全链条大型燃煤机组直接耦合生物质发电降碳技术

“双碳”背景下,开展生物质掺烧利用是大型燃煤机组实现降低CO_(2)排放最经济、可靠的技术手段之一。该文总结国内近15年大型燃煤机组耦合生物质发电技术路线,并对其痛点进行剖析。首次提出和设计全链条的生物质直接耦合发电模式,并在内蒙某电厂进行实施。充分利用电厂周边边际土地科学种植沙柳能源作物,改进并开发了机械化收割及生物质破碎压型工艺和装备,把控“种植-收割-转运-储存-预处理-燃烧”全链条每一个环节,保证生物质原料稳定及低成本供应。通过电厂试验数据验证,对生物质小比例掺烧(重量比例小于20%),推荐采用电厂零投资的“基于电厂现有制粉及燃烧设备的生物质耦合发电”技术路线;对于更大比例掺烧(重量比例大于20%),建议采用“新增生物质独立制粉及燃烧设备的生物质耦合发电”技术路线。

H_(2)S在线监测装置研发及在锅炉水冷壁高温腐蚀防治中的应用

锅炉水冷壁高温腐蚀问题一直是影响锅炉安全运行的难题。为解决锅炉水冷壁高温腐蚀的主要媒介H_(2)S需要连续测量,但当前行业内缺乏能长期运行的H_(2)S在线监测装置问题,研发了基于可调谐二极管吸收光谱TDLAS原理测量锅炉水冷壁H_(2)S的监测装置,并使用装置在某300 MW等级电站锅炉上进行了示范应用,跟踪评估了该装置的性能。结果显示,基于TDLAS原理所研发的仪器在现场投运12个月以来保持稳定运行,装置在线监测结果显示炉内H_(2)S呈现脉冲式波动特点,H_(2)S浓度高时超过1600μL/L。监测中发现,炉内H_(2)S浓度与运行调整存在较密切的关系,在升负荷过程中,由2台磨转为3台磨运行时,前后墙23.60 m平台测点处H_(2)S浓度急剧增加,从46μL/L增至822μL/L,H_(2)S与脱硫塔入口SO_(2)没有显著的关联性。H_(2)S在线监测装置的成功研发可以实现锅炉主燃烧器区域关键参数的在线监测,并作为运行人员调整锅炉运行参数的主要依据,这对于锅炉高温腐蚀监测和锅炉数字化建设具有积极意义。

750℃高温CO_(2)掺杂SO_(2)环境中Super304H及Inconel625的腐蚀行为

研究掺杂气体对合金的腐蚀行为及作用机理对超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))发电技术具有重要意义。该文开展Super304H及Inconel625合金的高温CO_(2)腐蚀试验,并结合腐蚀增重法、扫描电镜观察及XRD分析,研究两种耐热合金在750℃CO_(2)及掺杂SO_(2)环境中的腐蚀行为。结果表明,两种合金在750℃CO_(2)、750℃CO_(2)+SO_(2)环境中的腐蚀动力学均遵循抛物线规律,Inconel625抗腐蚀能力优于Super304H,具有较少的腐蚀增重;Super304H在750℃CO_(2)腐蚀初期增重高于CO_(2)+SO_(2)环境,而120 h后在CO_(2)+SO_(2)环境中腐蚀增重较高。两种环境中腐蚀500 h后,Super304H表面氧化膜为单层Cr_(2)O_(3)及外层疏松瘤状富铁氧化物与内氧化物FeCr_(2)O_(4)组成的局部双层氧化膜;Inconel625为单层均匀致密Cr_(2)O_(3)氧化膜,平均厚度不到1μm。高温CO_(2)腐蚀环境中,Cr含量对提高合金抗腐蚀性能具有至关重要的作用。高温CO_(2)掺杂SO_(2)对于Cr_(2)O_(3)形成合金具有抑制渗碳的作用,对于氧化铁形成合金具有加速腐蚀及渗碳作用。

