煤的高效清洁利用技术研究 大学毕业设计.docx

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煤的高效清洁利用技术研究大学毕业设计

职业技术学院

毕业论文

题目：

煤的清洁利用技术研究

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煤的清洁利用技术研究

摘要

煤主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，它是古代的植物压埋在地底下，在不透空气或空气不足的条件下，受到地下的高温和高压年久变质而形成的黑色或黑褐色矿物，是一种非常重要的能源。

文章通过主要分为三个章节，包括煤的形成、煤炭行业概况和危害，及煤的清洁利用技术。

并从煤加工技术、煤转化技术、煤高效燃烧技术三个方面详细介绍了煤的清洁利用技术现状，其中对煤高效燃烧技术做了具体阐述，详细了解各种技术详情，并从中发现问题。

关键词：

煤；矿物；能源；清洁

Technologyof clean utilizationofcoal

Abstract

Coal ismainlycomposedof carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfurandphosphorusandother elements, itistheancient plants buried undertheground, inthe airorair impermeable condition isinsufficient, bythe high-temperatureandhigh-pressure metamorphic age andtheformationofblackor brownishblack mineral, isavery importantsourceofenergy.

Thisarticle isdividedintothreechapters, including theformationofcoal,thecoalindustry situationand harm, and theuseofcleancoal technology.Andfromthe coalprocessing technology, coaltechnology, coal combustionthreeaspectsofthetechnical detailsofthe useofcleancoal technologystatus ofcoal combustion, inwhich itexpounds technology, adetailedunderstandingof varioustechnical details, andfindstheproblem.

Keywords:

coal; mineral; energy;clean

目　录

摘要I

AbstractII

目　录I

前言2

1煤的形成1

1.1煤的生成过程1

1.2煤的形成年代1

2煤炭行业发展现状2

2.1我国煤炭行业概括2

2.2煤炭行业造成的危害2

3煤的清洁利用技术3

3.1煤加工技术3

3.１.１选煤技术3

3.1.2型煤技术3

3.1.3水煤浆技术4

3.２煤转化技术4

3.2.1煤液化技术4

3.2.2煤气化技术5

3.3煤高效燃烧技术6

3.3.1循环流化床燃烧（CFBC）技术6

3.3.2增压流化床（PFBC）燃烧技术7

3.3.3煤气化联合循环（IGCC）技术7

3.3.4超临界与超超临界发电技术9

4结束语10

参考文献………………………………………………………………………………………………………….11

致谢……………………………………………………………………………………………………………….12

前言

煤为不可再生的资源。

煤是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿产，一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成。

俗称煤炭。

中国是世界上最早利用煤的国家。

辽宁省新乐古文化遗址中，就发现有煤制工艺品，河南巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。

《山海经》中称煤为石涅，魏、晋时称煤为石墨或石炭。

明代李时珍的《本草纲目》首次使用煤这一名称。

希腊和古罗马也是用煤较早的国家，希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前约300年著有《石史》，其中记载有煤的性质和产地；古罗马大约在2000年前已开始用煤加热。

煤炭是一种可以用作燃料或工业原料的矿物。

它是古代植物经过生物化学作用和地质作用而改变其物理、化学性质，由碳、氢、氧、氮等元素组成的黑色固体矿物。

煤也是获得有机化合物的源泉。

通过煤焦油的分馏可以获得各种芳香烃；通过煤的直接或间接液化，可以获得燃料油及多种化工原料。

煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始。

煤被广泛用作工业生产的燃料，是从18世纪末的产业革命开始的。

随着蒸汽机的发明和使用，煤被广泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有的巨大生产力，推动了工业的向前发展，随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。

煤炭热量高，标准煤的发热量为7000大卡/千克。

而且煤炭在地球上的储量丰富，分布广泛，一般也比较容易开采，因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。

煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外，更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油，即煤的低温干馏的液体产品——煤焦油。

经过化学加工，从煤炭中能制造出成千上万种化学产品，所以它又是一种非常重要的化工原料，如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。

我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。

大型煤炭工业基地的建设，对我国综合工业基地和经济区域的形成和发展起着很大的作用。

此外，煤炭中还往往含有许多放射性和稀有元素如铀、锗、镓等，这些放射性和稀有元素是半导体和原子能工业的重要原料。

煤炭对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。

下面，就煤的形成，行业发展及清洁利用技术分别作一阐述。

1煤的形成

煤炭是千百万年来植物的枝叶和根茎，在地面上堆积而成的一层极厚的黑色的腐植质，由于地壳的变动不断地埋入地下，长期与空气隔绝，并在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化等因素，形成的黑色可燃沉积岩，这就是煤炭的形成过程

