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中国工程院第二次院士大会学术报告汇编
1995年7月
煤的燃烧及其污染控制
徐 旭 常
摘 要 讨论了我国煤的燃烧和SO2与NOx控制技术。介绍了我国在煤粉燃烧和污染控制技
术方面的几项研究成果。采用了多脉冲激光全息摄影技术研究了颗粒在复杂流场中所受
各种力的影响；论证了流场进口处颗粒初始横向分速度对颗粒运动和弥散的影响。创立
了煤粉火焰稳定的局部高温、高浓度煤粉和适当氧浓度的三高区原理，以替代传统的回
流区火焰稳定原理；在我国开拓了既有良好煤粉燃烧效果又能减少NOx排放的煤份燃烧技
术的独特道路。又研究了反应性气固两相流的颗粒随机轨道模拟的统计方法，可较精确
地对煤粉燃烧工程问题进行气固两相流的数值模拟；又解决了采用数论方法求解辐射传
热多重积分方程的关键问题，使火焰传热数值模拟更为精确。还提出了煤粉按燃烧特性
进行宏观煤岩分类，按此分类对亮煤、暗煤和无机矿物颗粒进行燃烬过程的数值计算，
可更准确地分析工程上的燃烧实际问题。
一、煤的燃烧和SO2与NOx控制技术 我国主要因烧煤而排放的SO2，正在以很快的增长速
度飞升，如果不迅速防治，在2000年可能达到一年内排放2500万吨以上，将成为世界上
SO2排放量遥遥领先的国家。目前看来，立即采取非常的防治措施，使我国在2000年把S
O2控制在1990年内的排放量1495万吨，已是难以做到了；甚至控制在1995年内的排放量
1920万吨，也是十分困难的。要减少我国今后烧煤的SO2排放量，不能仅依靠国内外现有
的成熟的脱硫技术，必须同时开发低费用的脱硫新技术。 现有技术中，如果采用燃烧前
对原煤洗选，则可脱除原煤所含硫分中约占一半的黄铁矿硫中的40% 。这是投资和运行
费用相对较少的技术措施。如果原煤全部洗选，则最大脱硫率可达约20%。实际上到200
0年，以最大的速度发展洗煤厂，5年内增加投资160亿元，到2000年把原来的年入洗原煤
量2.8亿吨增为4.2亿吨，占2000年的可能原煤产量14亿吨的30% 。实现此措施后，可使
2000年烧煤排放的SO2减少约6%，即减少SO2的年排放量150万吨，在2000年可由SO2的年
排放量2500万吨减为2350万吨，离开前述目标尚有很大差距。 如果还采用燃烧过程中的
脱硫技术，即家庭和工业锅炉中采用掺有脱硫剂的型煤，循环流化床锅炉和煤粉炉炉内
喷钙加以增湿活化技术。如果投资20亿元，在原有基础上可新增工业型煤年生产能力20
00万吨，气化型煤1300万吨，民用型煤3500万吨，使得掺有脱硫添加剂的年型煤总生产
能力达到11300万吨。如果再加上投资约80亿元，用来增设能脱硫的蒸发量较大的循环流
化床工业锅炉来替代部分小锅炉以及采取一些其它措施。这些能脱硫的锅炉的投资费用
，较采用燃烧后的湿法烟气脱硫技术为低。但是所有这些措施要在全国十分分散的50万
台中小型锅炉和千家万户中实施，常常或因管理上或技术上尚有困难，或因日常运行费
用较大，只能在一定的有条件的范围内实施，使SO2排放量有所降低。采用这些方法使S
O2的年排放减少量，到2000年估计不大于100万吨。 目前在技术上管理上有可能真正大
幅度减少烧煤SO2排放量的，还应是在燃煤量相对集中的大用户（如烧煤发电厂等）采用
燃烧中或燃烧后的烟气脱硫技术。其中，湿法烟气脱硫可脱除产生的SO2的90% 以上，但
是投资费用昂贵，约占烧煤发电厂的总投资的20%，日常运行费用也较贵。如果到2000年
我国的发电设备总容量为2.9亿千瓦，其中烧煤发电厂的总装机容量为2.2亿千瓦，若需
要添设脱硫装置的发电总容量为1亿千瓦，如果只在其中1/3的发电容量上装设湿法脱硫
