燃煤電站鍋爐摻氨燃燒與排放特性綜述

汪 鑫，陳 鈞，范衛(wèi)東

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

燃煤電站鍋爐是我國(guó)主要的CO2排放源之一，在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下，燃煤電站鍋爐碳減排受到重視。氨氣是一種實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模可靠存儲(chǔ)的儲(chǔ)能介質(zhì)，作為燃料利用不會(huì)造成碳排放。氨作為優(yōu)良的無(wú)碳燃料，與煤摻混燃燒受到廣泛關(guān)注[1-3]。燃煤摻氨(NH3)燃燒可行性較高。與其他技術(shù)相比，燃煤摻氨燃燒可利用現(xiàn)有燃煤電廠的低NOx燃燒系統(tǒng)，且由于爐膛內(nèi)燃燒環(huán)境溫度高，既能有效降低CO2排放，又能大大提高氨燃燒穩(wěn)定性[4-7]。因此，在燃煤電站鍋爐摻燒氨氣能從源頭降低CO2生成量，有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的碳減排。

然而，燃煤摻氨燃燒的應(yīng)用也存在技術(shù)性問(wèn)題。研究表明氨氣燃燒特性差，且存在NOx排放高的風(fēng)險(xiǎn)。但在燃煤鍋爐提供的燃燒及爐內(nèi)環(huán)境條件下，氨氣著火和燃燒效果、NOx排放水平及現(xiàn)有控制燃煤鍋爐NOx排放的空氣分級(jí)技術(shù)在摻燒氨氣時(shí)對(duì)NOx的控制效果等有待驗(yàn)證。為此，筆者針對(duì)氨煤摻燒過(guò)程中潛在問(wèn)題進(jìn)行探討，同時(shí)進(jìn)行了燃煤摻氨燃燒試驗(yàn)，分析了空氣分級(jí)燃燒技術(shù)在燃煤摻氨燃燒中的應(yīng)用，揭示了不同摻氨比例、溫度、摻氨位置時(shí)燃煤摻氨燃燒產(chǎn)物的變化規(guī)律。

1 現(xiàn)有燃煤電站鍋爐碳減排技術(shù)途徑

1.1 現(xiàn)有燃煤鍋爐碳減排技術(shù)現(xiàn)狀

CO2捕集利用與封存(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高度重視的碳減排技術(shù)[8]。針對(duì)燃煤鍋爐，該技術(shù)旨在從排放側(cè)著手，將燃煤生成的CO2分離捕集，并運(yùn)輸?shù)胶线m場(chǎng)地加以利用或封存。為提高燃煤煙氣中CO2濃度以提高分離捕集效率，通常采用富氧燃燒技術(shù)[9-10]。對(duì)于常規(guī)燃燒產(chǎn)生的煙氣，CO2濃度不高，化學(xué)吸收法[11-12]是較成熟且極有潛力的捕集技術(shù)。然而不論采用富氧燃燒技術(shù)還是常規(guī)燃燒配合化學(xué)吸收法實(shí)現(xiàn)碳捕集，最終分離捕集的大量CO2都依賴于封存技術(shù)加以處理[8]，會(huì)隨CO2運(yùn)輸封存技術(shù)和市場(chǎng)的不斷成熟而普遍應(yīng)用。

為從源頭上減少燃煤電廠CO2生成，摻燒生物質(zhì)[13-14]和可再生能源生產(chǎn)的氫氣[15]是易實(shí)現(xiàn)的途徑之一。然而，基于我國(guó)國(guó)情，形成一套完備的生物質(zhì)燃料供給-消費(fèi)產(chǎn)業(yè)鏈仍需長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程[16]。同時(shí)，氫氣在存儲(chǔ)和運(yùn)輸方面的弊端嚴(yán)重限制了燃煤電廠摻氫燃燒的工業(yè)化應(yīng)用。燃煤電廠摻燒生物質(zhì)或氫氣，本質(zhì)都是提高可再生能源的利用率。因此，尋找一種利用太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)且在存儲(chǔ)、運(yùn)輸方面具有優(yōu)勢(shì)的零碳燃料，是短期內(nèi)有效降低燃煤電廠煤耗，從而在源頭上實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵。

