燃煤電站鍋爐摻氨燃燒與排放特性綜述

汪 鑫，陳 鈞，范衛東

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引 言

燃煤電站鍋爐是我國主要的CO2排放源之一，在“碳達峰、碳中和”目標下，燃煤電站鍋爐碳減排受到重視。氨氣是一種實現可再生能源大規模可靠存儲的儲能介質，作為燃料利用不會造成碳排放。氨作為優良的無碳燃料，與煤摻混燃燒受到廣泛關注[1-3]。燃煤摻氨(NH3)燃燒可行性較高。與其他技術相比，燃煤摻氨燃燒可利用現有燃煤電廠的低NOx燃燒系統，且由于爐膛內燃燒環境溫度高，既能有效降低CO2排放，又能大大提高氨燃燒穩定性[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，有望在短期內實現有效的碳減排。

然而，燃煤摻氨燃燒的應用也存在技術性問題。研究表明氨氣燃燒特性差，且存在NOx排放高的風險。但在燃煤鍋爐提供的燃燒及爐內環境條件下，氨氣著火和燃燒效果、NOx排放水平及現有控制燃煤鍋爐NOx排放的空氣分級技術在摻燒氨氣時對NOx的控制效果等有待驗證。為此，筆者針對氨煤摻燒過程中潛在問題進行探討，同時進行了燃煤摻氨燃燒試驗，分析了空氣分級燃燒技術在燃煤摻氨燃燒中的應用，揭示了不同摻氨比例、溫度、摻氨位置時燃煤摻氨燃燒產物的變化規律。

1 現有燃煤電站鍋爐碳減排技術途徑

1.1 現有燃煤鍋爐碳減排技術現狀

CO2捕集利用與封存(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS)是當前國內外高度重視的碳減排技術[8]。針對燃煤鍋爐，該技術旨在從排放側著手，將燃煤生成的CO2分離捕集，并運輸到合適場地加以利用或封存。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[9-10]。對于常規燃燒產生的煙氣，CO2濃度不高，化學吸收法[11-12]是較成熟且極有潛力的捕集技術。然而不論采用富氧燃燒技術還是常規燃燒配合化學吸收法實現碳捕集，最終分離捕集的大量CO2都依賴于封存技術加以處理[8]，會隨CO2運輸封存技術和市場的不斷成熟而普遍應用。

為從源頭上減少燃煤電廠CO2生成，摻燒生物質[13-14]和可再生能源生產的氫氣[15]是易實現的途徑之一。然而，基于我國國情，形成一套完備的生物質燃料供給-消費產業鏈仍需長期發展過程[16]。同時，氫氣在存儲和運輸方面的弊端嚴重限制了燃煤電廠摻氫燃燒的工業化應用。燃煤電廠摻燒生物質或氫氣，本質都是提高可再生能源的利用率。因此，尋找一種利用太陽能和風能等可再生能源實現大規模工業生產且在存儲、運輸方面具有優勢的零碳燃料，是短期內有效降低燃煤電廠煤耗，從而在源頭上實現碳減排的關鍵。

1.2 摻氨燃燒實現有效碳減排

氨氣作為可再生能源的優良載體，具有能量密度高、儲能可靠性強及制備工藝成熟等優點，利用可再生能源生產的綠色氨氣為完全零碳燃料。相比氫氣，氨氣在存儲和運輸方面的優勢明顯，其液化便捷、成本低、運輸網絡成熟、安全性等高，因此，近年來以實現碳減排為目標推進氨氣的燃料化利用受到廣泛關注[17-18]。

與CCUS技術不同，燃煤鍋爐摻氨燃燒通過降低煤炭使用量從源頭上實現CO2減排，隨摻氨量增加，CO2排放量將線性下降。日本政府2014年開始實施的“內閣府戰略創新促進計劃(SIP)：能源載體”項目明確提出將在燃煤電廠摻氨燃燒發電的規劃，擬于2030年實現氨氣替代燃煤發電廠20%的煤炭供應，并將進一步提升該比例至50%以上[17,19]。我國當前燃煤火力發電占比高，在現有機組摻氨燃燒能夠在短期內實現高效碳減排，存在技術、市場、成本等限制。鑒于此，筆者對氫氣的能量載體——氨氣在燃煤鍋爐中作為零碳摻燒燃料的燃燒和排放技術進行前瞻性分析，以期為實現燃燒電廠低碳和低氧排放提供技術發展方向。

