燃煤鍋爐氨煤混合燃燒工業(yè)尺度試驗(yàn)研究

牛 濤，張文振，劉 欣，胡道成，王天堃，謝 妍，王赫陽(yáng)

(1.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006；2.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011； 3.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101；4.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

0 引 言

近年來(lái)世界化石能源消耗量不斷增加，造成CO2排放快速增長(zhǎng)，由此引起的全球變暖問題對(duì)人類生存發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。為實(shí)現(xiàn)CO2減排，發(fā)展代替化石燃料的低碳燃料及相應(yīng)的燃燒技術(shù)十分迫切。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了眾多替代燃料，如H2、二甲醚和生物柴油等。其中H2由于其零碳特性受到普遍關(guān)注。但H2在常溫下液化壓力為70 MPa，儲(chǔ)存和運(yùn)輸難度大、成本高。此外，H2在儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用時(shí)存在復(fù)雜的安全問題，短期內(nèi)無(wú)法解決。為解決H2的經(jīng)濟(jì)性和安全性問題，開始尋求清潔的載氫、代氫燃料。NH3分子中含有3個(gè)H原子，完全燃燒產(chǎn)物為N2和H2O。與H2相比，NH3體積能量密度高，常溫下只需0.7～0.8 MPa 即可液化，方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸，也更加安全可靠。因此，與H2相比，NH3被認(rèn)為是一種更具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉摧d體和載氫低碳燃料[1-3]。

2020年燃煤發(fā)電約占我國(guó)年發(fā)電總量的63%[4]，所產(chǎn)生的CO2排放量為35.4億t，約占我國(guó)CO2排放總量的34.1%[5]。因此，減少燃煤電廠CO2排放將是我國(guó)CO2減排的主要目標(biāo)。氨作為可大規(guī)模利用的零碳燃料，如在燃煤鍋爐中作為煤的替代燃料直接利用，可大幅降低我國(guó)燃煤機(jī)組的CO2排放。然而，煤與氨在燃燒特性、燃燒產(chǎn)物成分與輻射性質(zhì)等方面有顯著差異，如在燃煤鍋爐中采用純氨燃燒，可能導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒與傳熱分布的顯著變化，嚴(yán)重影響機(jī)組效率與出力。此外，目前可再生能源生產(chǎn)綠氨的能力有限，短期內(nèi)亦無(wú)法用氨完全替代煤炭。因此，以氨替代部分燃煤，采用氨與煤在鍋爐中混合燃燒的方式，是現(xiàn)階段降低燃煤機(jī)組CO2排放更加現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)選擇。日本已意識(shí)到氨作為能源載體的潛力，計(jì)劃在1 000 MW燃煤電廠開展氨煤混合燃燒示范研究，到2030年實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠的20%混氨燃燒。