基于炉膛水冷壁H_(2)S气氛场实时测量的锅炉运行监测与优化研究

为揭示锅炉水冷壁H_(2)S在不同负荷时的浓度分布、H_(2)S与炉膛组分CO和SO_(2)的关系、结焦区域H_(2)S分布情况以及运行调整对H_(2)S和NO_(x)的影响情况,指导锅炉运行,在某300 MW等级电站锅炉上安装了水冷壁气氛在线监测装置,系统研究了炉内近壁面H_(2)S、CO等还原性组分的生成规律及运行调整对炉内氛围的影响。结果表明:(1)在高负荷时炉内H_(2)S、CO整体浓度较高,并且负荷越高,腐蚀倾向越严重。(2)负荷在由高向低下降的过程中,存在一临界负荷(40%BMCR),当降至此临界负荷时,壁面气氛由还原性气氛开始转化为氧化性气氛。该炉易发生高温腐蚀的负荷范围为60%~100%。(3)总体上壁面H_(2)S与CO表现出正相关性,而H_(2)S与SO_(2)呈负相关性,但同时壁面各组分间又呈现出一定的独立性。(4)结焦区域H_(2)S平均浓度比非结焦区域高出537×10^(-6)(体积分数,下同),这与结焦区域水冷壁相较于非结焦区域水冷壁腐蚀更严重的现象一致。(5)关闭燃尽风投运层数、增加运行氧量,可以显著降低H_(2)S浓度,最高降幅可达91.4%,但H_(2)S浓度降低会引起NO_(x)增加,关一层燃尽风,NO_(x)平均上涨109 mg/m^(3)。建议在实际运行中,需要平衡好这对矛盾。

燃煤锅炉低温受热面积灰特性实验研究

通过煤灰的物理化学特性分析和冷态实验研究了煤灰冲刷光管和H型翅片管的沉积特性。实验结果表明:煤灰的微观特性是影响灰在受热面上沉积形成干松型积灰的主要因素。随着空气流速的增加,灰在光管上的沉积量减小;随着灰浓度的增加,灰在光管上的沉积量逐渐增加。灰颗粒在管束上形成干松灰的区域主要集中在翅片管的迎风面和背风面的低速区。在燃煤锅炉低温受热面时建议采用顺列布置的翅片间距较小的翅片管,以获得较高翅化系数和较小的烟风阻力。研究为燃煤锅炉低温受热面的设计和优化提供了实验参考。

螺旋折流板换热器热力设计方法及其实验校核

提出了用于螺旋折流板换热器壳侧阻力及换热性能预测的关联式,即通过一系列修正因子对流体掠过理想管束的阻力及换热关联式进行修正后获得具体换热器的阻力及换热性能参数,并基于Bell-Delaware方法,总结了用于螺旋折流板换热器的热力设计方法,该方法可用于螺旋折流板换热器的设计和校核。同时,选用一台螺旋折流板油冷器实际产品进行了实验测试,获得了其壳侧压降和总传热系数,并将测试获得的壳侧压降和总传热系数用于热力设计方法的校核,通过对比发现,所提出的热力设计方法可以基本满足工业设计的初步设计要求。

煤粉气化低氮灵活燃烧研究进展

20世纪80年代,全俄热工研究院提出煤粉气化低氮灵活燃烧技术,该技术通过增加独立气化区域解耦了传统燃烧过程中挥发分析出阶段、燃烧阶段和燃烬阶段,使挥发分析出和焦炭燃烧成为2个独立的过程,并通过调控热解挥发分与焦炭的燃烧反应,在实现高效燃烧的同时有效地抑制了氮氧化物(NOx)的生成。综合总结了该技术近40年在煤燃烧领域的基础研究、技术开发和工程示范等方面取得的主要进展,包括该技术的降氮和稳燃原理;并以气化场所不同对煤粉气化低氮工艺进行了分类,着重介绍了流化床气化式和燃烧器气化式的工艺流程及取得的重要成果,同时对最新报道的气流床气化式燃烧工艺进行了介绍;对该技术在碳达峰碳中和背景下应用于大型燃煤电厂实现锅炉(低于20%锅炉负荷)深度调峰进行了工艺路线分析和前景展望,确定了不同煤粉气化低氮燃烧工艺在电站锅炉灵活性改造方面的技术优势、范围以及应注意的问题,以期对煤粉气化低氮灵活燃烧技术在电站锅炉领域的进一步发展提供有益参考。

