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“煤炭低碳热转化”专栏

来源：煤炭学报

专栏来自于《煤炭学报》2022年第11期，共8篇研究成果。

行业视野: 煤化工
类别; 40个
关键词; 43位
专家; 10篇
论文; 2108IP
点击量; 4092次
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煤炭学报2022年第11期封面

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煤炭学报

2022年第11期

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煤炭学报2022年第11期目录

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水泥熟料预煅烧-烧成工艺特性试验研究

作者(Author)：徐靖, 周丽, 任强强

摘要：水泥行业属于传统的高煤耗、高排放行业，在“碳达峰、碳中和”的大背景下，面临着严峻的节能减排压力。《水泥单位产品能源消耗限额》对熟料煤耗做出了明确要求，降低单位质量熟料的煤炭消耗量和提升熟料生产工艺效率成为达到要求的关键。现有新型干法水泥生产线回转窑的传热效率较低，回转窑中的反应集中，导致水泥熟料烧成煤耗高。为了进一步降低熟料生产的煤耗与排放，基于水泥熟料主要成分与主要中间反应，提出“分步反应、阶段烧成”的思路，研究水泥熟料流态化预煅烧-烧成新工艺。与现有工艺不同的是，新工艺中固相反应（包括生料分解、硅酸二钙生成）在煅烧过程中进行，液相反应（主要是硅酸三钙生成）在烧成过程中进行。利用Rietveld全谱拟合计算矿物含量，扫描电镜观察矿物形貌，通过研究预煅烧-烧成过程对矿物形成的影响，得到预煅烧-烧成工艺的工艺条件，证实预煅烧-烧成预合成硅酸二钙对硅酸三钙的促进作用，获得合适的液相范围为20%~30%，并通过测算预估1000吨/天预煅烧-烧成装置的年CO2排放量减少23152吨。

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2022年第11期

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660 MW燃煤锅炉屏式过热器壁温特性数值模拟研究

作者(Author)：王涛, 周托, 吕俊复, 吴玉新, 张天宇, 马有福

摘要：在“双碳”目标的背景下，燃煤火电机组向更高参数及深度调峰的方向发展，这对于燃煤锅炉的运行提出了更高的要求，防止锅炉受热面热偏差而导致的管壁超温是其中的关键问题之一。因此，精确预测燃煤锅炉受热面的热偏差和壁温对于机组安全、稳定运行意义重大。锅炉受热面的传热及壁温特性主要受到烟气侧和工质侧的共同作用，但在通过数值模拟方法预测热偏差问题时，常将模拟过程和边界条件进行简化处理，较难精准地分析受热面的传热及壁温分布特性。针对以上问题，利用Fluent对660MW前后墙对冲燃煤锅炉进行了数值模拟，建立了屏式过热器管内、外的耦合传热模型，提出了按管内工质流动方向的顺序计算方法，并基于UDF实现了烟气侧与工质侧的传热耦合计算。研究了外二次风不同旋流角度对屏式过热器传热的影响，获得了同时考虑烟气侧和工质侧的屏式过热器传热及壁温特性。模拟结果表明，屏式过热器各管屏第22号管子出口壁面温度与实测值的相对误差在4%以内；外二次风的旋流角度由15°增加至60°，煤粉气流刚性减弱，燃烧不剧烈，煤粉着火延迟，炉膛火焰面升高，且屏式过热器的温度分布由“两端高、中间低”向“两端低、中间高”变化；当旋流角度为45°和60°时，屏式过热器的最大壁温分别为945K和965K，超过受热面材料的最大允许温度，而当旋流角度为15°和30°时，屏式过热器的最大壁温小于受热面材料的最大允许温度，故最佳旋流角度应选取15°–30°。

