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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
正式出版
收录年代

    烧结烟气的循环流化床焚烧处理方法

    沈宇帆韩诚良柯希玮张扬...
    4051-4059页
    查看更多>>摘要：烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气，含NOx、SO2、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理，既能有效资源化利用废气中CO和余氧，又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境，将烧结烟气中SOx和NOx等污染物与燃煤产生的污染物一并去除，有望成为高效的烧结烟气一体化污染物处理技术。然而，目前燃煤循环流化床燃烧背景下烧结烟气中二噁英、挥发性有机物等污染物脱除的研究尚不足。针对该问题，先通过化学反应动力学模拟，研究烧结烟气作为助燃剂燃烧过程，发现燃烧过程中产生的氢等自由基在二噁英分解过程中发挥重要作用，燃烧反应温度提高能显著促进二噁英及挥发性有机物的脱除，而燃尽烟气的余氧量降低对二噁英的脱除也有较显著促进作用。通过计算颗粒流体动力学的方法，模拟以烧结烟气为助燃剂的燃煤循环流化床锅炉运行情况，发现燃烧过程流态化情况好，烧结烟气中低浓度CO基本燃尽，旋风分离器出口CO质量浓度约 100 mg/m3，燃烧温度达到去除污染物的要求，验证了将烧结烟气作为燃煤循环流化床锅炉中助燃剂的可行性。在唐山某钢铁企业开展了烧结烟气的循环流化床焚烧方法工程验证，测试发现低低温省煤器出口处烟气二噁英脱除率超过 99。5%，低至 0。005 7 ng TEQ/m3，CO质量浓度低至 108 mg/m3，此外烟气中NOx和SO2 质量浓度低至 38、24 mg/m3，满足超低排放要求。工程验证证实循环流化床烧结烟气一体化焚烧处理技术有效。

    循环流化床烧结烟气焚烧处理二噁英污染物治理

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    200kW煤纯化-燃烧和宽负荷NOx排放特性

    韩绍博任强强杨少波崔瑞芳...
    4060-4070页
    查看更多>>摘要：为了适应当今我国的能源结构和降低煤炭发电等利用过程中产生的污染物排放问题，提出了煤炭纯化-燃烧的新型煤炭反应方式，将整个煤炭的燃烧途径分为纯化和柔和燃烧 2个步骤，其中纯化包括中温活化过程(对煤进行性能活化)和高温还原过程(在高温下进行煤中杂质的去除)，从而实现煤的纯化和在后续反应中的N元素的定向转化和NOx排放的降低。并在搭建好的200 kW纯化-燃烧试验台上，对宽负荷下系统的纯化-燃烧特性和N元素的转化机理进行了研究。结果表明，系统能够在 53%～89%的负荷内实现稳定运行，纯化单元和柔和燃烧单元温度分布均匀，系统的温度随负荷的升高而增加，纯化单元的高温区位于高温还原单元底部，最高可达 1378℃，而柔和燃烧单元的高温区则出现在距顶端 3700 mm处。在纯化单元出口的煤气中，CO、H2 和CH4的体积分数在 89%负荷时最高可达 23。28%、4。97%、1。52%，随着负荷的增加，燃料中C、H、N元素的转化率均有上升，且高温还原单元出口的元素转化率明显大于中温活化单元出口，达到了88。63%、96。83%和93。91%。大部分的N元素均生成了N2，53%负荷下仅有1。27%的N转化生成了NO，NOx排放最低可以达到47。38 mg/m3，此时燃烧效率可达99。01%。对氮的迁移路径转化的研究表明，系统在柔和燃烧单元沿程并没有检测到HCN的存在;而NH3 则广泛存在于三级三次风喷口前;NOx首先以N2O和NO2 的形式分布在柔和燃烧单元沿程，在四级三次风喷入后转化为NO。

