600 MW对冲燃烧锅炉分磨掺烧煤粉燃尽特性的模拟和试验研究

针对亚临界600 MW自然循环对冲燃烧锅炉燃用3种差异性较大的煤种,通过数值模拟结合现场试验研究了分磨配煤掺烧对降低飞灰含碳量的作用机制,建立了对冲锅炉分层燃烧混煤的燃料特性与燃尽率、飞灰含碳量的关联性,并提出了改善电站锅炉中煤粉燃尽特性的配煤原则。首先设定了3种极端的工况,以优质煤为主分别集中在燃烧器的上、中、下3层燃烧器中进行燃烧;再通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟发现优质煤在上层燃烧器分布且劣质煤在下层分布时,劣质煤在炉内的停留时间显著增加,其在上层高温区充分燃烧,飞灰含碳量低。同时,根据不同工况下各层燃烧器煤粉的热值、挥发分、灰分进行分析,发现热值差异性是影响其燃尽特性的主要影响因素;然后基于燃煤电厂实际运行条件,设置了更切合实际的配煤工况,并进行了数值模拟与现场试试验研究,发现各工况下呈现的煤粉总体燃尽特性符合上述规律,飞灰含碳量相比于电厂原始运行工况下降。最后得到配煤原则为:在充分考虑电厂实际运行条件的情况下,将高热值的煤种向中、上层燃烧器布置,而低热值的煤种向中、下层燃烧器分布。

煤燃烧非常规污染物排放控制

随着工业的发展,环保和健康问题被日益重视。燃煤电厂是大气污染物的主要人为排放源之一,目前,我国针对粉尘、SO_(2)、NO_(x)等常规污染物的控制已达到国际领先水平。同时,针对燃煤过程产生的非常规污染物(PM_(2.5)、重金属、汞、SO_(3)、VOCs等)的排放控制成为当下研究的热点和难点。基于燃煤电厂非常规污染物的生成与排放特征,分析了当前尾部烟气净化装置和各种非常规污染物控制技术的优缺点及面临的挑战。针对5种典型的燃煤非常规污染物排放控制现状进行论述。首先,从多种团聚技术角度分析了煤燃烧PM_(2.5)排放控制现状;第二,从燃烧前、燃烧中和燃烧后3个角度分析了重金属排放控制现状,并阐述了异相凝并技术治理燃煤重金属污染的优势;第三,从碳基和非碳基吸附剂角度分析了汞排放控制现状,并强调了磁珠脱汞技术治理燃煤汞排放的示范效果;第四,从碱基吸附剂、化学团聚和非碱基吸附剂等角度分析了SO_(3)排放控制现状,并突出了非碱基吸附剂高温磺化脱除SO_(3)的创新性;第五,从尾部烟气净化装置和活性炭喷射技术角度分析了VOCs排放控制现状。此外,针对我国非常规污染物控制现状,提出适宜的污染物协同脱除方法,为今后燃煤电厂多污染物协同脱除技术的应用提供参考。

天然气增氧MILD燃烧及NO排放特性研究

将MILD(Moderate or Intensive Low-Oxygen Dilution)燃烧和增氧燃烧相结合,以实现天然气燃烧过程中低CO_(2)和NO排放。基于0.58 MW工业炉,开展了空气预混增氧方式下天然气MILD燃烧及NO排放特性模拟研究,分析了氧气浓度(19.5%~30.0%)和氧化剂射流速度(100~300 m/s)对增氧MILD燃烧方式下炉内流场、温度和反应区分布及NO排放特性的影响。结果表明,在MILD燃烧器结构不变的条件下,当氧气浓度从19.5%增加到30.0%时,高温区更加集中,温度分布均匀性削弱,NO排放从32.4×10^(-6)增加至58.9×10^(-6),增加了82%,意味着高氧条件下MILD燃烧的低氮排放特性将会消失。然而,同氧气浓度条件下,提升氧化剂入口速度促进了烟气回流稀释,导致峰值温度下降,扩大了MILD燃烧反应区。当氧气浓度为26.5%时,将入口流速提升至150 m/s导致NO排放从49×10^(-6)降至31.2×10^(-6),可获得与空气工况下相当的NO排放水平。综上所述,空气直接预混增氧不利于MILD燃烧的形成,但通过提升氧化剂速度可实现高氧浓度条件下MILD燃烧并维持低NO排放。

