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        燃煤電站鍋爐摻氨燃燒與排放特性綜述

        2022-08-25 02:29:40范衛(wèi)東
        潔凈煤技術(shù) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:氨氣燃煤火焰

        汪 鑫,陳 鈞,范衛(wèi)東

        (上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)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(biāo)下,燃煤電站鍋爐碳減排受到重視。氨氣是一種實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模可靠存儲的儲能介質(zhì),作為燃料利用不會造成碳排放。氨作為優(yōu)良的無碳燃料,與煤摻混燃燒受到廣泛關(guān)注[1-3]。燃煤摻氨(NH3)燃燒可行性較高。與其他技術(shù)相比,燃煤摻氨燃燒可利用現(xiàn)有燃煤電廠的低NOx燃燒系統(tǒng),且由于爐膛內(nèi)燃燒環(huán)境溫度高,既能有效降低CO2排放,又能大大提高氨燃燒穩(wěn)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(nèi)實現(xiàn)有效的碳減排。

        然而,燃煤摻氨燃燒的應(yīng)用也存在技術(shù)性問題。研究表明氨氣燃燒特性差,且存在NOx排放高的風(fēng)險。但在燃煤鍋爐提供的燃燒及爐內(nèi)環(huán)境條件下,氨氣著火和燃燒效果、NOx排放水平及現(xiàn)有控制燃煤鍋爐NOx排放的空氣分級技術(shù)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(shù)在燃煤摻氨燃燒中的應(yīng)用,揭示了不同摻氨比例、溫度、摻氨位置時燃煤摻氨燃燒產(chǎn)物的變化規(guī)律。

        1 現(xiàn)有燃煤電站鍋爐碳減排技術(shù)途徑

        1.1 現(xiàn)有燃煤鍋爐碳減排技術(shù)現(xiàn)狀

        CO2捕集利用與封存(Carbon Capture Utilization and Storage,CCUS)是當(dāng)前國內(nèi)外高度重視的碳減排技術(shù)[8]。針對燃煤鍋爐,該技術(shù)旨在從排放側(cè)著手,將燃煤生成的CO2分離捕集,并運輸?shù)胶线m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(shù)[9-10]。對于常規(guī)燃燒產(chǎn)生的煙氣,CO2濃度不高,化學(xué)吸收法[11-12]是較成熟且極有潛力的捕集技術(shù)。然而不論采用富氧燃燒技術(shù)還是常規(guī)燃燒配合化學(xué)吸收法實現(xiàn)碳捕集,最終分離捕集的大量CO2都依賴于封存技術(shù)加以處理[8],會隨CO2運輸封存技術(shù)和市場的不斷成熟而普遍應(yīng)用。

        為從源頭上減少燃煤電廠CO2生成,摻燒生物質(zhì)[13-14]和可再生能源生產(chǎn)的氫氣[15]是易實現(xiàn)的途徑之一。然而,基于我國國情,形成一套完備的生物質(zhì)燃料供給-消費產(chǎn)業(yè)鏈仍需長期發(fā)展過程[16]。同時,氫氣在存儲和運輸方面的弊端嚴(yán)重限制了燃煤電廠摻氫燃燒的工業(yè)化應(yīng)用。燃煤電廠摻燒生物質(zhì)或氫氣,本質(zhì)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(fēng)能等可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)且在存儲、運輸方面具有優(yōu)勢的零碳燃料,是短期內(nèi)有效降低燃煤電廠煤耗,從而在源頭上實現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵。

        1.2 摻氨燃燒實現(xiàn)有效碳減排

        氨氣作為可再生能源的優(yōu)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(yōu)點,利用可再生能源生產(chǎn)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(yōu)勢明顯,其液化便捷、成本低、運輸網(wǎng)絡(luò)成熟、安全性等高,因此,近年來以實現(xiàn)碳減排為目標(biāo)推進氨氣的燃料化利用受到廣泛關(guān)注[17-18]。

