实验和数值研究氨气添加对氨煤共燃火焰中燃烧特性及NO生成的影响

《Combustion and Flame》：Experimental and numerical investigation of ammonia addition on combustion characteristics and NO formation effects in ammonia/coal co-firing flames

氨煤共燃燃烧特性及NO生成机制研究。基于光学诊断平台和数值模拟，揭示了低氨浓度下煤燃烧火焰结构演变规律，发现氨抑制关键CO氧化路径导致局部CO峰值上升，同时显著增加NO浓度并主导氧化还原反应。研究为优化共燃策略提供了理论支撑。

　　

杨柳|龚燕|郭庆华|刘俊涵|余光硕

华东理工大学清洁煤技术研究所，中国上海200237

摘要

氨作为一种无碳燃料，通过与粉煤共燃为减少排放提供了有前景的途径。然而，氨添加对煤燃烧的影响及其内在机制仍需进一步研究。本研究采用了一个光学诊断平台，包括两级平焰燃烧器、高速成像系统和光纤光谱仪，来研究低氨混合比下NH₃/煤火焰的燃烧特性。利用CH^?化学发光技术来表征火焰结构和点火过程。此外，还进行了数值模拟，整合了煤和氨热解/燃烧的全局机制，以分析烟气成分和NO的生成。结果表明，随着氨混合比的增加，火焰高度和富燃料区显著增大。煤的点火延迟时间和达到峰值强度的时间几乎呈线性增长。总CO和CO₂排放量随氨浓度的增加而逐渐减少，而局部CO峰值摩尔分数增加。这归因于氨消耗了O?和OH自由基，抑制了关键的CO氧化途径（CO + OH→CO₂ + H）。随着氨混合比的升高，NO摩尔浓度显著增加，且煤中的氮（coal-N）对NO形成的贡献远小于氨中的氮（NH₃-N）。NO核心区的分布受氧化反应R10(NH₃ + O₂→NO + H₂O + 0.5H₂)和还原反应R11(NH₃ + NO→N₂ + H₂ + 0.5H₂)的控制。

引言

为了缓解由温室气体排放引起的全球变暖和气候变化，迫切需要减少煤炭消耗并开发清洁、高效的能源，特别是在煤炭发电领域，这是CO₂排放的主要来源[[1], [2], [3]]。在燃煤电厂中混合使用低碳或零碳燃料被广泛认为是减少碳排放的有效策略。氨作为一种无碳燃料和氢能载体，具有高氢密度（17.6 wt%）[[4], [5], [6]]，并且已有成熟的生产基础设施。它显示出显著的成本效益和应用前景[7]。因此，将煤与绿色氨共燃为逐步减少对煤炭能源及其相关碳排放的依赖提供了可行的途径。这一领域引起了广泛的研究兴趣，并已在锅炉和燃气轮机的试点项目中得到验证[8,9]。这些项目初步验证了氨-煤共燃作为燃煤电厂减少CO₂排放的有效方法。

然而，将煤与氨共燃面临关键挑战，包括燃烧效率降低、火焰稳定性差[10]和NOx排放增加[11]，主要是由于氨的低反应性和高氮含量。在燃烧过程中，氨中的氮（ammonia-N）通过与O/H/OH自由基的复杂H-提取反应逐渐氧化为氮（N₂），同时也会产生NOx排放[12,13]。与碳氢化合物燃料相比，氨的燃烧特征是热释放率和反应区内的H/O自由基浓度较低。氨火焰的层流燃烧速度大约是甲烷火焰的20%[14,15]。此外，煤燃烧是一个复杂的多相过程，通常涉及挥发物的释放和点火，以及炭的燃烧和燃尽。因此，煤和氨的共燃研究特别复杂且具有挑战性。