一次风率对煤粉气流床气化-燃烧特性及NO_(x)排放影响的试验研究

煤粉气化-燃烧技术是实现燃煤锅炉超低负荷稳燃和低氮氧化物(NO_(x))排放的重要方式。为了揭示一次风率(λ_(1))对煤粉气化-燃烧特性及NO_(x)排放的影响。采用自主搭建的对冲气流床气化-燃烧系统,研究了λ_(1)对煤粉气化特性,燃料N转化和NO_(x)排放特性的影响,采用热重分析仪和化学吸附仪对气化半焦的反应性和孔隙结构进行分析。结果表明:λ_(1)的增加会提高气化炉温度,使气化炉出口CO和CH_(4)的浓度分别降低了2.67%和2.43%;促进了固定碳的转化,其转化率增加了17.28%;燃料N的转化率增加了13.50%,其中增加了向N_(2)的转化,但降低了向NH_(3)的转化。同时,λ_(1)增加使气化焦炭具有更发达的孔隙结构,比表面积增加了95.77 m^(2)/g,孔体积增加了2倍,改善了气化焦炭的燃烧特性。气化燃料进入燃烧室后,当λ_(1)高于0.25时,燃烧室主燃区内未生成NO。λ_(1)为0.35时,燃烧室出口的污染物排放最低,NO_(x)和CO分别为115.86 mg/Nm^(3)(@6%O_(2))和39.25 mg/Nm^(3)(@6%O_(2));此时燃烧效率最高,为99.68%。因此,一次风对煤粉气化燃烧特性和污染物排放具有显著的影响,控制合适的一次风量可以降低污染物排放的同时提升燃烧效率。

准东煤热解特性及气化活性实验研究

采用热重分析法研究了热解终温和升温速率对准东煤热解特性的影响以及热解终温对准东煤气化活性的影响。研究表明,准东煤热解过程可分为3个阶段:干燥脱气阶段、活泼分解阶段和缓慢热解阶段;热解温度?800℃的时候,准东煤热解过程基本结束;升温速率提高,准东煤热解最大失重量和热解特性参数D增加;当气化温度较低的时候,热解终温对准东煤气化活性的影响比较明显,低温焦表现出更好的活性,气化温度较高时,各煤焦的气化活性有趋于一致的趋势。

分体式真空锅炉汽液两相流动及压降特性实验研究

通过搭建可视化热态实验台,对分体式真空锅炉汽液两相流动及压降特性进行了研究。采用压差法对上升管处的质量含汽率进行测量,进而根据所测量的含汽率对锅筒内的不同压降进行计算分析。结果表明:下锅筒热负荷分布不均、上锅筒蒸汽空间压力波动及其引发的过冷沸腾、工质内部压力波动等均会对锅炉运行过程中的稳定性造成影响。在锅炉内部汽液两相压降中,重位压降是最主要的部分,约为其他形式压降的50~100倍。锅炉内部汽液两相压降、含汽率、循环质量流量以及传热系数等参数之间相互影响,密不可分。在实验结果与理论分析基础上提出了分体式真空锅炉的优化建议。

超临界CO_(2)腐蚀对耐热材料力学性能影响研究进展

超临界二氧化碳循环系统为清洁能源发展提供了新途径,但高温与含碳环境对耐热材料力学性能和抗腐蚀性能等提出了新的挑战。温度过高时,结构材料在抗氧化性和结构完整性等方面性能要更优异,超临界CO_(2)环境下腐蚀与渗碳综合作用会使耐热钢形成碳化物,造成其抗氧化性和力学性能降低。因此,建立安全稳定超临界CO_(2)循环发电系统的前提是明确在超临界CO_(2)环境中候选材料的最高长时使用温度,以及确定腐蚀与渗碳的综合作用对候选材料的蠕变性能与抗渗碳能力的影响。该文总结国内外关于超临界二氧化碳腐蚀对耐热钢、镍基合金等耐热材料力学性能影响的研究现状,分析合金成分、温度、压力、杂质等因素对耐热材料力学性能的影响规律,讨论渗碳对于裂纹生长以及裂纹扩展等的影响机理,并提出目前实验以及分析的不足之处及未来的发展方向。

