CN117953985A - 一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,包括获取焚烧炉的运行和结构参数,建立有限元模型。基于常规工况下炉膛内的组分分布、温度分布和流场,设计再循环烟气射流喷口和流场,并计算其辐射能量分布。基于该辐射能量分布,利用模型研究一次风、床层运动速度对层燃过程的影响,优化燃料颗粒的着火和燃尽,同时控制氮氧化物。进一步调整烟气射流参数和二次风配合,计算第二再循环烟气射流流场,实现炉膛辐射能量的再分配,提高焚烧效率并减少排放。与现有技术相比,本发明无需使用辅助燃烧燃料和污染物控制设备及物料,仅通过燃烧组织和能量利用的优化,促进床层固相燃尽、炉膛气相燃尽和污染物控制。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源、节能增效、减污降碳技术领域,尤其是涉及一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法。
背景技术
生活垃圾、农林固废和工业固废的能源化利用,不仅可以解决垃圾出路问题,同时还能够借助焚烧技术变废为宝,将固体废弃物转化为热能和电能。但是,由于各类垃圾原料的水分含量较高、季节性波动较大,在链条炉或炉排炉内的床层燃烧过程往往存在着火位置靠后、炉渣含碳量高的问题,甚至存在出生料的现象。同时,层燃过程具有床层表面产物沿炉排运动方向分区的特征,在炉膛中易形成“烟囱流”导致气相燃尽困难。
上述这些原因导致原料利用率低、焚烧炉效率低、运营经济效益差,尤其是对于农林固废等存在收集和运输成本的原料,给企业造成了明显的负担。
因此亟需研发者解决解决现有技术中的以下缺陷中的至少一种:氧气与可燃组分混合不均匀、氮氧化物排放高、床层干燥和着火不充分、床层干燥和着火不均匀、可燃气体的燃尽率低、氮氧化物还原不充分、燃烧速率慢、燃烧程度不充分、温度和各组分分布不均匀的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,可以用于不使用辅助燃烧燃料和污染物控制物料的情况下,仅通过焚烧炉内燃烧组织和能量利用的优化,通过模型设计促进床层固相燃尽、炉膛气相燃尽和污染物控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明提供一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,包括以下步骤:
S1:获取焚烧炉的常规运行工况和炉膛的结构特征参数,建立焚烧炉的有限元模型,计算获得常规运行工况下炉膛内的组分分布、温度分布和流场分布,以此为基础设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场,并计算并得到第一再循环烟气射流流场及其作用下的辐射能量分布;
S2:基于第一再循环烟气射流流场及辐射能量分布,利用焚烧炉的有限元模型获取一次风总量、一次风分配、床层运动速度对床层层燃过程的影响机制,利用烟气射流强化的辐射条件,优化床层燃料颗粒的着火和燃尽,同时兼顾床层内的氮氧化物的控制,以此模拟获得优化后的床层层燃过程及其表面产物分布;
S3:基于优化后的床层层燃过程及其表面产物分布,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程,针对可燃组分的燃尽、氮氧化物的控制、炉膛温度场的均匀化,调整烟气射流参数及与烟气二次风的配合,计算得到第二再循环烟气射流流场,实现对炉膛辐射能量的再分配和焚烧炉的增效减排。
进一步地,S1中,所述设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场的具体过程包括:
从喷口位置、喷入角度和射流速度进行优化,以此设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场。
进一步地,S1中,所述优化的目标包括:烟气射流能够覆盖炉膛在该高度的整个水平截面,从而保障可燃气体的燃尽和二噁英污染物的分解。
进一步地,S1中,所述优化的目标还包括:能够驱动可燃气体向焚烧炉床层前部移动,并在焚烧炉的干燥段上方形成气相燃烧中心,创造局部高温和强辐射,以促进入炉原料的干燥和着火。
进一步地,S2中,利用焚烧炉的有限元模型获取一次风总量、一次风分配对床层层燃过程的影响机制的过程中包括:
基于传热和燃烧反应角度,