        與CCUS技術(shù)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(xiàn)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(nèi)閣府戰(zhàn)略創(chuàng)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(fā)電的規(guī)劃,擬于2030年實現(xiàn)氨氣替代燃煤發(fā)電廠20%的煤炭供應(yīng),并將進一步提升該比例至50%以上[17,19]。我國當(dāng)前燃煤火力發(fā)電占比高,在現(xiàn)有機組摻氨燃燒能夠在短期內(nèi)實現(xiàn)高效碳減排,存在技術(shù)、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(shù)進行前瞻性分析,以期為實現(xiàn)燃燒電廠低碳和低氧排放提供技術(shù)發(fā)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?zhèn)鞑ニ俣鹊停貤l件下,難以獲得穩(wěn)定的氨火焰。針對燃氣輪機燃燒室,采用特殊的穩(wěn)燃結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)氨氣穩(wěn)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(yán)重的情況下,即使整體處于貧燃料狀態(tài),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(guān)鍵問題是高NOx排放風(fēng)險[22]。不同于常規(guī)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(guī)碳氫燃料至少高一個數(shù)量級,實驗室級別氨基礎(chǔ)火焰的NO體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)實測結(jié)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(jié)果表明氨火焰中NO和OH分布具有高度相關(guān)性[23-24],充分驗證了NO生成與燃燒過程的高度耦合關(guān)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(dāng)前關(guān)于氨氣燃燒及NOx排放特性的大量研究多以燃氣輪機為應(yīng)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(xié)調(diào)面臨很大挑戰(zhàn)。對于燃煤鍋爐,爐內(nèi)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(jié)論不盡相同。

        2.2 燃煤鍋爐內(nèi)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(nèi)部的高溫燃燒環(huán)境更有利于氨氣燃燒。利用燃煤鍋爐系統(tǒng)富余的熱能預(yù)熱氨氣和空氣,有利于提高氨氣的著火和燃燒特性;爐內(nèi)溫度普遍高于1 000 ℃,且在燃燒器區(qū)域壁面鋪設(shè)衛(wèi)燃帶能獲得更高的局部壁溫[25],爐內(nèi)高溫?zé)岘h(huán)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(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣葹槔f明了預(yù)熱對氨燃燒的強化效果,散點為試驗數(shù)據(jù)[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(shù)據(jù),反應(yīng)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?zhèn)鞑ニ俣?,預(yù)熱溫度達到400 ℃ 時,氨/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸^常溫下甲烷火焰的水平。進一步增加初始溫度至600 ℃,火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_80 cm/s量級。

        圖1 初始溫度對氨火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.1 Effects of initial temperature on ammonia flame speed

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

        圖2 氨/空氣非預(yù)混預(yù)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(nèi),通過電爐提供高溫?zé)岘h(huán)境,配合預(yù)熱,爐溫達400 ℃時即成功獲得了穩(wěn)定的氨/空氣預(yù)混火焰。爐溫400~600 ℃下獲得穩(wěn)定氨/空氣預(yù)混火焰的分布情況如圖3所示,可知貧燃條件下火焰穩(wěn)定性較差,當(dāng)量比低于0.9 時火焰無法穩(wěn)定。同時,增大氨氣流量使預(yù)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(wěn)定性增強,火焰能在更高的來流速度下保持穩(wěn)定,隨爐溫升高,穩(wěn)定火焰分布范圍顯著拓寬。

        圖3 不同爐溫下穩(wěn)定氨/空氣預(yù)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(yù)熱條件及爐內(nèi)高溫?zé)岘h(huán)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(nèi)優(yōu)越的燃燒條件可能導(dǎo)致NO生成量大幅增加,同時煤粉燃燒形成的復(fù)雜氣氛也可能影響氨氣在爐內(nèi)的轉(zhuǎn)化,因此,燃煤鍋爐摻氨爐內(nèi)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(yōu)良的無碳燃料,與煤的摻混燃燒備受關(guān)注[1-7]。燃煤摻氨(NH3)燃燒的技術(shù)路線可行性高[4]。與其他技術(shù)相比,燃煤摻氨燃燒可利用現(xiàn)有燃煤電廠的低NOx燃燒系統(tǒng),由于爐膛內(nèi)燃燒環(huán)境溫度高,既能有效降低CO2排放,又能大大提高氨燃燒穩(wěn)定性。