1.2 摻氨燃燒實(shí)現(xiàn)有效碳減排

氨氣作為可再生能源的優(yōu)良載體，具有能量密度高、儲(chǔ)能可靠性強(qiáng)及制備工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，利用可再生能源生產(chǎn)的綠色氨氣為完全零碳燃料。相比氫氣，氨氣在存儲(chǔ)和運(yùn)輸方面的優(yōu)勢(shì)明顯，其液化便捷、成本低、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)成熟、安全性等高，因此，近年來(lái)以實(shí)現(xiàn)碳減排為目標(biāo)推進(jìn)氨氣的燃料化利用受到廣泛關(guān)注[17-18]。

與CCUS技術(shù)不同，燃煤鍋爐摻氨燃燒通過(guò)降低煤炭使用量從源頭上實(shí)現(xiàn)CO2減排，隨摻氨量增加，CO2排放量將線性下降。日本政府2014年開(kāi)始實(shí)施的“內(nèi)閣府戰(zhàn)略創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃(SIP)：能源載體”項(xiàng)目明確提出將在燃煤電廠摻氨燃燒發(fā)電的規(guī)劃，擬于2030年實(shí)現(xiàn)氨氣替代燃煤發(fā)電廠20%的煤炭供應(yīng)，并將進(jìn)一步提升該比例至50%以上[17,19]。我國(guó)當(dāng)前燃煤火力發(fā)電占比高，在現(xiàn)有機(jī)組摻氨燃燒能夠在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效碳減排，存在技術(shù)、市場(chǎng)、成本等限制。鑒于此，筆者對(duì)氫氣的能量載體——氨氣在燃煤鍋爐中作為零碳摻燒燃料的燃燒和排放技術(shù)進(jìn)行前瞻性分析，以期為實(shí)現(xiàn)燃燒電廠低碳和低氧排放提供技術(shù)發(fā)展方向。

2 氨燃料的特殊性

2.1 氨燃燒存在的問(wèn)題

氨氣燃燒的首要問(wèn)題是燃燒特性差。相對(duì)其他氣體燃料，其熱值較低、著火溫度高、著火延遲時(shí)間長(zhǎng)、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?，常溫條件下，難以獲得穩(wěn)定的氨火焰。針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，采用特殊的穩(wěn)燃結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)氨氣穩(wěn)定燃燒，但火焰分布很寬，釋熱率低，受壁面散熱影響非常顯著[20]。在壁面散熱嚴(yán)重的情況下，即使整體處于貧燃料狀態(tài)，燃燒室出口仍能檢測(cè)到接近5 000×10-6的未燃盡氨氣[21]。

氨氣燃燒另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是高NOx排放風(fēng)險(xiǎn)[22]。不同于常規(guī)碳?xì)淙剂?，氨氣含氮率高達(dá)82%，燃燒過(guò)程中NO主要通過(guò)燃料型機(jī)理生成。研究表明，氨氣燃燒的NOx排放水平比常規(guī)碳?xì)淙剂现辽俑咭粋€(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)室級(jí)別氨基礎(chǔ)火焰的NO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)2 000×10-6[21]，純燒氨氣的50 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)出口NO體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)結(jié)果也超過(guò)1 000×10-6(16% O2)[22]。

氨氣燃燒強(qiáng)度與NOx排放相互矛盾。理論研究表明，NO的生成依賴于活躍的O/H自由基池，而后者需要強(qiáng)烈的燃燒過(guò)程加以維持。結(jié)果表明氨火焰中NO和OH分布具有高度相關(guān)性[23-24]，充分驗(yàn)證了NO生成與燃燒過(guò)程的高度耦合關(guān)系。在利用甲烷、氫氣等燃燒特性更好的氣體燃料與氨氣摻燒時(shí)，氨氣燃燒強(qiáng)度顯著提升，但NOx排放也明顯增加。