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煤炭学报

2022年第11期

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基于超临界水气化制氢的煤炭利用技术研究进展

作者(Author)：吕友军, 金辉, 李国兴, 王浩, 樊明境

摘要：中国以煤炭为主体的能源结构短期内无法改变。传统“ 一把火烧” 的煤炭利用方式不可避免产生大量的SOx、NOx、粉尘及温室气体，是雾霾和全球气候变暖等环境问题的重要成因。郭烈锦院士团队原创性地提出基于超临界水气化的煤制氢发电多联产技术，该技术可将煤在超临界水均相环境中实现完全气化制得富氢混合物，其中的氢被完全氧化形成超临界 H2 O / CO2 混合工质后进入透平做功发电，透平出口的乏汽经气液分离可实现 CO2 的自然富集。针对上述方案中关键技术的发展现状进行综述，重点介绍西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室近 10 a 来在该领域取得的研究成果。在超临界水煤气化反应过程强化方面，揭示了超临界水中煤气化过程的受控步骤在于稠环芳烃的开环反应;建立了超临界水中多孔焦颗粒气化模型并获得其气化机理与影响规律;通过将烷烃重整区高自由基浓度的流体循环注入反应器底部提高煤气化率约 17%;通过调整喷嘴射流角度缩小了低温低流速的副反应区;通过添加催化剂实现了吸热-放热反应的原位耦合匹配。在超临界水流化床多相流动与传热方面，基于介尺度结构流动特性实验结果提出了新型能量最小多尺度( EMMS) 曳力模型;基于压差实验数据获得了流化床内流型演变特性及相应计算准则;基于实验结果揭示了流化床气泡动力学特性并提出气泡弦长与上升速度的计算准则式;建立了流化床均质膨胀区和鼓泡区的床层-壁面传热关联式与基于颗粒团更新理论的传热模型。在超临界水环境氢氧化反应动力学方面，基于反应力场方法从原子层面获得了超临界水中氢氧化反应路径与动力学参数;基于氧化反应段出口氢气体积分数数据建立了超临界工况下氢氧化总包反应速率方程;建立了适用于超临界水工况的氢氧化基元反应模型并开展了反应路径分析与敏感性分析。上述研究成果为超临界水煤气化反应调控与强化、气化反应器与氧化反应器的设计优化提供指导。

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煤热解过程中噻吩类硫化物迁移转化机理研究进展

作者(Author)：刘吉, 杨双维, 赵微, 胡斌, 夏源谷, 马善为, 陆强

摘要：噻吩类硫化物是煤炭中有机硫的重要赋存形式，在煤炭热解过程中，噻吩类硫化物会迁移至热解产物中进而影响产物品质或引发环境污染，因此明晰煤热解过程中噻吩类硫化物的迁移转化特性与机理对煤炭高效清洁利用以及国家双碳目标的实现具有重要意义。本文首先归纳了噻吩类硫化物在煤炭中的赋存和热解过程中的析出特性，噻吩类硫化物的含量随着煤阶升高而增多，热解过程中的噻吩类硫化物主要来源于煤中大分子结构热裂解释放，部分来源于无机硫和硫醚、硫醇等有机硫的转化。随后概述了噻吩类硫化物热解特性与反应机理的相关实验和计算研究结果，噻吩类硫化物的分解主要由C-S键均裂和氢迁移引发，裂解产生多种含硫自由基中间体进而生成H2S、SO2、COS和CS2等含硫气体，其他含硫基团相互聚合或与芳香环结合形成多环含硫芳烃迁移到焦油和焦炭中。然后总结了多种热解条件对噻吩类硫化物热解的影响，热解温度的升高通常能促进噻吩类硫化物的分解，升温速率越慢噻吩类硫化物的脱除越彻底；H2、水蒸气以及CO2气氛都对噻吩类硫化物的分解有促进作用，其中H2和水蒸气能够通过提供氢自由基攻击噻吩环上的硫原子，或者与不饱和的C=C键发生加成反应促进噻吩类硫化物热解；CO2的氧化性会降低C-S键断裂难度，促进噻吩类硫化物形成更多的SCO2、CHO和R-O自由基从而促进气相含硫产物的生成；煤中的高岭土能促进噻吩类硫化物的释放，钙质矿物则会与其反应向CaS转化；不同性质的添加剂能够作为反应物或催化剂影响噻吩类硫化物的热解反应。基于噻吩类硫化物的迁移机理，对煤热解过程的调控应从两方面入手，一方面定向促进氢迁移反应和C-S键断裂以促进噻吩类硫化物分解；另一方面提供热解环境缺少的氢自由基和含氧基团抑制多环含硫芳烃化合物生成。未来还需要在噻吩类硫化物向液相和固相迁移的反应机理、反应器型等多因素耦合作用下的噻吩类硫化物热解调控机制等方面深入开展研究。