        ISHIHARA等[1-2]采用含詳細化學(xué)反應(yīng)的零維數(shù)值計算模型對某工業(yè)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(chǎn)量的計算結(jié)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(biāo)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(chǎn)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(guān)注。CARDOSO等[28]建立了二維Euler-Lagrange數(shù)值模型,模擬研究了反應(yīng)器位置和空氣分級燃燒對NO產(chǎn)量的影響,以及NH3對反應(yīng)器溫度分布和輻射流量的影響。CHEN等[5-7]運用量子化學(xué)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(fā)現(xiàn)在無燃盡風(fēng)條件下,鍋爐運行氧量3.7%、主燃區(qū)當(dāng)量比1.21時鍋爐NOx質(zhì)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(nèi)電廠常用煙煤作為試驗對象,氨低位發(fā)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù),10-6;C(NO0)為純燒煤時NOx排放體積分?jǐn)?shù),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(yīng)(SNCR)和煤焦異相還原反應(yīng)共同作用導(dǎo)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(qū)中氣化生成的CO被完全燃燒。這與第3.1節(jié)中ISHIHARA等[1-2]研究結(jié)論相符,利用化學(xué)動力學(xué)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(xiàn)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(zhuǎn)換途徑如圖7所示。氣氛對NH3中氮轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)化反應(yīng)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(yù)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(nèi)插和側(cè)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(yù)混與單獨噴氨對NOx排放量的影響,如圖8所示(6% O2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在燃燒器側(cè),氨煤混合通入或從氨槍中單獨通入時NOx排放量低于從側(cè)壁噴入。這是因為側(cè)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(qū)、燃盡區(qū)、下游1區(qū)和下游2區(qū),其中主燃區(qū)又分為與空氣預(yù)混噴入(Combustion Air)和在火焰區(qū)(FZ)噴入,如圖9所示(MZ為混合區(qū),RCZ為再循環(huán)區(qū),PFZ為后火焰區(qū),RDZ為還原區(qū),Q1~Q4為每個區(qū)域的局部吸熱)。采用含詳細化學(xué)反應(yīng)的零維數(shù)值計算模型對某工業(yè)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(jié)果表明在火焰區(qū)噴入NH3時NO排放較低,由3方面因素導(dǎo)致:① 火焰區(qū)處于富NH3狀態(tài),NO排放相對較低;② NH3的摻入使火焰區(qū)溫度降低,這可能導(dǎo)致熱力型NOx產(chǎn)率降低;③ 由于火焰區(qū)初始溫度較高,超過2 000 K,NH3會在焦炭氧化前轉(zhuǎn)化為NO,這部分NO會與焦炭發(fā)生異相還原反應(yīng)。

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

        綜上發(fā)現(xiàn),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(xiàn)有空氣分級燃燒系統(tǒng)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(shù)之一[36-42]。該技術(shù)將爐膛在軸向上分成主燃燒區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。燃料首先在主燃燒區(qū)燃燒,由于氧氣不足減少NOx的產(chǎn)生。在還原區(qū),由煤熱解產(chǎn)物(HCN、NH3、NCO、煤焦等)將燃料-N轉(zhuǎn)化為N2。在燃盡區(qū),通過注入燃盡空氣將燃料燃盡。FAN等[43-44]將這種技術(shù)稱為整體空氣分級技術(shù),可大大減少NOx排放,但工業(yè)應(yīng)用中普遍存在爐膛結(jié)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(xiàn)高效燃燒和有效控制NOx排放,同時減少對現(xiàn)有鍋爐設(shè)備的改造成本,利用現(xiàn)有燃煤鍋爐整體空氣分級燃燒系統(tǒng)進行氨煤摻燒是行之有效的技術(shù)路線。