當(dāng)前關(guān)于氨氣燃燒及NOx排放特性的大量研究多以燃?xì)廨啓C(jī)為應(yīng)用背景，涉及的燃料也僅限于氣體燃料，因此，氨氣燃燒特性的改善及其與NOx排放控制之間的協(xié)調(diào)面臨很大挑戰(zhàn)。對(duì)于燃煤鍋爐，爐內(nèi)燃燒條件與燃?xì)廨啓C(jī)存在顯著差異，且煤粉和氨氣差異明顯，在燃煤鍋爐中摻氨燃燒面臨的問(wèn)題與基于燃機(jī)得出的結(jié)論不盡相同。

2.2 燃煤鍋爐內(nèi)部氨燃燒強(qiáng)化

相比氣體燃料，煤粉著火、燃燒和燃盡特性更差，因此，保證煤粉高效燃燒的燃煤鍋爐內(nèi)部的高溫燃燒環(huán)境更有利于氨氣燃燒。利用燃煤鍋爐系統(tǒng)富余的熱能預(yù)熱氨氣和空氣，有利于提高氨氣的著火和燃燒特性；爐內(nèi)溫度普遍高于1 000 ℃，且在燃燒器區(qū)域壁面鋪設(shè)衛(wèi)燃帶能獲得更高的局部壁溫[25]，爐內(nèi)高溫?zé)岘h(huán)境也是氨氣高效燃燒的保障。

提高初始溫度是強(qiáng)化氨燃燒的重要手段之一，圖1以絕熱層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣葹槔f(shuō)明了預(yù)熱對(duì)氨燃燒的強(qiáng)化效果，散點(diǎn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)[26-27]，最高溫度僅175 ℃。筆者利用ChemkinPro的層流火焰計(jì)算模型計(jì)算了更高溫度條件下的數(shù)據(jù)，反應(yīng)機(jī)理選用Okafor 2019機(jī)理[17]，計(jì)算域長(zhǎng)5 cm，考慮了Soret擴(kuò)散和多元擴(kuò)散，但未包含輻射。提高初始溫度可顯著提升火焰?zhèn)鞑ニ俣?，預(yù)熱溫度達(dá)到400 ℃ 時(shí)，氨/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸^(guò)常溫下甲烷火焰的水平。進(jìn)一步增加初始溫度至600 ℃，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)80 cm/s量級(jí)。

圖1 初始溫度對(duì)氨火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.1 Effects of initial temperature on ammonia flame speed

同樣通過(guò)將反應(yīng)物預(yù)熱到較高溫度水平，筆者在常溫大空間內(nèi)成功獲得了氨/空氣非預(yù)混射流火焰，結(jié)果如圖2所示。高預(yù)熱溫度實(shí)現(xiàn)了燃燒反應(yīng)強(qiáng)度提升，氨火焰穩(wěn)定附著在不銹鋼制的噴口處，隨氨氣流量增加，火焰根部到噴口的距離未發(fā)生明顯變化。即便預(yù)熱溫度升高到600 ℃(氨氣自著火溫度為650 ℃)，在常溫大空間內(nèi)未獲得穩(wěn)定性更差的氨/空氣預(yù)混火焰。

圖2 氨/空氣非預(yù)混預(yù)熱燃燒試驗(yàn)臺(tái)及初始溫度550 ℃下不同氨氣供給量的火焰圖像Fig.2 Non-premixed ammonia/air preheat combustion facility and flame images at 550 ℃ and various ammonia flow rates