高岭土粒径对新疆煤积灰行为及烧结特性的影响

针对燃烧新疆煤面临严重的沾污结渣问题,添加高岭土添加剂是缓解该问题的有效途径。结合沉降炉积灰实验和固定床烧结实验对不同粒径高岭土的防控性能与机理进行研究。结果表明:高岭土通过自身的稀释作用和与煤中矿物的交互作用两方面共同改变新疆煤的成灰特性,进而影响积灰行为与烧结特性;细高岭土虽然通过交互作用可以有效抑制碱性物质气相沉积,但添加剂自身的稀释作用导致成灰粒径较小,更易在初始阶段形成积灰;在两方面的综合作用下,细高岭土和粗高岭土对初始阶段积灰生长的防控效果相近;此外,添加细高岭土后更小的成灰粒径分布促进灰烧结程度的发展,不利于沉积物的吹灰清除。

燃煤机组耦合生物质直燃发电研究进展:非球形生物质大颗粒气固两相动力学模型

在双碳目标背景下,燃煤机组耦合生物质直燃发电是充分利用近零碳排放的生物质能源资源的可行和现实途径之一。目前,国内燃煤机组耦合生物质直燃发电的示范工程较少、技术成熟度还有待提升,存在燃料破碎和输运、燃烧组织、锅炉受热面腐蚀等问题。计算流体力学为能源与动力装置优化设计与运行提供了一种有效的研究方法。重点综述了生物质颗粒气固两相动力学模型的研究现状,总结了其存在的问题,并提出了研究建议。生物质颗粒较大,且呈不规则的非球形;在国内目前缺乏成熟技术方案和相关经验的情况下,准确模拟不规则、非球形生物质大颗粒的运动轨迹是准确模拟其燃烧过程的基础和关键,也是该领域的难点。但在稀相流条件下,目前还缺乏非球形生物质大颗粒气固两相动力学通用模型。建议加强生物质颗粒高效燃烧气固两相动力学模型的基础理论研究,通过颗粒分辨的直接数值模拟获得各种典型的非球形颗粒的曳力升力系数和力矩系数的新关联式,耦合非球形颗粒平移及旋转运动,构建适用于非球形生物质大颗粒的通用气固两相动力学模型,进一步开展试验验证后应用于工业界的多相流模拟中,为揭示生物质与煤粉直燃耦合过程中的颗粒输运和热转化特性提供支撑。

塑料催化热解制备碳纳米管生长特性和机制的研究进展

催化热解技术可将废塑料转化为高品质的碳纳米管(CNTs),实现废塑料的回收和高价值利用。然而,塑料催化热解过程复杂,影响因素繁多,且碳纳米管的生长机制不清,因此,本综述从塑料种类、温度、催化剂等角度阐述了塑料结构以及热解过程对碳纳米管生长过程以及结构特性的影响,并解析了碳纳米管的成核和成长过程机理。发现挥发分种类和温度会对CNTs结构产生影响,而催化剂的性能将影响碳纳米管的直径和生长方式;催化剂与CNTs之间的作用力大小取决于催化剂的种类,CNTs边界的碳扩散强度又受反应条件、催化剂和碳源种类的影响,两者之间的相对大小决定CNTs成核和生长具体过程。该综述为废塑料热解制备碳纳米管过程的理解以及废塑料资源化利用技术的开发提供理论参考。