1.1煤的生成过程

在地表常温、常压下，由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用，转变成泥炭或腐泥；泥炭或腐泥被埋藏后，由于盆地基底下降而沉至地下深部，经成岩作用而转变成褐煤；当温度和压力逐渐增高，再经变质作用转变成烟煤至无烟煤。

泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。

腐泥化作用是指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。

腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。

冰川过程可能有助于成煤植物遗体汇集和保存。

1.2煤的形成年代

在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期：

（1）古生代的石炭纪和二叠纪，成煤植物主要是孢子植物。

主要煤种为烟煤和无烟煤。

（2）中生代的侏罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。

主要煤种为褐煤和烟煤。

（3）新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。

主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。

2煤炭行业发展现状

2.1我国煤炭行业概括

煤炭是我国的基础能源。

近年来，受国民经济快速发展的推动，我国煤炭产量和消费量呈现快速增长的势头。

煤炭产业市场集中度较低，现正处于整合阶段。

作为当今世界上第一产煤大国与第一消费量大国，我国煤炭行业现阶段呈现以下一些特征：

1、煤炭资源分布不均衡

2、煤炭生产和消费分布不均衡

3、整体技术水平较低

4、市场集中度过低，无序竞争严重

5、呈现明显的周期性和季节性

6、存在较高的进入壁垒

2.2煤炭行业造成的危害

中国85%的煤炭是通过直接燃烧使用的，主要包括火力发电、工业锅（窑）炉、民用取暖和家庭炉灶等。

（1）煤的开采导致土地资源破坏及生态环境恶化。

（2）煤的开采破坏地下水资源，加剧缺水地区的供水紧张。

（3）煤的开采导致废气排放，其高耗低效燃烧煤炭向空气中排放出大量SO2、CO2和烟尘，危害大气环境，导致温室效应的加剧。

（4）为满足社会对洁净煤的需求，中国原煤入洗比例连年提高，导致全国每年排出大量的洗矸、洗煤废水、煤泥。

（5）由于煤炭生产与消费之间巨大的空间差异，导致“北煤南运，西煤东输”的长距离运煤格局。

运输中产生的煤尘飞扬，既损失大量的煤炭，又污染沿线周围的生态环境。

3煤的清洁利用技术

煤炭清洁利用技术旨在煤炭开采、加工、燃烧、转化和污染控制过程中减少污染和提高效率，是使煤炭作为一种能源应达到最大潜能的利用而释放的污染物控制在最低水平，实现煤的高效、洁净利用为目的的技术。

以目前乌鲁木齐市以及山西省、天津市、河北省、辽宁省等推广使用的新型高效节能环保煤粉锅炉技术为例，这项技术将煤炭燃烧效率提高到98%以上，节能环保率达到95%以上。

下面分别阐述表面活性剂在采油过程中的应用。

3.1煤加工技术

煤加工技术主要包括洗选煤技术、型煤技术以及水煤浆技术等。

3.１.１选煤技术

我国原煤洗选加工中炼焦煤洗选占了很大比例，而真正进入洗煤系统的动力煤比例非常之小，其结果一是导致锅炉热效率下降，造成能源浪费；二是加大运输负荷，造成运力浪费；三是排放烟尘量增加，造成大气严重污染。

我国煤炭工业实际生产中往往采用物理选煤和化学选煤两大常用技术，目的是为了筛除煤中的矿物质和燃烧后造成大气污染的成分，比如常见的煤炭脱硫工艺，但是多数情况下还是采用物理选煤方法，比如跳汰、重力分离等工艺就是利用煤和其中其它成分的密度不同进行初步的筛选，这种工艺操作简单可靠，成本也较低，因此成为选煤技术的主流方向。

3.1.2型煤技术

型煤顾名思义就是具有一定几何形状的煤，加工方法是采用机械设备将粉状煤制成一定形状的煤，目的是减少煤在燃烧过程中粉尘的排放量，含硫量较高的煤在成型时同时要加入化学试剂进行除硫，减少硫燃烧后的氧化物污染水源和大气。

我国对型煤的相关技术的研究起步较晚，建国后，我国才开始有关型煤的制造加工工艺的研究，60年代后期型煤才开始在全国形成大规模的研究热潮，经过半个世纪的努力，我国在型煤方面的研究和工艺均已达到国际先进水平，并形成了自己的加工流水线。