装置，约减少SO2的年排放量300万吨，则至少需投资330亿元。 如果上述煤的燃烧前，
燃烧中和燃烧后的脱硫技术都能在2000年得到落实，则较之不采取措施的2000年的SO2排
放量2500万吨，可减少约550万吨，则SO2的排放量可接近或略大于1995年的排放量。 从
上述分析可知，最有可能在我国实现大幅度减少烧煤SO2排放量的还是在烧煤发电厂采用
烟气脱硫技术，这还是因为在管理上技术上最易实施和可以操作。 实现使2000年SO2排
放量控制在1995年排放水平的关键，是立即落实实施上述综合治理方法的投资590亿元和
今后的日常运行费用。这对尚处于发展中的我国，是十分沉重的经济负担，而这些投资
和以后的开销巨大的日常运行费用是用来保护环境和改善国民生存条件，并不能直接增
加经济效益和扩大再生产。 当务之急是迅速研究开发适合于发展中国家国力的低费用烟
气脱硫新技术。耗资巨大的烧煤设备的烟气湿法脱硫装置国际上主要是在四、五十年代
发展起来的。另一种可用的投资费用很低的烟气脱硫技术，是炉内喷钙并加增湿活化技
术，但是烟气脱硫率较低，相对地日常运行费用较高。目前技术先进国家也正在探索新
一代的低费用的烟气脱硫技术。现在，各国普遍认为投资费用能低于烟气湿法脱硫、运
行费用也较低的技术，是不久前被证实的烟气脱硫剂悬浮循环技术，其投资费用仅为烟
气湿法脱硫装置的1/2，运行费用也略低。对于尚未大量装备耗资巨大的湿法脱硫装置的
国家，公认此法最有应用前途。如果烟气脱硫改用此项技术，这五年内仍投资330亿元，
则可使装设脱硫装置的发电总容量增大一倍，使SO2的年排放量至少减少570万吨。 类似
的技术最近在清华大学煤的高效低污染燃烧国家重点实验室已试验成功。如果能立即在
我国中型以上的燃煤锅炉上实施此项技术和积累经验，相信一定能大大推动我国控制SO
2排放的事业，走出我国自己的独特的烟气脱硫技术道路。不同于发达国家，我国烧煤排
放的NOx占大气中NOx的相当部分，有害国民健康。烧煤排放的NOx中较易控制和可能大幅
度减少排放量的，也是烧煤发电厂。我国烧煤发电厂在1989年的NOx年排放量约为130万
吨。如果不改进燃烧技术，到2000年我国烧煤发电厂的NOx年排放量将达到290万吨，再
加上其他的烧煤排放和汽车的NOx排放，如果不于治理，将可能接近1000万吨。未来的2
0年内我国控制烧煤NOx排放的措施将主要是低NOx煤粉燃烧技术。我国已开发成功的循环
流化床锅炉和独特的船型低NOx煤粉燃烧技术，可以用来大幅度减少烧煤的NOx排放量。
船型低NOx煤粉燃烧设备的投资只需整套发电设备费用的0.03% ，约占整套锅炉设备的0
.18%；而且在治理污染的同时，非但不增加日常运行费用，还能增加经济收入。经过前
几年的研究和开发应用，此项技术现在已经应用于69座烧煤发电厂的同类型的130台煤粉
锅炉上。但是我国还有更多类型的煤粉锅炉应该采用不同类型的低NOx燃烧技术，还需要
开发相应的技术，来推动我国降低烧煤引起的NOx排放。下面将着重介绍我国在煤粉燃烧
和污染控制技术方面的几项研究成果。 二、煤粉火焰稳定原理和低NOx燃烧 1、煤粉燃
烧"三高区"原理 研究工作中发现, 煤粉燃烧过程中从煤粉开始着火到焦炭逐渐燃烬,火
焰的温度从约1170K升到1700K,变化很大,难以应用传统的回流区均匀搅混模型火焰稳定
热平衡理论来分析实际的煤粉火焰稳定问题,也无法采用改进后的回流区边界传热和反应
热平衡理论来分析。 作者详细研究测定了旋流式煤粉预燃室中的气体流场、温度分布和
气体成份分布,作了不同粒径的煤粉颗粒在燃烧过程中的运动轨道数值计算, 得以提出新
的煤粉火焰稳定原理－"三高区"原理。 此原理认为应在燃烧室中使煤粉气流能在局部区
域形成高煤粉浓度,同时又处于高温和氧浓度适当高的区域(简称"三高区"),才能成为稳
