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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“燃煤低碳利用与重金属污染控制”专题

来源:洁净煤技术

专题来自于《洁净煤技术》第8期,共10篇研究成果。

行业视野

煤化工

类别

50个

关键词

47位

专家

10篇

论文

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  • 作者(Author): 汪鑫, 陈钧, 范卫东

    摘要:近年来,氨作为一种无碳、富氢的燃料,多被用作内燃机、燃气轮机和其他工业用途的无碳燃料。为了降低燃煤电厂CO2排放,燃煤掺氨燃烧受到广泛关注。介绍了现有燃煤电厂锅炉碳减排的途径,论述了氨煤掺烧研究的最新进展,分析了燃煤掺氨燃烧过程中可能存在的问题,揭示了燃煤掺氨燃烧特性与污染物排放规律。针对氨在燃煤锅炉中的燃烧特性与燃煤掺氨燃烧过程中高NOx排放特性,在一台燃烧炉中实现了0~100%掺氨比例的燃煤掺氨燃烧试验,并将空气分级燃烧技术应用于燃煤掺氨燃烧,通过试验进一步研究了不同掺氨比例和分级工况(温度、掺氨位置)对燃煤掺氨燃烧产物的影响。燃煤锅炉提供的高水平预热条件及炉内高温热环境均有利于强化氨气燃烧,氨燃烧特性差不会成为制约其在燃煤锅炉掺烧的主要因素。通过调整燃煤混氨方式、优化空气分级燃烧工况可大幅降低NOx排放浓度。延后燃尽风的通入位置,可延长还原区长度,有利于还原区NH3与NO选择性非催化还原反应和煤热解产物(挥发分和焦炭)与NO异相和同相还原反应的进行,有效降低尾气NO浓度。根据试验煤种,空气分级燃烧工况下,燃尽风中、高位布置且燃尽风占总风量30%以上,燃煤掺氨比例控制在20%~30%(按热值)时,燃烧炉尾部烟气中NOx排放浓度可控制在与煤空气分级燃烧相当的水平。空气分级燃烧工况下,随掺氨比例的提高,燃煤掺氨燃烧还原区H2S峰值浓度呈下降趋势,可能缓解水冷壁管的腐蚀;燃煤掺氨燃烧还会大幅促进还原区CO2/H2O和煤焦气化反应进行,造成大量CO生成。燃煤掺氨燃烧技术是燃煤电厂实现低碳和低氮排放极具应用前景的技术发展方向。
  • 作者(Author): 李鹏鹏, 任强强, 吕清刚, 陈锐

    摘要:在碳达峰、碳中和背景下,水泥等建材行业能耗高、排放高、产能过剩,面临巨大挑战。从水泥行业现有CO2减排技术出发,分析了水泥低碳生产方式的原理和现状,归纳总结了原料替代、燃料替代和熟料替代技术现状。最后结合国内现状和发展规划,对水泥行业低碳技术进行展望。水泥行业现有CO2减排技术包括将低碳原料或工业废弃物代替生料中某些成分的原料替代技术;将低碳排放的清洁燃料应用于水泥生产的燃料替代技术;将有凝胶活性的材料添加到混凝土中以节省熟料使用量的熟料替代技术;应用电能和使用燃料时提升能源利用效率的方法和技术以及颇具前景但尚未大规模应用的碳捕集、封存技术(CCS)。原料替代方式是最有效的低碳生产方式,硅酸盐水泥原料中包含大量石灰石,会在水泥生产过程中分解产生烧制熟料必需的CaO和大量CO2,利用富钙废弃物替代石灰石等高载碳原料,可显著减少CO2排放,同时提供等量的CaO,用以替代的原料包括电石渣、硅钙渣、钢渣、石英污泥及造纸污泥等,其中不同工业废料对于水泥生产不仅可代替石灰石原料,还可能提供额外效益,如硅钙渣能提供硅质原料,钢渣的应用可能改善生料易烧性。应用农林业废弃物提供生产水泥的热量可降低碳排放,将生活垃圾或城市污泥部分代替生产用燃煤还可协同处置废弃物和垃圾,燃料预热技术是将燃料经一次预热后投入生产窑炉中,代替直接投入的燃料,是实现低排放和提升能源效率的有效方法。熟料替代可有效降低碳排放,将矿渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、烧黏土等混合型材加入混凝土,利用其本身具有的胶凝活性可发挥部分替代熟料的作用,有利于CO2减排,但我国水泥熟料系数较低,建议国内适当提高水泥的熟料系数。当前技术水平决定了熟料替代应用依然广泛,燃料和生料替代率预期将逐步提高。中期目标是实现替代燃料和替代原料技术的应用能力最大化,CCS技术更成熟,且可全面淘汰落后产能。长期目标是水泥企业可根据政策和生产要求制定有效且经济的减排方案,助力水泥行业实现碳中和。
  • 作者(Author): 张屿, 杜尚斌, 张文达, 赵义军, 孙绍增

