摘 要：為探究火電廠鍋爐燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒特性，本文設(shè)計(jì)了燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒試驗(yàn)裝置，使用一維爐觀察燃煤機(jī)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(jī)組耦合氨燃料NOx的排放特性，使用平焰燃燒器對(duì)燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒的火焰特性進(jìn)行研究。分別用氨和煤粉進(jìn)行單獨(dú)燃燒和混燒，燃燒溫度為1400℃。結(jié)果顯示，燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒時(shí)，NOx排放高于單燒時(shí)的排放量且燃料總質(zhì)量增加時(shí)，排放量進(jìn)一步增加，耦合氨燃料的火焰形狀也會(huì)從原本形狀變成細(xì)長(zhǎng)，氨含量為20%時(shí)的燃燒狀態(tài)最穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：燃煤機(jī)組；氨燃料；燃燒特性；煤氨混燒；煙氣分析系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

傳統(tǒng)燃煤機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，主要將煤炭作為燃料，在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和其他污染物，給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力[1]。為解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)紛紛進(jìn)行了一系列研究。目前耦合氨燃料燃燒技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受矚目。氨作為一種無(wú)碳富氫的化合物，燃燒產(chǎn)物主要為氮?dú)夂退?，具有顯著的低碳排放特性[2]。同時(shí)，氨的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)成熟，安全性高，易于大規(guī)模應(yīng)用。燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒技術(shù)是將氨與煤粉混合燃燒，既保持了燃煤機(jī)組的高效性，又顯著減少了碳排放，為實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組的低碳轉(zhuǎn)型提供了一條可行路徑[3]。本文旨在深入研究燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒過(guò)程中的燃燒特性，通過(guò)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，揭示燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理和優(yōu)勢(shì)，為燃煤機(jī)組的低碳化改造提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。本文的研究不僅具有重要的理論意義，而且對(duì)推動(dòng)電力行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)踐價(jià)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(jī)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(zhì)對(duì)比見(jiàn)表1[4]。

根據(jù)表1可以總結(jié)出氨燃料的燃燒特性。氨的密度較大，因此在儲(chǔ)存和釋壓燃燒的過(guò)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(chǔ)存氨。辛烷值越高，抗爆性越好，因此使用氨燃料燃燒時(shí)也最安全。氨燃料的空燃比遠(yuǎn)低于氫和甲烷，因此單位質(zhì)量的氨燃料需要的助燃空氣最少，降低了設(shè)備的能量消耗[5-7]。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒試驗(yàn)裝置示意如圖1所示。

試驗(yàn)裝置各部分具體功能見(jiàn)表2。

不同的試驗(yàn)裝置研究的試驗(yàn)內(nèi)容不同，一維爐可以觀察燃煤機(jī)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(jī)組耦合氨燃料NOx的排放特性，平焰燃燒器具有良好的光學(xué)可視性，可以對(duì)燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒的火焰特性進(jìn)行研究[8]。

試驗(yàn)分別用氨和煤粉進(jìn)行單獨(dú)燃燒和混燒，燃燒溫度為1400℃。試驗(yàn)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(yàn)工況見(jiàn)表3。

1.3 試驗(yàn)流程

在試驗(yàn)開(kāi)始前，先檢查關(guān)鍵試驗(yàn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)備干燥至水分適量的煤粉作為試驗(yàn)材料，與此同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)。當(dāng)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先啟動(dòng)滴管爐，使其逐漸升溫至預(yù)定的高溫狀態(tài)，模仿燃煤機(jī)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(guò)調(diào)整給粉器的刮板高度、角度及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)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(jìn)入平焰燃燒器。同時(shí)，利用配風(fēng)盤(pán)調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器的空氣量，優(yōu)化燃燒條件，促進(jìn)煤粉與氨燃料的耦合燃燒。在燃燒過(guò)程中啟動(dòng)煙氣分析系統(tǒng)收集燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣，在煙氣分析系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行詳盡分析。在此過(guò)程中，需要密切關(guān)注煙氣中成分的濃度變化，并詳細(xì)地將這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。燃燒時(shí)，采用平焰燃燒器對(duì)燃燒的火焰特性進(jìn)行觀察與分析，與此同時(shí)，將部分燃燒產(chǎn)物引入一維爐中，觀察煤粉與氨燃料耦合燃燒時(shí)的燃燒穩(wěn)定性。

在試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉所有試驗(yàn)裝置，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仔細(xì)清理，保證試驗(yàn)裝置全部歸位。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)燃煤機(jī)組耦合氨燃料的燃燒特性進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 燃煤機(jī)組耦合氨燃料NOx排放特性試驗(yàn)結(jié)果分析