在干燥段,通过一次风的吹扫实现原料的干燥和着火,同时根据烟气射流下的辐射强度选择合适的一次风量,以避免吹冷床层内燃烧的颗粒,
在燃烧段,低风速下缺氧会抑制燃烧,高风速下又会增强对流冷却、吹冷床层,会抑制燃烧,以此选择合适的一次风量。
进一步地,S2中,利用焚烧炉的有限元模型获取床层运动速度对床层层燃过程的影响机制过程中包括:
基于传热和燃烧反应角度,
在干燥段,考虑辐射对床层的穿透能力,低的床层高度有利于充分利用烟气射流增强的辐射热量,以此设计床层运动速度,
在燃烧段,需考虑对氮氧化物的影响,高的床层高度有利于充分发挥床层还原氮氧化物的能力,以此设计床层运动速度。
进一步地,S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程包括:
从再循环烟气喷口位置、喷入角度、射流速度方面进行调整,消除床层层燃过程形成的“烟囱流”,促进各反应物的混合和燃烧。
进一步地,S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程还包括:
从再循环烟气喷口位置、喷入角度和射流速度方面进行调整,使得炉膛空间内温度的均匀化,避免形成局部高温和结焦。
进一步地,S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程还包括:
在炉膛内形成分级燃烧的状态,通过还原性气氛和氧化性气氛的调节和布置,实现对氮氧化物的抑制。
进一步地,S3中,计算得到第二再循环烟气射流流场的过程包括:
基于优化后的床层层燃过程及其表面产物分布,更新边界条件:包括二次风和烟气的温度、二次风和烟气的流量;
模拟计算:利用确定的数学模型和初始条件、边界条件,进行模拟计算;
优化设计:根据模拟结果,对一氧化碳的燃尽、二噁英的分解、氮氧化物的还原、炉膛温度的分布进行优化设计,得到第二再循环烟气射流流场;
所述建立数学模型的过程中,采用流动模型、传热传质模型、化学反应动力学模型,对床层的燃烧速率、温度分布、气体组分分布进行精细化描述;
所述模拟计算过程中,通过调整控制参数,观察模拟结果的变化,以此对模拟结果进行优化;
所述优化设计过程中,通过改变一次风、二次风的配比,调整烟气的温度和流量参数,以实现最优的燃烧和污染物排放效果。
与现有技术相比,本发明具有以下技术优势:
(1)本发明利用烟气重新组织炉膛内的流场和组分分布,在干燥区域的床层上方,形成可燃组分与氧气的混合和燃烧,形成高温强辐射条件,促进床层的干燥和着火,着火位置的提前有利于促进床层的燃尽,提高了原料利用率;
(2)本发明利用烟气射流促进氧气与可燃组分混合,消除“烟囱流”,使一氧化碳等可燃组分在更低的位置燃尽,同时也促进了二噁英的高温氧化分解,提高了焚烧炉的燃烧效率;
(3)本发明利用烟气射流的扰动,均匀化炉膛内的温度分布,在不影响整体负荷的前提下,消除局部高温,以抑制高温结焦等问题,保障焚烧炉的安全稳定运行;
(4)本发明利用烟气射流精细化地设计和组织炉膛内的燃烧过程,创造适宜的温度窗口和反应气氛,以促进氮氧化物的还原反应,降低后续烟气净化的物料损耗。
附图说明
图1为本发明一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配技术的示意图。
图2为链条炉和炉排炉典型的温度云图、CO浓度云图和NO浓度云图。
图3为应用本发明一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配技术后的炉膛内的温度云图、CO浓度云图和NO浓度云图。
具体实施方式
申请人通过以下的技术方案实现:一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配技术,具体包括3个方面:1)再循环烟气射流的喷口及流场的设计与布置,2)床层层燃过程的设计与组织,3)炉膛气相燃烧过程的设计与组织。
再循环烟气射流的喷口及流场的设计与布置,应针对炉膛的结构特征,从温度分布、氧浓度分布、床层燃烧产物分布、床层产物和烟气射流的流场分布等多方面综合评估,利用烟气射流的扰动、携带起到多方面的作用,包括:促进氧气与可燃组分的混合、促进氮氧化物的还原反应、均匀化炉膛内的温度分布、并驱动气相燃烧以及高温烟气向床层前部移动,在干燥区域床层上方形成强辐射。
床层层燃过程的设计与组织,应与所设计的再循环烟气射流流场相互配合,利用一次风、床层运动速度等手段调节床层的高度分布和产物分布,与烟气射流共同作用,保障干燥区域强辐射中心的形成,更好地促进床层的干燥和着火,并改善可燃气体的燃尽、氮氧化物的还原。
