煤氨混燃方式與摻氨比對燃料排放特性的影響研究

龔 艷 艷

(1.北京天地融創科技股份有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，煤炭的能源保障性地位短時期不會改變[1]，將煤與NH3混燃逐步減少煤電是實現降碳的1種新途徑，但純NH3燃燒有火焰傳播速度低、NOx排放高的問題。研究表明，摻氨比、NH3的注入方式及位置、燃燒溫度、氧體積分數、氣體流速是影響煤/NH3混合燃料燃燒特性的主要影響因素[2-4]。有學者發現將煤/NH3共燃的火焰傳播速度比純煤燃燒快3倍，比純NH3燃燒快2倍[5]。

隨著摻氨比增加，NOx呈線性增加的趨勢[6]，但Yuan[7]認為煤/NH3混燃可實現NOx排放低于純煤燃燒，同時在高溫區產生的NO2和N2O不容忽視。在MW級試驗中發現[8]從燃燒器中心注入NH3比側壁注入更可取，其改造成本更低且NOx控制性能更好，當摻氨比低于20%時，將NH3噴射到富含燃料區域不會加劇NOx排放，CO2的減少也與摻氨比成正比，氨氣噴槍的使用可以在維持 NOx排放幾乎不變的情況下，顯著提高焦炭的燃盡率，是氨氣與煤混燃時1種較優的選擇。合適的氨氣射流速度不僅可以充分促進氨氣對焦炭氧化過程中NOx生成的抑制，還能提高局部燃燒溫度促進焦炭的氧化。Hencken燃燒器因其具有燃燒穩定、在較大的范圍內可快速精準調節、較好的光學特性、可以真實的模擬實際燃燒條件等優點，適合開展煤/NH3混燒的機理研究，MA[9]在雙級平焰燃燒器上開展了煤/NH3混燒的著火機理、燃盡特性、NOx排放特性、灰渣演化及沉積特性等一系列研究，對理解煤/NH3混燒的相互作用至關重要。綜上，將煤/NH3混燃以實現低碳清潔燃燒是可行的，但關于煤/NH3混燃的燃燒特性的結論不一，亟待開展大量研究。

因此，筆者將基于平焰燃燒器開展煤/NH3混燃的實驗研究，探究摻氨比、煤/NH3注入方式對燃燒特性的影響，研究成果有望為煤/NH3混燃的應用奠定理論基礎，為數值模擬工作提供有效數據支撐。

1 實驗裝置及方法

1.1 平焰燃燒器介紹

實驗中燃燒方式為預混、非預混，其示意如圖1所示[6]，燃燒器的圓形結構可以降低反應區氣體組分和溫度分布的不均勻性。燃燒器直徑為72 mm，不銹鋼管以1∶2的管孔比插入蜂窩中，管內徑為1.0 mm，外徑為1.2 mm，中心進料管外徑為1.6 mm，硅膠墊圈和不銹鋼管用于隔離氧化劑和燃料。

1.2 實驗工況設置

實驗設定燃燒器平面燃燒溫度為1 500 K、燃燒后氧摩爾分數為0.2，蜂窩內流出氣體的流速為1 m/s。供料器采用日本 Sankyo 制造的微量給粉器，供料誤差為±5%，純煤燃燒時，煤粉供料量為250 mg/min，煤氨混合燃料按照能量輸入不變的原則配比煤與氨的燃料量，實驗中設定摻氨比為0(純煤燃燒)、20%、40%、60%、80%、100%(純NH3燃燒，摻氨比的計算公式如式(1)所示)。在預混工況下，保持蜂窩中N2、O2、CO氣體流量不變，煤粉與NH3按照一定摻氨比在N2的攜帶作用下進入中心進料管，氧化劑從不銹鋼蜂窩管流出，在燃燒器平面高溫環境下與燃料反應并產生燃燒產物。在非預混工況下，根據預混工況所計算出的不同摻氨比下NH3流量，將NH3與N2、O2、CO在蜂窩內一起通入，煤粉在N2的攜帶作用下從中心進料管進料燃燒，具體實驗工況參數見表1。

表1 氨煤混燃實驗工況Table 1 Experimental cases of coal/ammonia combustion

(1)

式中，Q(NH3)為氨燃料熱量，MJ；QMix煤氨混合燃料總熱量，MJ；E(NH3)為摻氨比，%。

1.3 實驗方法

采用尼康D90相機觀測煤粉與氨燃燒后的火焰狀態，實驗中設定燃燒器平面為起點，為減少外界氣體對燃燒后煙氣的干擾，在平焰燃燒器上方高度為5、100 mm處設置測點，分別采用德國 MRU VARIO PLUS 增強型煙氣分析儀及S型鉑銠熱電偶測量燃燒后煙氣溫度、氣體成分，并在HAB=100 mm處抽取灰樣，并采用熱重分析儀在升溫速率與終溫為20 ℃/min和1 000 ℃、氣氛為空氣、保護氣為氬氣條件下進行灰樣的熱重分析。