近年來(lái)隨著對(duì)氨作為低碳燃料的關(guān)注，氨及其與H2、CH4等燃料的混合燃燒已有較廣泛研究[6-8]。然而，目前這些研究主要集中在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域[9-11]，氨燃料在鍋爐中的應(yīng)用研究還處于起步階段，主要由日本IHI公司進(jìn)行一些初步試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。YAMAMOTO等[12]在某760 kWth臥式爐中進(jìn)行了混氨比例為20%(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗(yàn)，氨氣分別從燃燒器和爐膛側(cè)墻引入。研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)墻注入氨氣越多、位置越靠近燃燒器，爐膛出口NOx排放越低。當(dāng)全部氨氣從側(cè)墻距燃燒器1 m處引入時(shí)，NOx排放與燃煤工況相當(dāng)。TAMURA等[13]在一個(gè)1.2 MWth試驗(yàn)爐研究了混氨方式和比例對(duì)NOx和未燃盡碳(UBC)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，燃燒器區(qū)當(dāng)量比對(duì)NOx有強(qiáng)烈影響，NOx排放隨當(dāng)量比降低而迅速下降；研究對(duì)比了不同氨氣引入方式對(duì)NOx的影響，結(jié)果表明，當(dāng)氨氣從燃燒器引入時(shí)NOx增加較小，而從側(cè)墻引入時(shí)NOx增幅較大；不同氨氣引入方式下煤粒的未燃盡碳量(UBC)均降低，基本無(wú)NH3與N2O排放。ZHANG等[14]采用三維CFD方法和氨燃燒的總包反應(yīng)模型模擬了安裝單只旋流燃燒器的8.5 MW燃煤鍋爐的氨煤混合燃燒過(guò)程，研究了混氨比例對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)、傳熱、UBC、NOx和NH3排放等方面的影響。研究假設(shè)氨氣從燃燒器中心管引入，模擬結(jié)果表明，隨氨氣流量增大，其入射流速增大，在高混氨比例下氨氣射流將穿透旋流燃燒器所形成的回流區(qū)，導(dǎo)致火焰撞擊爐膛后墻，顯著改變了爐內(nèi)的火焰形態(tài)和溫度及傳熱分布。這表明鍋爐混氨燃燒需采用氨氣的多級(jí)引入設(shè)計(jì)，可靈活控制不同混氨比例下氨氣的射流分布。ISHIHARA等[15-16]采用零維模型和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理研究了1 000 MW燃煤鍋爐混氨燃燒不同氨氣引入位置和比例對(duì)NOx、NH3和UBC的影響，鍋爐通過(guò)Reactor Network模型簡(jiǎn)化為由一系列良好攪拌反應(yīng)燃燒器(PSR)組成。研究發(fā)現(xiàn)，氨氣在火焰區(qū)引入可獲得比燃煤更低的NOx排放，而氨氣隨空氣在燃盡區(qū)引入，NOx排放量則大幅增加。

綜上可知，燃煤鍋爐氨煤混合燃燒研究基本集中在數(shù)值模擬研究和小尺度試驗(yàn)研究階段，未能在工業(yè)尺度條件下驗(yàn)證燃煤鍋爐氨煤混合燃燒的可行性。VALERA-MEDINA等[2]認(rèn)為從小尺度(研究)到工業(yè)尺度(應(yīng)用)的拓展將是氨燃燒技術(shù)發(fā)展面臨的主要障礙之一。NH3作為零碳燃料，燃燒時(shí)存在2個(gè)主要問題：① 由于NH3著火溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，可燃極限范圍窄，因此存在NH3是否可以穩(wěn)定著火和完全燃燒的問題[1-3]；② NH3分子中含有N原子，燃燒過(guò)程中可能產(chǎn)生大量燃料型NOx，能否有效抑制鍋爐NOx排放大幅升高，是決定燃煤鍋爐中實(shí)現(xiàn)氨煤混合燃燒的關(guān)鍵因素之一。這些問題都需在工業(yè)尺度鍋爐運(yùn)行條件下進(jìn)行試驗(yàn)，才可驗(yàn)證燃煤鍋爐氨煤混合燃燒的可行性。

為此，筆者設(shè)計(jì)搭建了目前世界最大容量的40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)臺(tái)，并在此試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了0～25%混氨比例(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗(yàn)。結(jié)果表明，在所有混氨比例下，鍋爐皆可實(shí)現(xiàn)良好的著火與穩(wěn)燃，氨煤混合燃燒條件下煤粉的燃盡優(yōu)于純?nèi)济汗r；通過(guò)空氣分級(jí)燃燒，在高混氨比例條件下鍋爐NOx排放低于純?nèi)济汗r。工業(yè)尺度試驗(yàn)驗(yàn)證了燃煤鍋爐氨煤混合燃燒技術(shù)的可行性，為我國(guó)燃煤機(jī)組實(shí)現(xiàn)CO2減排提供了極具潛力的技術(shù)發(fā)展方向。

1 40 MWth氨煤混合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)搭建了40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)臺(tái)，系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of the ammonia cofiring test facility of 40 MWth coal-fired boiler