2 氨燃料的特殊性

2.1 氨燃燒存在的問題

氨氣燃燒的首要問題是燃燒特性差。相對其他氣體燃料，其熱值較低、著火溫度高、著火延遲時間長、火焰傳播速度低，常溫條件下，難以獲得穩定的氨火焰。針對燃氣輪機燃燒室，采用特殊的穩燃結構能實現氨氣穩定燃燒，但火焰分布很寬，釋熱率低，受壁面散熱影響非常顯著[20]。在壁面散熱嚴重的情況下，即使整體處于貧燃料狀態，燃燒室出口仍能檢測到接近5 000×10-6的未燃盡氨氣[21]。

氨氣燃燒另一個關鍵問題是高NOx排放風險[22]。不同于常規碳氫燃料，氨氣含氮率高達82%，燃燒過程中NO主要通過燃料型機理生成。研究表明，氨氣燃燒的NOx排放水平比常規碳氫燃料至少高一個數量級，實驗室級別氨基礎火焰的NO體積分數高達2 000×10-6[21]，純燒氨氣的50 kW微型燃氣輪機出口NO體積分數實測結果也超過1 000×10-6(16% O2)[22]。

氨氣燃燒強度與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，而后者需要強烈的燃燒過程加以維持。結果表明氨火焰中NO和OH分布具有高度相關性[23-24]，充分驗證了NO生成與燃燒過程的高度耦合關系。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，氨氣燃燒強度顯著提升，但NOx排放也明顯增加。

當前關于氨氣燃燒及NOx排放特性的大量研究多以燃氣輪機為應用背景，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排放控制之間的協調面臨很大挑戰。對于燃煤鍋爐，爐內燃燒條件與燃氣輪機存在顯著差異，且煤粉和氨氣差異明顯，在燃煤鍋爐中摻氨燃燒面臨的問題與基于燃機得出的結論不盡相同。

2.2 燃煤鍋爐內部氨燃燒強化

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部的高溫燃燒環境更有利于氨氣燃燒。利用燃煤鍋爐系統富余的熱能預熱氨氣和空氣，有利于提高氨氣的著火和燃燒特性；爐內溫度普遍高于1 000 ℃，且在燃燒器區域壁面鋪設衛燃帶能獲得更高的局部壁溫[25]，爐內高溫熱環境也是氨氣高效燃燒的保障。

提高初始溫度是強化氨燃燒的重要手段之一，圖1以絕熱層流預混火焰傳播速度為例說明了預熱對氨燃燒的強化效果，散點為試驗數據[26-27]，最高溫度僅175 ℃。筆者利用ChemkinPro的層流火焰計算模型計算了更高溫度條件下的數據，反應機理選用Okafor 2019機理[17]，計算域長5 cm，考慮了Soret擴散和多元擴散，但未包含輻射。提高初始溫度可顯著提升火焰傳播速度，預熱溫度達到400 ℃ 時，氨/空氣預混火焰傳播速度超過常溫下甲烷火焰的水平。進一步增加初始溫度至600 ℃，火焰傳播速度達80 cm/s量級。

圖1 初始溫度對氨火焰傳播速度的影響Fig.1 Effects of initial temperature on ammonia flame speed

同樣通過將反應物預熱到較高溫度水平，筆者在常溫大空間內成功獲得了氨/空氣非預混射流火焰，結果如圖2所示。高預熱溫度實現了燃燒反應強度提升，氨火焰穩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生明顯變化。即便預熱溫度升高到600 ℃(氨氣自著火溫度為650 ℃)，在常溫大空間內未獲得穩定性更差的氨/空氣預混火焰。

