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    摻燒氨燃料對煤揮發(fā)分火焰特性及顆粒物生成的影響

    2023-01-10 06:48:02朱京冀徐義書徐靜穎王華坤劉小偉于敦喜馬晶晶徐明厚
    發(fā)電技術(shù) 2022年6期
    關(guān)鍵詞:煤樣燃燒器燃煤

    朱京冀,徐義書*,徐靜穎,王華坤,劉小偉,于敦喜,馬晶晶,徐明厚

    (1.煤燃燒國家重點實驗室(華中科技大學(xué)),湖北省 武漢市 430074;2.省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室(寧夏大學(xué)),寧夏回族自治區(qū) 銀川市 750021)

    0 引言

    燃煤電廠是中國最主要的電力來源,也是主要的CO2排放源之一,減少燃煤電廠的碳排放迫在眉睫[1-3]。摻燒低碳或零碳燃料是很有前景的燃煤電站碳減排技術(shù),不僅可以大幅減少碳排放,還能充分利用存量電站現(xiàn)有設(shè)施,實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的最大化[4-5]。氨氣(NH3)是一種新興的“零碳”可再生燃料,可利用可再生電力(如風電、光電)電解水、分離空氣獲得的綠色氫(H2)、N2規(guī)模化制備,實現(xiàn)可再生能源的長時存儲和燃料化利用[5-8]。氨燃料作為新型替代燃料,在發(fā)動機(如壓燃式發(fā)動機、燃氣輪機)、燃料電池和工業(yè)爐等領(lǐng)域已受到廣泛重視[9]。2014年,日本首次提出在燃煤電站鍋爐中通過摻燒氨實現(xiàn)CO2減排,氨煤混燒技術(shù)日益受到關(guān)注[10-12]。

    氨燃料具有特殊的“零碳、富氫、高氮”特性,摻燒氨會引入大量燃料氮而帶來NOx排放風險,因此現(xiàn)有研究主要關(guān)注并探究了氨?煤摻燒中氮氧化物的形成和排放問題[5,13-16]。日本IHI研究團隊[13]在不同等級煤燃燒裝置和真實商用燃煤鍋爐機組上系統(tǒng)地研究了氨混燒比例,氨注入位置、參數(shù),氨與煤/空氣摻燒模式(如與煤、空氣預(yù)混合),煤的性質(zhì)(如揮發(fā)分含量),以及空氣分級對NO和NO2形成、排放的影響。結(jié)果表明:NO的排放量并不隨著氨混燒比的增加而單調(diào)增加,在氨混燒比為10%時,合理的氨煤摻燒方式可以將NO的排放量降低到與煤單獨燃燒時的相同水平。此外,針對氨煤混燒中NOx生成與排放的模擬仿真研究,通過合理的氨摻燒方式、參數(shù),燃燒器、爐膛設(shè)計,以及燃燒條件設(shè)置,可以有效控制NOx排放。除NOx排放外,IHI研究團隊[13]還分析了氨煤混燒對未燃NH3和CO2排放的影響,結(jié)果表明,CO2排放可以隨氨摻燒比例升高而成比例地減少。通過合理設(shè)計的氨注入槍能夠?qū)崿F(xiàn)純氨穩(wěn)定燃燒,使CO2排放降為零,且NOx達到純煤燃燒時的排放水平。牛濤等[14]在熱功率40 MW燃煤鍋爐上進行了氨煤混燒的工業(yè)試驗,結(jié)果表明:通過合理的燃燒器設(shè)計和摻混參數(shù)調(diào)節(jié),可以控制NOx排放保持在低水平,驗證了氨煤混燒技術(shù)的可行性。