試驗(yàn)臺(tái)包括氨煤混合燃燒系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)、鍋爐運(yùn)行與測(cè)試系統(tǒng)，以及制粉系統(tǒng)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和除塵器等輔助設(shè)備，可采用全尺度燃燒器在接近燃煤機(jī)組真實(shí)運(yùn)行條件下驗(yàn)證氨煤混合燃燒的可行性，并對(duì)各種關(guān)鍵影響因素進(jìn)行深入研究。

1.1 氨煤混合燃燒系統(tǒng)與供風(fēng)系統(tǒng)

氨煤混合燃燒系統(tǒng)由40 MWth鍋爐和氨煤混燃燃燒器組成。鍋爐采用角管式真空相變鍋爐，型號(hào)為ZKS40-70/35-AIII，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

鍋爐本體(圖1)由橫置燃燒室、立式燃盡室、對(duì)流室、爐墻等主要構(gòu)件組成。鍋爐采用膜式壁設(shè)計(jì)，爐膛由橫置燃燒室和立式燃盡室組成，采用單只燃燒器，布置在橫置燃燒室前墻。燃料和空氣由燃燒器進(jìn)入爐膛橫置燃燒室，煙氣由橫置燃燒室進(jìn)入立式燃盡室后折轉(zhuǎn)向上，自后墻頂部的出煙窗進(jìn)入對(duì)流區(qū)。

表1 40 MWth鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

由于NH3燃燒速度慢、可燃極限范圍窄，氨煤混合燃燒的著火與穩(wěn)燃問題是試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題。研究表明，NH3與H2、CH4等燃料混合可顯著提升NH3燃燒速度、縮短N(yùn)H3著火延遲時(shí)間[6-8]，而煤的揮發(fā)分包括H2、CO、CH4等輕質(zhì)氣體和焦油等，可有效提升NH3的燃燒速度。據(jù)此原理設(shè)計(jì)開發(fā)一種內(nèi)混式氨煤混燃燃燒器(圖2)。該燃燒器在煤粉管道內(nèi)點(diǎn)燃部分煤粉，通過(guò)煤粉燃燒初期釋放的熱量為NH3的著火提供穩(wěn)定熱源，同時(shí)燃燒器內(nèi)析出的揮發(fā)分為燃燒反應(yīng)提供了大量O/H自由基，強(qiáng)化了NH3的著火與燃燒。

圖2 氨煤混燃燃燒器示意Fig.2 Schematic of the ammonia-coal cofiring burner

鍋爐供風(fēng)系統(tǒng)包括一次風(fēng)系統(tǒng)和二次風(fēng)系統(tǒng)。其中一次風(fēng)由一次風(fēng)機(jī)提供，不經(jīng)空預(yù)器加熱，為冷風(fēng)，布置于鍋爐右側(cè)區(qū)域；二次風(fēng)由二次風(fēng)機(jī)提供，經(jīng)過(guò)空預(yù)器加熱，為熱風(fēng)，加熱后的二次風(fēng)由鍋爐兩側(cè)至鍋爐前墻上方位置。圖3為鍋爐橫置燃燒室前墻的現(xiàn)場(chǎng)照片，燃燒器安裝在前墻中心位置，圖3中位于燃燒器上方的較粗白色管道為二次風(fēng)管道，藍(lán)色管道為一次風(fēng)管道，黃色管道為氨氣管道。

圖3 40 MWth氨煤混合燃燒試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 In-situ picture of the 40 MWth ammonia-coal cofiring test facility

1.2 氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)高比例的混氨燃燒和氨氣流量的靈活控制，設(shè)計(jì)了氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)，包括液氨罐、氣化撬、混合風(fēng)機(jī)、預(yù)混器等主要設(shè)備及管道、閥門、儀表等附屬設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4所示。

圖4 氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 In-situ picture of the ammonia supply system

氨罐內(nèi)液態(tài)氨通過(guò)壓差自流或氨泵輸送至水浴式氣化器，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、調(diào)節(jié)進(jìn)入氣化器盤管。在氣化器盤管中，液氨通過(guò)管壁吸收熱媒的熱量，熱媒熱量來(lái)自于鍋爐水冷壁的循環(huán)熱水，水溫設(shè)定在(80±2.5)℃。根據(jù)傳熱狀態(tài)不同，盤管換熱器分為換熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段。液態(tài)氨吸收熱量后升溫轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，氣化器內(nèi)部設(shè)有內(nèi)置的氣液分離器，經(jīng)旋轉(zhuǎn)氣液分離后，氨氣從出口輸出，分離器同時(shí)具有過(guò)熱作用。