筆者將燃燒器置于一臺(tái)電阻爐內(nèi)，通過(guò)電爐提供高溫?zé)岘h(huán)境，配合預(yù)熱，爐溫達(dá)400 ℃時(shí)即成功獲得了穩(wěn)定的氨/空氣預(yù)混火焰。爐溫400～600 ℃下獲得穩(wěn)定氨/空氣預(yù)混火焰的分布情況如圖3所示，可知貧燃條件下火焰穩(wěn)定性較差，當(dāng)量比低于0.9 時(shí)火焰無(wú)法穩(wěn)定。同時(shí)，增大氨氣流量使預(yù)混氣流速增加，流速增大到一定程度時(shí)火焰吹熄。提高爐溫使火焰穩(wěn)定性增強(qiáng)，火焰能在更高的來(lái)流速度下保持穩(wěn)定，隨爐溫升高，穩(wěn)定火焰分布范圍顯著拓寬。

圖3 不同爐溫下穩(wěn)定氨/空氣預(yù)混火焰的分布Fig.3 Map of successfully obtained ammonia/air premixed flames at various furnace temperatures

總之，燃煤鍋爐提供的高水平預(yù)熱條件及爐內(nèi)高溫?zé)岘h(huán)境都有利于強(qiáng)化氨氣燃燒，氨氣燃燒特性差可能不會(huì)成為制約其在燃煤鍋爐摻燒的主要因素。然而，爐內(nèi)優(yōu)越的燃燒條件可能導(dǎo)致NO生成量大幅增加，同時(shí)煤粉燃燒形成的復(fù)雜氣氛也可能影響氨氣在爐內(nèi)的轉(zhuǎn)化，因此，燃煤鍋爐摻氨爐內(nèi)燃燒效果和NOx排放特性需進(jìn)一步深入研究。

3 燃煤摻氨燃燒及NOx排放研究

3.1 燃煤摻氨燃燒及燃盡特性

氨作為優(yōu)良的無(wú)碳燃料，與煤的摻混燃燒備受關(guān)注[1-7]。燃煤摻氨(NH3)燃燒的技術(shù)路線可行性高[4]。與其他技術(shù)相比，燃煤摻氨燃燒可利用現(xiàn)有燃煤電廠的低NOx燃燒系統(tǒng)，由于爐膛內(nèi)燃燒環(huán)境溫度高，既能有效降低CO2排放，又能大大提高氨燃燒穩(wěn)定性。

ISHIHARA等[1-2]采用含詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)的零維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)某工業(yè)1 000 MW煤粉鍋爐進(jìn)行研究。不同摻氨比例下NH3排放和未燃盡碳?xì)w一化產(chǎn)量的計(jì)算結(jié)果如圖4所示(6% O2下，UC為不同摻氨比例下未燃盡碳與灰分+未燃盡碳的比值，下標(biāo)0表示NH3為0共燒的情況，即完全燃煤)?？芍济簱桨比紵^(guò)程中，在出口處均無(wú)氨氣存在，摻入的氨可完全燃盡。輸入相同熱量時(shí)，有效降低CO2排放。雖然氨能在鍋爐中燃盡，但摻入氨會(huì)影響煤燃燒，隨摻氨比例提高，焦炭消耗受到抑制，未燃盡碳的量增加，說(shuō)明煤的燃盡位置會(huì)延后。

圖4 不同摻氨比NH3的排放和未燃盡碳?xì)w一化產(chǎn)量[2]Fig.4 Effect of the NH3 co-firing ratio on NH3 emissions and normalized unburned carbon emissions[2]

3.2 燃煤摻氨燃燒NOx排放研究

3.2.1 燃煤摻氨燃燒NOx排放特性

由于氨分子中氮含量高，燃煤摻氨燃燒時(shí)NOx形成和排放備受關(guān)注。CARDOSO等[28]建立了二維Euler-Lagrange數(shù)值模型，模擬研究了反應(yīng)器位置和空氣分級(jí)燃燒對(duì)NO產(chǎn)量的影響，以及NH3對(duì)反應(yīng)器溫度分布和輻射流量的影響。CHEN等[5-7]運(yùn)用量子化學(xué)理論闡述了燃煤鍋爐氨煤混合燃燒NOx的還原理論。文獻(xiàn)[29]在40 MWth氨煤混合燃燒試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了摻氨比例0～25%(按熱值)的氨煤混合試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在無(wú)燃盡風(fēng)條件下，鍋爐運(yùn)行氧量3.7%、主燃區(qū)當(dāng)量比1.21時(shí)鍋爐NOx質(zhì)量濃度(6% O2)如圖5所示。說(shuō)明燃煤摻氨燃燒會(huì)大大提高鍋爐NOx排放。