    隨著研究的深入,氨煤混燒的著火、燃燒與火焰特性(如脫揮發(fā)分、著火、火焰?zhèn)鞑?引起廣泛重視。燃煤碳煙會通過輻射效應(yīng)影響爐膛內(nèi)的溫度分布,還會通過影響溫度分布來影響煤的燃燒特性。然而,目前關(guān)于氨煤混燒對碳煙的影響研究鮮見報道,氨煤摻燒條件下燃料熱解、揮發(fā)分釋放及碳煙生成行為等方面信息的缺失,成為進行氨煤混燒燃燒組織和設(shè)計的重要瓶頸。Murai等[16]在熱功率10 MW燃燒實驗爐上的觀測結(jié)果表明:從煤粉燃燒器中心噴射氨燃料會導(dǎo)致著火延遲,使得氨煤混合火焰遠離燃燒器出口。Hadi等[17-18]測定了不同氨煤混合物的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋Y(jié)果表明:氨摻燒可以提高煤顆粒的著火能力,導(dǎo)致氨煤混合物的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為煤本身火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?倍。煤中揮發(fā)分的含量對火焰?zhèn)鞑ビ酗@著影響,氨與高揮發(fā)性煤摻燒時的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前眴为毴紵龝r的2倍,而氨與低揮發(fā)性煤摻燒時對火焰?zhèn)鞑]有明顯的促進作用。經(jīng)推測,高揮發(fā)分煤熱解釋放的可燃揮發(fā)分物質(zhì)提高了燃料空氣當量比,并通過形成碳煙顆粒增強了輻射熱傳遞,抵消了煤熱解(脫揮發(fā)分)過程的吸熱效應(yīng),最終促進了燃燒反應(yīng)和火焰?zhèn)鞑ァ>C上可見,摻燒氨燃料會改變煤中揮發(fā)分的釋放和轉(zhuǎn)化,是決定混合燃料火焰特性和燃燒特性的關(guān)鍵因素。然而,摻燒氨燃料將如何影響揮發(fā)性物質(zhì)形成、著火、燃燒和碳煙顆粒生成仍缺乏深入研究。

    燃煤碳煙主要存在于揮發(fā)分火焰中,利用平面火焰燃燒器可以形成較真實的熱煙氣環(huán)境,實現(xiàn)對燃煤碳煙生成與演變的探究[19]。本研究基于McKenna燃燒器開展煤燃燒實驗,利用CH4-COO2-N2預(yù)混氣燃燒形成的平面火焰為煤的熱解和燃燒提供真實熱煙氣環(huán)境。采用可見光相機連續(xù)記錄煤火焰生成及演變歷程,采用細石英取樣管和煙氣分析儀測定火焰不同高度處的煙氣成分(O2、NH3、NO、CO、CO2),利用熱泳取樣系統(tǒng)采集火焰不同高度處顆粒物,并利用電鏡觀測微觀形貌、數(shù)濃度和體積分數(shù)。研究結(jié)果可為實現(xiàn)氨煤摻燒鍋爐的燃燒穩(wěn)定、污染物生成調(diào)控提供參考。

    1 燃燒實驗與采樣分析

    1.1 燃燒系統(tǒng)與工況設(shè)計

    1.1.1 燃燒系統(tǒng)

    本研究所用煤種為神華煙煤,其工業(yè)分析和元素分析如表1所示。原煤經(jīng)干燥(105℃)、研磨、篩分后選取50~100 μm粒徑段煤粉用于實驗。煤粉經(jīng)手動壓片(2 MPa)壓制成直徑8 mm的圓柱形煤顆粒((200±1)mg)備用[20]。

    表1 煤的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

    實驗采用的平面火焰燃燒實驗系統(tǒng)如圖1所示,主要由McKenna平焰燃燒器、管式石英罩、煤支撐架、供氣模塊和水冷模塊組成[20]。其中,McKenna燃燒器(Holthuis&Associates Co.)通過燃燒預(yù)混燃氣產(chǎn)生穩(wěn)定的平面火焰,為煤燃燒提供穩(wěn)定熱源,其主要由燃氣混合腔、保護氣腔、中心管(直徑為4 mm)、冷卻水組成。各燃料氣(CO、CH4、N2、O2)先通入燃氣混合腔中形成預(yù)混燃氣,然后從上方多孔燒結(jié)板滲出,燃燒形成穩(wěn)定的平面火焰。煤樣放置在燃燒器中心軸線正上方5 mm處,即距離燃燒器的高度(height above burner,HAB)為5 mm,由特制的耐高溫氧化鋁陶瓷棒(直徑0.4 mm)支撐,煤樣在氣體燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中依次被加熱、熱解和燃燒。含氨混合氣(NH3、Ar、N2)由中心管送入燃燒環(huán)境(煤樣正下方),在煤樣周圍形成不同NH3濃度的燃燒氛圍。燃燒器出口外圍設(shè)置了石英保護罩(內(nèi)徑為90 mm,高度為200 mm),將火焰與外部環(huán)境隔離開,避免火焰抖動,保障火焰穩(wěn)定性。石英罩側(cè)方設(shè)置有寬10 mm、高100 mm的垂直狹縫,用于實現(xiàn)溫度、煙氣和顆粒物的測量、采集。

    圖1 燃燒實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of combustion experimental system