2 氨煤混合燃燒試驗(yàn)

本文重點(diǎn)研究了煤與氨氣在燃燒器內(nèi)預(yù)混燃燒方式下，氨氣摻燒比例(按熱值)、燃盡風(fēng)率和鍋爐運(yùn)行氧量等參數(shù)對(duì)鍋爐NOx排放、NH3燃盡、CO排放和飛灰含碳量的影響，并觀測(cè)了不同混氨比例下燃燒器的著火與穩(wěn)燃狀態(tài)。

試驗(yàn)煤種為山西神木煤，元素分析和工業(yè)分析見表2，鍋爐試驗(yàn)過(guò)程中的主要運(yùn)行參數(shù)見表3，不同混氨比例(按熱值)的煤量和氨氣流量(標(biāo)況下)見表4。

2.1 混氨比例的影響

不同混氨比例下燃燒器噴口處的火焰形態(tài)如圖5所示。由于燃燒器噴口火焰具有強(qiáng)烈的湍流特性，其亮度在持續(xù)的脈動(dòng)變化中，無(wú)法通過(guò)任一瞬間的火焰圖片來(lái)對(duì)比不同混氨比例下的火焰強(qiáng)度。

由圖5可以看出，所有混氨比例下在燃燒器噴口皆可形成強(qiáng)烈明亮的火焰，表明本文采用的內(nèi)混式氨煤混燃燃燒器可有效實(shí)現(xiàn)氨氣與煤粉的著火與穩(wěn)燃。

表2 煤的工業(yè)分析與元素分析

表3 鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

表4 不同混氨比例下的煤量與氨氣流量

圖5 不同混氨比例下燃燒器噴口火焰形態(tài)Fig.5 Flame at the burner outlet under different ammonia cofiring ratios

在無(wú)燃盡風(fēng)和20%燃盡風(fēng)率條件下，鍋爐NOx質(zhì)量濃度(6% O2，下同)隨混氨比例的變化如圖6所示。鍋爐運(yùn)行氧量為3.7%，在無(wú)燃盡風(fēng)條件下，鍋爐主燃區(qū)當(dāng)量比為1.21，而20%燃盡風(fēng)率下，主燃區(qū)當(dāng)量比降低至0.97，使主燃區(qū)由整體氧化性氣氛變?yōu)檫€原性氣氛?？芍魅紖^(qū)氣氛顯著影響鍋爐NOx質(zhì)量濃度。在氧化性氣氛下(無(wú)燃盡風(fēng))，鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加呈單調(diào)上升趨勢(shì)，從純?nèi)济汗r的440 mg/m3逐漸上升至25%混氨比例下的884 mg/m3；而在還原性氣氛(20%燃盡風(fēng))下，鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加呈先升高后降低趨勢(shì)，在5%混氨比例時(shí)達(dá)到最大值207 mg/Nm3，隨后逐漸降低，至25%混氨比例，NOx質(zhì)量濃度為124 mg/m3，低于燃煤工況的140 mg/m3。

圖6 不同燃盡風(fēng)條件下鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例變化Fig.6 Change of boiler NOx mass concentration with NH3 cofiring ratio under different overfire air rates