氨燃料经济性分析及煤氨混燃研究进展

氨能作为氢能的重要补充,近来获得了越来越多的关注。双碳政策与煤价高企使燃煤电厂面临极大的生存压力。使用新能源弃电生产绿氨替代部分煤炭可以减少燃煤电厂的碳排放,使燃煤电厂向煤氨混燃的储能调峰电厂转型。该文对氨燃料的生产、储存、运输成本进行详细的经济性分析,对工业锅炉中煤氨混燃的关键技术(如氨气的喷射位置、旋流煤粉燃烧器的改造)提出相应的总结和建议。最后,对电站锅炉掺烧氨气的NOx排放和飞灰含碳情况进行针对性的预测:掺烧氨气通常有利于降低飞灰含碳量,氨气对焦炭生成NOx的抑制与未燃尽氨气向NOx转化的竞争机制决定了工业锅炉以及电站锅炉中NOx排放。通过合理的措施可以同时实现飞灰含碳量的降低以及NOx生成的控制。

用于水下航行器的铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统热力学及动态特性分析

将铅铋堆与超临界二氧化碳(supercriticalcarbon dioxidecycle,S-CO_(2))循环相结合的发电系统可为水下航行器稳定、高效供能。然而,目前缺乏水下航行器与铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统的匹配设计研究,其热力学分析仍不完善。因此,该文分别构建其热力学模型和动态模型,通过模拟仿真,开展发电系统与4种动力循环形式的匹配研究,发现简单回热循环与铅铋合金的温度匹配性较好,系统热效率在压缩机和透平入口压力分别为7.6和25MPa时达到26.81%,满足系统设计要求。进一步探讨循环关键运行参数对系统热力学性能的影响规律,结果表明,增大循环最高压力和最高温度有利于系统效率的提升。基于此,进行系统关键换热部件的设计,揭示发电系统在温度阶跃扰动条件下的动态响应特性。可知,当堆芯铅铋温度从410℃降至390℃时,循环效率在大约8s内下降1.69%。该文可为应用于水下航行器的铅铋堆超临界二氧化碳循环发电系统设计提供参考。

基于遗传算法优化神经网络的SCR催化剂失效预测

该文使用神经网络结合遗传算法编制计算软件来实现选择性催化还原技(selective catalytic reduction,SCR)催化剂的失效预测功能,并在此基础上制定催化剂清洗再生流程。以49份运行环境不同的SCR催化剂为研究对象,使用灰色关联度分析法对原始数据进行预处理,最终确定以燃料钾含量等7个变量作为网络输入,以催化剂的相对活性作为网络输出。在Matlab环境下编程,构建按误差逆传播算法训练的多层前馈网络(back propagation,BP)神经网络。之后,针对BP神经网络结构上的缺陷,进行基于遗传算法优化的神经网络建模研究。结果表明,遗传算法优化后的BP网络(back propagation ggenetic algorithm,GABP)预测精度和数据拟合能力均有所提高。最后,该文总结出一种较为完善的催化剂清洗再生流程。本软件可有效指导工业应用中煤种、SCR催化剂以及催化剂中毒后的清洗再生技术路线的选型。

相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性

为了探讨相变回填材料固液相变对地埋管换热器蓄能传热性能的影响,建立了带有相变的垂直U型埋管换热器传热数学模型,并利用显热容法对相变材料的相变问题进行了处理。基于模型的数值求解,分析了夏冬季运行工况下相变材料固液相变对U型埋管换热器蓄能性能及其周围土壤温度热响应特性的影响规律,结果表明:同样条件下,相变材料固液相变会减缓埋管周围土壤温度变化趋势,缩小埋管热影响区域;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变材料均可以明显改善其换热效果,同时相变潜热大的相变材料可以明显增加地埋管的蓄能效果。研究结论对于缓解土壤热影响区域、改善地埋管换热器的蓄能传热性能具有重要意义。

多能流分布式综合能源系统容量匹配优化与调度研究

综合能源系统可以实现电、热、气等多种能源形式的互补供能和满足负荷需求的多能调度,从而促进可再生能源消纳能力,提高能源综合利用率。针对含电、热、气并相互耦合的分布式多能流综合能源系统的设备容量匹配优化问题,建立以系统各能量成本最低为目标,以能量平衡和设备工作特性为约束的优化模型,采用一种区域收缩算法加速寻优收敛速度。以西安市某厂房办公楼为例,采用所建模型和所提算法得到综合能源系统最小能量成本下的最优容量匹配和调度策略。结果表明,通过系统的容量匹配优化可以大大减少电、热、气的单位价格,降低多级储热器、可逆固体氧化物燃料电池的设备成本,提高太阳能电池的利用率,可有效提高系统经济性。