圖5 不同摻氨比例下燃煤摻氨燃燒NOx排放增量[29]Fig.5 NOx emission increment of ammonia/coal co-firing under different ammonia co-firing ratios[29]

筆者在一臺(tái)可控恒定壁溫的45 kW電加熱燃燒爐中進(jìn)行了摻氨比例0～100%(按熱值)的氨煤摻燒試驗(yàn)。選用國(guó)內(nèi)電廠常用煙煤作為試驗(yàn)對(duì)象，氨低位發(fā)熱量為18.6 MJ/kg[4,30]。圖6為不同溫度下，對(duì)某種煤摻氨的NOx體積分?jǐn)?shù)增幅α(%)：

圖6 不同摻氨比例下燃煤摻氨燃燒NOx排放增幅Fig.6 NOx emission increment of ammonia/coal co-firing under different ammonia co-firing ratios

(1)

式中，i為氨摻燒比例，%；C(NOi)為氨摻燒i時(shí)NOx排放體積分?jǐn)?shù)，10-6；C(NO0)為純燒煤時(shí)NOx排放體積分?jǐn)?shù)，10-6。

由圖6可知，燃煤摻氨燃燒會(huì)增加NOx排放，但α隨摻氨比例增加呈非線性增加。摻氨比例為20%、30%時(shí)，NOx排放量增量較少。這是由NH3的選擇性非催化還原反應(yīng)(SNCR)和煤焦異相還原反應(yīng)共同作用導(dǎo)致。

尾氣中未檢測(cè)到NH3和CO，表明試驗(yàn)過(guò)程中摻入的NH3可完全燃盡，還原區(qū)中氣化生成的CO被完全燃燒。這與第3.1節(jié)中ISHIHARA等[1-2]研究結(jié)論相符，利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得出只有在大比例(摻氨比例80%)摻氨條件下才會(huì)有極其微量氨出現(xiàn)在燃燒器出口。

3.2.2 燃煤摻氨燃燒NO生成和還原機(jī)理

燃煤摻氨燃燒氮的主要轉(zhuǎn)換途徑如圖7所示。氣氛對(duì)NH3中氮轉(zhuǎn)化影響很大，氧量充足的條件下，NH3燃燒生成大量NO，然而在缺氧條件下，NH3表現(xiàn)出較強(qiáng)的還原NO能力，可有效還原氨煤摻燒過(guò)程中生成的NO[33-35]。

圖7 氨煤摻燒氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑Fig.7 Reaction path for the conversion of NH3/coal-N under the conditions of the present work

3.3 燃煤摻氨燃燒NOx排放控制方法

3.3.1 燃煤摻氨燃燒氨的摻混方式

氨噴入方式及噴入位置顯著影響NOx排放。TAMURA等[3]將氨的噴入分為與煤預(yù)混后噴氨和利用氨槍單獨(dú)噴氨，其中氨槍噴氨又分為燃燒器內(nèi)插和側(cè)壁噴氨。利用1.2 MW煤粉臥式燃燒爐進(jìn)行了燃煤摻氨燃燒研究，對(duì)比了預(yù)混與單獨(dú)噴氨對(duì)NOx排放量的影響，如圖8所示(6% O2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在燃燒器側(cè)，氨煤混合通入或從氨槍中單獨(dú)通入時(shí)NOx排放量低于從側(cè)壁噴入。這是因?yàn)閭?cè)壁面通入NH3可降低NOx停留時(shí)間，不利于NOx還原。

圖8 不同燃煤混氨方式燃煤摻氨燃燒NOx排放增量[3]Fig.8 NOx emission increment of ammonia/coal co-firing under different ammonia co-firing ratios[3]