在主燃區(qū)不同氣氛環(huán)境下，鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加變化趨勢(shì)不同，主要是因?yàn)镹H3燃燒反應(yīng)存在2條主要轉(zhuǎn)化路徑，或與O2通過(guò)氧化反應(yīng)路徑生成NO，或通過(guò)還原反應(yīng)路徑將NO還原為N2[17-18]。這2條轉(zhuǎn)化路徑的選擇主要取決于燃燒環(huán)境中的O2濃度，在氧化性氣氛下，鍋爐主燃區(qū)含有較高濃度O2，使NH3傾向于通過(guò)氧化反應(yīng)路徑生成NO，因而鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加呈單調(diào)升高趨勢(shì)；而在還原性氣氛下，煤粉與NH3的燃燒使主燃區(qū)O2被完全消耗后，主燃區(qū)仍有部分NH3，這部分NH3在乏氧的還原性氣氛中傾向于將已生成的NO還原為N2。因此，盡管在較低混氨比例下，由于入爐燃料N量隨混氨比例增加而大幅增加，使鍋爐NOx質(zhì)量濃度升高；但在更高混氨比例下，主燃區(qū)未燃燒NH3量增加，將主燃區(qū)生成的NO還原為N2，使鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加呈降低趨勢(shì)，在高混氨比例下(20%、25%)，NOx質(zhì)量濃度甚至可低于純?nèi)济汗r。

鍋爐NH3體積分?jǐn)?shù)隨混氨比例的變化趨勢(shì)(20%燃盡風(fēng))如圖7所示?？芍诓煌彀北壤洛仩tNH3體積分?jǐn)?shù)皆保持在極低水平，盡管在混氨比例增至20%以上時(shí)，NH3體積分?jǐn)?shù)有所升高，但仍保持在12×10-6以內(nèi)。在20%燃盡風(fēng)條件下，盡管主燃區(qū)存在未燃盡NH3，但燃盡風(fēng)的引入可使這部分NH3迅速燃盡，使?fàn)t膛出口的NH3體積分?jǐn)?shù)仍在極低水平。高混氨比例下NH3仍可充分燃盡主要原因有：① 雖然NH3著火溫度較高(651 ℃)，但爐內(nèi)燃燒溫度遠(yuǎn)高于此，保證了NH3的迅速著火與燃燒；② 為確保炭粒在爐內(nèi)充分滯留和燃盡，燃煤鍋爐的爐膛尺寸很大，同樣保證了NH3與O2在爐內(nèi)的充分混合與燃燒；③ 研究表明，NH3燃燒反應(yīng)由NH3(及其生成的NHi自由基)與O/H自由基間的一系列脫氫反應(yīng)驅(qū)動(dòng)，煤揮發(fā)分中H2、CO、CH4等成分的燃燒反應(yīng)為NH3脫氫反應(yīng)提供了豐富的O/H自由基，強(qiáng)化了NH3燃燒反應(yīng)。

圖7 鍋爐NH3體積分?jǐn)?shù)隨混氨比例變化Fig.7 Change of boiler NH3 volume fraction with NH3 cofiring ratio

鍋爐CO體積分?jǐn)?shù)與飛灰含碳量隨混氨比例的變化趨勢(shì)(20%燃盡風(fēng))如圖8所示?？芍仩tCO體積分?jǐn)?shù)隨混氨比例增加無(wú)顯著變化，飛灰含碳量隨混氨比例增加呈下降趨勢(shì)，從燃煤工況的14.14%降低至25%混氨比例下的9.27%。由于氨煤混合燃燒使入爐煤量減少，而飛灰含碳量下降，因此鍋爐的機(jī)械不完全燃燒損失明顯降低，表明氨煤混合燃燒有利于提升鍋爐熱效率。飛灰含碳量隨混氨比例增加而降低與TAMURA等[13]在小尺度試驗(yàn)臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果一致，可能由于以下原因：① 混氨燃燒使入爐固體燃料量減少，燃燒初期參與燃燒的氣體燃料量增加，有利于改善炭粒燃燒的溫度環(huán)境，提升炭粒的燃盡；② 混氨燃燒使?fàn)t內(nèi)煙氣中O2、CO2、H2O體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯變化，影響炭粒的表面燃燒反應(yīng)(C+O2)與氣化反應(yīng)(C+CO2、C+H2O)，進(jìn)而影響燃盡效果。氨煤混合燃燒對(duì)炭粒燃盡的影響機(jī)理將在后期進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖8 鍋爐CO體積分?jǐn)?shù)與飛灰含碳量隨混氨比例變化Fig.8 Change of boiler CO volume fraction and UBC in fly ash with NH3 cofiring ratio