圖2 氨/空氣非預混預熱燃燒試驗臺及初始溫度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電阻爐內，通過電爐提供高溫熱環境，配合預熱，爐溫達400 ℃時即成功獲得了穩定的氨/空氣預混火焰。爐溫400～600 ℃下獲得穩定氨/空氣預混火焰的分布情況如圖3所示，可知貧燃條件下火焰穩定性較差，當量比低于0.9 時火焰無法穩定。同時，增大氨氣流量使預混氣流速增加，流速增大到一定程度時火焰吹熄。提高爐溫使火焰穩定性增強，火焰能在更高的來流速度下保持穩定，隨爐溫升高，穩定火焰分布范圍顯著拓寬。

圖3 不同爐溫下穩定氨/空氣預混火焰的分布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熱條件及爐內高溫熱環境都有利于強化氨氣燃燒，氨氣燃燒特性差可能不會成為制約其在燃煤鍋爐摻燒的主要因素。然而，爐內優越的燃燒條件可能導致NO生成量大幅增加，同時煤粉燃燒形成的復雜氣氛也可能影響氨氣在爐內的轉化，因此，燃煤鍋爐摻氨爐內燃燒效果和NOx排放特性需進一步深入研究。

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

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

ISHIHARA等[1-2]采用含詳細化學反應的零維數值計算模型對某工業1 000 MW煤粉鍋爐進行研究。不同摻氨比例下NH3排放和未燃盡碳歸一化產量的計算結果如圖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0表示NH3為0共燒的情況，即完全燃煤)。可知燃煤摻氨燃燒過程中，在出口處均無氨氣存在，摻入的氨可完全燃盡。輸入相同熱量時，有效降低CO2排放。雖然氨能在鍋爐中燃盡，但摻入氨會影響煤燃燒，隨摻氨比例提高，焦炭消耗受到抑制，未燃盡碳的量增加，說明煤的燃盡位置會延后。

圖4 不同摻氨比NH3的排放和未燃盡碳歸一化產量[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NOx形成和排放備受關注。CARDOSO等[28]建立了二維Euler-Lagrange數值模型，模擬研究了反應器位置和空氣分級燃燒對NO產量的影響，以及NH3對反應器溫度分布和輻射流量的影響。CHEN等[5-7]運用量子化學理論闡述了燃煤鍋爐氨煤混合燃燒NOx的還原理論。文獻[29]在40 MWth氨煤混合燃燒試驗臺上進行了摻氨比例0～25%(按熱值)的氨煤混合試驗。發現在無燃盡風條件下，鍋爐運行氧量3.7%、主燃區當量比1.21時鍋爐NOx質量濃度(6% O2)如圖5所示。說明燃煤摻氨燃燒會大大提高鍋爐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]

筆者在一臺可控恒定壁溫的45 kW電加熱燃燒爐中進行了摻氨比例0～100%(按熱值)的氨煤摻燒試驗。選用國內電廠常用煙煤作為試驗對象，氨低位發熱量為18.6 MJ/kg[4,30]。圖6為不同溫度下，對某種煤摻氨的NOx體積分數增幅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NOx排放體積分數，10-6；C(NO0)為純燒煤時NOx排放體積分數，10-6。

由圖6可知，燃煤摻氨燃燒會增加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，NOx排放量增量較少。這是由NH3的選擇性非催化還原反應(SNCR)和煤焦異相還原反應共同作用導致。

尾氣中未檢測到NH3和CO，表明試驗過程中摻入的NH3可完全燃盡，還原區中氣化生成的CO被完全燃燒。這與第3.1節中ISHIHARA等[1-2]研究結論相符，利用化學動力學計算得出只有在大比例(摻氨比例80%)摻氨條件下才會有極其微量氨出現在燃燒器出口。

3.2.2 燃煤摻氨燃燒NO生成和還原機理

燃煤摻氨燃燒氮的主要轉換途徑如圖7所示。氣氛對NH3中氮轉化影響很大，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表現出較強的還原NO能力，可有效還原氨煤摻燒過程中生成的NO[33-35]。