    1.1.2 工況設(shè)計

    實驗中預(yù)混燃氣采用CO、CH4、O2和N2,總流量設(shè)置為11.25 L/min,詳細組成如表2所示。

    表2 預(yù)混氣態(tài)燃料流參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter setting of premixed gaseous fuel flow

    氣態(tài)氨燃料通過中心管注入,中心管中攜氨氣流總流量設(shè)置為0.20 L/min,其中氨體積分數(shù)為0、25%、50%,其余為N2、Ar組成的平衡氣,詳細組成如表3所示。

    表3 攜氨氣流參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting of ammonia carrying gas flow

    1.2 火焰形貌、溫度及氣態(tài)產(chǎn)物測量

    實驗中借助相機記錄預(yù)燃氣點燃后煤樣受熱、燃燒、熄滅全過程的可見光圖像,過程中視場大小及拍攝設(shè)置保持不變。

    參考文獻[21-22]的方法,采用無涂層預(yù)焊的R型熱電偶(型號為P13R-003,Omega,導(dǎo)線直徑為75 μm,結(jié)點直徑為180 μm)對穩(wěn)定火焰中心軸線上的溫度分布進行測量。實驗中將熱電偶測溫點(焊接點)迅速插入到火焰中心軸線位置,實時連續(xù)記錄測溫數(shù)據(jù),避免在熱電偶表面快速形成碳煙覆蓋層,影響溫度測量的準確性。沿火焰高度方向每隔5 mm設(shè)置一個測點,直到火焰頂端。采用輻射熱損失法對溫度測量結(jié)果進行校正[22]。每個測點重復(fù)測量5次,計算平均值和誤差。

    采用定制的細石英取樣管(采樣尖端外徑為1 mm,內(nèi)徑為0.5 mm)在火焰穩(wěn)定燃燒階段對中心軸線不同高度位置進行采樣,采用煙氣分析儀(MRU Optima 7)測定煙氣中O2、CO、CO2含量,采用定制的復(fù)合氣體分析儀(GT2000-SY5)測定煙氣中NH3、NO含量(取樣點HAB分別為17、20、24、28、32 mm)。

    1.3 顆粒態(tài)產(chǎn)物采集與分析

    采用快速熱泳取樣法對火焰中的顆粒態(tài)產(chǎn)物進行瞬時采樣,以分析顆粒態(tài)產(chǎn)物的真實形貌特征[20,22]。

    如圖1所示,熱泳取樣系統(tǒng)主要由探針、升降臺、氣動系統(tǒng)(即雙向高速氣缸、雙向電磁閥、壓縮空氣系統(tǒng))、控制單元組成。采樣時超薄微柵碳膜(200目)夾于探針前端,由氣缸驅(qū)動快速插入、離開火焰。取樣過程包括進入火焰、停留采樣、離開火焰3個階段,經(jīng)高速攝像確認,探針停留取樣位置位于燃燒器中軸線上。實驗中,均在火焰穩(wěn)定階段相同時刻(點火后第35 s)取樣,取樣行程時間為200 ms。采樣點HAB分別為14、17、20、24、28、32 mm。

    利用透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)(Talos F200X,F(xiàn)EI)觀察采集的碳煙樣品微觀形貌。在每個微柵碳膜上下左右4個位置隨機觀測,每個位置分別拍攝7張圖像。低放大倍數(shù)圖像用于檢驗碳煙顆粒在微柵碳膜上分布的均勻性,高放大倍數(shù)用于分析碳煙顆粒的整體形貌。采用圖像處理軟件ImageJ對TEM圖像進行處理,統(tǒng)計并計算碳煙顆粒(1 000個以上)的數(shù)濃度和體積分數(shù)等信息。

    顆粒物的數(shù)濃度N定義為平均每張TEM圖像中的總顆粒數(shù)量,碳煙體積分數(shù)(soot volume fraction,SVF)VSVF定義為平均每張TEM圖像中的總顆粒體積,計算公式如下:

    式中:Nimg為一個工況下用于分析碳煙數(shù)據(jù)的TEM圖像的數(shù)量;Nia為第i張TEM圖像中碳煙顆粒(碳煙單體和碳煙團聚體)的總數(shù)量;dijp、Nijp、Aijp和Aija分別為第i張TEM圖像中第j個碳煙顆粒的初級顆粒平均粒徑、初級顆粒數(shù)、初級顆粒平均投影面積和投影面積。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 火焰形態(tài)及演變行為