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2022年第11期

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燃煤电厂200 t /d生活垃圾无氧热解耦合协同处置优化

作者(Author)：王学斌, 周澳, 杨明辉, 王璟, 戴高峰, 范美军, 王建军, 冯旭明

摘要：随着我国城市生活垃圾的逐年增长，生活垃圾的减量化无害化处理变得越来越迫切。相比于填埋、焚烧等传统垃圾处理方式，热解法处理生活垃圾具有二噁英排放量少，二次污染小等优势，近年来受到了越来越多研究者的关注。针对我国县镇级别的垃圾处理需求，提出了一种新的生活垃圾热解耦合燃煤电厂协同处置的工艺路线，并结合现场实验数据，针对某55 MW燃煤机组耦合200 t/d垃圾的实际案例，利用Aspen plus软件对该工艺流程进行了验证和模拟。试验和模拟结果表明：在不抽取燃煤锅炉烟气的条件下，可以通过燃烧部分垃圾无氧热解产生的油气作为垃圾干化和热解过程所需的热源，并且还有部分富余的高热值热解油气的可送入燃煤机组燃烧。当抽取部分燃煤锅炉中高温烟气用于垃圾干燥和热解过程时，垃圾无氧热解可富余更多的高热值油气用于燃煤锅炉助燃调峰；同时，垃圾热解产生的高氯垃圾炭可以直接送进锅炉燃烧。对55MW燃煤机组耦合垃圾炭产生的二噁英进行了现场检测，试验发现：当不掺烧垃圾炭时，烟气中二噁英总含量为0.0061 ng TEQ/m3；当垃圾炭掺烧比为1%时，烟气中二噁英总含量为0.0053 ng TEQ/m3，二噁英含量在掺烧前后没有显著的变化，且远低于地方排放标准。干燥过程的高湿烟气再循环后进入油气燃烧热风炉，有利于提高耦合系统的富余热解油气。考虑到烟气输送安全，实际抽取锅炉烟气温度低于热解油气燃烧温度，故对本案例（55 MW机组耦合200 t/d垃圾）实际的最大锅炉烟气抽取量最大不超过锅炉总烟气量的2%，对锅炉总体性能的影响不显著。

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2022年第11期

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煤颗粒流化床增压富氧燃烧脱挥发分模型

作者(Author)：李林, 段伦博, 武万强, 孙光

摘要：增压富氧燃烧被认为是最有前景的CO2捕集技术之一，近年来逐渐引起学术界和工业界的关注。而由于增压实验难度较大，燃烧过程如同“黑匣子”，燃烧信息获取不丰富等原因，目前关于煤颗粒增压富氧燃烧机理的研究尚不充分。本文通过建立煤颗粒脱挥发分数学模型研究了增压流态化条件下的O2/CO2和O2/N2气氛对煤颗粒脱挥发分过程的影响机制。模型考虑了煤颗粒与环境之间的传热以及颗粒内部温度梯度，采用非稳态一维颗粒模型描述煤颗粒干燥和挥发分的析出过程。研究结果表明，模型具有良好的适用性，脱挥发分时间的计算值与前期实验结果之间误差小于20％；模型敏感性分析表明床料比热容、燃料比热容、燃料尺寸、燃料密度、燃料水分含量以及总换热系数对颗粒干燥时间的影响较大；床料比热容、换热系数以及燃料的密度和尺寸对脱挥发分过程影响较大，而床料比热容、换热系数、燃料密度以及燃料尺寸是影响颗粒内外温度梯度峰值的主要因素；压力和床温的升高均会带来煤颗粒与床料之间换热的增强，从而带来较低的干燥时间和脱挥发分时间，提高颗粒内外温差的峰值；而与N2气氛相比，CO2气氛下干燥时间和脱挥发分时间略有下降，颗粒内外温差会增加；随着流化数（w）的升高，颗粒与环境之间的换热作用被加强，干燥和脱挥发分过程被缩短。

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