圖7 氨煤摻燒氮轉化反應路徑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混后噴氨和利用氨槍單獨噴氨，其中氨槍噴氨又分為燃燒器內插和側壁噴氨。利用1.2 MW煤粉臥式燃燒爐進行了燃煤摻氨燃燒研究，對比了預混與單獨噴氨對NOx排放量的影響，如圖8所示(6% O2)。結果發現在燃燒器側，氨煤混合通入或從氨槍中單獨通入時NOx排放量低于從側壁噴入。這是因為側壁面通入NH3可降低NOx停留時間，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、燃盡區、下游1區和下游2區，其中主燃區又分為與空氣預混噴入(Combustion Air)和在火焰區(FZ)噴入，如圖9所示(MZ為混合區，RCZ為再循環區，PFZ為后火焰區，RDZ為還原區，Q1～Q4為每個區域的局部吸熱)。采用含詳細化學反應的零維數值計算模型對某工業1 000 MW煤粉鍋爐進行研究，分析了不同氨噴入位置對NOx排放的影響。結果表明在火焰區噴入NH3時NO排放較低，由3方面因素導致：① 火焰區處于富NH3狀態，NO排放相對較低；② NH3的摻入使火焰區溫度降低，這可能導致熱力型NOx產率降低；③ 由于火焰區初始溫度較高，超過2 000 K，NH3會在焦炭氧化前轉化為NO，這部分NO會與焦炭發生異相還原反應。

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

綜上發現，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，會激活氨的SNCR，使氨趨向于還原NO的方向進行，減少NOx排放。

3.3.2 現有空氣分級燃燒系統對燃煤摻氨燃燒NOx排放的控制能力

空氣分級燃燒是減少燃煤電廠NOx排放的最有效技術之一[36-42]。該技術將爐膛在軸向上分成主燃燒區、還原區和燃盡區。燃料首先在主燃燒區燃燒，由于氧氣不足減少NOx的產生。在還原區，由煤熱解產物(HCN、NH3、NCO、煤焦等)將燃料-N轉化為N2。在燃盡區，通過注入燃盡空氣將燃料燃盡。FAN等[43-44]將這種技術稱為整體空氣分級技術，可大大減少NOx排放，但工業應用中普遍存在爐膛結渣、高溫腐蝕和不完全燃燒等問題。

氨作為燃料直接燃燒存在燃燒性能差和NOx排放過多等問題。燃煤摻氨燃燒過程中氨燃燒特性較好，但NOx排放量大幅增加。為實現高效燃燒和有效控制NOx排放，同時減少對現有鍋爐設備的改造成本，利用現有燃煤鍋爐整體空氣分級燃燒系統進行氨煤摻燒是行之有效的技術路線。

為研究爐內整體空氣分級燃燒系統對燃煤摻氨燃燒的NOx排放水平及控制能力，筆者在前述燃燒爐中進行了某種煤在不同分級工況下摻氨比例為0～100%的氨煤摻燒空氣分級燃燒試驗。

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

圖10 不同燃盡風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、摻氨比例下不分級燃燒NOx排放體積分數，10-6；CStaged為與不分級燃燒相應溫度和摻氨比例下分級燃燒NOx排放體積分數，10-6。

由圖10可知，空氣分級燃燒可有效減少NOx排放，與不分級燃燒相比，高位布置燃盡最高可減少NOx排放濃度85%。通過延后燃盡風的通入位置，可提高NOx減排提升率。這是由于燃盡風通入位置延后可以延長還原區長度，氣流和煤粉顆粒在還原區停留時間越長，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。

燃盡風通入位置在中位燃盡風噴口時，不同爐膛內部燃燒溫度下燃煤摻氨燃燒NOx減排提升率如圖11所示。說明溫度升高，通過空氣分級燃燒造成的NOx減排提升率會降低，溫度升高不利于NO控制。

