动力工程学报

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生物质能源资源化高效利用专栏

木质纤维素类生物质热解转化研究进展

姚磊, 葛立超, 赵灿, 王睿坤, 左明锦, 张玉黎, 汪洋, 许昌

2024, 44(5): 665-680. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230625

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综述了木质纤维素类生物质热解技术的研究进展,总结了不同生物质原料的热解机理,分析了产物的组成和性质,研究了产物的调控、改性和应用。指出未来的研究方向应该集中在以下几方面:技术改进,致力于改进生物质热解技术,提高能源转化效率和产物选择性; 产品多样化,除了生物质热解产生的主要能源产品,如生物炭、生物油和生物气,还应着眼于开发高价值的化学品和材料,包括生物基化学品、特殊化学品和高性能材料; 集成系统,应尝试将生物质热解与其他能源转化技术相结合,形成多能源联供系统,与生物质发酵、光催化、电解和储能等技术集成,以提高整体能源系统的效率和可持续性。

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生物质能源资源化高效利用专栏

大型炉排炉清洁高效燃烧的问题剖析与实炉优化

张睿智, 汪林正, 赵善辉, 邓睿渠, 罗永浩

2024, 44(5): 681-691. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240003

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大型炉排炉被广泛应用于生物质及生活垃圾的能源化转化,但由于其设计和运行仍处于工程经验探索阶段,实际运行过程中,存在过量空气系数大、气固相燃尽差、NO_x原始排放高等问题。针对炉排炉复杂的层燃反应过程,构建了大颗粒转化模型和多成分并行颗粒层燃模型,实现对炉排炉燃烧过程的精细化数值模拟。并通过与实验结果进行对比,验证模型的精度。利用数值模拟方法,分别针对生活垃圾和农业秸秆的大型炉排炉进行了实炉分析与优化,并根据表面着火和底部着火2种层燃模式,进行了现场运行调整。结果表明:某中拱型垃圾焚烧炉的炉膛局部高温和NO_x排放较高的问题,源自于前后侧烟道的组分分布、燃烧和还原反应与设计预期的偏离,运行优化后消除了实炉的局部高温,NO_x排放亦显著下降,所提出的结构改进方案可使NO_x原始排放降低至26.8 mg/m³;某秸秆振动炉排发电锅炉的床层和气相燃烧效率低的问题,源自于大一次风的对流冷却作用和炉膛内的"烟囱流"现象,运行优化后实炉CO排放大幅减少,发电负荷显著上升。

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生物质能源资源化高效利用专栏

燃煤耦合农林废弃物在流化床内燃烧的氮氧化物生成特性模拟研究

张涛, 戴良旭, 王长安, 杨琨, 袁天霖, 崇培安, 车得福

2024, 44(5): 692-702. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230724

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通过化学反应动力学模拟方法构建了流化床燃烧反应模型,研究了燃煤耦合农林废弃物燃烧过程中氮氧化物的生成特性与反应机理。结果表明:氮氧化物转化率随着农林废弃物掺混比例增加而增大,且随着生物质掺入量增加,转化率增长速率提高;燃烧温度对氮氧化物转化率的影响较大;随着燃烧系统氧体积分数增大,氮氧化物转化率先缓慢增大,在氧体积分数达到一定值后迅速增大,之后变化趋于缓慢;出于经济性与技术可行性的考量,可以选择降低风量小的燃尽风氧体积分数来进一步降低氮氧化物生成量,为实际燃煤耦合生物质燃烧锅炉控制污染物排放提供一定的技术支撑和指导意见。

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生物质能源资源化高效利用专栏

生物质与煤矸石(煤系高岭土)共燃行为及固定碱金属特性研究

李昊, 刘海玉, 乔晓磊, 谢玉婷, 金燕

2024, 44(5): 703-709. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230517

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采用热重(TG)分析和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)研究了秸秆和煤矸石单独燃烧和共燃烧过程中的燃烧特性以及秸秆中碱金属元素的固留特性,采用Coats-Redfern积分法对秸秆和煤矸石共燃烧过程进行了动力学特性分析。结果表明:秸秆与煤矸石的混燃过程中存在强烈的交互作用,其中煤矸石掺混比例为10%时燃烧特性最优,混燃时随着煤矸石的添加,混合物的固定碳燃烧反应活化能降低且交互作用改变了燃烧过程中的反应机理;煤矸石质量分数为10%时对碱金属的释放抑制效果最好,在该比例下碱金属K、Na分别在1 000℃与1 100℃时的固定效果最优。