重金属在煤气化过程中迁移规律及在气化渣中浸出行为和固化处理综述

随着我国煤气化行业不断发展,产生的煤气化渣总量也越来越多,已成为急需解决的问题之一。为充分利用气化灰渣,拓宽其应用场景,体现潜在的资源价值,已在建材、陶瓷、玻璃、分子筛、催化剂等行业进行了大量探索,并得到成功运用。然而,煤气化过程中,煤中有害重金属元素(Hg、Cr、Cd、Pb、Zn、Ni)会残留在气化灰渣中,其可能随扬尘、降水等释放或浸出到环境中,对生态环境和人类生命健康造成不利影响,制约煤气化渣综合利用。在气化过程中,煤中重金属的迁移受气化温度、气氛和压力等条件影响,不同种类重金属受这些条件的作用方式和影响程度也不同。对于煤气化渣中重金属,其浸出率受浸出液pH、浸出温度、固液比、颗粒尺寸和浸出时间等因素影响,其中浸出液pH是主要影响因素。为稳定灰渣中重金属,降低重金属释放和浸出,减少环境污染,总结梳理了煤气化渣中重金属的固化处理技术,并根据固化方式分为水泥固化、热处理固化、水热处理固化、添加剂固化、化学共沉淀固化和矿化协同固化等6种方式。

二氧化碳电催化剂理论设计方法研究进展

CO_(2)电催化还原(ECR)是一种极具应用前景的CO_(2)利用技术,其关键在于高性能催化剂的开发。采用理论方法可有效指导与加速高效ECR催化剂的设计。从密度泛函理论(DFT)、溶剂化模型、电化学计算模型和机器学习四个方面介绍了ECR催化剂的理论设计方法。DFT、DFT+U、杂化泛函可有效计算ECR反应体系的能量、电子特性等,预测催化剂的性能;对于ECR反应中的溶剂效应,综合计算成本和精度需考虑显式溶剂化模型、隐式溶剂化模型和混合模型;在ECR电化学计算中,恒定电极电位模型比计算氢电极模型更能有效描述CO_(2)还原的能量变化;机器学习可高效、低成本地实现ECR催化剂的性能预测、活性位点设计和组分优化。最后,对CO_(2)电催化剂的理论设计方法进行了展望。

中国居民直接碳排放影响因素分析

为探明居民家庭能源直接碳排放的影响因素和空间特性,采用莫兰指数(Moran's I)分析居民家庭直接碳排放的空间相关性,建立地理加权回归(GWR)模型并对居民直接碳排放影响因素进行分析。结果表明:居民直接碳排放在河北、山东、内蒙古、江苏等北部沿海及东部沿海省份为高-高聚集,在新疆、西藏、青海等西北省份为低-低聚集。城镇化率对居民直接碳排放的影响作用最大,回归系数位于0.80~0.97之间。城镇化率、家庭规模和居民节能政策认知会促进居民直接碳排放,人均住宅面积和居民用能行为对居民直接碳排放的影响程度在不同省份间表现出较大差异。总体而言,中国居民直接碳排放具有空间上的异质性,居民端碳减排需因地制宜。

特约主编寄语

随着“双碳”目标的提出,我国风电、光伏发电等清洁能源快速发展,发电量占比不断提升,由于新能源发电具有随机性、间歇性及不稳定性的特点,给电力系统的安全稳定运行带来挑战。煤电和储能等灵活性电源具有良好的调峰性能,在当前“双碳”背景下,需完善灵活性电源建设和运行机制,全面实施煤电机组灵活性改造,完善煤电机组快速灵活调峰技术标准,科学核定煤电机组深度调峰能力,完善支持灵活性煤电机组、水电、太阳能热发电和储能等调节性电源运行的价格补偿机制。因此,加强灵活性发电技术的研发,是实现传统能源与新能源协同发电、构建高效智能电力系统的必然选择。