圖11 不同爐膛內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題分析

燃煤摻氨燃燒除燃燒穩定性和NOx排放問題外，還會影響鍋爐燃煤機組運行參數、還原區CO和H2S等氣氛濃度等。

4.1 燃煤摻氨燃燒對鍋爐主要參數的影響

王一坤等[45]基于能量守恒定律對某電廠300 MW等級燃煤機組進行研究，通過鍋爐熱力校核計算分析了不同工況下，機組摻燒NH3比例在20%～100%時對燃煤機組的影響。發現大比例摻氨后，機組排煙溫度上升，導致鍋爐熱效率下降；機組原有受熱面布置基本能滿足需求，但由于煙氣量增大，引風機需擴容改造；對于機組原有脫硝和脫硫系統影響較小，但亞微米級氣溶膠顆粒增加，需增設捕集系統。

CARDOSO等[28]通過建立二維歐拉-拉格朗日數值模型，描述了煤氨在中試流化床反應器中的共燒過程。發現隨摻氨比增加，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，說明摻燒20%的NH3不會對溫度和輻射通量造成不利影響。

4.2 爐內CO還原氣氛特征

空氣分級燃燒在還原區氧濃度趨向于0，在還原區檢測到較高濃度CO，由CO2和焦炭氣化生成[47-48]。還原區中CO存在及空氣分級燃燒中焦炭的異相還原反應，對于減少NOx排放至關重要[49-50]。

空氣分級燃燒模式下，不同摻氨比例時還原區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CO峰值水平。這是由于添加氨會提高還原區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，促進氣化反應活性[51-52]。因此，燃煤摻氨燃燒爐內的CO峰值濃度提高。

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

4.3 爐內H2S氣氛特征

空氣分級燃燒在還原區，還原性氣氛雖能有效降低主燃燒區形成的NOx，但這些還原性氣體也可以將SO2轉化為H2S[53-55]。高濃度H2S會加速水冷壁管腐蝕，特別是在工質溫度高、工質壓力極高的超臨界或超超臨界鍋爐中[56]。燃煤摻氨燃燒帶來的H2S變化對鍋爐安全運行至關重要。筆者發現空氣分級燃燒模式下，不同摻氨比例下還原區H2S的峰值濃度變化如圖13所示，可知隨摻氨量提高，還原區H2S峰值濃度呈下降趨勢，因此，氨煤共燒過程中H2S對水冷壁管的腐蝕可能存在緩解趨勢。

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

5 結語與展望

對可持續能源和綠色環境的需求激發了對無碳燃料的探索。發展綠色可持續的無碳燃燒系統對于世界各國履行溫室氣體排放的法律和環境義務，以及緩解不斷增加的CO2排放造成的全球變暖至關重要。氨(氫質量分數為17.6%)作為一種無碳燃料在發電、運輸和供熱系統中備受關注。然而從技術層面，與典型碳氫燃料相比，氨的低燃燒特性和高NOx排放限制其實際應用。燃煤摻氨燃燒是近期興起的減少燃煤電站CO2排放的技術路線，日本、中國已通過工業尺度的試驗研究驗證了燃煤鍋爐摻氨燃燒技術的可行性，該技術已成為實現大幅碳減排的最具潛力的技術發展路線。

1)燃煤鍋爐提供的爐內高溫熱環境有利于強化氨氣燃燒，氨氣燃燒特性差不會成為制約其在燃煤鍋爐摻燒的主要因素。利用現有燃煤系統，在無需重大設備改造的前提下，通過調整燃煤混氨方式、優化空氣分級燃燒工況可大幅降低NOx排放濃度。根據試驗煤種，空氣分級燃燒工況下，燃盡風中、高位布置且燃盡風占總風量30%以上、燃煤摻氨比例控制在20%～30%(按熱值)時，燃燒爐尾部煙氣中NOx排放濃度可控制在與煤空氣分級燃燒相當的水平。

2)大比例摻氨后，NOx排放濃度仍很高，尤其在鍋爐高負荷對應的高爐溫燃燒條件下，限于NOx排放濃度的法規限制，氨摻燒比例不能太高，會限制CO2減排力度。因此，未來需繼續在爐內NOx深度減排技術上創新發展以及為CO2大幅減排而適當折中NOx排放限制等方面開展工作，實現燃煤發電“碳達峰、碳中和”的目標。