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生物质能源资源化高效利用专栏

成型生物质流化床气化及结渣影响因素研究

范浩东, 李姜昊, 张涵, 张雄, 张世红

2024, 44(5): 710-718. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230747

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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/m³、5.5 MJ/m³、6 MJ/m³,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/m³,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。

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生物质能源资源化高效利用专栏

基于物理信息神经网络的生物质气化产物分布预测方法

邓志平, 任少君, 翁琪航, 朱保宇, 司风琪

2024, 44(5): 719-726. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240004

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机器学习方法已经在生物质气化建模中展现出广阔的应用前景。然而,机器学习模型主要依赖于实验数据,并不考虑气化中的反应机理,在数据样本不充分的情况下模型所表现出的实际关联特性与机理规律之间存在严重偏差。为此,提出一种基于物理信息神经网络(PINN)的生物质气化产物分布预测方法,该方法将真实实验数据与先验机理进行无缝衔接,在人工神经网络(ANN)模型中嵌入边界约束和关键参数间的单调性关系,通过自动微分技术进行辅助优化,实现模型的高效训练。结果表明:PINN模型的决定系数大于0.89,均方根误差小于4%,其总体预测精度要优于随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和ANN 3种纯拟合机器学习模型;PINN模型能够严格服从边界约束和先验机理单调性关系,表现出更好的可解释性和泛化能力。

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生物质能源资源化高效利用专栏

生物质三组分对成型颗粒物理性能的影响

黄健添, 张守玉, 郎森, 陈旭阳, 张邢佳, 徐梓航, 马达夫, 吴玉新, 吕俊复

2024, 44(5): 727-734. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230557

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为探究生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)对成型颗粒物理性能的影响,以棉秆、木屑以及生物质三组分为研究对象,单独或按一定掺混比例混合后制备成型颗粒,使用电子万能材料试验机分析了成型颗粒的表观密度和抗压强度,利用X射线光电子能谱仪分析了生物质成型前后分子结构的变化。结果表明:纤维素直接影响成型颗粒的抗压强度,半纤维素和木质素主要作为黏结剂,协同纤维素间接提高成型颗粒的抗压强度。向棉秆中加入纤维素或半纤维素后,其混合成型颗粒中的C－OH官能团均明显提高,且产生了新的C＝C官能团,有利于形成分子间作用力和提高分子结构的稳定性,增强成型颗粒的物理性能。

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生物质能源资源化高效利用专栏

基于改进白鲸算法的太阳能与生物质互补CCHP系统多目标优化研究

王耀臣, 王锡, 刘琦, 侯宏娟, 徐宝萍, 李安喆

2024, 44(5): 735-744. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230547

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为解决可再生能源不稳定及消纳问题,构建了一种涵盖太阳能光伏/光热、电解水制氢及生物质气化甲烷化在内的冷热电联供(CCHP)系统;针对联供系统在高维多目标下的容量匹配问题,提出并验证了一种适用于高维多目标的改进白鲸(MOBWO)算法,其在改善分布性的同时提高了算法的收敛速度。基于此方法开展的案例分析表明:容量配置方案相比分产系统,虽然年总成本提高了19.8%,但是化石燃料消耗量降低了56.8%,CO₂排放量降低了53.1%,灵活性达到51.6%;在该案例模型下,改进白鲸算法较非支配排序遗传(NSGA-2)算法和多目标粒子群(MOPSO)算法有着更好的求解效果。

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动力设备与系统

高岭土粒径对新疆煤积灰行为及烧结特性的影响

陶丽, 泮浩翔, 吕为智, 于敦喜

2024, 44(5): 745-751. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.220779

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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。