2.2 鍋爐燃盡風(fēng)率的影響

圖6表明燃盡風(fēng)顯著影響鍋爐NOx質(zhì)量濃度，為進(jìn)一步研究燃盡風(fēng)率的影響，在25%混氨比例下進(jìn)行了不同燃盡風(fēng)率的試驗(yàn)，鍋爐運(yùn)行氧量為3.7%。鍋爐NOx質(zhì)量濃度和NH3體積分?jǐn)?shù)隨燃盡風(fēng)率的變化趨勢(shì)如圖9所示。可知隨燃盡風(fēng)率由0%增至30%，鍋爐NOx質(zhì)量濃度先顯著下降后緩慢上升，在20%燃盡風(fēng)率時(shí)NOx質(zhì)量濃度達(dá)到最低，為124 mg/m3，燃盡風(fēng)率進(jìn)一步增加至30%，NOx質(zhì)量濃度逐漸上升至139 mg/m3。鍋爐NH3體積分?jǐn)?shù)則隨燃盡風(fēng)率增加呈單調(diào)增大趨勢(shì)，由2.5×10-6上升至13×10-6。鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨燃盡風(fēng)率增加先快速下降后緩慢上升是由于隨燃盡風(fēng)率增加，主燃區(qū)O2量逐漸降低，抑制了燃燒初期煤中燃料N和NH3的氧化反應(yīng)，因此降低了NO生成。但隨燃盡風(fēng)率進(jìn)一步增加，主燃區(qū)未燃盡NH3逐漸增加，NH3與燃盡風(fēng)反應(yīng)生成NO，在高燃盡風(fēng)率下(>20%)將超出主燃區(qū)當(dāng)量比降低對(duì)NO生成的抑制效果，使鍋爐NOx質(zhì)量濃度隨燃盡風(fēng)率進(jìn)一步增加而逐漸增大。因此，燃煤鍋爐的氨煤混合燃燒將存在一個(gè)最優(yōu)燃盡風(fēng)率，使NOx質(zhì)量濃度處于最低水平。

圖9 鍋爐NOx與NH3排放隨燃盡風(fēng)率變化Fig.9 Change of boiler NOx and NH3 emissions with overfire air rates

鍋爐CO體積分?jǐn)?shù)和飛灰含碳量隨燃盡風(fēng)率的變化趨勢(shì)如圖10所示。可知2者皆隨燃盡風(fēng)率增大單調(diào)上升，燃盡風(fēng)率由0%增至30%，CO體積分?jǐn)?shù)由0增至265×10-6，而飛灰含碳量由1.93%上升至15.12%。此外，對(duì)比圖9中NH3體積分?jǐn)?shù)和圖10中飛灰含碳量隨燃盡風(fēng)率的變化趨勢(shì)，可知，燃盡風(fēng)率對(duì)飛灰含碳量影響更顯著。這是由于隨燃盡風(fēng)率增加，主燃區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)減少，延遲了煤與NH3的燃盡，導(dǎo)致飛灰含碳量和NH3體積分?jǐn)?shù)升高。然而，NH3作為氣體燃料，其燃燒速度明顯高于炭粒，因此，2者在主燃區(qū)的乏氧環(huán)境中，NH3相對(duì)可與更多O2發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步抑制了炭粒的燃燒反應(yīng)，造成飛灰含碳量大幅上升。圖9和圖10結(jié)果表明，鍋爐分級(jí)燃燒可顯著降低氨煤混合燃燒的NOx質(zhì)量濃度，但高燃盡風(fēng)率將顯著影響煤粉與NH3的燃盡，進(jìn)而影響鍋爐效率。因此，燃煤鍋爐混氨燃燒的燃盡風(fēng)率需同時(shí)考慮其對(duì)NOx質(zhì)量濃度與燃料燃盡的影響，使2者皆處于較優(yōu)水平。

圖10 CO體積分?jǐn)?shù)與飛灰含碳量隨燃盡風(fēng)率變化Fig.10 Change of boiler CO volume fraction and UBC in fly ash with overfire air rates