    摘要:加压O2/CO2燃烧技术是一种可以实现CO2高效捕集的新型燃烧技术。为探究煤粉在加压O2/CO2气氛下的燃烧特性和污染物释放特性,采用加压沉降炉试验系统在0.9 MPa压力下对神华烟煤的加压燃烧(燃烧时间0.3 s)特性和N元素迁移释放特性进行研究。通过在线测量手段分析了O2/CO2气氛下,温度(1 073~1 273 K)对燃烧过程中气相产物CO、N2O以及NO生成规律的影响。通过离线表征手段分析了温度对燃烧残炭物理化学结构变化的影响。结果表明,煤粉加压燃烧过程中,升高燃烧温度会导致煤中燃料N的气相NOx转化率先升高后降低,相比N2O,升高燃烧温度对NO释放的影响较弱,煤中燃料N向气相NOx转化主要由N2O决定。煤粉加压O2/CO2燃烧过程中,CO和NO浓度随燃烧温度的升高逐渐减小和增大,而N2O释放随燃烧温度的升高先增后减。燃烧温度1 273 K时,CO、NO、N2O体积分数分别达到363.5×10-6、10.2×10-6和6.8×10-6。FTIR结果表明,煤粉颗粒表面O—C═O结构含氧官能团比C—OH结构含氧官能团具有更高的燃烧反应活性。燃烧温度从1 073 K升至1 273 K时,C—O相对含量变化较小,O—C═O、C═O、C—H相对含量分别减小了1%、1%和7%,而C═C/C—C相对含量增加了7%。表明加压燃烧过程中升高温度会促进C—H结构快速消耗,同时提升残炭的芳香程度。1 273 K时,煤粉燃烧残炭表面以N-5、N-6形式赋存的N元素相对含量分别减少7%以及增加5%。加压O2/CO2燃烧过程中释放的NOx含氮前驱物主要来源于焦炭中固有的N-Q结构,其相对含量变化较小。
  • 作者(Author): 郭亚飞, 赵佳祎, 姚曦, 邹叶琨, 高宇璇, 刘秉乾, 赵传文

    摘要:利用可再生能源驱动CO2电化学还原制增值产品可实现人工碳循环和洁净电能的高效存储,是实现碳中和战略目标的重要策略。铜基催化剂是迄今为止唯一可实现CO2电化学还原制取多种产物的催化剂,但其面临CO2电化学还原过电势高和产物选择性低等挑战。为提升铜基催化剂CO2电化学还原性能,采用模板剂辅助水热合成法制备纳米CuO催化剂,探究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)模板剂添加量对CuO催化剂微观结构和CO2电化学还原性能的影响。结果表明,添加PVP直接影响水热合成过程中CuO晶体成核与生长。CuO催化剂的平均粒径和CO2电化学还原性能依赖于PVP模板剂的添加量。PVP分子中的疏水碳链有利于使其保持分子斥力,抑制CuO催化剂纳米颗粒聚并。随PVP含量提高,CuO催化剂平均粒径先降低后增加,而其CO2电化学还原性能先提高后降低。PVP质量分数为25%的CuO催化剂(CuO-PVP-25)的平均粒径最小(29.53 nm),其在-0.53 V(可逆氢电极RHE)电势下,CO2电化学还原产物CO选择性和电流密度最高可达48.2%和-5.8 mA/cm2。CuO-PVP-25催化剂较佳的CO2电化学还原性能得益于其较小的粒径,因其平均粒径降低可诱导产生大量不饱和位点,直接影响CuO催化剂表面对关键中间体*CO的结合能,显著影响其催化活性和产物选择性。
  • 作者(Author): 刘壮, 周劲松, 周启昕, 周灵涛, 陆洋, 李博昊

