网络首发||刘小伟教授: 煤掺氨燃烧过程中NO生成特性和氨氮转化行为研究

氨作为一种零碳富氢的新型燃料，具有易液化、易储存、生产运输方式成熟等优点，同时氨具有作为氢载体的潜力，因此成为近年来清洁燃料的研究热门。氨也由于其零碳的属性，有望成为降低燃煤电厂碳减排的替代燃料。日本Chugoku电力水岛发电厂156MW燃煤机组上完成了氨煤掺烧（掺烧比例约为0.6%–0.8%）发电的现场试验，试验中，氨燃料可完全燃烧且NOx的排放量与煤单独时无差别。本团队前期采用Aspen Plus软件对600MW燃煤电站掺氨燃烧进行经济性分析，结果表明掺氨燃烧能够按比例减少CO2的排放，且能降低烟气、空气泵送及烟气污染物脱除等厂用电消耗，但㶲效率不会有明显降低。中国烟台龙源电力技术股份有限公司实现40MW等级燃煤锅炉氨掺烧比例为0–25%的中试验证，且煤掺氨燃烧条件下煤粉的燃尽优于纯燃煤工况。皖能集团在300MW燃煤机组实现了多工况负荷下掺氨平稳运行，且锅炉效率与燃煤工况相当。上述研究说明了燃煤电站掺氨减排CO2的可行性。

深入的氨煤掺烧反应机制及交互影响分析目前尚不完善、亟需开展，这依赖于精细的实验室尺度氨煤掺烧实验和仿真研究。Tan等在分级燃烧沉降炉上进行了氨煤掺烧实验，比较了注入方式、位置等对NO排放的影响，结果表明从中心以预混方式注入氨产生的NO排放比分级注入氨的方式更高。Chen等在6kW沉降炉上研究了NH3喷射方式、温度、过量空气系数等条件对氨煤掺混燃烧特性和燃料氮转化的影响，结果表明预混燃烧与分级燃烧方式的NOx生成能力差异明显。分级燃烧方式下燃料与氧化剂混合过程的延迟，导致煤粉在主燃烧区燃烧不完全，产生局部还原气氛影响氨火焰中燃料-NOx的形成和NOx与NH3之间的选择性非催化还原反应。Lee等采用5kW流化床反应器，在空气分级燃烧条件下进行了氨煤掺烧实验。结果表明空气分级掺氨燃烧能有效抑制氨掺烧过程中NOx的生成，可将NO降低至原来的三分之一。Ma等在25kW燃烧室中进行煤和生物质与氨掺烧，结果表明从中心注入氨，NO会随着掺氨比例增加而增加。这些研究重点关注了燃烧调控条件对氨煤掺烧及NOx生成的影响，通过对诸多影响因素进行实验分析，得出了指导进行煤掺氨低NOx清洁燃烧的优选条件。

在氨煤掺烧数值模拟的研究上，Ishihara等采用0D数值模拟方法，研究了1000MW煤粉锅炉掺氨燃烧对NO排放的影响，结果表明，掺烧比大于40%时，属于富氨化学反应，NH3生成NO的反应倾向于减少。Zhang等采用Fluent数值模拟方法，对某8.5 MW单旋流燃烧器煤粉燃烧装置进行氨煤掺烧时的火焰形态、吸热量、未燃尽碳和NO排放等进行了研究。根据其模拟结果，当掺氨比NH3超过10%时，由于未反应NH3的DeNOx效应，出口NO浓度单调下降。当氨掺烧比大于40%时，未反应氨的浓度迅速增加。Cardoso等对中试流化床反应器氨煤掺混燃烧过程进行Fluent数值模拟。研究结果表明，当掺氨比为10%时，NO排放水平与单纯燃煤相同，而在20%~80%比例时，NO排放逐渐下降，降幅高达40%。氨注入位置对NO排放有显著影响，当注入点位于床层下游时，NO的浓度会增加。马仑等以某20kW沉降炉为研究对象，通过Fluent数值模拟探究了在深度空气分级下掺氨比、氨燃烧区过量空气系数和氨注入位置对煤粉燃尽特性和NO生成特性的影响。根据其模拟结果，掺氨燃烧NO生成量会比纯煤粉燃烧低；氨掺混比例进一步提高会进一步降低NO生成量；过量空气系数小于1时，有利于氨还原NO反应的进行，降低NO排放。Lyu等通过数值模拟探究了掺氨比、富氧燃烧和深度空气分级技术在全尺寸锅炉中的表现。其模拟结果表明，炉温会随着掺氨比升高而降低，富氧燃烧与深度空气分级技术结合可同时实现炉温升高和NOx降低。这些模拟结果对于实际应用具有很高的参考价值和指导意义。

目前的Fluent数值模拟都是针对中试以上规模的研究，以对更难开展的试验进行结果预测。由于中试以上规模实验往往开展难度较大，同时难以实现对内部反应过程聚焦分析；而对于实验室规模的研究，目前主要关注宏观的现象和规律，还缺少结合数值模拟方法从微观反应过程或者反应之间的相互影响作用角度进行深入探究。特别是，关于掺烧中氨煤相互作用机制、煤对氨氮转化及NO生成的影响尚不清楚。因此，本研究采用高温沉降炉进行氨煤掺烧实验，探究煤掺氨燃烧后的烟气NO生成与排放特性。进一步，建立氨煤掺烧及NOx生成的Fluent数值模拟方法，并进行实验验证。最后，通过Fluent数值模拟探究烟气各主要组分在燃烧反应中间过程的分布特性以及氨燃烧反应之间的相互影响，从微观角度加深对氨煤燃烧过程与煤对氨氮转化影响的理解。

图3 R8-R10沿炉膛长度方向截面平均反应速率