定的煤粉着火有利区,可使煤粉火焰保持稳定。 我国研制成功的船形体煤粉燃烧器依据
的就是"三高区"原理。在直流煤粉燃烧器喷口内装设了船形体, 气流离开喷口后就形成
了结构独特的束腰形射流。煤粉颗粒富集在束腰部外缘的高温和有适当氧浓度的区域,形
成了"三高区",能使燃烧室中的煤粉火焰保持良好的稳定性和燃尽性能。此处煤粉首先释
放出挥发份。由于煤粉浓度高,烟气温度高,挥发份析出较多;从烟气组分来看,它本身含
氧量足以引起挥发份燃烧。这个着火位置离燃烧器的距离远小于无船形体时的着火距离
,因而着火提前,燃烧稳定性提高,这就是船形体燃烧器稳燃的原理。 2、煤粉颗粒在气流
中的湍流弥散 为了了解湍流气体中煤粉颗粒的弥散特性, 曾在二维湍流平面射流的喷口
中送入煤粉颗粒,用多脉冲激光全息技术拍摄了喷口外射流中颗粒的弥散情况。证实了中
等粒径(118 (m)的颗粒不仅比大颗粒(>280 (m)弥散得快,也比小粒径(70 (m)的颗粒弥散
得快。分析实验结果后发现,在喷口外射流初始段的最初40 mm 距离内出现此现象的主要
原因是喷口内颗粒与壁面碰撞, 使颗粒离喷口时具有不同的初始横向分速度。不仅在湍
流中有此现象,实验还发现在用内径为Φ2.5 mm 的细管把煤粉送入层流气体后,煤粉也会
弥散到直径达8 mm 的范围。分析颗粒的受力及运动轨道后,证明其主要原因也是颗粒和
输送管内壁碰撞,使颗粒在离管口处已具有初始横向分速度。 为了了解气固两相流绕流
船形体时颗粒的运动和弥散规律, 采用多脉冲激光全息技术拍摄了燃烧器中煤粉颗粒的
运动情况, 还在前述实验测得的船形体燃烧器的湍流气体流场中,作了颗粒的受力分析。
认为颗粒不只是沿气体流线方向运动和受到粘性阻力及气体脉动的影响, 还必需考虑流
体速度梯度引起的对颗粒的横向作用力-Saffman力,颗粒与壁面碰撞时的反作用力的方向
和大小, 以及刚弹离壁面时因颗粒旋转而引起的Magnus力。综合考虑了这些力的影响,对
船形体燃烧器内的煤粉颗粒作了跟踪轨道的数值模拟计算,和实验测得的结果是一致的。
这项研究再次证实了新的煤粉火焰稳定原理－"三高区",可以用来分析解释各种煤粉火焰
稳定问题。 3、煤粉燃烧过程中的NOx生成机理及污染控制 由实验得到了对NOx生成的影
响因素，如空气系数,原煤含氧量,理论燃烧温度等对NOx排放的关系。对比了不同过量空
气系数下使用船形体燃烧器和原始型直流燃烧器对NOx的排放结果。证实了使用船形体具
有降低NOx 排放的作用,现又被发电厂的现场试验结果所证明。 有船形体时由于特殊的
气流流动结构,煤粉挥发份析出较快,因而着火较快和NOx出现较早,但是NOx的生成和最后
的排放均较少。原因在于挥发份大量燃烧的区域中,相比于无船形体时,局部煤粉浓度较
高, 相对地氧浓度较低,挥发份中HCN生成的NOx较少。虽然无船形体时起先因煤粉着火较
晚而NOx较低,但是待煤粉着火时因煤粉浓度较低而当地氧浓度偏高,由HCN氧化生成的NO
x较多,排放的NOx 也较多。 三、煤粉燃烧过程数值模拟 1、反应性气固两相流的颗粒随
机轨道模拟方法多相流的颗粒随机轨道模型由于能够确切反应和模拟有复杂经历(如蒸发
、挥发和异相化学反应等物理、化学过程)的颗粒相的历程,并能考虑影响颗粒脉动的各
种物理因素,近几年来已被越来越多的用于工程问题的数值计算。实际锅炉运行中, 一般
每个煤粉颗粒都有各自不同的运行轨迹及变化经历,然而在用随机轨道模型对其进行数值
模拟时,我们不可能跟踪考察每一个煤粉颗粒;只能是跟踪有限条轨道,代表不同初始粒径
、状态和从不同初始位置出发的各颗粒群体,考察其沿着随机运动轨道的变化史。这样,
势必会使计算结果具有一定的概率偏差,在有燃烧反应的颗粒-气体两相流数值计算中,使