炉膛气相燃烧过程的设计与组织,应针对上述烟气射流所形成的反应区域,依靠数值模拟等精细化的分析手段,综合考虑床层的着火和燃尽、一氧化碳的燃尽、二噁英的分解、氮氧化物的还原、高温结焦的抑制等方面,通过一次风、二次风和烟气的温度、流量等控制手段,精细化地设计和组织炉膛内的气相燃烧过程,调控燃烧速率、燃烧程度、温度和各组分的分布,全面、深度地优化燃烧和污染物排放情况。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征,均视为现有技术中公开的常见技术特征。
实施例1
整体上,本发明涉及生活垃圾、农林固废和工业固废等废弃物处置和利用相关的行业,属于可再生能源、节能增效、减污降碳领域,具体涉及一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配技术,可以利用烟气射流的扰动、携带作用,促进炉膛内氧气与可燃组分的混合、促进氮氧化物的还原反应、均匀化炉膛内的温度分布、并且驱动气相燃烧及高温烟气向床层前部移动,在干燥区域床层上方形成强辐射;在此基础上,床层层燃过程的设计与组织,可利用多种手段调节床层的高度分布和表面产物分布,与烟气射流配合,保障干燥区域强辐射中心的形成,更好地促进床层的干燥和着火,并改善可燃气体的燃尽、氮氧化物的还原;气相燃烧过程的设计与组织则依靠数值模拟等精细化的分析手段,针对上述烟气射流所形成的反应区域,综合考虑床层的着火和燃尽、一氧化碳的燃尽、二噁英的分解、氮氧化物的还原、高温结焦的抑制等方面,通过一次风、二次风和烟气的温度、流量等控制手段,精细化地设计和组织炉膛内的气相燃烧过程,调控燃烧速率、燃烧程度、温度和各个组分的分布,全面、深度地优化燃烧和污染物排放情况。因此,本发明可在不使用辅助燃烧燃料和污染物控制物料的情况下,仅通过焚烧炉内燃烧组织和能量利用的优化,从床层固相燃烧效率、炉膛气相燃烧效率及氮氧化物控制成本等多个方面显著改善焚烧炉的运行,实现节能减排。
具体实施时,基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,包括以下步骤:
S1:获取焚烧炉的常规运行工况和炉膛的结构特征参数,建立焚烧炉的有限元模型,计算获得常规运行工况下炉膛内的组分分布、温度分布和流场分布,以此为基础设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场,并计算并得到第一再循环烟气射流流场及其作用下的辐射能量分布;
S1中,所述设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场的具体过程包括:
从喷口位置、喷入角度和射流速度进行优化,以此设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场。
S1中,所述优化的目标包括:烟气射流能够覆盖炉膛在该高度的整个水平截面,从而保障可燃气体的燃尽和二噁英污染物的分解。
S1中,所述优化的目标还包括:能够驱动可燃气体向焚烧炉床层前部移动,并在焚烧炉的干燥段上方形成气相燃烧中心,创造局部高温和强辐射,以促进入炉原料的干燥和着火。
S2:基于第一再循环烟气射流流场及辐射能量分布,利用焚烧炉的有限元模型获取一次风总量、一次风分配、床层运动速度对床层层燃过程的影响机制,利用烟气射流强化的辐射条件,优化床层燃料颗粒的着火和燃尽,同时兼顾床层内的氮氧化物的控制,以此模拟获得优化后的床层层燃过程及其表面产物分布;
S2中,利用焚烧炉的有限元模型获取一次风总量、一次风分配对床层层燃过程的影响机制的过程中包括:
基于传热和燃烧反应角度,
在干燥段,通过一次风的吹扫实现原料的干燥和着火,同时根据烟气射流下的辐射强度选择合适的一次风量,以避免吹冷床层内燃烧的颗粒,
在燃烧段,低风速下缺氧会抑制燃烧,高风速下又会增强对流冷却、吹冷床层,会抑制燃烧,以此选择合适的一次风量。
S2中,利用焚烧炉的有限元模型获取床层运动速度对床层层燃过程的影响机制过程中包括:
基于传热和燃烧反应角度,
在干燥段,考虑辐射对床层的穿透能力,低的床层高度有利于充分利用烟气射流增强的辐射热量,以此设计床层运动速度,
在燃烧段,需考虑对氮氧化物的影响,高的床层高度有利于充分发挥床层还原氮氧化物的能力,以此设计床层运动速度。
S3:基于优化后的床层层燃过程及其表面产物分布,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程,针对可燃组分的燃尽、氮氧化物的控制、炉膛温度场的均匀化,调整烟气射流参数及与烟气二次风的配合,计算得到第二再循环烟气射流流场,实现对炉膛辐射能量的再分配和焚烧炉的增效减排。