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动力设备与系统

引进中间变量确定汽轮机中间分隔轴封漏汽量的方法研究

郭容赫, 潘宏刚

2024, 44(5): 752-758. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230128

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针对高、中合缸汽轮机的中间分隔轴封漏汽测量较难的问题,提出一种引进中间变量确定汽轮机中间分隔轴封漏汽量的方法,经理论推导得出计算方法,并通过变工况试验,将中间分隔轴封平衡管漏汽分量作为中间变量,计算出不同工况下的高压中间分隔轴封漏汽总量以及中压中间分隔轴封漏汽分量。以某台亚临界 600 MW汽轮机为例,将计算结果与其设计工况进行对比验证。结果表明:该机组中间分隔轴封漏汽量相对误差在 1%以内;与变汽温法计算结果相比,中压中间分隔轴封漏汽量相对误差在 5%以内。本文方法理论可靠,计算精度高,操作简单,具有可行性。

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动力设备与系统

分流叶片长度及周向偏移量对ORC向心透平性能的影响

韩旭, 李奇, 杨依栋, 刘树华, 李鹏

2024, 44(5): 759-769. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230329

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利用分流叶片能有效改善叶片通道内的流动阻塞问题,降低流动损失。针对某带分流叶片的有机朗肯循环(ORC)向心透平,研究了不同分流叶片长度和周向偏移量对透平性能的影响,对不同叶片布置方案进行数值模拟,分析了内部流动状况、叶片载荷和损失分布。结果表明:分流叶片能有效削弱通道中的涡流,改善流动状况,使通道内部的压力分布合理;同时在一定程度上分担了主叶片的载荷。与分流叶片长度系数相比,周向偏移量对熵产率的影响较为明显;随着长度系数和周向偏移量的增加,高熵产率范围和总压损失系数均呈现先减后增的趋势,等熵效率的变化则相反,当l=0.5、d=0.5时等熵效率最大,为91.26%,而功率与叶片长度大体呈正相关;将长度系数和周向偏移量分别控制在0.5~0.6时,能保持较为理想的流动状况及叶片载荷分布,高熵产率范围较小,有利于透平性能的提升。

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新能源与储能

CaO/CaCO₃储能系统材料设计研究进展

潘怡, 刘敦禹, 金晶

2024, 44(5): 770-781. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230219

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为了解决CaO/CaCO₃化学储能系统中材料循环稳定性差、导热系数低、吸光性差的问题,从钙基原料的选择、复合材料中元素的掺杂、运行条件的调整等方面探讨了改善钙基材料性能的方法。结果表明:Al、Mn、Ti等元素的添加可以在材料内形成惰性氧化物,抑制烧结,提高材料的循环稳定性;掺杂具有较高导热系数的材料如Al₂O₃、MgO、SiO₂、ZnO,可以增强材料的导热性能;掺杂Mn、Cu、Fe、Co、Cr等元素能够提高材料的光谱吸收率。相关总结可以为热化学储能材料的设计提供参考。

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数字化与智能化

基于多元精细复合多尺度波动散布熵和累积欧氏距离矩阵测度的风电机组变桨轴承退化状态评估

王晓龙, 李英晟, 付锐棋, 何玉灵

2024, 44(5): 782-791. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230232

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针对风电机组变桨轴承服役过程环境噪声干扰严重、退化状态评估精度低的问题,提出一种基于多元精细复合多尺度波动散布熵和累积欧氏距离矩阵测度的退化状态评估模型。该模型将监测数据状态特征获取过程由单通道拓展为多通道进行,通过提出的多元精细复合多尺度波动散布熵算法来获取多通道监测数据的多尺度状态特征,并将累积和检验算法与欧氏距离矩阵测度方法相结合,用于定量衡量基准样本与待分析样本间的差异,从而实现变桨轴承退化状态评估。风电机组变桨轴承全寿命周期加速疲劳实验验证结果表明:该模型能够及时捕捉到变桨轴承的初始退化时刻并且准确跟踪整个退化过程。

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数字化与智能化

基于混合算法下RBF神经网络的执行机构非线性特性在线辨识与补偿

刘鑫屏, 陈艺文, 董子健

2024, 44(5): 792-801. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230245

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针对控制系统中执行机构非线性特性在线辨识及补偿问题,研究了一种基于变步长核最小均方(SVSKLMS)和遗传算法结合的混合径向基(VHRBF)神经网络。利用径向基(RBF)神经网络不依赖于精确的数学模型即可得到被控对象信息的特点,建立了控制系统执行机构的非线性特性模型;为解决传统RBF神经网络辨识性能差的问题,使用遗传算法(GA)对神经网络的中心向量和方差进行优化,利用SVSKLMS算法对RBF神经网络模型中的权重进行优化,进而得到最佳的RBF神经网络。基于VHRBF神经网络及其逆模型补偿器对执行机构非线性特性进行在线辨识及补偿。仿真结果表明:与其他算法训练下的RBF神经网络相比,所提出的VHRBF神经网络能够精确辨识并补偿执行机构的非线性特性,并且具有更快的收敛速度、更优的收敛性能。

