火電廠鍋爐燃煤機組耦合氨燃料燃燒特性分析

摘 要：為探究火電廠鍋爐燃煤機組耦合氨燃料燃燒特性，本文設計了燃煤機組耦合氨燃料燃燒試驗裝置，使用一維爐觀察燃煤機組耦合氨燃料的燃燒穩(wěn)定性，使用煙氣分析系統(tǒng)分析燃煤機組耦合氨燃料NOx的排放特性，使用平焰燃燒器對燃煤機組耦合氨燃料燃燒的火焰特性進行研究。分別用氨和煤粉進行單獨燃燒和混燒，燃燒溫度為1400℃。結果顯示，燃煤機組耦合氨燃料燃燒時，NOx排放高于單燒時的排放量且燃料總質量增加時，排放量進一步增加，耦合氨燃料的火焰形狀也會從原本形狀變成細長，氨含量為20%時的燃燒狀態(tài)最穩(wěn)定。

關鍵詞：燃煤機組；氨燃料；燃燒特性；煤氨混燒；煙氣分析系統(tǒng)

中圖分類號：TM 62 文獻標志碼：A

傳統(tǒng)燃煤機組在運行過程中，主要將煤炭作為燃料，在燃燒過程中會產生大量的二氧化碳和其他污染物，給環(huán)境帶來了巨大壓力[1]。為解決這個問題，國內外學者和企業(yè)紛紛進行了一系列研究。目前耦合氨燃料燃燒技術因其獨特的優(yōu)勢而備受矚目。氨作為一種無碳富氫的化合物，燃燒產物主要為氮氣和水，具有顯著的低碳排放特性[2]。同時，氨的儲運技術成熟，安全性高，易于大規(guī)模應用。燃煤機組耦合氨燃料燃燒技術是將氨與煤粉混合燃燒，既保持了燃煤機組的高效性，又顯著減少了碳排放，為實現燃煤機組的低碳轉型提供了一條可行路徑[3]。本文旨在深入研究燃煤機組耦合氨燃料燃燒過程中的燃燒特性，通過理論分析與試驗驗證相結合的方式，揭示燃煤機組耦合氨燃料燃燒技術的內在機理和優(yōu)勢，為燃煤機組的低碳化改造提供科學依據和技術支持。本文的研究不僅具有重要的理論意義，而且對推動電力行業(yè)的綠色轉型和可持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐價值。

1 資料與方法

1.1 氨燃料燃燒特性

目前火電廠的燃煤機組與煤粉混合燃燒的氣體燃料主要有氨、氫和甲烷，這3種燃料的主要理化性質對比見表1[4]。

根據表1可以總結出氨燃料的燃燒特性。氨的密度較大，因此在儲存和釋壓燃燒的過程中，氨燃料燃燒需要的空氣量比氫和甲烷更小。常溫條件下只需要加壓到1MPa就能夠液化儲存氨。辛烷值越高，抗爆性越好，因此使用氨燃料燃燒時也最安全。氨燃料的空燃比遠低于氫和甲烷，因此單位質量的氨燃料需要的助燃空氣最少，降低了設備的能量消耗[5-7]。

1.2 試驗裝置與方法

燃煤機組耦合氨燃料燃燒試驗裝置示意如圖1所示。

試驗裝置各部分具體功能見表2。

不同的試驗裝置研究的試驗內容不同，一維爐可以觀察燃煤機組耦合氨燃料的燃燒穩(wěn)定性，用煙氣分析系統(tǒng)可以分析燃煤機組耦合氨燃料NOx的排放特性，平焰燃燒器具有良好的光學可視性，可以對燃煤機組耦合氨燃料燃燒的火焰特性進行研究[8]。

試驗分別用氨和煤粉進行單獨燃燒和混燒，燃燒溫度為1400℃。試驗中使用的氨燃料為氨氣與氬氣的混合氣，比例為6∶4；煤種使用粒徑為60μm～100μm的煙煤。不同燃料組合的試驗工況見表3。