    煤單獨燃燒或摻燒不同比例NH3時的揮發(fā)分火焰圖像及演變歷程如圖2所示。可以看出,煤在預(yù)混燃氣加熱下析出揮發(fā)分,并著火燃燒形成細長黃色的揮發(fā)分火焰;隨后進入穩(wěn)定燃燒階段,揮發(fā)分火焰形態(tài)維持不變;隨著揮發(fā)分釋放殆盡,揮發(fā)分火焰逐漸減小,最后進入焦燃燒階段。摻氨后,煤樣燃燒歷程類似,但NH3較早著火燃燒,形成短粗的黃色氨火焰,并包裹加熱煤樣,促使其揮發(fā)分析出;析出的揮發(fā)分與NH3混合燃燒,形成共存火焰穩(wěn)定燃燒;最后,殘余煤焦在氨火焰中繼續(xù)燃盡。

    圖2 摻氨前后不同時刻(間隔1 s)的煤揮發(fā)分火焰形貌Fig.2 Volatile flame of coal at different time(1 s interval)before and after ammonia addition

    通過對比發(fā)現(xiàn),摻燒NH3后煤的著火時刻提前,如圖3所示,未摻氨時煤揮發(fā)分著火起始時刻為預(yù)混氣點燃后23 s,而在低摻氨(25%)、高摻氨(50%)時的著火起始時刻分別提前至21、20 s。這是因為煤在著火前需經(jīng)歷吸熱脫揮發(fā)分過程,導(dǎo)致著火時間長于NH3。而摻燒NH3后,NH3在煤析出揮發(fā)分前就開始燃燒,釋放大量熱量,低摻氨時溫度整體升高了10~50℃,高摻氨時溫度整體升高了20~70℃,如圖4所示,對煤著火時間提前有正向促進效應(yīng)。值得注意的是,NH3的燃燒反應(yīng)性低于揮發(fā)分(主要成分為H2、CH4、CO等),所以摻混NH3也會因?qū)]發(fā)分有稀釋效應(yīng)而對著火有抑制效應(yīng)。當摻氨比例由25%升高至50%時,NH3燃燒放熱對煤著火時間的正向促進效應(yīng)與稀釋抑制效應(yīng)部分抵消,使得著火時刻不再進一步提前。

    圖3 摻氨前后煤揮發(fā)分著火時間、穩(wěn)定時間和火焰高度Fig.3 Ignition time,stability time of coal volatile and flame height before and after ammonia addition

    圖4 火焰軸線上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution along flame centerline

    同時,摻燒NH3會導(dǎo)致氣相火焰穩(wěn)定燃燒階段時間更長,如未摻NH3時火焰穩(wěn)定持續(xù)時間為23 s,而低摻氨和高摻氨時火焰穩(wěn)定持續(xù)時間分別延長至32、38 s,這表明NH3改變了煤熱解及揮發(fā)分釋放行為。

    摻燒NH3也會改變穩(wěn)定階段的揮發(fā)分火焰高度,如未摻氨時揮發(fā)分火焰高度為38 mm,低摻氨(20%)時火焰高度增至43 mm,而高摻氨(50%)時火焰高度反而降低為33 mm,即摻燒NH3對火焰高度具有非線性影響。摻燒NH3后由揮發(fā)分和NH3組成的混合可燃氣體的總量增加,燃燒需要更多氧氣,從而使火焰高度增加。同時,摻燒NH3也會影響火焰中碳氫組分向碳煙顆粒的轉(zhuǎn)化,改變火焰的輻射特性和可視邊界。煤燃燒時碳煙生成較多,導(dǎo)致火焰顏色明亮、形狀細長、邊界清晰;而高摻氨時火焰顏色暗黃,碳煙輻射減少,火焰呈短粗形狀,比煤單獨燃燒時的火焰高度低。在低摻氨時,火焰變得更加明亮,長度增加,表明該工況下碳煙生成與分布行為可能發(fā)生了改變,值得進一步分析。

    2.2 揮發(fā)分火焰的溫度及氣態(tài)污染物分布特性

    煤單獨燃燒或摻燒不同比例NH3時揮發(fā)分火焰軸線上的溫度分布及氣態(tài)產(chǎn)物(O2、NH3、NO、CO、CO2)濃度分布分別如圖4、5所示。由圖4可見,摻氨前后火焰軸線上的溫度分布規(guī)律相似,即隨著HAB增加,火焰溫度先升高后降低。其原因是:在火焰下部煤樣周圍,由于煤熱解吸熱及揮發(fā)分未充分燃燒放熱,導(dǎo)致溫度較低;隨著HAB增加,揮發(fā)分燃燒放熱,使溫度升高;在火焰高處,揮發(fā)分逐漸燃盡,致使溫度下降。