型煤气化在未来也是一个极具潜力的研究方向，因此受到各级部门尤其是能源部门的高度重视，这方面的学术交流也日渐频繁，这为型煤气化起到了积极的推进作用。

3.1.3水煤浆技术

水煤浆是由大约65%的煤、34%的水和1%的添加剂通过物理加工得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。

水煤浆技术引入我国时间较早，实践化也较成熟，研究也比较充分，经过数十年的不断探索，我国在水煤浆技术方面积累了大量的成熟经验，包括操作、运行、管理的各个环节，技术日趋成熟和完善。

经过不断的科技投入，我国在此领域已经形成相对完整的理论体系，研究开发了自主知识产权，达到国际先进水平。

制浆能力也实现了较大的跨越，现在年产量达到2000万池。

3.２煤转化技术

3.2.1煤液化技术

煤的直接液化是指将煤（尤其是烟煤）磨碎成细粉后，和溶剂油制成煤浆，然后在高温、高压和催化剂存在的条件下，通过加氢裂化使煤中复杂的有机化学结构分子，直接转化为清洁的液体燃料和其他化工产品，因煤直接液化过程主要采用加氢手段，故又称煤的加氢液化法。

其关键步骤：

热解+加氢+分离煤直接液化典型的工艺过程主要包括煤的破碎与干燥、煤浆制备、催化剂制备、氢制取、加氢液化、固液分离、液体产品分馏和精制，液化大规模制备氢气通常采用煤气化或者天然气转化。

煤间接液化是以煤为原料，先气化制成合成气，然后，通过催化剂作用将合成气转化成烃类燃料、醇类燃料和化学品的过程。

煤炭直接液化是把煤直接转化成液体燃料，煤直接液化的操作条件苛刻，对煤种的依赖性强。

典型的煤直接液化技术是在400℃、150个大气压左右将合适的煤催化加氢液化，产出的油品芳烃含量高，硫氮等杂质需要经过后续深度加氢精制才能达到目前石油产品的等级。

一般情况下，一吨无水无灰煤能转化成半吨以上的液化油。

煤直接液化油可生产洁净优质汽油、柴油和航空燃料。

但是适合于大吨位生产的直接液化工艺目前尚没有商业化，主要的原因是由于煤种要求特殊，反应条件较苛刻，大型化设备生产难度较大，使产品成本偏高。

3.2.2煤气化技术

煤气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为粗制水煤汽，通过后续脱硫脱碳等工艺可以得到含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。

煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。

煤气化工艺流程

煤干馏过程，主要经历如下变化：

当煤料的温度高于100℃时，煤中的水分蒸发出；温度升高到200℃以上时，煤中结合水释出；高达350℃以上时,粘结性煤开始软化，并进一步形成粘稠的胶质体（泥煤、褐煤等不发生此现象）；至400～500℃大部分煤气和焦油析出，称一次热分解产物；在450～550℃，热分解继续进行，残留物逐渐变稠并固化形成半焦；高于550℃，半焦继续分解,析出余下的挥发物（主要成分是氢气），半焦失重同时进行收缩，形成裂纹；温度高于800℃,半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。

当干馏在室式干馏炉内进行时，一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触，发生二次热分解，形成二次热分解产物（焦炉煤气和其他炼焦化学产品）。

煤干馏的产物是煤炭、煤焦油和煤气。

煤干馏产物的产率和组成取决于原料煤质、炉结构和加工条件（主要是温度和时间）。

随着干馏终温的不同，煤干馏产品也不同。

低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦，煤气产率低，焦油产率高；高温干馏固体产物则为结构致密的银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低。

中温干馏产物的收率，则介于低温干馏和高温干馏之间。

煤干馏过程中生成的煤气主要成分为氢气和甲烷，可作为燃料或化工原料。

高温干馏主要用于生产冶金焦炭，所得的焦油为芳烃、杂环化合物的混合物，是工业上获得芳烃的重要来源；低温干馏煤焦油比高温焦油含有较多烷烃，是人造石油重要来源之一。

气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。

煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。

煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即非均相气－固反应和均相的气相反应。

不同的气化工艺对原料的性质要求有所不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑气化用煤的特性及其影响极为重要。

气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。

3.3煤高效燃烧技术

3.3.1循环流化床燃烧（CFBC）技术

循环流化床燃烧（CFBC）技术是指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于沸腾状态下，即高速气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧的技术。