1.3 試驗流程

在試驗開始前，先檢查關鍵試驗裝置的運行狀態(tài)并進行校準，保證試驗結果的準確性。準備干燥至水分適量的煤粉作為試驗材料，與此同時保證實驗室通風。當試驗開始時，先啟動滴管爐，使其逐漸升溫至預定的高溫狀態(tài)，模仿燃煤機燃燒的高溫環(huán)境，為氨燃料的燃燒提供所需的高溫環(huán)境。通過調整給粉器的刮板高度、角度及旋轉平臺轉速，控制煤粉的連續(xù)供給速率，保證煤粉能夠穩(wěn)定、均勻地進入平焰燃燒器。同時，利用配風盤調節(jié)進入反應器的空氣量，優(yōu)化燃燒條件，促進煤粉與氨燃料的耦合燃燒。在燃燒過程中啟動煙氣分析系統(tǒng)收集燃燒時產生的煙氣，在煙氣分析系統(tǒng)中對其進行詳盡分析。在此過程中，需要密切關注煙氣中成分的濃度變化，并詳細地將這些試驗數據記錄下來。燃燒時，采用平焰燃燒器對燃燒的火焰特性進行觀察與分析，與此同時，將部分燃燒產物引入一維爐中，觀察煤粉與氨燃料耦合燃燒時的燃燒穩(wěn)定性。

在試驗結束后，關閉所有試驗裝置，并對實驗室進行仔細清理，保證試驗裝置全部歸位。根據試驗過程中記錄的試驗數據與試驗現象，對燃煤機組耦合氨燃料的燃燒特性進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 燃煤機組耦合氨燃料NOx排放特性試驗結果分析

在模擬燃煤機組耦合氨燃料燃燒過程中，發(fā)現NOx的排放量與煤氨耦合燃燒的燃料總質量和燃料中氨的含量有關。在煤氨混合燃燒過程中，NOx的主要反應路徑如圖2所示。

根據上述反應路徑可以看出，HNO是影響NOx產生的關鍵基團。燃料質量流率與NOx濃度的關系如圖3所示。

根據圖3可以看出，氨單燒時，NOx排放濃度始終要比煤單燒時高，這主要與燃料中氨的含量有關，并且在煤氨混燒的過程中，無論燃料質量如何變化，NOx的排放濃度都遠高于氨單燒和煤單燒時的水平，且煤氨混燒后的NOx排放濃度還超過了兩種燃料單獨燃燒時NOx排放濃度的總和。與基礎燃料質量流率工況的NOx排放濃度相比，2倍燃料質量流率工況的NOx排放濃度有了明顯的提升，但煤單燒時NOx的排放濃度增長卻十分有限，僅從0.326mg/L升至0.459mg/L。

而氨單燒時NOx排放濃度增加最多，從0.457mg/L升至1.001mg/L。煤氨混燒時NOx排放濃度從1.332mg/L升至2.618mg/L，僅次于氨單燒時增加量。說明在本試驗條件下，燃料總質量越高，煤氨混燒所排放的NOx就越多。

2.2 燃煤機組耦合氨燃料火焰特性試驗結果分析

耦合氨燃料的燃燒火焰光滑，純氨燃燒和耦合氨燃料的燃燒火焰對比如圖4所示。

由圖4可以看出，耦合氨燃料的燃燒火焰更旺盛，說明耦合氨燃料的火焰更加穩(wěn)定，火焰形狀會從原本形狀變成細長。此外，耦合氨燃料的火焰溫度傳播速度會隨著摻氨比的不同而存在差異：在少氨的情況下，燃燒火焰的析出物造成的局部當量比值變大，火焰溫度傳播速度加快；而在富氨的情況下，燃燒火焰的析出物造成的局部當量比值變小，火焰溫度傳播速度減慢。