    宽负荷煤炭纯化燃烧NOx排放N元素转化

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    氨/煤气流床半气化燃烧及氮转化特性实验研究

    崔保崇王肖肖舒逸翔林辉...
    4071-4079页
    查看更多>>摘要：氨气(NH3)作为零碳富氢燃料，在燃煤锅炉中掺烧NH3 是从燃烧源减少碳排放的有效途径，但会带来NOx排放升高和煤粉燃尽变差等问题。为实现燃煤锅炉掺烧NH3 的低NOx排放，在自行搭建的气流床半气化燃烧实验台上探究了气化炉掺烧 20%的NH3(G-20%NH3)和燃烧室掺烧 20%的NH3(C-20%NH3)中燃料氮的转化和NOx排放特性。研究发现，气化炉内掺烧NH3 会降低炉膛温度，但对煤粉的气化反应影响较小，与纯煤工况相比，煤氮的转化率仅降低了 3。64%，挥发分和固定碳转化率分别仅降低了 0。70%和 2。54%。在气化炉掺烧NH3 中，NH3 在气化炉中的转化率可达69。55%。气化炉内总燃料氮向N2 的转化率为68。88%，其中NH3-N向N2 的转化率为67。73%。同时，气化炉掺烧NH3 促进了煤-N和NH3-N向HCN的转化，转化率为 0。36%。气化炉中煤粉的热解促进了NH3 的热解，相较于纯煤，气化炉掺烧NH3 使气化炉出口H2 体积分数升高了69。23%。掺烧NH3 降低了燃烧室燃烧初期的温度分布。相较于纯煤，气化炉和燃烧室掺烧NH3 使燃烧室的温度峰值分别降低了 46℃和 62℃。但是，掺烧NH3 推迟了气化半焦的燃烧，增加了燃尽区的温度。气化炉和燃烧室掺烧NH3 中燃尽区平均温度比纯煤工况分别升高了 135。8℃和 72。8℃，促进了煤粉的燃尽。其中燃烧室掺烧NH3 的促进效果更为显著，相较于纯煤，C-20%NH3 中飞灰含碳降低了 1。8%。但气化炉掺烧NH3 更有利于降低NOx排放，相较于C-20%NH3，G-20%NH3 的NO排放降低了23。51%。

    氨/煤混燃半气化-燃烧特性燃料氮转化NOx排放特性

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    污泥与煤流化床混燃特性

    高远王卫群黄治军段元强...
    4080-4087页
    查看更多>>摘要：污泥与煤混燃能够有效改善燃料的着火和燃烧特性，实现污泥的无害化与资源化利用。市政污水在消毒和脱水过程中引入的氯元素会增加市政污泥中氯的质量分数，进而对锅炉换热面和环保设备产生不利影响。利用热重-傅里叶红外分析仪和鼓泡流化床反应器，考察了不同操作条件对燃料着火、氯元素析出、灰粒径和元素分布的影响规律。结果表明，污泥中的挥发分较高，在其微商热重曲线中有 3个失重峰，且最大失重峰出现在挥发分析出和燃烧阶段。随着污泥掺烧比例增加，燃料的着火温度和燃尽温度降低;烟气中CO、NO和SO2 的体积分数随着污泥掺烧比例的增加而增加，污泥中较高的挥发分促进了CO的生成，同时减弱了密相区的还原性气氛，不利于NO的还原;燃烧过程中，无论是热重还是流化床实验均表明燃料中 85%以上的氯元素都以HCl形式析出，且灰对HCl的自捕集作用较弱，燃料中绝大多数氯元素最终都以气态HCl形式进行排放;飞灰的平均粒径随着污泥掺烧比例的增加而减小;随着污泥掺烧比例的增加，飞灰中钾、磷和铁的质量分数显著上升，尤其是磷元素的增幅最为明显。