循环流化床锅炉脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺，以石灰石为脱硫吸收剂，燃煤和石灰石自锅炉燃烧室下部送入，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。

石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳。

气流使燃煤、石灰颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床，燃煤烟气中的SO2与氧化钙接触发生化学反应被脱除。

为了提高吸收剂的利用率，将未反应的氧化钙、脱硫产物及飞灰送回燃烧室参与循环利用。

钙硫比达到2～2.5左右时，脱硫率可达90%以上。

流化床燃烧方式的特点是：

①清洁燃烧，脱硫率可达80%～95%，NOx排放可减少50%；②燃料适应性强，特别适合中、低硫煤；③燃烧效率高，可达95%～99%；④负荷适应性好。

负荷调节范围30%～100%。

流化床燃烧技术是高效、低污染的新一代燃煤技术，它经历了从鼓泡流化床到循环流化床的发展过程，循环流化床燃烧技术是以处于快速流化状态下的气固流化床为基础的技术，具有易于大型化的特点，容量几乎可以像煤粉炉那样不受限制，基于循环流化床燃烧技术的循环流化床燃煤锅炉目前已能投入商业化燃煤发电运营，由于其煤种适应性广．燃烧效率高，以及炉内脱硫脱硝等特点。

循环流化床（CFBC）锅炉煤种适应性广，是当前世界上煤炭洁净燃烧的首选炉型，具有氮氧化物排放低、燃料适应性广、燃烧效率高、脱硫率可达到98％、排出灰渣易于综合利用、负荷调节范围大等突出的高效低污染优点，是重要的洁净燃烧技术。

主要技术类型有：

百叶窗式、热旋风筒式、平面流分离器式等。

循环流化床机组（CFB）具有效率高、污染低、煤种适应性好的环保特性，不仅解决了S02和NOx的污染问题，又能燃用高灰、高硫和低热值煤，而且可以燃烧木材和固体废弃物，还可实现液体燃料的混合燃烧，是一项极为实用的技术。

循环流化床燃煤锅炉尚存在以下的问题：

（1）虽然循环流化床的燃烧效率与煤粉炉相当，但除燃烧无烟煤等难燃煤种外，其飞灰含碳量仍略高于煤粉炉；

（2）对固体颗粒分离设备的效率以及耐高温和耐磨性能要求更高；（3）锅炉系统的烟风阻力较大，需要采用高压鼓风机，因此，存在风机电耗高、噪音大等问题；（4）锅炉受热面的磨损严重；（5）燃烧控制系统比较复杂；（6）流化床燃烧中的N20生成物大大高于常规的煤粉燃烧系统．N20是一种对大气臭氧层破坏性极强的有害气体，同时对人的神经系统也有毒害作用。

3.3.2增压流化床（PFBC）燃烧技术

PFBC是增压流化床燃烧技术（PressurizedFluidizedBedCombustion）的英文缩写。

其重要特点是燃烧与脱硫效率高在压力为10～16个大气压的燃烧室中，空气和加入的煤进行激烈的燃烧反应，床温控制在850～900℃范围内。

燃烧生成的SO2与加入流化床内的石灰石（或白云石）反应生成CaSO4，达到脱硫效果。

该反应过程能除去烟气中90%以上的SO2。

由于床内燃烧温度较低，只有燃料中的氮转化成NOx，空气中的氮很少转化生成NOx。

因此,NOx的排放无需再增加特殊设备，PFBC-CC电站的污染排放物即可大幅度减少。

在流化床中，由于煤的浓度很低，每一个颗粒燃料都能被炽热的惰性物料所包围，并且和助燃剂（空气）接触条件良好。

因此，在常规炉中不易稳定燃料的劣质煤，在流化床中亦能稳定燃烧。

3.3.3煤气化联合循环（IGCC）技术

整体煤气化联合循环发电系统IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）是将煤气化技术和高效的燃气-蒸汽联合循环相发电相结合的先进动力系统。

整体煤气化联合循环系统（IGCC）主要由两部分组成，煤的气化与净化部分和燃气一蒸汽联合循环发电部分。

第一部分的主要设备有气化炉、煤气净化设备、空分装置。

第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。

整体煤气化联合循环系统简图

IGCC发电技术是煤气化和蒸汽联合循环的结合，是当今国际正在兴起的一种先进的洁净煤（CCT）发电技术，具有高效、低污染、节水、综合利用好等优点。

它的原理是：

煤经过气化和净化后，除去煤气中99%以上的硫化氢和接近100%的粉尘，将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料，以驱动燃气轮机发电，再使燃气发电与蒸汽发电联合起来。

