在兆瓦级试验装置中燃烧掺有NH?的烟煤：一次区过量空气系数的影响

《Energy》：Combustion of Bituminous Coal Blended with NH 3 in an MW-Scale Pilot Facility: Effects of Primary-Zone Excess Air Ratio

本研究评估了煤-氨共燃中主燃烧区过量空气比（α）对燃烧动态和NOx排放的影响。结果表明，降低α至0.70可显著减少NOx排放至350 mg/m3，同时形成燃料-rich核心与氧气-rich外围的分层结构，抑制NOx生成。基于0.3MW试验平台，优化了分级燃烧燃烧器设计，验证了α调控在减排中的有效性。

　　

作者：侯健|李哲|卢玉龙|陈志超|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，黑龙江 150000

摘要：

本研究评估了主燃烧区过量空气系数（α）对煤-氨（NH₃）共燃过程中炉内燃烧动态和NO_x排放的影响。结果表明，在所有测试的α条件下，主燃烧区呈现出径向分层结构，即一个富燃料的核心被一个富氧的外环所包围。然而，核心内的氧化-还原条件会随着α的变化而显著改变。当主燃烧区的过量空气系数（α）从0.97降低到0.70时，核心气氛从轻微氧化状态转变为强还原状态。这导致CO和NH₃在轴向和径向上大量积聚，同时火焰向下游延伸。NO_x排放量也随之单调递减，分别为735 mg/m³（α=0.97，NH₃泄漏量69 ppm）、663 mg/m³（α=0.88，45 ppm）、489 mg/m³（α=0.80，78 ppm），最终降至350 mg/m³（α=0.70，342 ppm），且所有情况下煤的燃烧率均超过98.4%；α=0.80-0.88时达到最佳平衡。这些发现表明，主燃烧区的过量空气系数是控制煤-氨共燃过程中NO_x形成的关键参数。

引言

尽管全球都在努力实现脱碳，燃煤电厂对于电网稳定仍然至关重要，因此需要进行低碳改造。然而，它们本身的高碳排放给脱碳带来了巨大压力[1]，[2]。为了实现低碳转型，开发可以在现有燃煤系统中灵活共燃、具有零碳特性并保持运行灵活性的替代燃料已成为重要途径[3]，[4]。

氨（NH₃）不含碳，可以使用现有的储存、运输和注入系统直接共燃[5]，在“用氢替代碳”的过渡阶段为燃煤机组提供了理想的选择。与纯NH₃燃烧相比，煤-氨共燃利用了煤颗粒的反应性来改善NH₃的点火和火焰稳定性[6]，同时减少了CO₂排放，显示出更高的工程可行性。

由于氮占NH₃的82 wt%，其燃烧涉及多种气相和非均相反应路径，这些路径促进了NO_x的生成和积聚[7]，[8]。在燃烧过程中，NH₃面临较高的氮氧化物生成风险。先前使用滴管炉和预混燃烧的实验室规模研究显示，煤-NH₃共燃产生的NO_x排放量很高：在10% NH₃（1100°C）时为1246 mg·m^-3[9]，在20% NH₃（1000°C）时为1043 ppm[10]，在30% NH₃（1400°C）时为2100 ppm[11]。这些发现凸显了由于NH₃含有82 wt%的氮及其复杂的氧化路径而导致的较高NO_x生成风险。然而，大多数研究使用了一维反应器，忽略了对于分阶段燃烧控制NO_x至关重要的主燃烧区相互作用。NH₃的高氮含量和复杂的氧化-还原路径带来了一个独特的挑战：即“零碳燃料”特性与显著的氮基污染物生成共存，这限制了其大规模共燃的应用。

因此，积极控制煤-氨燃烧过程对于在保持高燃烧效率的同时抑制污染物生成是必要的。分级燃烧作为一种有前景的策略出现在煤-氨系统中，因为它能够空间分离反应路径并实现有针对性的干预。该概念是将燃烧分为还原阶段和燃烧完全阶段：主燃烧区的富燃料气氛在源头上抑制了燃料衍生的NO_x生成，随后在燃烧完全阶段引入氧气以确保残留物质的完全氧化，从而在效率与减排之间取得平衡[12]，[13]。在还原阶段，NH₃在高温下可以生成强还原性自由基，与NO_x反应，将原本会贡献于排放的氮物种转化为还原剂，从而降低NO_x的排放[14]。