    污泥掺烧污染物HCl析出特性流化床

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    高碱煤纯烧的灰化学问题及高效燃烧研究进展

    李林宣任强强杨少波周丽...
    4088-4116页
    查看更多>>摘要：煤炭在我国的能源消费结构中占有至关主要的地位，新疆地区拥有丰富的煤炭资源储量，是我国重要的能源接续区和战略储备区。新疆地区的煤炭资源，特别是准东煤中碱金属和碱土金属(Alkali metals and Alkaline Earth Metals，AAEMs)含量普遍较高，属于典型高碱煤，可供长期使用。随着新疆地区煤炭资源的大规模开采和利用，高碱煤在燃烧过程中发生的结渣、沾污和腐蚀等问题严重限制了其大规模和高效利用。实现 100%纯烧高碱煤是高碱煤利用的重要目标，但解决纯烧过程中涉及的灰问题是首要问题。基于现代多元、分时、动态分方法，利用CiteSpace软件获取近 20a来高碱煤研究领域的 4401条文献，对文献结果进行文献聚类分析、关键词凸显分析和时间序列分析，对不同时期的研究热度峰值区间进行了系统分析。指出了该领域未来研究需要关注AAEMs的存在形式与迁移特性、低温共熔物形成机制、燃烧高效利用调控措施等方面。以典型高碱煤为基础，总结了其基本理化特性，重点剖析煤灰碱性组分对煤灰熔融温度的影响和AAEMs的存在形式。在此基础上，调研AAEMs和低温共熔物 2个核心方面研究进展，探究AAEMs迁移特性与低温共熔物的生成机制，对煤炭清洁高效利用低碳具有重要意义。然后，将高碱煤燃烧高效利用调控措施归纳为降低AAEMs含量、增加酸性组分和反应器运行与结构优化三大类别，分析了利用措施对缓解高碱煤结渣沾污的原理与效果，并指出对应方法的问题和不足。此外，提出煤粉纯化-燃烧高效利用技术或许是解决高碱煤燃烧高效利用难题的有效手段。最后，双碳背景下对火电提出了灵活性改造需求，火电机组需要提高变负荷调节能力，以保证稳定的功率输出。指出了实现高碱煤燃烧高效利用调控建议和未来研究方向，需要结合地方多样化资源优势并系统地制定整体方案，在全流程精准控制结渣、沾污和腐蚀等难题，实现清洁高效低碳利用。

    高碱煤CiteSpace结渣沾污燃烧高效利用纯化-燃烧

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    基于数据驱动的锅炉水冷壁壁温分布实时预测模型

    闫靖文刘欣王光礼张文振...
    4117-4126页
    查看更多>>摘要：水冷壁等高温受热面超温及由此导致的爆管事故是影响燃煤发电机组安全运行的痛点问题之一。管壁超温一般发生在锅炉受热面局部区域，为预测并缓解超温问题，就必须实时监测受热面壁温的详细分布，并做出针对性调整。由于测量手段受限且CFD数值模拟方法耗时较长，目前仍缺少一种能实时、准确地反映锅炉运行过程中壁温详细分布的技术手段。为此采用将耦合传热模型与人工神经网络相结合的方法。以某 350 MW超临界对冲燃烧锅炉为研究对象，首先以壁温耦合传热预测模型为基础，通过改变耦合模型的 46个锅炉关键运行参数，生成 220个典型工况，并通过快速扩充方法以极低时间成本衍生出4 400个扩充工况。然后，基于典型工况与扩充工况组成的综合数据库，以锅炉的 46项运行参数及壁面坐标为输入，以对应位置的壁温为输出，构建深度学习模型。模型MSE误差仅为 0。005 3，准确率AUC5 为 0。988，且计算时长在 0。1 s以内。结果表明，提出的基于数据驱动的水冷壁壁温分布预测模型通过泛化有限工况的数值模拟结果，实现了锅炉全工况下水冷壁管壁温度详细分布的实时预测，且针对模型在低负荷工况时难以准确预测传热恶化的问题，提出快速扩充数据库的方法，以极低时间成本明显提高模型对传热恶化问题的预测准确率。