S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程包括:
从再循环烟气喷口位置、喷入角度、射流速度方面进行调整,消除床层层燃过程形成的“烟囱流”,促进各反应物的混合和燃烧。
S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程还包括:
从再循环烟气喷口位置、喷入角度和射流速度方面进行调整,使得炉膛空间内温度的均匀化,避免形成局部高温和结焦。
S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程还包括:
在炉膛内形成分级燃烧的状态,通过还原性气氛和氧化性气氛的调节和布置,实现对氮氧化物的抑制。
S3中,计算得到第二再循环烟气射流流场的过程包括:
基于优化后的床层层燃过程及其表面产物分布,更新边界条件:包括二次风和烟气的温度、二次风和烟气的流量;
模拟计算:利用确定的数学模型和初始条件、边界条件,进行模拟计算;
优化设计:根据模拟结果,对一氧化碳的燃尽、二噁英的分解、氮氧化物的还原、炉膛温度的分布进行优化设计,得到第二再循环烟气射流流场;
所述建立数学模型的过程中,采用流动模型、传热传质模型、化学反应动力学模型,对床层的燃烧速率、温度分布、气体组分分布进行精细化描述;
所述模拟计算过程中,通过调整控制参数,观察模拟结果的变化,以此对模拟结果进行优化;
所述优化设计过程中,通过改变一次风、二次风的配比,调整烟气的温度和流量参数,以实现最优的燃烧和污染物排放效果。
应用例1
基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配技术,如图1所示。由于层燃过程具有沿炉排运动方向分区转化的特点,易形成“烟囱流”,炉膛内典型的温度和组分分布如图2所示。首先,对于炉膛空间内的气相燃烧,一氧化碳等可燃气体集中于烟道的中央区域,而氧气则分布在两侧、靠近前后墙,两者混合困难、燃烧缓慢,模拟计算结果显示,至出口截面仍有大量的一氧化碳未燃尽,浓度达到1490.0mg/Nm3,造成了大量的效率损失;同时,含氮组分的分布也很大程度受到“烟囱流”的影响,在可燃组分集中的中央缺氧区域多以NH3和HCN等形态存在,而在两侧与氧气交界位置则集中氧化生成大量的氮氧化物;最后,这种典型的燃烧方式使得炉膛内中央区域的温度较高,但床层前端温度很低,炉膛对床层干燥段的辐射能量较低,不利于床层的干燥和着火,进而影响到床层固相的燃尽。
在此基础上,应用本发明中的基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配技术,并基于数值模拟手段,针对该典型的燃烧情况来设计再循环烟气射流的喷口及流场、床层层燃过程以及气相燃烧过程,改进后焚烧炉内的温度和组分分布如图3所示。可见,炉膛内的气相燃烧方面,烟气射流消除了“烟囱流”,促进了氧气与可燃组分的混合,一氧化碳在较低的位置就已经完全燃尽,同时炉膛温度也由于烟气射流的扰动作用而均匀化,这一方面保障了二噁英的充分裂解,另一方面也避免了局部高温造成结焦问题;而含氮组分方面,得益于烟气射流的混合作用和反应环境调节作用,NH3和HCN等与氮氧化物充分的混合,并在适宜的温度和气氛下将其还原,出口截面处的氮氧化物排放浓度由370.3mg/Nm3大幅下降至了23.4mg/Nm3;最后最重要的是,由于烟气射流的携带、扰动和混合作用,重新组织了床层上方的气相燃烧,将更多的辐射热量分配至了床层前端干燥区域的上方,消除了原先的冷区,促进床层的着火和燃尽。综上,基于本发明的改进从床层固相燃烧效率、炉膛气相燃烧效率及氮氧化物控制成本等多个方面显著改善了焚烧炉的运行。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:获取焚烧炉的常规运行工况和炉膛的结构特征参数,建立焚烧炉的有限元模型,计算获得常规运行工况下炉膛内的组分分布、温度分布和流场分布,以此为基础设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场,并计算并得到第一再循环烟气射流流场及其作用下的辐射能量分布;