2.3 燃煤機組耦合氨燃料燃燒穩(wěn)定性試驗結果分析

本試驗使用三維數值模擬法研究了煤粉中氨含量對火電廠鍋爐燃煤機組耦合氨燃料燃燒特性的影響。從給粉器中心射入NH3，可以觀察到當煤粉中氨的含量超過40%時，高速度噴射的NH3能夠穿過火焰的回流區(qū)域，使火焰由原有狀態(tài)轉變?yōu)榧氶L狀態(tài)；當煤粉中氨的含量在20%以下時，火焰則基本維持與煤單燒時相似的形狀，變化并不明顯。當進行中試試驗時，針對供給量為100kg/h的給粉器，深入研究了煤粉中氨含量與氨射入位置對燃燒爐膛內燃燒特性的綜合影響。試驗結果顯示，在氨含量僅為5%和10%的情況下，燃燒性能并沒有出現明顯變化；當氨含量增至15%和20%時，燃燒性能開始出現較為明顯的變化。此時可以通過調整氨的射入位置，改善高氨含量條件下的燃燒性能，使燃煤機組耦合氨燃料穩(wěn)定燃燒。

3 試驗結論分析

在燃煤機組耦合氨燃料的試驗中，本文深入探究了其對NOx排放、火焰特性及燃燒穩(wěn)定性的影響。試驗結果表明，隨著燃料總質量和氨含量增加，NOx排放量顯著上升，尤其是在煤氨混燒的工況下，NOx排放濃度遠高于單燒工況，這表明摻入氨對生成NOx具有影響。同時，耦合氨燃料的火焰表現出更高的穩(wěn)定性和更旺盛的燃燒狀態(tài)，但當氨含量過高時，火焰形態(tài)由旋流火焰轉為細長狀，且火焰溫度傳播速度隨摻氨比變化而異。通過三維數值模擬和中試試驗，發(fā)現氨的摻入量對燃燒穩(wěn)定性有顯著影響，氨含量超過40%時會顯著改變火焰形狀，而適量摻氨（例如20%以下）并調整氨射入位置則能有效改善燃燒性能。綜上所述，燃煤機組耦合氨燃料在降低污染物排放和提高燃燒效率方面具有潛力，但須精細控制氨的摻入量和噴射方式，保證燃燒穩(wěn)定性和低NOx排放。

4 結語

在深入探討火電廠鍋爐燃煤機組耦合氨燃料燃燒特性的過程中，本文不僅揭示了氨燃料與燃煤機組耦合燃燒的復雜機制，還展現了該技術在降低碳排放、優(yōu)化燃燒性能及提高環(huán)保效益方面的顯著優(yōu)勢。本研究不僅可以為燃煤機組的低碳化改造提供一條切實可行的技術路徑，還可以為電力行業(yè)應對全球氣候變化挑戰(zhàn)貢獻新的思路與方法。然而，本研究在取得一定成果的同時，也存在不足之處，例如，在燃燒穩(wěn)定性控制、氨燃料高效利用及污染物協同減排等方面，仍須進一步優(yōu)化。未來隨著技術的不斷進步和研究深入，燃煤機組耦合氨燃料燃燒技術將會在更多領域得到應用和推廣。同時，加強跨學科合作與國際交流，共同推動氨燃料技術的創(chuàng)新發(fā)展，也將是實現電力行業(yè)綠色轉型的關鍵。

參考文獻

[1]馬超坤，何宏舟.內燃機燃燒氨燃料的研究綜述[J].車用發(fā)動機，2024（2）：1-8.

[2]呂曉東，尹歡，路遠.氨燃料在大發(fā)動機的應用前景及技術趨勢[J].鐵道機車與動車，2024（1）：14-16，5.

[3]王華坤，徐義書，張保華，等.煤摻氨燃燒過程中NO生成特性和氨氮轉化行為研究[J].能源環(huán)境保護，2023，37（4）：30-37.

[4]丁先，李汪繁，馬達夫.燃煤機組耦合氨燃料燃燒特性及經濟性探討[J].熱力發(fā)電，2022，51（8）：20-28.

[5]許煥煥，葛一，李強，等.氨燃料及應用技術研究進展[J].東北電力大學學報，2022，42（2）：1-13.

[6]王智化，余作超，陳晨霖，等.新型零碳氨燃料的燃燒特性研究進展[J].華中科技大學學報（自然科學版），2022，50（7）：24-40，78.

[7]夏鑫，藺建民，李妍，等.氨混合燃料體系的性能研究現狀[J].化工進展，2022，41（5）：2332-2339.

[8]陳達南，李軍，鄧立生，等.多孔燃燒器中氨/空氣燃燒特性數值研究[J].新能源進展，2021，9（4）：294-299.