    水冷壁管壁温度耦合传热模型超临界锅炉人工神经网络

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    基于时空注意力图卷积网络的锅炉NOx预测方法

    周永清郝大伟樊昱晨温昕彤...
    4127-4137页
    查看更多>>摘要：在可再生能源大规模并网背景下，火电机组的调峰运行大幅增加了锅炉NOx排放控制的难度。锅炉NOx排放的实时预测，对于指导火电机组调峰工况下的高效、清洁运行具有重要意义。CFD计算方法涉及多个物理场的耦合迭代计算，计算量巨大，难以实时地建立锅炉运行参数与NOx排放质量浓度之间复杂的非线性映射关系。随着大数据分析和人工智能技术的快速发展，数据驱动建模为锅炉NOx的实时预测与控制提供了新方法。锅炉调峰运行状态下的运行数据具有明显的时序特征，同时亦存在着复杂的空间关联特征。然而，目前所普遍采用的深度神经网络等方法无法有效地识别运行数据的时-空关联特征，因此限制了其准确预测NOx排放的能力。针对上述问题，提出一种基于时空注意力图卷积网络(AST-GCN)的锅炉NOx预测模型。该模型不仅可以在空间维度挖掘运行参数间的关联特征，还能捕捉历史运行数据与NOx排放质量浓度的动态映射关系。此外，模型中所嵌入的注意力机制能够进一步提高对运行数据中时空相关特征的动态提取能力，并增加了模型的可解释性，从而可用于指导锅炉在调峰运行下对关键运行参数的优化调整。基于某 600 MW锅炉实际运行数据的预测结果表明，相较于传统神经网络模型，AST-GCN模型由于可有效提取锅炉运行参数间的空间关联与时序动态特性，显著提升了模型的预测精度和泛化性能。

    NOx排放注意力机制时序图神经网络燃煤锅炉优化调整

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    炭化预处理对空心棕榈果壳成型颗粒气化反应特性的影响

    余浩文陈倩杨明明郭松灵...
    4138-4148页
    查看更多>>摘要：水热炭化和干法烘焙等低温炭化预处理方式可有效改善生物质的燃料特性，实现生物质的高效利用。选取空心棕榈果壳(Empty Fruit Bunch，EFB)为实验原料，在 180～220℃的温度范围对其进行水热炭化和干法烘焙预处理，研究了炭化预处理方式对生物质理化特性的影响。结果表明:水热炭化和干法烘焙均能提高生物质碳质量分数和热值，降低H/C原子摩尔比和O/C原子摩尔比，且在相同的反应温度下，水热炭化的提质作用更为明显。利用大颗粒热重在800～950℃下开展了炭化产物成型颗粒CO2 气化反应特性研究，实验结果表明:在 60 min内，EFB原料颗粒在 800℃时碳转化率仅 30%，在 850～950℃时碳转化率可达 100%，且颗粒的气化反应速率峰值由 800℃时的 0。007%/min提升至 950℃时的 0。042%/min。当气化温度为 950℃时，水热炭颗粒的气化反应性R0。5(50%碳转化率对应的反应性)由EFB原料颗粒的 0。034 min-1 降低至 180℃水热炭颗粒的0。023 min-1，水热温度由180℃提升至220℃时，R0。5 进一步降低至0。011 min-1;200℃烘焙炭颗粒的R0。5 最高，为 0。039 min-1。通过对 950℃不同气化阶段颗粒气化半焦的表面形貌与比表面积分析证明，EFB原料与烘焙炭颗粒气化过程中灰渣熔融形成的球团黏附于其表面，在碳转化率由 50%提升至 80%的过程中，颗粒孔隙出现堵塞，比表面积分别降低了 502。40 m2/g和452。44 m2/g;碳转化率由 80%提升至 98%的过程中，灰渣球团逐渐融合并包覆气化半焦表面，导致颗粒的比表面积均降低至1 m2/g左右，R0。98(98%碳转化率对应的反应性)分别降低至0。017 min-1和 0。018 min-1;水热炭颗粒在碳转化率由 80%提升至 98%的过程中比表面积增大了 126。98 m2/g，这是由于水热炭化对碱及碱土金属(AAEMs)的脱除缓解了成型颗粒气化过程中的结渣现象，导致颗粒气化反应性无明显变化。研究炭化预处理方式对生物炭成型颗粒理化特性的影响及半焦结构与气化反应性演变的关联机制对生物炭成型颗粒气化技术的开发应用提供重要理论意义。