1.4 燃料特性

實驗中采用的煤種為中等揮發分煙煤，平均粒徑為28.2 μm。煤質特性見表2，實驗前，需將煤粉樣品篩選并干燥。

表2 煤粉燃料特性Table 2 Fuel property of coal

2 結果與討論

2.1 溫度分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒煙氣溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 煙氣溫度變化曲線圖Fig.2 Temperature variation curve of flue gas

在預混燃燒工況下，隨著摻氨比增加煙氣溫度呈現增加的趨勢，當摻氨比為20%時，相較于純煤燃燒，溫度增加幅度較大，原因是摻氨后呈現氨氣包裹著煤粉燃燒的現象，氨在前期燃燒產生的熱量預熱煤粉顆粒，摻氨量越多，預熱溫度越高。由于煤粉濃度降低，煤粉顆粒周圍揮發分降低，因此單位質量的煤粉顆粒所接受的熱量就越多，同時煤粉顆粒周圍氣體對流換熱作用增強。有研究表明高溫煙氣對流加熱煤粉著火的時間比單純輻射加熱快23倍[10]，因此氨燃料濃度越高，燃燒溫度越高，但較高濃度的氨燃料著火會吸收煤粉顆粒周圍熱量，所以當摻氨比≥80%時，溫度增加速率變化不大。當純煤燃燒時，由于煤粉濃度高周圍高溫氣體對煤粉的輻射傳熱作用增強，但氨燃料濃度降低對煤粉的預熱作用降低，煤粉顆粒升溫速率降低，導致煤粉析出的揮發分的濃度效應不足以抵消煤粉顆粒升溫速率的降低，因此燃燒溫度大幅降低[11]。

在非預混燃燒工況下，隨著摻氨比增加煙氣溫度呈現下降的趨勢，與預混燃燒工況下溫度變化趨勢相反，主要原因是燃燒前期在平焰燃燒器平面氣體燃燒所產生的高溫預熱區的預熱作用下，氨更迅速燃燒，使平焰燃燒器平面溫度增加，因此，煤氨氣固燃料在燃燒后期主要為煤粉燃燒，氨燃燒對煤粉的預熱作用明顯降低，溫度呈現下降的趨勢。

2.2 氣體排放特性

2.2.1O2質量濃度分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒O2體積分數分布的變化曲線如圖3所示。

在預混方式下，隨著摻氨比增加氧體積分數呈現先降低后增加再降低的趨勢；在非預混方式下，隨著摻氨比增加氧體積分數呈現降低的趨勢；除預混、摻氨比為60%外，氧體積分數均低于煤粉燃燒，由于煤與氨燃燒爭奪O2[12]，體現摻氨后對煤氨氣固燃料燃燒的負面作用，且在2種燃燒工況下純氨燃燒時，氧體積分數均較低，氧體積分數相差較少，說明燃燒方式對純氨燃燒的影響較小，而當煤氨氣固燃料中有煤粉加入時，燃燒方式對燃燒影響較大。

2.2.2NOx質量濃度分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒NOx質量濃度分布如圖4所示。在2種燃燒方式下，相較于煤粉燃燒，摻氨后NOx排放量均大幅增加，隨摻氨比增加，NOx排放量均呈現先增加后降低的趨勢，與ISHIHARA的研究結果一致[13]。煤粉燃燒摻氨后NOx排放量均大幅增加，因氨以相等的熱值取代部分煤，而單位質量氨中燃料N含量遠高于煤粉，因此摻氨后煤氨氣固燃料中燃料N含量增加，NOx生成量更高。

圖4 NOx質量濃度變化曲線Fig.4 NOx concentration variation curve

由于煤顆粒與氨燃燒產生的蒸氣促進了氣化反應，改變了焦炭的孔隙結構，此時灰分中的一些含N雜環破碎，加速了N元素析出轉化為氣相組分，使NOx的排放量進一步增加。煤氨氣固燃燒中有煤粉存在時，還原區少量的焦炭和NH對NO還原具有協同促進作用[14]，純氨燃燒時，NOx排放量下降，原因是可能存在一定量的未燃氨[15]，對NO的還原作用更顯著。

2.2.3CO2體積分數分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒CO2質量濃度分布如圖5所示。

圖5 CO2體積分數變化曲線Fig.5 CO2 concentration variation curve

當預混、摻氨比≥20%及非預混燃燒工況下，CO2體積分數均低于煤粉燃燒[16]，是煤粉供料量減少所致，也證實通過煤氨摻燒降碳是可行的。但非預混模式下，隨著摻氨比增加，CO2體積分數降低幅度更大，原因是在此燃燒方式下，燃燒前期的氨迅速燃燒，相比于預混燃燒方式煤粉的燃燒不充分，所釋放出CO2也更少。2種燃燒方式下，摻氨比越大，CO2相差越大，說明摻氨比越高，燃燒方式對煤氨氣固燃料燃燒的影響越明顯。