ISHIHARA等[1-2]將氨噴入位置分為主燃區(qū)、燃盡區(qū)、下游1區(qū)和下游2區(qū)，其中主燃區(qū)又分為與空氣預(yù)混噴入(Combustion Air)和在火焰區(qū)(FZ)噴入，如圖9所示(MZ為混合區(qū)，RCZ為再循環(huán)區(qū)，PFZ為后火焰區(qū)，RDZ為還原區(qū)，Q1～Q4為每個(gè)區(qū)域的局部吸熱)。采用含詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)的零維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)某工業(yè)1 000 MW煤粉鍋爐進(jìn)行研究，分析了不同氨噴入位置對(duì)NOx排放的影響。結(jié)果表明在火焰區(qū)噴入NH3時(shí)NO排放較低，由3方面因素導(dǎo)致：① 火焰區(qū)處于富NH3狀態(tài)，NO排放相對(duì)較低；② NH3的摻入使火焰區(qū)溫度降低，這可能導(dǎo)致熱力型NOx產(chǎn)率降低；③ 由于火焰區(qū)初始溫度較高，超過(guò)2 000 K，NH3會(huì)在焦炭氧化前轉(zhuǎn)化為NO，這部分NO會(huì)與焦炭發(fā)生異相還原反應(yīng)。

圖9 燃煤鍋爐的反應(yīng)系統(tǒng)[1-2]Fig.9 Reactor network representing of coal-fired boiler[1-2]

綜上發(fā)現(xiàn)，氨噴入方式與噴入位置影響NO的主要原因是由于不同噴入條件會(huì)影響其氣氛組成、燃燒溫度、氣流速度，從而影響NOx排放。尤其在還原氣氛中噴入時(shí)，會(huì)激活氨的SNCR，使氨趨向于還原NO的方向進(jìn)行，減少NOx排放。

3.3.2 現(xiàn)有空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)對(duì)燃煤摻氨燃燒NOx排放的控制能力

空氣分級(jí)燃燒是減少燃煤電廠NOx排放的最有效技術(shù)之一[36-42]。該技術(shù)將爐膛在軸向上分成主燃燒區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。燃料首先在主燃燒區(qū)燃燒，由于氧氣不足減少NOx的產(chǎn)生。在還原區(qū)，由煤熱解產(chǎn)物(HCN、NH3、NCO、煤焦等)將燃料-N轉(zhuǎn)化為N2。在燃盡區(qū)，通過(guò)注入燃盡空氣將燃料燃盡。FAN等[43-44]將這種技術(shù)稱為整體空氣分級(jí)技術(shù)，可大大減少NOx排放，但工業(yè)應(yīng)用中普遍存在爐膛結(jié)渣、高溫腐蝕和不完全燃燒等問(wèn)題。

氨作為燃料直接燃燒存在燃燒性能差和NOx排放過(guò)多等問(wèn)題。燃煤摻氨燃燒過(guò)程中氨燃燒特性較好，但NOx排放量大幅增加。為實(shí)現(xiàn)高效燃燒和有效控制NOx排放，同時(shí)減少對(duì)現(xiàn)有鍋爐設(shè)備的改造成本，利用現(xiàn)有燃煤鍋爐整體空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行氨煤摻燒是行之有效的技術(shù)路線。

為研究爐內(nèi)整體空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)對(duì)燃煤摻氨燃燒的NOx排放水平及控制能力，筆者在前述燃燒爐中進(jìn)行了某種煤在不同分級(jí)工況下?lián)桨北壤秊?～100%的氨煤摻燒空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)。

圖10為1 100 ℃，在不同燃盡風(fēng)通入位置，利用空氣分級(jí)燃燒造成的NOx減排提升率μ(%)，具體為

圖10 不同燃盡風(fēng)通入位置燃煤摻氨燃燒NOx減排提升率Fig.10 NOx emission reduction improvement rate of ammonia/coal co-firing under different burnout air addition positions

(2)