乙酸和富芳香组分对生物油电化学提质中聚合结焦的影响

生物油是唯一的液体含碳可再生资源,因其成分复杂、热值低、酸度高、粘度大等特点,必须经过提质才能进一步利用。生物油电化学提质是一种条件温和、易于控制的新兴提质方法,但仍面临生物油聚合结焦的问题,降低了提质生物油的品质和收率。通过对含有不同浓度乙酸和富芳香组分(Aromatic-Rich Fraction,ARF)的调制生物油分别进行电化学提质实验,对电化学反应后的溶液和焦表征分析,研究了乙酸和ARF对焦产率的影响规律,探讨了乙酸和ARF对生物油聚合结焦的影响机制。结果表明,乙酸能抑制生物油聚合结焦,加入浓度1%的乙酸可降低焦产率约25%,继续增加乙酸浓度会进一步降低焦产率;而ARF则会促进生物油聚合结焦,当ARF浓度从60%升到70%时,焦产率增加了约70%,当ARF浓度升到80%后,焦产率增加了约150%。乙酸能抑制生物油中酚类物质自缩合,降低了聚合结焦反应的速率,而ARF则增强了羟醛缩合反应,提高了聚合结焦反应的速率。

高温烟气热解废轮胎过程中痕量金属Cu、Pb的迁移特性分析

废轮胎(WT)作为一种常见固废,不合理的处置会对环境造成较大污染。本文采用燃煤高温烟气对WT进行热解,重点研究了热解过程中重金属Cu和Pb的释放特性,以及不同金属氧化物(CaO、MgO、Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3))对两种重金属的控制效果,此外还研究了添加聚氯乙烯(PVC)对两种重金属迁移释放的影响。结果表明,当热解时间为10min时,两种元素已经基本释放完全。高温促进了Cu的富集,而低温反而促进了Cu的释放。对Pb元素而言,随着温度的升高,其释放量不断增加,展现出明显的线性规律。当WT添加金属氧化物热解时,MgO促进了Cu的富集,而Al_(2)O_(3)促进了Pb的富集。当WT添加PVC热解时,低温促进了Cu的富集,而高温促进了Cu的释放。但不论温度的高低,PVC的添加使得Pb几乎完全释放。此时,添加Fe_(2)O_(3)对两种重金属的释放均起到了抑制作用。

成型生物质流化床气化及结渣影响因素研究

为提高生物质气化产物的品质,采用成型桉树皮和成型玉米秸秆2种典型农林废弃物,并选取稻壳和木屑作为对比,在中试规模的流化床实验台上进行气化实验,得到成型桉树皮、成型玉米秸秆、稻壳和木屑的最佳空气当量系数,分析了成型生物质在气化中出现结渣现象的原因。结果表明:在实验条件下,成型桉树皮、稻壳和木屑的最佳空气当量系数为0.20,其燃气热值分别为5.5 MJ/m^(3)、5.5 MJ/m^(3)、6 MJ/m^(3),气化效率分别为60%、45%、52%;成型玉米秸秆由于其高灰分、低热值,所需空气量更大,最佳空气当量系数为0.24,燃气热值为4 MJ/m^(3),气化效率为35%;气化温度提高可促进不同生物质的气化反应,碱金属、碱土金属含量较多的成型生物质在气化过程中更易结渣。

生物质气压烘焙技术研究进展

气压烘焙技术具备反应条件温和、能耗低、脱氧效率高、能量回收率高、半焦燃料品质近似次烟煤等优势,是一种有希望替代传统烘焙的新型技术之一。本文介绍了气压烘焙的发展脉络,综述了气压烘焙工况优化(包括原料种类、温度、压力、时间)、产物组成与理化特性,阐述了气压烘焙宏观反应路径和微观反应机理,着重介绍了半焦的燃烧、热解、气化利用途径,回顾了气压烘焙的反应器设计及其在含氯固废、污泥等处置中的拓展。最后对气压烘焙技术可将生物质转化为高品质固体燃料,直接替代煤炭进行了总结和展望。