关于分级煤-氨燃烧的研究仍然有限。现有研究主要集中在调节NH₃混合比例[15]，[16]，[17]，[18]、燃烧完全空气比例[19]，[20]、燃烧温度[21]，[22]以及NH₃注入方法[23]，[24]以减少NO_x排放。陈志超等人[15]使用水平炉发现，NH₃通常会促进NO的生成，其影响与燃烧温度密切相关。王等人[19]基于一维火焰炉的研究表明，增加燃烧完全空气可以显著减少NO_x的生成。范等人[21]进一步指出，NH₃仅在高温和极低氧浓度下才能有效减少NO；在中等温度和典型氧浓度下，NH₃更容易被氧化为NO。王等人[24]比较了不同的NH₃注入策略，发现注入主燃烧区比注入还原区域更有效。

大多数先前的研究基于一维实验室反应器，其中NO_x的生成和还原是通过调整每个阶段的化学成分和温度来间接控制的。分级煤-NH₃燃烧涉及复杂的动力学耦合，局部化学计量比的变化显著影响最终排放特性。尽管之前的研究明确了基本的NO还原趋势，但它们常常忽略了主燃烧区和燃烧完全区的作用。主燃烧区中的残余炭、还原气体和含氮中间体直接影响NO的转化效率和最终排放。此外，实验室规模的设置无法完全再现实际炉内的气体流动、传热和反应动力学条件。因此，需要系统的试点规模研究来探讨分级燃烧如何影响炉内气氛和潜在的燃烧机制。

基于他们之前关于低NO_x旋流燃烧器[25]，[26]，[27]的工作，陈志超团队系统优化了燃烧配置。该燃烧器（图1）具有多级同轴空气通道：中央通道输送NH₃，一次空气将 pulverized coal（粉煤）带入主燃烧区，内外二次空气流通过导向叶片形成稳定的旋流，以增强燃料-空气混合，并在下游创建高温再循环区以提高点火稳定性。出口连接到一个独立的预燃烧室，其中再循环的烟气为NH₃的早期点火提供持续的热量，形成富燃料气氛，抑制燃料衍生的NO_x生成。预燃烧室出口处的分离二次空气形成环形空气膜，延缓了燃料喷射的扩散，延长了NH₃与煤炭的相互作用时间，促进了未燃烧物质的二次氧化，提高了燃烧完全效率和氮排放控制。

在整个燃烧过程中，燃料首先进入富燃料区域，并经历分阶段的氧气供应：主燃烧区保持弱氧化到还原的气氛以抑制NO_x的生成，而周围的燃烧完全空气确保了残留固定碳和NH₃分解产物的完全氧化。在局部还原条件下，NH₃也可以参与NO_x的还原反应，进一步有助于协同控制氮排放。

本研究在0.3 MW的试点规模平台上进行，系统研究了主燃烧区过量空气系数（α）对煤-氨共燃过程中炉温场、炉内气氛分布和污染物生成路径的影响。通过测量和分析不同α条件下O₂、CO、NO和NH₃的空间分布，该研究阐明了α调节的燃烧和排放特性，为煤-氨共燃的反应机制研究和工业优化提供了实验证据和理论支持。

虽然最近的研究在试点规模和实验室规模设施中探索了NH₃/煤共燃，主要集中在混合比例、NO_x趋势或燃烧器改进上，但它们通常依赖于一维反应器或有限的空间测量，忽略了主燃烧区与燃烧完全区的相互作用。与此不同，0.3 MW的试点规模研究系统地改变了主燃烧区的过量空气系数（α=0.70-0.97），同时保持恒定的热输入和NH₃比例（15%），揭示了径向分层的气氛（富燃料核心/富氧外环）及其演变。

实验样品和测试条件

实验样品包括烟煤和NH₃，对其进行了近似成分和最终成分的分析，如表1所示。煤的平均粒径为25微米。实验中使用了高纯度NH₃（99.999%）。

主燃烧区过量空气系数α定义为供给主燃烧区的总空气量（一次空气 + 内部/外部二次空气 + 分离的二次空气）与完全燃烧所需的化学计量空气量之比

主燃烧区的燃烧特性

如图4(a)所示，主燃烧区不同轴向位置（x=80, 240, 400, 560 mm）的氧气径向分布存在显著的空间不均匀性。炉中心（r≈0–100 mm）的氧气浓度最低，在中径向区域（r≈100–250 mm）达到峰值，然后逐渐向炉壁方向平缓下降。在不同主燃烧区过量空气系数（α）下，整体分布模式相似，但浓度水平有显著差异

结论

本研究基于MW规模的试点燃烧试验装置，成功实现了烟煤和NH₃的稳定共燃，并实现了低NO_x排放。系统地揭示了主燃烧区过量空气系数（α）对炉内燃烧特性和污染物生成/排放模式的影响。结果表明，NO_x排放量随α的增加而单调递减。在低当量比条件α=0.70下，炉出口处的烟气NO_x降至350

CRediT作者贡献声明

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

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