        為研究爐內(nèi)整體空氣分級燃燒系統(tǒng)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?lián)桨北壤秊?~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(fēng)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(fēng)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?jǐn)?shù),10-6;CStaged為與不分級燃燒相應(yīng)溫度和摻氨比例下分級燃燒NOx排放體積分?jǐn)?shù),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(fēng)的通入位置,可提高NOx減排提升率。這是由于燃盡風(fēng)通入位置延后可以延長還原區(qū)長度,氣流和煤粉顆粒在還原區(qū)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(fēng)通入位置在中位燃盡風(fēng)噴口時,不同爐膛內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性和NOx排放問題外,還會影響鍋爐燃煤機組運行參數(shù)、還原區(qū)CO和H2S等氣氛濃度等。

        4.1 燃煤摻氨燃燒對鍋爐主要參數(shù)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(fā)現(xiàn)大比例摻氨后,機組排煙溫度上升,導(dǎo)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(fēng)機需擴容改造;對于機組原有脫硝和脫硫系統(tǒng)影響較小,但亞微米級氣溶膠顆粒增加,需增設(shè)捕集系統(tǒng)。

        CARDOSO等[28]通過建立二維歐拉-拉格朗日數(shù)值模型,描述了煤氨在中試流化床反應(yīng)器中的共燒過程。發(fā)現(xiàn)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(nèi)CO還原氣氛特征

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

        空氣分級燃燒模式下,不同摻氨比例時還原區(qū)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(qū)CO峰值水平。這是由于添加氨會提高還原區(qū)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(yīng)活性[51-52]。因此,燃煤摻氨燃燒爐內(nèi)的CO峰值濃度提高。

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

        4.3 爐內(nèi)H2S氣氛特征

        空氣分級燃燒在還原區(qū),還原性氣氛雖能有效降低主燃燒區(qū)形成的NOx,但這些還原性氣體也可以將SO2轉(zhuǎn)化為H2S[53-55]。高濃度H2S會加速水冷壁管腐蝕,特別是在工質(zhì)溫度高、工質(zhì)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(guān)重要。筆者發(fā)現(xiàn)空氣分級燃燒模式下,不同摻氨比例下還原區(qū)H2S的峰值濃度變化如圖13所示,可知隨摻氨量提高,還原區(qū)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(qū)H2S的峰值Fig.13 Peak value of H2S in reduction zone under different ammonia co-firing ratio

        5 結(jié)語與展望

        對可持續(xù)能源和綠色環(huán)境的需求激發(fā)了對無碳燃料的探索。發(fā)展綠色可持續(xù)的無碳燃燒系統(tǒng)對于世界各國履行溫室氣體排放的法律和環(huán)境義務(wù),以及緩解不斷增加的CO2排放造成的全球變暖至關(guān)重要。氨(氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.6%)作為一種無碳燃料在發(fā)電、運輸和供熱系統(tǒng)中備受關(guān)注。然而從技術(shù)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(yīng)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(shù)路線,日本、中國已通過工業(yè)尺度的試驗研究驗證了燃煤鍋爐摻氨燃燒技術(shù)的可行性,該技術(shù)已成為實現(xiàn)大幅碳減排的最具潛力的技術(shù)發(fā)展路線。

        1)燃煤鍋爐提供的爐內(nèi)高溫?zé)岘h(huán)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(xiàn)有燃煤系統(tǒng),在無需重大設(shè)備改造的前提下,通過調(diào)整燃煤混氨方式、優(yōu)化空氣分級燃燒工況可大幅降低NOx排放濃度。根據(jù)試驗煤種,空氣分級燃燒工況下,燃盡風(fēng)中、高位布置且燃盡風(fēng)占總風(fēng)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(dāng)?shù)乃健?/p>

        2)大比例摻氨后,NOx排放濃度仍很高,尤其在鍋爐高負(fù)荷對應(yīng)的高爐溫燃燒條件下,限于NOx排放濃度的法規(guī)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(xù)在爐內(nèi)NOx深度減排技術(shù)上創(chuàng)新發(fā)展以及為CO2大幅減排而適當(dāng)折中NOx排放限制等方面開展工作,實現(xiàn)燃煤發(fā)電“碳達峰、碳中和”的目標(biāo)。

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