S2:基于第一再循环烟气射流流场及辐射能量分布,利用焚烧炉的有限元模型获取一次风总量、一次风分配、床层运动速度对床层层燃过程的影响机制,利用烟气射流强化的辐射条件,优化床层燃料颗粒的着火和燃尽,同时兼顾床层内的氮氧化物的控制,以此模拟获得优化后的床层层燃过程及其表面产物分布;
S3:基于优化后的床层层燃过程及其表面产物分布,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程,针对可燃组分的燃尽、氮氧化物的控制、炉膛温度场的均匀化,调整烟气射流参数及与烟气二次风的配合,计算得到第二再循环烟气射流流场,实现对炉膛辐射能量的再分配和焚烧炉的增效减排。
2.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S1中,所述设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场的具体过程包括:
从喷口位置、喷入角度和射流速度进行优化,以此设计焚烧炉的再循环烟气射流的喷口、烟气流场。
3.根据权利要求2所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S1中,所述优化的目标包括:烟气射流能够覆盖炉膛在该高度的整个水平截面,从而保障可燃气体的燃尽和二噁英污染物的分解。
4.根据权利要求3所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S1中,所述优化的目标还包括:能够驱动可燃气体向焚烧炉床层前部移动,并在焚烧炉的干燥段上方形成气相燃烧中心,创造局部高温和强辐射,以促进入炉原料的干燥和着火。
5.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S2中,利用焚烧炉的有限元模型获取一次风总量、一次风分配对床层层燃过程的影响机制的过程中包括:
基于传热和燃烧反应角度,
在干燥段,通过一次风的吹扫实现原料的干燥和着火,同时根据烟气射流下的辐射强度选择合适的一次风量,以避免吹冷床层内燃烧的颗粒,
在燃烧段,低风速下缺氧会抑制燃烧,高风速下又会增强对流冷却、吹冷床层,会抑制燃烧,以此选择合适的一次风量。
6.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S2中,利用焚烧炉的有限元模型获取床层运动速度对床层层燃过程的影响机制过程中包括:
基于传热和燃烧反应角度,
在干燥段,考虑辐射对床层的穿透能力,低的床层高度有利于充分利用烟气射流增强的辐射热量,以此设计床层运动速度,
在燃烧段,需考虑对氮氧化物的影响,高的床层高度有利于充分发挥床层还原氮氧化物的能力,以此设计床层运动速度。
7.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程包括:
从再循环烟气喷口位置、喷入角度、射流速度方面进行调整,消除床层层燃过程形成的“烟囱流”,促进各反应物的混合和燃烧。
8.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程还包括:
从再循环烟气喷口位置、喷入角度和射流速度方面进行调整,使得炉膛空间内温度的均匀化,避免形成局部高温和结焦。
9.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S3中,利用焚烧炉的有限元模型进一步优化炉膛内烟气和二次风共同作用下的气相燃烧过程还包括:
在炉膛内形成分级燃烧的状态,通过还原性气氛和氧化性气氛的调节和布置,实现对氮氧化物的抑制。
10.根据权利要求1所述的一种基于烟气射流的焚烧炉辐射能量再分配设计方法,其特征在于,S3中,计算得到第二再循环烟气射流流场的过程包括:
基于优化后的床层层燃过程及其表面产物分布,更新边界条件:包括二次风和烟气的温度、二次风和烟气的流量;
模拟计算:利用确定的数学模型和初始条件、边界条件,进行模拟计算;
优化设计:根据模拟结果,对一氧化碳的燃尽、二噁英的分解、氮氧化物的还原、炉膛温度的分布进行优化设计,得到第二再循环烟气射流流场;
所述建立数学模型的过程中,采用流动模型、传热传质模型、化学反应动力学模型,对床层的燃烧速率、温度分布、气体组分分布进行精细化描述;
所述模拟计算过程中,通过调整控制参数,观察模拟结果的变化,以此对模拟结果进行优化;
所述优化设计过程中,通过改变一次风、二次风的配比,调整烟气的温度和流量参数,以实现最优的燃烧和污染物排放效果。
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