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

根據(jù)上述反應(yīng)路徑可以看出，HNO是影響NOx產(chǎn)生的關(guān)鍵基團(tuán)。燃料質(zhì)量流率與NOx濃度的關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出，氨單燒時(shí)，NOx排放濃度始終要比煤?jiǎn)螣龝r(shí)高，這主要與燃料中氨的含量有關(guān)，并且在煤氨混燒的過(guò)程中，無(wú)論燃料質(zhì)量如何變化，NOx的排放濃度都遠(yuǎn)高于氨單燒和煤?jiǎn)螣龝r(shí)的水平，且煤氨混燒后的NOx排放濃度還超過(guò)了兩種燃料單獨(dú)燃燒時(shí)NOx排放濃度的總和。與基礎(chǔ)燃料質(zhì)量流率工況的NOx排放濃度相比，2倍燃料質(zhì)量流率工況的NOx排放濃度有了明顯的提升，但煤?jiǎn)螣龝r(shí)NOx的排放濃度增長(zhǎng)卻十分有限，僅從0.326mg/L升至0.459mg/L。

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

2.2 燃煤機(jī)組耦合氨燃料火焰特性試驗(yàn)結(jié)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(duì)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(shuō)明耦合氨燃料的火焰更加穩(wěn)定，火焰形狀會(huì)從原本形狀變成細(xì)長(zhǎng)。此外，耦合氨燃料的火焰溫度傳播速度會(huì)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(dāng)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(dāng)量比值變小，火焰溫度傳播速度減慢。

2.3 燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)使用三維數(shù)值模擬法研究了煤粉中氨含量對(duì)火電廠鍋爐燃煤機(jī)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(dāng)煤粉中氨的含量超過(guò)40%時(shí)，高速度噴射的NH3能夠穿過(guò)火焰的回流區(qū)域，使火焰由原有狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)狀態(tài)；當(dāng)煤粉中氨的含量在20%以下時(shí)，火焰則基本維持與煤?jiǎn)螣龝r(shí)相似的形狀，變化并不明顯。當(dāng)進(jìn)行中試試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)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(duì)燃燒爐膛內(nèi)燃燒特性的綜合影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在氨含量?jī)H為5%和10%的情況下，燃燒性能并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化；當(dāng)氨含量增至15%和20%時(shí)，燃燒性能開(kāi)始出現(xiàn)較為明顯的變化。此時(shí)可以通過(guò)調(diào)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(jī)組耦合氨燃料穩(wěn)定燃燒。

3 試驗(yàn)結(jié)論分析

在燃煤機(jī)組耦合氨燃料的試驗(yàn)中，本文深入探究了其對(duì)NOx排放、火焰特性及燃燒穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著燃料總質(zhì)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(yuǎn)高于單燒工況，這表明摻入氨對(duì)生成NOx具有影響。同時(shí)，耦合氨燃料的火焰表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和更旺盛的燃燒狀態(tài)，但當(dāng)氨含量過(guò)高時(shí)，火焰形態(tài)由旋流火焰轉(zhuǎn)為細(xì)長(zhǎng)狀，且火焰溫度傳播速度隨摻氨比變化而異。通過(guò)三維數(shù)值模擬和中試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氨的摻入量對(duì)燃燒穩(wěn)定性有顯著影響，氨含量超過(guò)40%時(shí)會(huì)顯著改變火焰形狀，而適量摻氨（例如20%以下）并調(diào)整氨射入位置則能有效改善燃燒性能。綜上所述，燃煤機(jī)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(xì)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(jié)語(yǔ)

在深入探討火電廠鍋爐燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒特性的過(guò)程中，本文不僅揭示了氨燃料與燃煤機(jī)組耦合燃燒的復(fù)雜機(jī)制，還展現(xiàn)了該技術(shù)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(shì)。本研究不僅可以為燃煤機(jī)組的低碳化改造提供一條切實(shí)可行的技術(shù)路徑，還可以為電力行業(yè)應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)新的思路與方法。然而，本研究在取得一定成果的同時(shí)，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(xié)同減排等方面，仍須進(jìn)一步優(yōu)化。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究深入，燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒技術(shù)將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。同時(shí)，加強(qiáng)跨學(xué)科合作與國(guó)際交流，共同推動(dòng)氨燃料技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，也將是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]馬超坤，何宏舟.內(nèi)燃機(jī)燃燒氨燃料的研究綜述[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2024（2）：1-8.

[2]呂曉東，尹歡，路遠(yuǎn).氨燃料在大發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景及技術(shù)趨勢(shì)[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē)，2024（1）：14-16，5.

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

[4]丁先，李汪繁，馬達(dá)夫.燃煤機(jī)組耦合氨燃料燃燒特性及經(jīng)濟(jì)性探討[J].熱力發(fā)電，2022，51（8）：20-28.

[5]許煥煥，葛一，李強(qiáng)，等.氨燃料及應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jìn)展[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展，2022，41（5）：2332-2339.

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