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绿色低碳

基于深度强化学习的SCR脱硝系统协同控制策略研究

赵征, 刘子涵

2024, 44(5): 802-809. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230221

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针对选择性催化还原(SCR)脱硝系统大惯性、多扰动等特点,提出了一种基于多维状态信息和分段奖励函数优化的深度确定性策略梯度(DDPG)协同比例积分微分(PID)控制器的控制策略。针对SCR脱硝系统中存在部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP),导致DDPG算法策略学习效率较低的问题,首先设计SCR脱硝系统的多维状态信息;其次,设计SCR脱硝系统的分段奖励函数;最后,设计DDPG-PID协同控制策略,以实现SCR脱硝系统的控制。结果表明:所设计的DDPG-PID协同控制策略提高了DDPG算法的策略学习效率,改善了PID的控制效果,同时具有较强的设定值跟踪能力、抗干扰能力和鲁棒性。

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绿色低碳

大型脱硝中试平台上SO₃的低温催化生成特性

李文焘, 肖海平, 洪春雪, 刘毅, 韩振兴

2024, 44(5): 810-816. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230234

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为研究SCR系统低温运行时SO₃的生成特性,在中试实验台上分析了烟气温度、SO₂质量浓度和喷氨量对SO₃催化生成特性的影响。结果表明:温度是影响SO₃生成率的主要因素;随着烟气温度降低,SO₃生成率下降;SO₃生成率受SO₂质量浓度的影响;入口烟气SO₂质量浓度在700~1 150 mg/m³范围内、温度低于260℃时,SO₃生成率受SO₂质量浓度影响很小;与未喷氨工况相比,在喷氨工况下出口SO₃质量浓度和SO₃生成率均下降,低温腐蚀概率下降,硫酸氢铵生成概率提高;低温下SCR系统中SO₃生成率下降,对低温受热面的危害体现在H₂SO₄和硫酸氢铵协同作用下的低温腐蚀和堵塞方面。

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综合能源系统

“双碳”目标下新型医疗废物气化多联产系统3E分析

孔梦迪, 叶学民, 刘迪, 李春曦

2024, 44(5): 817-826. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230275

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基于传统医疗废物气化多联产机组(常规方案),提出了2种耦合碳捕集与封存(CCS)的低碳方案1和方案2。从能量、㶲和经济性(3E)角度对3种方案进行对比。针对最优的方案2开展㶲流分析,并讨论了烟气再循环比对系统性能的影响。结果表明:相较于常规方案,方案2在净发电效率降低15.38%的情形下,整体㶲效率提高了7.18%;低碳方案2的动态回收期比方案1的减少3.12 a,净现值增加590.60万元;方案2在保证机组良好性能的同时可实现低碳排放的目标,且具有较高的经济收益;增大烟气再循环比可提高集成系统的经济收益。

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综合能源系统

危废焚烧锅炉饱和蒸汽驱动有机朗肯循环系统热力学分析

张曼铮, 吴苏日姑嘎, 肖猛, 闫沛伟, 苗政, 纪献兵, 徐进良

2024, 44(5): 827-836. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230181

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危险废弃物焚烧处理过程中产生的热量通常用于生产饱和蒸汽以供应工业园区的蒸汽、热量等需求,也可以用于低温发电。分析了饱和蒸汽驱动有机朗肯循环(ORC)系统做功时的热力学特性。通过基本工况下蒸汽潜热型热源与ORC系统的热匹配特性分析,提出3种优化措施,并研究了单一优化和组合优化措施下以及不同工况下的系统热力学性能。结果表明,组合优化可使系统获得更优的性能,相对于基本工况,优化后的工况下最大净输出功为3 193.81 kW,提高了170.46%;热效率为23.34%,提高了30.25%;总㶲效率为66.25%,提高了41.80%。

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