本来应当基本连续分布的颗粒和气体间相互作用的源项,具有偏离数学期望值的概率偏差
,甚至在一些本应拥有颗粒源项的气相网格单元中,也会因概率偏差而没有颗粒经过和没
有出现颗粒的源项。为了解决这问题,研究采用了韦伯概率密度分布函数来整理随机轨道
数值模拟的计算结果,使各网格微无的颗粒源项数值计算值接近于应有的数学期望值。 
2、采用韦伯概率密度分布函数对颗粒与气体相互作用源项进行统计计算的方法 用随机
轨道模型计算得到有概率偏差的颗粒与气体相互作用源项后,用按韦伯概率密度函数来统
计整理得到气相各网格单元的颗粒源项,就成为接近于期望值并按网格单元离散的颗粒源
项了。这能大大减轻或消除前人单纯的随机轨道数值模拟带来的概率偏差。采用此法清
华大学煤的高效低污染燃烧国家重点实验室已对发电厂煤粉锅炉的炉内流动、燃烧和传
热过程进行了工程计算；并对炉内喷钙并加增湿活化脱硫技术过程进行了流动、石灰石
粉的分布、升温、煅烧、烧结和脱硫反应以及炉内和增湿活化器内的烟气脱硫率进行了
工程计算。 3、NOx 生成的有限反应速率的概率密度函数(pdf)模型计算 和气体燃烧反
应速率不同, NOx的生成反应速率并不远大于湍流混合速率,因此不能用气体燃烧反应那
样的简化计算方法来处理 NOx的反应计算,而必须同时考虑浓度和温度脉动对反应速率的
影响,应考虑参加反应的不同成分的各种浓度出现的概率,在这种浓度和温度概率密度函
数（pdf）模型下进行统计计算。 4、火焰幅射传热数值模拟 三维火焰辐射传热数值模
拟的关键是高维重积分方程的数值求解。曾采用概率模拟方法（Monte-Carol 解法）,但
是在能束数量实际有限时总存在明显的概率偏差。因而改用数论积分方法（华罗庚-王元
方法），用一致分布点集贯来近似高维重积分，把各计算微元化分为若干胞元，又把放
射能束的胞元用正十二面体来模拟，每胞元按等立体角间隔发射32（或20，或12）能束
，解决了实际工程中的三维火焰辐射传热数值模拟方法。 四、按煤粉燃烧特性进行宏观
煤岩分类 一般在测定煤的燃烧反应动力学参数时，常把煤粉视为由性质均一而粒径不同
的颗粒组成。实际上，即使对同一种煤的煤粉颗粒而言，细小的煤粉颗粒彼此间的物理
、化学性质和燃烧特性的差别趋于明显，应进一步把它们划分为具有不同物理、化学、
岩相学性质和燃烧特性的颗粒群体来加以研究。近年来，国内外已有学者采用煤岩学的
原理对各种显微煤岩成分分析研究其燃烧特性。但在工程实用煤粉的粉碎粒度下，几十
微米大小的煤粉颗粒都是几种显微组分的混合物，各颗粒中的不同显微组分燃烧时还有
相互影响，因而用这种分离成纯显微组分的方法不适合于分析工程上的煤粉燃烧过程。
作者曾采用过手选法将 1(3 mm的煤颗粒分为三种宏观类型，使用常量热天平测定并分析
了它们的燃烧曲线。这有助于层燃过程的分析，但因研究的颗粒过大而且测定时的加热
燃烧速率较慢，与烧煤发电厂所用煤粉（(200 (m）有差别。也曾采用过以着火点之差为
宏观煤岩类型判别准则的重液分离方法，分别将神木、西山煤（65(90 (m）分为三种宏
观煤岩颗粒，并在管式层流沉降炉上测定了它们的燃烧特性，得出了不同的反应动力学
参数。最后作者采用了由热重分析仪测得的燃烬特性差别为宏观煤岩类型判别准则的重
液分离方法，将煤粉分为亮煤、暗煤和无机矿物质三种宏观煤岩类型：即富含镜质组分
的亮煤、含惰性组分较多的暗煤及无机矿物质。对这三种宏观煤岩的煤粉分别进行了工
业分析、元素分析和岩相分析，并制成煤焦和测定燃烧反应动力学参数。现已对神木烟
煤、西山贫煤和阳泉无烟煤的煤粉作了实验测定，这种分类和实验方法更接近工程实际
，有助于更确切地描述煤粉的燃烧特性和合理地设计煤粉燃烧设备。

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