考虑能量成本和污染排放的综合能源系统优化配置

综合能源系统通过对电、热、气多能流间的互补协调,能够在满足用户用能需求的同时提高系统能源利用率。本文针对热电耦合的分布式综合能源系统的最优容量配置问题,提出一种考虑能量成本和污染排放的线性加权双目标优化模型,并分析各目标不同权重对容量配置的影响;并以某厂房办公楼为例,计算得到不同权重组合下的最优容量配比,对不同权重下最优容量配比组合进行了运行分析。结果表明,随着权重配比的改变,系统组件容量、单位能量成本和污染排放成本也在不断波动,能量成本所占权重的增加会导致系统目标函数值的增大,从而使系统的性能降低。系统容量优化配置的运行分析表明,选取合适的权重系数,系统用能单价和污染物排放可以得到有效降低,具有经济和环保效益。

水冷壁高温腐蚀倾向判断及H_2S近壁面许用浓度研究

为预防日益严重的锅炉水冷壁高温腐蚀,在300 MW燃煤锅炉上研究了近壁面气氛分布规律,结合不同气氛下水冷壁材料12Cr1Mo V的高温腐蚀动力学试验数据,预测了不同温度、气氛、腐蚀层开裂周期下的高温腐蚀速率,从而提出不同运行时间下锅炉水冷壁腐蚀的倾向判断标准;建立了腐蚀速率与H_2S浓度、腐蚀时间和腐蚀层开裂周期的关系式,并以腐蚀膜开裂周期12 h和24 h为例,求得了近壁面气氛的许用浓度。研究结果表明,近壁面硫化氢(H_2S)浓度与一氧化碳(CO)浓度成正比,而与氧气(O_2)浓度成反比;高温腐蚀速率与时间符合抛物线关系,与温度符合阿雷尼乌斯定律;只要将近壁面气氛控制在对应的H_2S许用浓度范围以内,就可以预防严重高温腐蚀的发生。

多孔-自由火焰燃烧的实验与数值模拟研究

为拓宽传统多孔介质燃烧器(conventional porous burner,CPB)的贫燃极限,进一步降低污染物排放,该文设计泡沫镍金属多孔-自由火焰燃烧器(porous-free flame burner,PFFB),实验研究其燃烧及污染物排放特性;建立同尺寸二维模型,数值研究多孔介质材料开孔率、相对高度和比孔密度对火焰状态、温度分布以及污染物排放规律的影响。结果表明:相比CPB,PFFB具有更宽的稳燃范围,开孔率1%的PFFB稳燃当量比为0.50~0.67,贫燃极限当量比可达到0.45。开孔率对CO影响较小,CO排放最低为19.2mg/m^(3)。对于NO_(x)排放,开孔率4%的PFFB降氮效果最好,比CPB减少了9.3%。多孔介质相对高度对PFFB的污染物排放影响显著。在实验工况下,相对高度2/3的PFFB相比1/3,其CO排放减少了5.2~140mg/m^(3),但NO_(x)排放量增加了4.3~9.2mg/m^(3)。对于开孔率4%的PFFB,随着比孔密度的增大,孔密度增大,孔隙直径缩小,燃烧呈浸没&自由火焰,CO排放量减少,NO_(x)排放量随气体最高温度增加而增加。因此,在一定的开孔特征下,PFFB可保留CPB的燃烧性能,并且具有更宽的稳燃范围、更低的贫燃极限以及更低的污染物排放水平。

氨燃烧研究进展

NH3常温下的液化压力远远低于H2,可以作为氢能的优良载体,通过合成氨方法能实现可再生能源的全球输运。将NH3直接燃烧可以减少裂解为H2过程中的损耗。该文综述氨燃烧在国内外的发展前景以及NH3在内燃机、燃气轮机、锅炉以及多孔介质燃烧器中的应用,并总结氨燃烧的火焰传播特性、化学反应动力学、燃烧器的设计以及污染物的生成与控制。最后,针对NOx排放较高的问题,分别从化学反应动力学和低氮燃烧技术应用的角度提出氮氧化物的控制策略。