    摘要:煤化学链燃烧技术可有效实现CO2的捕集封存,对我国实现双碳目标具有重要意义。煤化学燃烧过程中产生的汞污染因其对人体的剧毒性以及对铝制CO2压缩设备的腐蚀性而亟需有效解决。为了推动煤化学链燃烧汞污染的有效治理,总结了气化介质、气化产物、载氧体和反应温度对煤化学链燃烧过程中汞释放、转化及迁移的影响及机理,并针对存在的问题提出发展建议。CO2不能直接将Hg0均相氧化,但会抑制HCl对载氧体脱汞的促进作用。H2O(g)不仅会通过促进煤中挥发分的析出、抑制孔结构的熔融以及提高煤燃烧效率来增强Hg的释放,还会与Hg反应生成Hg(OH)2继而分解成HgO和Hg0,并抑制HCl向Cl的转化而抑制Hg0向Hg2+的氧化。CO、H2和NH3等强还原性气化产物会通过消耗载氧体表面氧而抑制Hg0的氧化。H2S会与载氧体表面活性氧反应生成表面活性硫而促进载氧体对Hg0的脱除,但H2S浓度过高则会在载氧体表面生成对Hg0氧化并不活跃的环状硫或链状硫而抑制H2S的促进作用。HCl会增强载氧体的脱汞效果,其在低温段(80~280 ℃)的促进作用归因于HCl预吸附的Eley-Rideal机理,在中温段(280~580 ℃)的促进作用归因于Langmuir-Hinshelwood机理,在高温段(>580 ℃)的促进作用主要归因于HCl对Hg0的均相氧化。载氧体对Hg0氧化的促进作用主要归因于载氧体表面活性氧对Hg0的直接氧化、载氧体将H2S氧化成活性S以及将HCl氧化成活性Cl和Cl2。燃料反应器温度升高会增强煤中Hg的释放,但也可通过促进Cl的生成和抑制CO的生成促进Hg0氧化。空气反应器温度升高,不仅有利于空气反应器中Hg0的氧化,还会通过增强煤的充分燃烧以及减弱焦炭对Hg的吸附作用而抑制Hg0从空气反应器出口逸出。鉴于H2O(g)含量对气化速率、Hg释放及Hg0氧化的影响,提出确定合适的H2O(g)含量以实现增强气化速率、减少Hg释放以及促进Hg0氧化协同效应。鉴于载氧体在实现氧高效传递和增强燃料反应器内Hg0氧化的协同效应,提出确定合适的载氧体以实现载氧体在氧传递和Hg0氧化的一体两用。鉴于燃料反应器温度对煤中Hg释放和Hg0氧化的影响,提出确定合适的燃料反应器温度以尽可能减少煤中Hg在燃料反应器内的释放以及增强Hg0的氧化,从而利于CO2富集提纯。鉴于空气反应器温度对Hg0氧化的影响,提出确定合适的燃料反应器温度以尽可能增强空气反应器中Hg0的氧化,从而减少Hg从空气反应器出口逸出。
  • 作者(Author): 吕强, 关昱, 刘银河

    摘要:控制燃煤锅炉的汞排放是我国减少重金属汞排放的关键,研发高效低成本的脱汞材料对燃煤烟气汞污染控制具有重要意义。铈是丰度最高的稀土元素,其氧化物具有无毒性、低成本等特点,且铈氧化物具有优异的储氧能力和氧化还原反应活性,使其在烟气脱汞领域具有较大的应用潜力。综述了含铈材料在烟气脱汞领域的最新研究进展,分析了含铈材料各种制备方法的特点,并指出其分子模型构建的关键;介绍了含铈材料的脱汞性能,探讨了炭基材料和非炭基材料的发展现状;论述了主要燃煤烟气组分对含铈材料脱汞性能的影响,重点关注了SO2、H2O、NO、HCl、NH3和O2等对单质汞脱除的促进或抑制机理;最后对含铈脱汞材料的研究进行展望。研究表明,浸渍法制备含铈材料简单易得,但活性成分均匀性难以保证,共沉淀法不适用于负载量低的样品,溶胶凝胶法可实现分子水平的均匀混合,模板法、水热法和溶剂热法制得的样品分散性好,火焰法则有待进一步发展,含铈材料分子模型的构建需考虑铈含量、铈分散状态;物理吸附、化学吸附和催化氧化对含铈材料脱汞均有贡献;低浓度SO2有助于汞氧化,但高浓度SO2会在铈氧化物表面与汞竞争吸附;相比其他材料,含铈材料的抗H2O性能更佳;NO可与含铈材料中的氧反应生成NO2促进汞氧化;向含铈材料中添加CuO可缓解NH3对脱汞的不利影响;HCl与O2对脱汞效率的促进程度受铈氧化物含量影响。在已有研究基础上,含铈脱汞材料在商业化应用前仍有以下问题亟待解决:汞与烟气组分在含铈多元金属材料表面的竞争机制或协同脱除机理,含铈材料的环境影响,含铈材料在实际烟气中的脱汞性能,脱汞反应器及脱汞装置的设计及优化,含铈脱汞材料的技术经济性研究。基于现有试验和模拟研究,总结了含铈材料的脱汞性能及烟气组分对单质汞吸附、氧化的影响机制,并提出了未来工作重点,为含铈材料在烟气脱汞领域的发展和应用奠定理论基础。
  • 作者(Author): 胡源泉, 龚本根, 田冲