    生物质水热炭化干法烘焙成型颗粒气化灰渣熔融

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    钛铁矿载氧体对碱金属钾的高温吸收特性

    张雨琪朱纯徐禛朱清...
    4149-4158页
    查看更多>>摘要：载氧体辅助燃烧(Oxygen Carrier Aided Combustion，OCAC)技术的协同固碱潜力得到越来越多学者的关注。以天然钛铁矿提钛后的尾矿及单一组分模化物Fe2TiO5 和TiO2 作为吸收剂，以KCl和CH3COOK作为模拟碱源，在静态吸收实验装置上研究了钛铁矿尾矿对碱金属钾的高温吸收特性，系统探究了时间、粒径、温度、质量比、气固组分等多种因素对吸收效果的影响规律，结合X射线衍射仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、扫描电子显微镜和X射线能谱仪等表征手段，揭示了K在钛铁矿表面富集和体相迁移的微观机理。结果表明，钛铁矿尾矿在高温下具有较好的K吸收能力，吸收速率随时间增长表现出先快后慢的变化趋势。在一定条件下，减小颗粒尺寸、提高反应温度和气相中的K浓度，可进一步提升钛铁矿尾矿的固碱性能。在与实际工业烟气相似的温度和碱金属浓度条件下，钛铁矿尾矿对K的捕集率可达 40%以上。钛铁矿尾矿的主相具有富Fe层和富Ti层交替排列的独特片层结构，且相较单一组分模化物具有更复杂的形态和更优异的固碱能力。其过程为:K首先在钛铁矿表面沉积并逐渐形成富集层，随后通过固相扩散向内渗入，并沿富Ti层深度迁移至颗粒内部;同时，富Ti层中的Fe逐渐向颗粒外层迁移，并对K在钛铁矿中的吸收产生双重影响。此外，Cl可通过与钛铁矿表面的Fe反应生成易挥发的FeCl2 而进一步促进钛铁矿对K的吸收，钛铁矿尾矿中铁钙铝榴石等脉石相对K亦具有十分显著的协同吸收作用。研究结果进一步证实了OCAC技术的协同固碱潜力，同时为低品位钛铁矿的资源化利用提供新思路。

    生物质燃料载氧体辅助燃烧钛铁矿尾矿碱金属钾

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    液氮低温预处理下生物质热解产物特性

    许涛陈凌云郑修仁伍永平...
    4159-4168页
    查看更多>>摘要：生物质作为一种可再生能源，具有来源广、多功能、碳中和等特点。生物质的高值资源化利用有利于降低对高碳化石能源的依赖程度，保障国家能源安全，减少环境污染，符合中国"双碳"国家战略需要。热解作为生物质热化学转化的基础，是实现生物质能高值利用的最佳技术之一，但是存在生物油产率低与品质差的核心问题。针对以上问题，创新性将低温冷冻技术应用于生物质热解领域，提出"低温冷冻+快速热解"的生物质制油新方法，拟提高热解生物油产率和品质。以 2种农作物秸秆为实验研究对象，采用液氮快速冷冻预处理方法，研究了低温预处理下生物质热解产物分布与组成的演变机理。实验表明，与常规热解相比，液氮低温预处理后生物质热解生物油产率升幅可达 14。16%～23。73%，且低温预处理温度与生物油产率呈正相关关系，在-90℃低温预处理下生物油产率达最大值(22。3%～26。3%)，超出铝甑法生物油产率 8。50%～22。71%。液氮低温预处理对生物油成分分布有明显的转化作用，生物油组成中苯系物(BTEX)与酚类物质有明显上升，最大涨幅分别为 43。61%和 12。45%。液氮低温预处理抑制了生物质热解气中CO2 和CO的释放，成分占比降幅了 7。2%～29。7%;促进CH4 和H2 的生成，成分占比提高了 0。2%～14。7%。此外，低温预处理使固体产物元素组成中C元素质量分数增加，同时O元素质量分数下降，这有利于提高生物炭的可燃性，并降低其自燃风险。

    生物质快速热解低温预处理生物油产物组成

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