改性磁珠吸附剂脱汞及脱附再生动力学研究

为了有效控制燃煤烟气中的汞排放和有效解决燃煤飞灰的资源化利用问题,制备出一种新型的氯化铜改性磁珠脱汞吸附剂(Cu-MF)。在固定床吸附系统中,系统研究了反应温度(100℃~180℃)、烟气流量(0.8 L/min~1.5 L/min)、吸附剂用量(0.2 g~1.0 g)、SO_(2)体积分数(800×10^(-6)~1200×10^(-6))和NO体积分数(100×10^(-6)~300×10^(-6))对改性磁珠吸附剂汞吸附性能的影响。分别采用准一级和准二级动力学模型分析了改性磁珠吸附剂的汞吸附机制和控制过程,通过程序升温脱附(temperature programmed desorption,TPD)的方法探讨了改性磁珠吸附剂的汞脱附再生过程。结果表明:改性磁珠吸附剂在120℃~150℃区间内具有较高的汞脱除能力,吸附剂用量的增加有利于汞的脱除,而烟气流量和烟气组分(SO_(2),NO)对改性磁珠吸附剂汞吸附性能的影响较小。在不同反应温度和不同烟气流量下,改性磁珠吸附剂的脱汞过程可以通过准一级和准二级动力学模型描述。当吸附剂用量大于0.5 g时,改性磁珠吸附剂的吸附行为受物理吸附及化学吸附行为双重因素控制,可以分别用准一级和准二级动力学模型来描述改性磁珠吸附剂在SO_(2)和NO存在时的汞吸附过程。改性磁珠吸附剂的汞脱附行为更符合准一级动力学模型。

污泥4种热处理产物中磷的化学提取-沉淀回收性能

污水处理厂污泥中磷含量较高,对磷进行回收能有效实现磷资源的二次利用。采用磷酸铵镁(MAP)回收法分别对污泥4种热处理产物阴燃灰、掺烧灰、焚烧灰和热解焦的酸浸出液进行磷回收试验,重点分析了各热处理产物在酸浸出-MAP路线下的磷回收性能,包括磷沉淀率、产物中磷和杂质含量,并进一步探究了沉淀产物的环境安全性。结果表明,通过酸浸出-MAP回收法,单位质量沉淀产物磷质量分数达19.82~31.71 mg/g,原污泥中磷回收率达49.25%~65.81%。磷回收性能由高到低依次为焚烧灰、热解焦、阴燃灰、掺烧灰。酸浸出-MAP回收产物中含有大量Ca、Fe、Al和Si杂质,且含有一定量Zn、Pb、Cr、Cu、Cd、As和Ni,其中Zn含量远高于其他重金属含量。产物纯度和环境安全性由高到低依次为焚烧灰、掺烧灰、热解焦、阴燃灰。在沉淀产物的环境安全性方面,阴燃灰、焚烧灰和热解焦的酸浸出-MAP回收产物中重金属含量均符合GB/T 23349—2009《肥料中砷、镉、铅、汞生态指标》和GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》。掺烧灰的酸浸出-MAP回收产物中Cd质量分数为3.20 mg/kg,超过农用污泥污染物控制标准限值3.00 mg/kg。

厨余垃圾烘焙-气化制氢模拟研究与和技术经济分析

烘焙是一种极具前景的厨余提质预处理手段,能显著提升后续气化合成气品质,但其技术经济可行性尚待评估。基于此,提出一种厨余烘焙-气化制氢工艺,并与直接气化制氢工艺比较,对2种工艺进行热力学分析和经济分析,评估其可行性。利用Aspen Plus研究了气化温度和水碳比(η)对厨余直接气化和烘焙-气化2种工艺制氢能力的影响。研究发现,温度和η提高了2种工艺的制氢能力,温度950℃,η为1.5~2.0为厨余直接气化和烘焙-气化工艺较理想的操作参数。通过分析[火用]效率和经济效益,对5.5万t/a含水率55%的厨余烘焙-气化制氢工艺进行综合评价,以探究该工艺的可行性。结果表明:引入烘焙预处理,总[火用]损增加813.2 kW,占整个工艺的10.5%。直接气化系统的[火用]效率为56.7%,烘焙-气化系统效率较直接气化提升2.8%。从经济角度分析,烘焙-气化设备总投资成本为512万美元,年运行成本为297万美元,最低H_(2)销售价格为2.94美元/kg,直接气化工艺最低H_(2)销售价格则升高9.5%。因此,厨余的烘焙-气化工艺制氢无论在热效率还是经济成本上相比直接气化更具优势。