式中，CNon為一定溫度、摻氨比例下不分級(jí)燃燒NOx排放體積分?jǐn)?shù)，10-6；CStaged為與不分級(jí)燃燒相應(yīng)溫度和摻氨比例下分級(jí)燃燒NOx排放體積分?jǐn)?shù)，10-6。

由圖10可知，空氣分級(jí)燃燒可有效減少NOx排放，與不分級(jí)燃燒相比，高位布置燃盡最高可減少NOx排放濃度85%。通過(guò)延后燃盡風(fēng)的通入位置，可提高NOx減排提升率。這是由于燃盡風(fēng)通入位置延后可以延長(zhǎng)還原區(qū)長(zhǎng)度，氣流和煤粉顆粒在還原區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，NOx還原更徹底，從而使出口處NO濃度降低，提高NOx減排提升率。

燃盡風(fēng)通入位置在中位燃盡風(fēng)噴口時(shí)，不同爐膛內(nèi)部燃燒溫度下燃煤摻氨燃燒NOx減排提升率如圖11所示。說(shuō)明溫度升高，通過(guò)空氣分級(jí)燃燒造成的NOx減排提升率會(huì)降低，溫度升高不利于NO控制。

圖11 不同爐膛內(nèi)部燃燒溫度下燃煤摻氨燃燒NOx減排提升率Fig.11 NOx emission reduction improvement rate of ammonia/coal co-firing under different combustion environmental temperature

4 燃煤摻氨燃燒其他問(wèn)題分析

燃煤摻氨燃燒除燃燒穩(wěn)定性和NOx排放問(wèn)題外，還會(huì)影響鍋爐燃煤機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、還原區(qū)CO和H2S等氣氛濃度等。

4.1 燃煤摻氨燃燒對(duì)鍋爐主要參數(shù)的影響

王一坤等[45]基于能量守恒定律對(duì)某電廠300 MW等級(jí)燃煤機(jī)組進(jìn)行研究，通過(guò)鍋爐熱力校核計(jì)算分析了不同工況下，機(jī)組摻燒NH3比例在20%～100%時(shí)對(duì)燃煤機(jī)組的影響。發(fā)現(xiàn)大比例摻氨后，機(jī)組排煙溫度上升，導(dǎo)致鍋爐熱效率下降；機(jī)組原有受熱面布置基本能滿足需求，但由于煙氣量增大，引風(fēng)機(jī)需擴(kuò)容改造；對(duì)于機(jī)組原有脫硝和脫硫系統(tǒng)影響較小，但亞微米級(jí)氣溶膠顆粒增加，需增設(shè)捕集系統(tǒng)。

CARDOSO等[28]通過(guò)建立二維歐拉-拉格朗日數(shù)值模型，描述了煤氨在中試流化床反應(yīng)器中的共燒過(guò)程。發(fā)現(xiàn)隨摻氨比增加，氣體溫度降低，輻射通量降低。摻氨量10%～20%的傳熱率與燃煤相似，說(shuō)明摻燒20%的NH3不會(huì)對(duì)溫度和輻射通量造成不利影響。

4.2 爐內(nèi)CO還原氣氛特征

空氣分級(jí)燃燒在還原區(qū)氧濃度趨向于0，在還原區(qū)檢測(cè)到較高濃度CO，由CO2和焦炭氣化生成[47-48]。還原區(qū)中CO存在及空氣分級(jí)燃燒中焦炭的異相還原反應(yīng)，對(duì)于減少NOx排放至關(guān)重要[49-50]。

空氣分級(jí)燃燒模式下，不同摻氨比例時(shí)還原區(qū)CO峰值濃度如圖12所示。與純煤燃燒相比，燃煤摻氨燃燒可提高還原區(qū)CO峰值水平。這是由于添加氨會(huì)提高還原區(qū)H2O濃度，較高H2O含量有助于在焦炭中形成微孔，提高活性碳位點(diǎn)，促進(jìn)氣化反應(yīng)活性[51-52]。因此，燃煤摻氨燃燒爐內(nèi)的CO峰值濃度提高。