2.3 飛灰特性

2.3.1失重與質量變化速率曲線

通過熱重分析儀檢測不同工況下的灰樣，得到的失重曲線及失重曲率曲線如圖6所示，特征參數見表3，其中定義T1、T2，T3該3個特征溫度點[17]，根據3個特征溫度點將灰樣隨溫度的變化分成3個階段：起始反應段、劇烈反應段、終止反應段。在起始反應段，T1對應飛灰質量剛開始變化的溫度，由于溫度升高飛灰表面未燃盡的活性結構數量劇增，飛灰開始裂解揮發，產生CO，CO2和小分子有機氣體，同時灰中的內水開始析出，此階段飛灰質量下降較少；在劇烈反應段，T2對應整個質量損失過程中的最大質量變化速率點所對應的溫度，此時，飛灰質量開始急劇下降，飛灰中分子內部開始發生劇烈的化學反應，耗氧速率急劇增加，升溫速率急劇加快，產生氣體量大，燃料失重明顯；在終止反應段，T3對應飛灰中質量基本不再變化時所對應的溫度，在TG曲線上表現為曲線趨于平緩，在DTG曲線上表現為質量變化速率在0附近波動，此時可以獲得飛灰的殘碳率。

表3 飛灰的特征溫度、最大質量變化速率Table 3 Characteristic temperature and maximum weight loss rate of fly ash

圖6 飛灰失重與質量變化速率曲線Fig.6 Weight loss and weight loss rate curve of fly ash

從圖6中可看出，在2種燃燒方式下，灰樣的失重、質量變化速率曲線隨溫度的變化規律整體相同。當預混燃燒時，在劇烈反應段，根據質量變化速率曲線，隨著摻氨比增加質量變化速率峰峰值提前，當摻氨比>60%時，失重峰開始從單峰向雙峰變化，分別稱雙峰為前質量變化速率峰和后質量變化速率峰，后質量變化速率曲線峰值與純煤燃燒時飛灰樣品所對應的峰值溫度接近，說明氨燃燒可使煙氣中的水蒸氣濃度增加，促進了焦炭的氣化反應，使灰分的孔隙結構更疏松，比表面積更大，飛灰中的小分子可燃物更容易析出，因此，前質量變化速率峰提前，但灰樣中仍維持純煤粉燃燒工況下飛灰的燃燒特性。當非預混燃燒時，在劇烈反應段，根據質量變化速率曲線，當摻氨比>40%時，失重峰開始由單峰轉化為雙峰，但后質量變化速率峰不明顯。

2.3.2飛灰殘碳率

基于上述熱重分析結果，得到在不同燃燒方式、摻氨比下的飛灰殘炭量如圖7所示。

圖7 飛灰殘炭量變化曲線Fig.7 Variation curve of unburned carbon in fly ash

在預混燃燒方式下，隨著摻氨比增加，殘炭量呈現先增加后降低的趨勢。從反應動力學角度分析，煤燃燒產生的自由基和中間體，如HO2、H2O2、H、OH等，會促進氨的分解和氧化，但氨燃燒與煤燃燒的競爭影響了煤與氨的燃燒速率，而煤的協同作用降低了氨燃燒的活化能。從傳熱角度分析，隨摻氨比量增加，煤粉顆粒減少因而顆粒輻射傳熱降低，但實驗中根據燃燒后煙氣溫度、氣體成分、殘炭量的檢測結果，表明在預混燃燒條件下，隨著摻氨比增加，對煤粉點火以及整個燃燒進程都有促進作用，此時氨對煤粉燃燒的正向促進作用占主導，抵消了傳熱及燃燒速率降低對燃燒的反向作用。在非預混燃燒方式下，殘炭量隨著摻氨比增加呈現先增加后下降再上升的趨勢，當摻氨比<40%，時選擇預混燃燒更有利于煤粉燃盡，而在摻氨比為40%時，2種燃燒方式小飛灰殘炭量相差不多，當摻氨比>40%，選擇非預混燃燒為宜。

3 結 論

為探究煤粉摻燒氨后的燃燒特性，在平焰燃燒器上開展了不同燃燒方式、摻混比下的煤/氨混燃實驗，通過檢測燃燒器上方的煙氣溫度、氣體分布以及飛灰特性，得到以下結論：

(1)預混燃燒時,相比于非預混燃燒燃燒前期氨燃燒對煤粉的預熱作用,使煙氣溫度更高、氧氣消耗量更低、但NOx、CO2生成量更高,同時考慮飛灰殘炭率,最佳的燃燒工況為預混、摻氨比為40%。

(2)煤粉摻氨燃燒后產生的NOx大幅上升，但在純氨燃燒時NOx降低，煤氨氣固燃料中有煤粉時CO、NH3、焦炭均對NO還原，3者存在協同作用，而純氨燃燒時未燃氨的濃度對NO的還原作用占主導。

(3)摻氨后，灰樣的在劇烈反應段的后質量變化速率峰從單峰向雙峰變化，且非預混燃燒方式下后質量變化速率峰較小，可能是摻氨后引起焦炭孔隙結構的變化。

(4)氨燃燒后煙氣中水蒸氣濃度對煤氨氣固燃料的燃燒及灰孔隙結構變化的影響尚不清晰，將是接下來的研究方向。