淀粉类厨余阴燃处置参数寻优及烟气释放特性

阴燃是一种针对高含水有机固废的低能耗处置技术,针对剩米饭开展自维持阴燃试验,以期为餐厨垃圾阴燃处置的工业化应用和相关尾气净化装置的开发提供技术参数支撑。研究了砂料比、点火温度、达西流速等参数对剩米饭减重效果和阴燃烟气各组分浓度的影响作用。结果表明,淀粉类餐厨的热解焦在500℃以上才能发生氧化反应。为保证淀粉类餐厨能在较低能耗工况下实现自维持阴燃处置,需保证阴燃体系系统低位热值大于0.72 MJ/kg。对于系统低位热值稍低于此数值的混合物料,可通过提高点火温度和增大达西流速等助燃措施实现自维持阴燃。由于米饭高挥发分特性,阴燃体系中底部物料挥发分会在低温沙盖层区域部分冷凝,故阴燃处置末期原本不含可燃有机质的沙盖层会出现剧烈氧化放热。砂料比过高或过低均不利于剩米饭的阴燃处置;适当提高点火温度和达西流速均会增强大米阴燃处置效果;对于含水率60%的湿米饭,大米与石英砂质量比为4,达西流速为4 cm/s、点火温度为350℃时处置效果最好。阴燃反应全过程内烟气中CO_(2)、CO和VOCs浓度均呈先增加、再平稳、后下降的变化趋势。调控阴燃试验参数,自维持传播段CO_(2)体积分数在6.75%~9.41%,CO体积分数在1.37%~2.51%,VOCs体积分数在109×10^(-6)~251×10^(-6)。湿米饭含水率越高,实现自维持阴燃所需最小达西流速越高;达西流速提高至8 cm/s,最高能实现75%含水率淀粉类餐厨的处置。

钢铁企业主要生产工序能耗分析

为梳理中国钢铁行业节能降耗空间潜力,通过物料平衡对国内典型的长流程钢铁企业(简称W钢厂)生产工序的物质流动进行研究。研究获得钢铁行业主要生产工序物质流流程。经计算,W钢厂整体钢比系数较低,钢材成材率较高。W钢厂的炼焦、烧结、炼铁、炼钢、钢加工工序的吨钢能耗分别为90.26、54.22、376.40、-12.27、97.50 kg标煤,其中炼焦、炼铁工序的吨钢能耗低于国内平均水平,烧结、炼钢、钢加工工序则均高于国内平均水平。总体而言,W钢厂能耗水平相较国内领先水平仍具有提升潜力,可以进一步降低烧结、炼钢、钢加工工序等方面的能耗。

城市生活垃圾焚烧过程中颗粒物排放与控制研究进展

随着我国经济的快速发展、城市化和工业化进程的快速推进,我国城市生活垃圾(MSW)清运总量急剧增加,生活垃圾焚烧发电技术快速发展。垃圾焚烧过程中会不可避免地产生大气污染物,其中,颗粒物易富集重金属、多环芳烃等对人体有致癌致突变作用的污染物,危害巨大。尽管我国对固定源颗粒物排放实施了严格的监管限制,但颗粒物(PM)排放仍然是大多数工业发达城市地区空气污染的主要原因。针对城市垃圾焚烧过程中颗粒物的排放问题,系统地综述了颗粒物的采样分析方法、形成机理和排放特征,介绍了垃圾焚烧颗粒物排放强化控制技术。最后,提出一些针对垃圾焚烧过程中颗粒物排放的防治建议,以提高我国未来的城市生活垃圾无害化处置能力。