在兆瓦级试验设施上进行的煤与氨共燃实验：氨混合比例的影响

《Fuel》：Coal/NH 3 co-combustion experiments on a MW-scale pilot facility: effects of ammonia blending ratio

煤与氨共燃特性及协同脱硝研究在MW级试验平台进行，分析了不同氨掺量（0%、5%、15%、20%）对炉内温度场、污染物分布及燃尽率的影响。结果表明5%氨掺量初期燃烧减弱但加剧NOx生成，15%条件下实现NOx浓度489 mg/m3、氨逃逸＜78 ppm、CO＜9 ppm及燃尽率99.39%，验证了分级燃烧策略对燃烧稳定性和减排的协同调控作用。

　　

侯健|陈志超|卢玉龙|李哲|吴晓兰|史丰宇|刘焕鹏|李正奇

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，中国黑龙江省150000

摘要

本研究在兆瓦级试验平台上系统研究了不同氨掺混比例（0%、5%、15%和20%）下煤与NH₃的共燃特性。分析了其对炉内温度场、关键物种分布和燃尽行为的影响，以揭示氨添加对燃烧和污染物形成的协同作用。采用分段燃烧策略实现了稳定的燃烧和协调的排放控制。结果表明，5%的NH₃掺混比例降低了煤的初始点火温度和燃烧强度，同时促进了NO_x的生成。随着NH₃比例的增加，主燃烧区逐渐转变为强还原性气氛。NO_x的排放呈现非单调趋势，先增加后减少。在15% NH₃条件下，NO_x浓度为489 mg/m3，NH₃泄漏量低于78 ppm，CO浓度仅为9 ppm，燃尽率达到99.39%。15% NH₃条件在减排、燃烧稳定性和工程可行性之间取得了平衡，为低碳燃烧和低NO_x协同控制提供了实验证据。

引言

中国的能源资源结构以煤炭丰富、石油稀缺和天然气有限为特点，这决定了煤炭在电力系统中的基础性作用[1]。截至2023年，燃煤发电占装机容量的50%以上，贡献了60%以上的发电量[2]，仍然是电力安全和稳定供应的核心。然而，煤炭的高碳排放强度使得电力行业成为中国二氧化碳排放的主要来源，因此实现燃煤发电的低碳转型对于构建清洁高效的电力系统至关重要。目前，可再生能源的大规模储能技术尚不成熟[3]，碳捕获和储存的成本也较高[4]。因此，零碳燃料替代是实现燃煤发电快速脱碳的一条可行途径[5]、[6]。

氢气作为一种典型的零碳燃料，燃烧后仅产生水，但储存和运输要求较高，同时存在安全风险[7]。生物质燃料受资源可用性和燃料变异性限制，难以大规模应用。相比之下，氨气在常压下可液化至-33°C，储存和运输成本较低[7]，安全性较高[8]，且具有减排潜力[9]，使其成为实现燃煤发电系统低碳转型的最有前景的候选燃料之一。

氨共燃为以煤炭为主的电力系统提供了一种实用的短期脱碳途径。与光伏和风能等可再生能源相比，后者受到间歇性和大规模储能需求的限制，而氨-煤共燃可以直接在现有燃煤锅炉中实施，几乎不需要改造。这种方法能够立即降低二氧化碳排放强度，同时保持调度的灵活性和电网稳定性。此外，氨气具有成熟的全球生产能力（约180百万吨/年）、良好的液化特性以及完善的储存和运输基础设施，比氢气更具扩展性。相对于生物质燃料，氨气还提供了更好的燃料一致性和供应安全性。因此，氨共燃越来越被视为一种过渡技术，支持燃煤电厂在低碳能源系统逐步整合过程中的持续作用。

尽管煤/NH₃共燃结合了减排潜力和系统兼容性，但仍面临燃烧和工程上的挑战：高点火温度[10]、[11]、燃烧稳定性差[12]、[13]、高氮含量导致NO_x生成风险[14]，以及可能干扰现有锅炉流场，影响燃烧效率和排放控制[15]、[16]、[17]。

