实现低浓度NO的高灵敏检测,选用中心波长位于5.18μm的量子级联激光器(QCL)和光程为25 cm的单光程气体池,设计并搭建了NO的可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)检测系统。为降低系统噪声的影响,以提高NO的检测灵敏度,并降低检测下限,研究了对波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2f)信号进行滤波降噪的经验模态分解(EMD)算法,识别并去除被检测信号中隐藏的高频噪声和光学条纹,并与其他几种常用的滤波方法对2 f信号的降噪效果进行了比较。在此基础上开展了NO连续监测实验,采用Allan方差分析比较了EMD滤波降噪前后系统的稳定性和检测下限。研究结果表明:EMD降噪后检测系统的响应线性度达到0.999;体积浓度为30×10^(−6)的NO检测浓度波动范围由29.424×10^(−6)~33.184×10^(−6)缩小至29.585×10^(−6)~31.273×10^(-6),相对误差范围由0.17%~10.61%降低至0~4.24%;在1.5 s的平均时间内,系统检测下限由653×10^(−9)降至442×10^(−9);在最佳平均时间下,系统检测下限由272.7×10^(−9)降至185.5×10^(−9),证明了此方法可以有效提高检测系统的NO检测准确度、灵敏度,进一步降低了检测下限。

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO_(2)进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10^(-4),测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。

基于海水旋流雾化的船舶烟气脱硫实验研究

以某24.9 MW燃用高硫油远洋船舶动力机组为对象,设计了一套基于海水旋流雾化烟气处理系统。通过实船改造、安装,在燃用含硫率为3.5%重油条件下对系统脱硫效果进行实验,研究了液气比、烟气流速、雾化压力、入口烟气温度对脱硫特性的影响。结果显示,在机组负荷剧烈变化下,出口烟气S/C,进出口洗涤水pH、PAH和浊度均可满足公约排放限值。