    摘要:为了深度解析典型有毒害微量元素在燃煤产物中从微米到纳米单颗粒的分布特性,选取某燃煤电站产物(炉渣BA、飞灰FA、石膏SG)为研究对象,利用超声分散结合离心对样品分粒径后,借助单颗粒等离子体飞行时间质谱(spICP-TOF-MS)对As、Pb和Cr分布进行了跨尺度解析,并利用机器学习整合提取数据解析了3种元素在燃煤产物全样、1~10 μm和<500 nm颗粒中的分布特性。结果表明,As、Pb和Cr仅在燃煤FA全样中明显富集;FA和SG样品1~10 μm颗粒中,粒径对As和Pb的分布有一定影响, Cr在FA和SG样品1~10 μm颗粒中分布不受粒径影响;在BA、FA及SG样品<500 nm颗粒中分别有3 426、18 386、和3 787个单颗粒被有效识别,FA和SG样品中含Pb和Cr的颗粒占比高于含As颗粒,SG样品中含As(1.1%)、Pb(3.6%)和Cr(7.6%)的纳米颗粒占比明显高于FA;BA、FA和SG样品<500 nm单颗粒中,As、Pb、和Cr均与Fe、Ti、Mg、Al表现出强关联性,As在FA中还与Cr、Rb、Mn和Pb有一定关联性,Pb在FA中还与Ba、Ce、Ga、Zr和Sr存在一定关联;而在SG样品中As、Cr和Pb三者之间存在较强关联性,此外Cr在SG样品中与Sn、Ni和Rb等存在一定相关性。As、Pb和Cr在不同粒径燃煤产物中富集与燃煤多元组分成核与颗粒生长过程密切相关,煤中多元组分对这3种元素的形态转化与分布有不同程度影响,研究结果为深入揭示燃煤重金属在颗粒中跨尺度迁移转化机制奠定了基础。
  • 作者(Author): 桂本, 许杰, 胡玉清, 陈牧, 刘瑜, 周子健, 刘小伟

    摘要:天然矿物MgO被认为是负载MnOx脱除燃煤烟气中Hg0的优良载体,然而其比表面积限制了Mn物种的利用效率,对Mn物种的用量需求较高。为提高载体在脱除烟气中Hg0反应过程中对Mn活性物种的利用率,采用Al2O3部分替换MgO,制备了MgO-Al2O3复合氧化物负载的MnOx吸附剂。利用Al2O3较大的比表面积以及表面较高的化学吸附氧(Oad)占比,提升了Mn对Hg0的吸附与氧化能力,获得了Hg0脱除效率更高的吸附剂。结果表明,仅负载5%的Mn物种时,在MgO载体中添加30%的Al2O3可使吸附剂在150 ℃、N2+10% O2气氛中提升Hg0脱除效率27.7%。通过H2-TPR及XPS揭示吸附剂对Hg0的脱除机理,H2-TPR表明添加Al2O3会与MgO发生交互反应形成更稳定的载体物种,XPS表明吸附剂表面Mn4+物种占比对Hg0脱除活性有重要影响,添加30%的Al2O3时吸附剂表面Mn4+物种占比最高,因此Hg0脱除活性最高。针对MgO载体上Mn活性组分受限的缺点,采用添加Al2O3的方法提升了载体对于活性物种的利用率,对天然矿物载体在Hg0脱除领域的应用具有借鉴意义。
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