    相比較而言,摻氨后火焰溫度升高,高溫區(qū)域范圍增大,且在實驗摻氨比范圍內(nèi),摻氨比越高,溫度越高。摻燒NH3后,NH3燃燒釋放額外熱量,導(dǎo)致NH3與揮發(fā)分的混合氣體火焰溫度高于煤單獨燃燒時的火焰溫度。

    由圖5可見,實驗條件下火焰軸線上O2體積分數(shù)在0~4%范圍內(nèi),較為真實地模擬了燃煤煙氣條件。值得注意的是,在火焰中后部(HAB超過24 mm),火焰軸線上O2濃度隨HAB增加而升高,這是因為有少量空氣從石英罩垂直狹縫滲入。摻燒NH3后,火焰中可燃物當量比增大,燃燒反應(yīng)會消耗更多的O2,導(dǎo)致火焰中O2濃度降低,且摻氨比越高,O2濃度越低。并且,在高摻氨工況下,由于O2不足,導(dǎo)致火焰及煙氣中存在大量未燃盡NH3(體積分數(shù)>3.988×10?3,超出儀器量程上限)。值得注意的是,由于NH3的燃燒反應(yīng)性較弱,即使在低摻氨、火焰中仍有富余O2存在的工況下,也存在NH3燃燒不完全的風險。

    圖5 火焰中O2、NH3與NO濃度分布Fig.5 Concentration distribution of O2,NH3 and NO in flame

    摻燒NH3后火焰中NOx濃度的變化是人們關(guān)注的重點。實驗中,煤單獨燃燒時NO體積分數(shù)約為0.18×10?3,而摻燒NH3后火焰中NO體積分數(shù)升至0.73×10?3,表明摻燒的NH3在揮發(fā)分火焰中部分轉(zhuǎn)化為NO,且即使在高摻氨、高可燃物當量比的工況下,也會形成較高濃度的NO。該結(jié)果表明,在實現(xiàn)氨煤摻燒中需進行特殊的低氮燃燒設(shè)計。相比較而言,在未摻氨及低摻氨工況下,火焰下游NO濃度隨滲入空氣稀釋而下降;而在高摻氨工況下,火焰中富余的NH3在當?shù)馗邷?大于1 150℃)條件下與滲入的空氣進一步發(fā)生氧化反應(yīng),導(dǎo)致NO濃度略有升高。

    火焰中CO、CO2濃度分布如圖6所示,可以看出,摻燒NH3后火焰中CO與CO2濃度均升高,且其增幅隨摻氨比增加而增大。由此可見,摻燒NH3也會影響煤等碳氫燃料中元素在燃燒過程中的釋放與遷移行為。一方面,摻燒的NH3與揮發(fā)分競相消耗O2,抑制揮發(fā)分中CO等可燃物燃燒,導(dǎo)致火焰中CO含量升高。另一方面,在煤樣及預(yù)混燃氣等含碳組分總量保持不變的情況下,揮發(fā)分火焰中CO2與CO濃度均升高,表明摻燒的NH3可能改變了煤樣的熱解行為,促進了煤熱解中氣態(tài)揮發(fā)分產(chǎn)物的生成與釋放,形成更多的氣態(tài)碳氫組分。更多揮發(fā)分的生成和釋放很好地解釋了氣相揮發(fā)分火焰穩(wěn)定燃燒階段時間延長的實驗現(xiàn)象,同時,上述火焰特性及煙氣成分變化表明,摻燒NH3后,燃煤揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化行為及碳煙等物質(zhì)的生成與分布也可能隨之發(fā)生改變,值得進一步分析。

    圖6 火焰中CO、CO2濃度分布Fig.6 Concentration distribution of CO andCO2 in flame

    2.3 揮發(fā)分火焰的顆粒物生成特性

    圖7為摻氨前后煤揮發(fā)分燃燒火焰軸線上不同高度處碳煙顆粒物的微觀形貌,圖8、9分別為碳煙數(shù)濃度與碳煙體積分數(shù)變化。結(jié)果顯示,摻氨前后燃煤揮發(fā)分火焰中碳煙生成歷程相同,即熱解形成焦油等重質(zhì)揮發(fā)分、焦油生成碳煙一次顆粒、碳煙顆粒團聚長大、碳煙顆粒氧化。

    圖7 摻氨前后煤揮發(fā)分火焰軸線上的碳煙形態(tài)變化Fig.7 Morphology changes of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