2.3 鍋爐運(yùn)行氧量的影響

鍋爐運(yùn)行氧量是燃煤鍋爐最重要的運(yùn)行參數(shù)之一，決定了鍋爐的入爐空氣量，進(jìn)而影響燃料的燃盡、NOx和CO排放、鍋爐效率等。為此，在20%混氨比例下進(jìn)行了不同鍋爐運(yùn)行氧量試驗(yàn)。鍋爐NOx排放和NH3排放隨鍋爐運(yùn)行氧量的變化趨勢(shì)(無(wú)燃盡風(fēng))如圖11所示?？芍仩t氧量對(duì)鍋爐NOx與NH3排放有顯著影響。隨運(yùn)行氧量從4.24%降至2.35%，鍋爐NOx質(zhì)量濃度從922 mg/m3降至588 mg/m3，降幅達(dá)36%；但氧量降低同時(shí)導(dǎo)致NH3體積分?jǐn)?shù)大幅上升，由3.1×10-6增至138×10-6。由圖11可知，燃煤鍋爐氨煤混合燃燒存在最佳運(yùn)行氧量區(qū)間，此時(shí)鍋爐NOx與NH3排放量皆可保持在較低水平，這一趨勢(shì)與SOMARATHNE等[19-20]在燃?xì)廨啓C(jī)中的研究結(jié)果一致。燃煤鍋爐氨煤混合燃燒的最佳運(yùn)行氧量區(qū)間有重要工程意義，決定了鍋爐氨煤混合燃燒運(yùn)行下的最優(yōu)過(guò)量空氣系數(shù)。后期試驗(yàn)還將進(jìn)一步研究如何拓寬這一運(yùn)行氧量區(qū)間，并在這一區(qū)間內(nèi)盡可能降低鍋爐NOx與NH3排放。

圖11 鍋爐NOx與NH3排放隨鍋爐運(yùn)行氧量變化Fig.11 Change of boiler NOx and NH3 emissions with boiler excess O2 level

3 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)搭建了40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了0～25%混氨比例(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗(yàn)。結(jié)果表明，在所有混氨比例下，鍋爐皆具有良好的穩(wěn)燃與燃盡，氨煤混合燃燒條件下煤粉的燃盡優(yōu)于燃煤工況；鍋爐分級(jí)燃燒可使氨煤混合燃燒的NOx質(zhì)量濃度在高混氨比例條件下低于燃煤工況。工業(yè)尺度試驗(yàn)研究驗(yàn)證了燃煤鍋爐氨煤混合燃燒技術(shù)的可行性，為我國(guó)燃煤機(jī)組實(shí)現(xiàn)大幅度CO2減排提供了極具潛力的技術(shù)發(fā)展方向。

2)爐膛主燃區(qū)氣氛對(duì)氨煤混合燃燒的NOx排放特性有強(qiáng)烈影響：在氧化性氣氛下，NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加呈單調(diào)上升趨勢(shì)；而在還原性氣氛下，NOx質(zhì)量濃度隨混氨比例增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，使高混氨比例下的NOx質(zhì)量濃度低于燃煤工況。

3)鍋爐空氣分級(jí)燃燒可顯著降低氨煤混合燃燒的NOx質(zhì)量濃度，但增加燃盡風(fēng)率顯著影響煤粉燃盡和鍋爐效率，且燃盡風(fēng)率高于20%后對(duì)NOx降低效果不再顯著。因此，燃煤鍋爐氨煤混合燃燒存在最優(yōu)燃盡風(fēng)率，使鍋爐NOx排放與燃盡皆處于較優(yōu)水平。

4)鍋爐運(yùn)行氧量對(duì)NOx與NH3排放有顯著影響，隨運(yùn)行氧量降低，鍋爐NOx質(zhì)量濃度顯著下降，而NH3體積分?jǐn)?shù)快速上升；存在鍋爐最佳運(yùn)行氧量區(qū)間，此時(shí)鍋爐NOx與NH3排放量皆可保持在較低水平。