IGCC发电技术把煤炭气化、煤气净化技术与联合循环发电技术结合在一起，具有以下明显特点：

（1）燃料适应性强，可利用高硫分、高灰分、低热值的低品位煤以及常规火力发电技术不能接受的劣质燃料（固体或液体）；

（2）发电效率高，可达45%以上，高于同容量的燃煤机组5%以上；（3）环保性能优良，粉尘排放低于10mg/m3，基本没有脱硫副产品的二次污染，与同容量的燃煤电站相比，NOx和S02排放减少90%以上：

（4）耗水量较少，只有常规火电厂耗水量的50%-70%；（5）可以实现多联产；（6）可以为较经济地去除C02创造条件，在IGCC发电系统中，通过对合成煤气中CO转换并进行C02脱除，可实现C02零排放，是目前现有发电技术中减排温室气体最可行、最经济的方法。

与同容量的常规火电机组相比，IGCC存在的主要问题如下：

（1）运行不稳定，缺乏成熟的经验，C02排放量也较高；

（2）装置系统复杂，造价高，不宜大型化；（3）大容量煤气化设备、高温煤气除尘及脱硫技术有待于进一步开发；（4）系统的整体优化配置和电站系统的控制技术有待于深入研究；（5）厂用电率高，由于IGCC电站需设置制氧设备用于提供氧气作为煤的气化剂，因此，其厂用电率通常高达10%-12%；（6）目前燃气轮机叶片耐高温及磨蚀的性能尚不能很好地满足直接燃用煤气的要求，需要进一步的改进。

3.3.4超临界与超超临界发电技术

超临界和超超临界发电技术（SPG＆USPG）超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力的机组，即压力大于等于22.12MPa。

习惯上又将主蒸汽压力大于27MPa的机组（当然要有与之相配的蒸汽温度）统称为高效超临界机组或超超临界机组。

所以对于超临界机组可以分为2个层次：

一是常规超临界参数机组，其主蒸汽压力一般为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为540～560℃；二是高效超临界机组，通常也称为超超临界机组或高参数超临界机组，其主蒸汽压力为25～35MPa及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为580℃及以上。

对于常规超临界机组的效率可比亚临界机组约高2％，而对于高效超临界机组，其效率可比常规超临界机组再提高4％左右，降低了发电煤耗。

目前超（超）临界机组存在以下三个问题：

一是随着参数的提高，蒸汽对汽轮机转子的激振增加，固体颗粒的冲蚀趋于严重，疲劳耗损趋于严重等问题，需要采用新的材料和相应的设计制造技术：

二是燃煤量大，烟气量大，排放粉尘量多，需要采用高效率的烟气净化技术；三是采用30-31MPa的高参数在设计、制造和安全可靠性方面尚有较高的风险。

4结束语

本次课题的研究，不仅加深了我对我国煤炭行业的了解，也让我深刻认识到煤炭行业给社会带来的危害，同时，也使我认识到煤清洁技术的必要性和重要性，并对祖国的煤清洁技术有个更全面的了解。

我国坚持自己的方针：

以煤炭整合、有序开发为重点，完善体制、创新机制，强化管理、保障安全，改小建大、优化结构，依靠科技、促进升级，深度加工、洁净利用，节约资源、保护环境，构建与社会主义市场经济体制相适应的新型煤炭工业体系。

在此过程中，我发现我国的循环流化床燃烧（CFBC）技术、增压流化床（PFBC）燃烧技术、煤气化联合循环（IGCC）技术、超临界与超超临界发电技术具有较好的发展前景，这就需要我们着一代学子努力学习科学文化知识，提高操作动手能力。

相信我国的煤清洁利用技术会有很大的突破，我国的煤炭行业也会上一个大的台阶。

参考文献

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[2]洁净煤发电技术[M],阎维平,中国电力出版社，2008；

[3]流化床燃烧技术[M],刘德昌阎维平,水利电力出版社，1995；

[4]整体煤气化燃气蒸汽联合循环[M]，焦树建中国电力出版社，1996；

[5]燃气-蒸汽联合循环发电[M]，钟史明水利电力出版社，1995；

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[7]我国选煤技术现状与发展趋势[J]，王成师，2006；

[8]超超临界及亚临界参数锅炉[M]樊泉桂中国电力出版社2007；

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致谢