    從圖8、9可以看出,在實驗條件下,HAB<20 mm火焰中,碳煙的成核生成過程強于碳煙顆粒的團聚和氧化過程,因而碳煙顆粒數(shù)目不斷增多。而在HAB>20 mm火焰中,碳煙顆粒的團聚和氧化成為主導(dǎo)過程,導(dǎo)致碳煙顆粒數(shù)目不斷減少。

    圖8 摻氨前后燃煤揮發(fā)分火焰軸線上的碳煙數(shù)濃度變化Fig.8 Number concentration of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

    圖9 摻氨前后燃煤揮發(fā)分火焰軸線上的碳煙體積分數(shù)變化Fig.9 Volume fraction of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

    通過對比發(fā)現(xiàn),摻燒NH3后火焰中的碳煙數(shù)量增多,且碳煙團聚體尺寸增大。定量結(jié)果顯示,摻氨后火焰中碳煙顆粒數(shù)濃度峰值由平均每張TEM圖像上154個增至380個,增加了147%。相應(yīng)地,摻氨后火焰中碳煙體積分數(shù)峰值也由平均每張TEM圖像上2.1×10?14cm3增至4.2×10?14cm3,增加了100%??梢姡瑢嶒灄l件下?lián)綗齆H3促進了揮發(fā)分向碳煙的轉(zhuǎn)化過程,并促進了碳煙的團聚長大。在以后的氨煤混燒實際應(yīng)用中,需要合理地調(diào)控各個工況參數(shù),如氧當量比、燃燒溫度、摻氨濃度、氨與煤的相對位置等,使碳煙量處在一個合適的范圍內(nèi)。

    碳煙是由煤熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分轉(zhuǎn)化、演化生成的,摻燒NH3通過影響溫度、碳氫組分濃度、O2濃度來影響煤燃燒火焰的揮發(fā)分釋放與轉(zhuǎn)化行為,進而影響碳煙的生成。首先,摻燒NH3后,火焰溫度升高,促進了煤熱解,并改變了煤樣周圍的熱解氛圍,促進了煤揮發(fā)分的釋放;其次,摻氨后火焰溫度升高及高溫區(qū)擴展,促進了多環(huán)芳烴化合物(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAH)、焦油等氣態(tài)碳煙前驅(qū)體的生長反應(yīng),增加了碳煙生長時間;再次,摻燒NH3后,強化了燃燒中O2的競爭,抑制了PAH等氣態(tài)有機組分的氧化,促進了其向碳煙的轉(zhuǎn)化;最后,火焰氛圍中O2濃度降低,抑制了碳煙的氧化消耗。

    3 結(jié)論

    基于McKenna平面火焰燃燒系統(tǒng)開展了煤摻氨燃燒實驗,結(jié)合可見光相機、煙氣分析儀及熱泳探針取樣分析系統(tǒng),探究了摻燒氨燃料對煤揮發(fā)分火焰形態(tài)、火焰溫度分布、氣態(tài)污染物及碳煙等細顆粒物生成的影響,得到以下結(jié)論:

    1)摻燒NH3會影響煤熱解、揮發(fā)分釋放及著火、揮發(fā)分火焰形態(tài)和演變特征。NH3先于煤樣著火,促進煤熱解及釋放揮發(fā)分,使火焰著火起始時刻提前,揮發(fā)分釋放時間和火焰穩(wěn)定時間延長。

    2)摻燒NH3會影響煤揮發(fā)分火焰中的溫度和產(chǎn)物分布,摻燒的NH3在揮發(fā)分火焰中部分轉(zhuǎn)化為NO,導(dǎo)致火焰中NO濃度顯著升高。即使在高摻氨、高可燃物當量比工況下,也會形成較高濃度的NO,表明氨煤摻燒中進行特殊低氮燃燒設(shè)計的重要性。

    3)NH3摻燒會通過影響溫度、碳氫組分濃度、O2濃度,進而影響煤燃燒火焰的揮發(fā)分釋放與轉(zhuǎn)化行為,最終影響碳煙的生成。摻燒NH3促進了揮發(fā)分向碳煙的轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致生成的碳煙數(shù)量增多,體積分數(shù)增大,并且延長了燃煤碳煙的團聚長大過程,抑制了碳煙氧化,使得碳煙團聚體尺寸增大。在以后的氨煤混燒實際應(yīng)用中,需要合理地調(diào)控各個工況參數(shù),以使碳煙量處在一個合適的范圍內(nèi)。

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