近年来，多项基础研究系统地研究了煤/NH₃共燃行为。Tan等人[18]在滴管炉中研究了部分用NH₃替代煤的情况，发现二氧化碳排放减少但氮氧化物排放增加。Xia等人[19]使用恒容燃烧装置研究了球形火焰传播，发现共燃火焰的传播速度比纯煤火焰快，但与纯NH₃相比具有非线性依赖性。Chen等人[20]在6千瓦的喷射滴管炉中研究了燃料氮的转化和挥发性反应，发现当NH₃掺混比例为20%时NO_x达到峰值，且在≥1200°C时的NO_x浓度显著高于1000°C时的浓度。机理研究表明，氨的添加可以减少二氧化碳，但倾向于增加氮氧化物；同时火焰传播、燃烧速率和稳定性对温度、掺混比例和空气供应策略更加敏感。

Wang等人在45千瓦的滴管炉中报告，在30% NH₃掺混条件下，空气分段使用将氮氧化物排放量降低了56%。Wang等人在15千瓦的垂直炉中观察到，纯NH₃在860°C时点火，而在预混过程中过早与空气接触会促进氮氧化物的生成。Hu等人在200千瓦的一维炉中表明，增加NH₃比例可以减少二氧化碳，增加水蒸气，并在10%掺混比例时产生氮氧化物峰值（715.55 mg/m3）。尽管这些研究揭示了NH₃比例、温度和空气分段对氮氧化物生成和燃烧稳定性的关键影响，但炉子配置相对简单，反应区域规模有限，湍流混合、局部温度分布和竞争性氮反应途径难以与实际锅炉情况相媲美。

兆瓦级试验验证了NH₃共燃在系统层面的工程可行性。Masato等人在1.2兆瓦的燃烧试验炉中发现，35% NH₃共燃使二氧化碳排放量比纯煤减少了28%，而纯NH₃燃烧则完全消除了二氧化碳排放，展示了零碳燃料的潜力。Zhang等人在40兆瓦的试验系统上进行了0–25% NH₃掺混实验，所有比例下的炉内燃烧都保持稳定，火焰温度场与纯煤情况高度一致，证实了燃烧器的设计有效性。然而，兆瓦级试验研究通常燃烧器空气分段能力有限，测量点主要集中在炉后部。大多数系统缺乏二次或径向空气分段结构，无法在主燃烧区创建可控的还原/氧化环境。此外，测量点主要集中在烟道尾部，缺乏关于主燃烧区早期温度、O₂/CO/NH₃分布和局部混合特性的系统数据。这些限制阻碍了对氮氧化物生成特性和煤-NH₃共燃机制的深入研究。

为了解决工业应用中氨的点火困难和氮氧化物的生成问题，本研究基于陈志超团队之前的煤炭燃烧研究[26]、[27]，使用0.3兆瓦的试验平台并采用分段燃烧来调节系统。研究了不同NH₃掺混比例下的炉内温度场、气体气氛分布和污染物生成途径，定量分析了燃烧、燃尽和氮氧化物生成/减少机制，为煤-NH₃共燃技术的工程应用提供了实验证据。

实验样品和条件

本研究使用烟煤和氨气作为主要燃料。煤和NH₃的近似分析和最终分析结果列在表1中。煤粉的平均粒径约为25微米。使用了纯度为99.999%的高纯度氨气。

需要注意的是，在试验矩阵的初步设计中考虑了10%的氨掺混比例。然而，在后续的试验和定量分析中

主燃烧区的燃烧特性

如图4(a)所示，在炉子的主燃烧区，径向氧气分布中心浓度较低，周边浓度较高。中心区域（r < 100毫米）的氧气浓度最低，而在r ≈ 150–200毫米处达到局部峰值，靠近外缘的氧气浓度逐渐降低。沿轴向方向，从x = 80毫米到560毫米，整体氧气浓度增加，径向差异减小，表明

结论

本研究在0.3兆瓦的试验平台上系统研究了煤-氨共燃的燃烧特性，揭示了氨掺混比例对燃烧气氛、反应进程和污染物排放的影响。结果表明：

在主燃烧区，5%的氨掺混降低了初始燃烧强度，并导致氮氧化物增加；而15%和20%的氨掺混加速了氧气消耗，形成了强还原性气氛，促进了

作者贡献声明

侯健：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，调查，正式分析，数据管理，概念化。陈志超：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。卢玉龙：方法学，调查。李哲：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。吴晓兰：方法学，调查。史丰宇：方法学，调查。刘焕鹏：验证，监督。李正奇：验证，监督。

资助

新疆工程学院的博士教师启动基金（2025XGYBQJ42）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。