圖12 不同摻氨比例下還原區(qū)CO的峰值Fig.12 Peak value of CO in reduction zone under different ammonia co-firing ratio

4.3 爐內(nèi)H2S氣氛特征

空氣分級(jí)燃燒在還原區(qū)，還原性氣氛雖能有效降低主燃燒區(qū)形成的NOx，但這些還原性氣體也可以將SO2轉(zhuǎn)化為H2S[53-55]。高濃度H2S會(huì)加速水冷壁管腐蝕，特別是在工質(zhì)溫度高、工質(zhì)壓力極高的超臨界或超超臨界鍋爐中[56]。燃煤摻氨燃燒帶來(lái)的H2S變化對(duì)鍋爐安全運(yùn)行至關(guān)重要。筆者發(fā)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒模式下，不同摻氨比例下還原區(qū)H2S的峰值濃度變化如圖13所示，可知隨摻氨量提高，還原區(qū)H2S峰值濃度呈下降趨勢(shì)，因此，氨煤共燒過(guò)程中H2S對(duì)水冷壁管的腐蝕可能存在緩解趨勢(shì)。

圖13 不同摻氨比例下還原區(qū)H2S的峰值Fig.13 Peak value of H2S in reduction zone under different ammonia co-firing ratio

5 結(jié)語(yǔ)與展望

對(duì)可持續(xù)能源和綠色環(huán)境的需求激發(fā)了對(duì)無(wú)碳燃料的探索。發(fā)展綠色可持續(xù)的無(wú)碳燃燒系統(tǒng)對(duì)于世界各國(guó)履行溫室氣體排放的法律和環(huán)境義務(wù)，以及緩解不斷增加的CO2排放造成的全球變暖至關(guān)重要。氨(氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.6%)作為一種無(wú)碳燃料在發(fā)電、運(yùn)輸和供熱系統(tǒng)中備受關(guān)注。然而從技術(shù)層面，與典型碳?xì)淙剂舷啾龋钡牡腿紵匦院透逳Ox排放限制其實(shí)際應(yīng)用。燃煤摻氨燃燒是近期興起的減少燃煤電站CO2排放的技術(shù)路線，日本、中國(guó)已通過(guò)工業(yè)尺度的試驗(yàn)研究驗(yàn)證了燃煤鍋爐摻氨燃燒技術(shù)的可行性，該技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)大幅碳減排的最具潛力的技術(shù)發(fā)展路線。

1)燃煤鍋爐提供的爐內(nèi)高溫?zé)岘h(huán)境有利于強(qiáng)化氨氣燃燒，氨氣燃燒特性差不會(huì)成為制約其在燃煤鍋爐摻燒的主要因素。利用現(xiàn)有燃煤系統(tǒng)，在無(wú)需重大設(shè)備改造的前提下，通過(guò)調(diào)整燃煤混氨方式、優(yōu)化空氣分級(jí)燃燒工況可大幅降低NOx排放濃度。根據(jù)試驗(yàn)煤種，空氣分級(jí)燃燒工況下，燃盡風(fēng)中、高位布置且燃盡風(fēng)占總風(fēng)量30%以上、燃煤摻氨比例控制在20%～30%(按熱值)時(shí)，燃燒爐尾部煙氣中NOx排放濃度可控制在與煤空氣分級(jí)燃燒相當(dāng)?shù)乃健?/p>

2)大比例摻氨后，NOx排放濃度仍很高，尤其在鍋爐高負(fù)荷對(duì)應(yīng)的高爐溫燃燒條件下，限于NOx排放濃度的法規(guī)限制，氨摻燒比例不能太高，會(huì)限制CO2減排力度。因此，未來(lái)需繼續(xù)在爐內(nèi)NOx深度減排技術(shù)上創(chuàng)新發(fā)展以及為CO2大幅減排而適當(dāng)折中NOx排放限制等方面開(kāi)展工作，實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)。