煤和氨燃烧的复杂性使得NH₃/煤火焰的燃烧状态成为关键的研究焦点。基于自由基化学发光的光学火焰诊断技术为监测火焰状态和燃烧特性提供了巨大潜力[16,17]。Ma等人[18]利用CH^?化学发光技术表征了平焰燃烧器中粉煤的点火情况，研究了煤的等级、颗粒大小和氨混合比的影响。结果表明，氨具有双重作用：它通过提高环境温度促进了点火均匀性，同时通过降低反应区的氧气浓度抑制了点火。类似地，Yuan等人[19]采用基于CH^?化学发光和三色测温仪的方法来表征煤颗粒流中的异质点火模式。此外，OH自由基在煤和氨的燃烧过程中都是反应区的关键指标。Pugh等人[20]证明，解卷积OH^?和NH₂^?化学发光分布可以描述氨旋流火焰中的反应区结构。Ichikawa等人[21]和Hadi等人[22]也支持了这一结论。

目前，已经进行了大量的实验和数值研究，探讨了氨-煤共燃过程中的烟气形成和排放。NH₃/煤火焰中的主要烟气成分是CO、CO₂和NOx。其中，NOx是限制该技术应用的关键因素。Hu等人在200 kW燃烧炉中进行的实验表明，随着氨浓度的增加，CO₂排放量减少，而烟气中的H₂O含量逐渐增加。在低氨混合比下，NOx排放量随氨的添加而增加；然而，当氨比例进一步增加到20%以上时，由于氨和NO的还原反应，NOx排放量逐渐减少。NO主要来源于NH₃/煤火焰中的氨燃烧通过复杂转化反应生成。Wang等人[24]基于滴管炉实验和数值模拟发现，炭和挥发物促进了NH₃-N向NOx的转化。此外，Chen等人[25]通过高温实验和量子化学计算阐明了氨/煤火焰中燃料氮的转化机制，表明NO的形成不仅取决于燃料的氧化，还取决于NH₃和炭的竞争性还原。

由于NH₃/煤火焰中的复杂反应，基础研究仍然相对有限。现有研究主要集中在火焰传播和整体污染物排放上，而氨添加对煤燃烧过程的影响及其潜在机制仍需进一步研究。当前的锅炉测试表明，考虑到改造成本和NOx控制，中心注入是一种更可行的氨混合方法[26]。在本研究中，使用CH^?化学发光技术在平焰燃烧器中系统地研究了低氨浓度下粉煤的点火和燃烧特性。结合数值模拟，从化学动力学的角度分析了氨混合对煤火焰烟气排放和燃料氮向NO转化过程的影响。该研究为理解氨添加对煤火焰行为和排放的影响提供了理论基础，旨在优化共燃策略并减少燃烧器中的NOx排放。

实验平台

图1展示了NH₃/煤火焰的光学诊断平台。该平台由两级平焰燃烧器、高速成像系统和光谱诊断系统组成。燃烧器有一个中央输送管，用于输送粉煤和氨，周围环绕着两个同轴圆柱形蜂窝结构。中心管的直径为5毫米，壁厚为1毫米。煤的进料速率通过进料电机的步进速度精确控制。

数值模型

在本研究中，使用ANSYS Fluent对NH₃/煤火焰进行了数值研究，并分析了氨混合对煤燃烧火焰的影响。粉煤和氨的燃烧过程涉及复杂的热量/质量传递和化学反应。为了合理描述燃烧器出口和火焰处的流场，选择了标准k-ε模型来模拟气相流动。组分传输模型用于准确计算

氨混合比对煤点火特性的影响

图5(a)显示了不同氨混合比下NH₃/煤火焰的结构变化。随着氨混合比的增加，火焰高度逐渐延长，强度呈现下降趋势。同时，作为煤出口附近暗区的富燃料区随着氨浓度的增加而扩大。这一现象直接反映了氨在火焰根部的作用。这与局部氧气浓度和热量分布有关

结论

本研究采用了一个光学诊断平台，包括两级平焰燃烧器、高速成像系统和光谱检测系统，来研究不同氨混合比下NH₃/煤火焰的火焰结构和燃烧过程。进行了数值模拟，基于煤和氨的全局反应机制分析了NH₃/煤火焰中的烟气成分和NO生成。此外，还对关键氨

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杨柳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。龚燕：资源提供，方法学，研究，正式分析，概念化。郭庆华：监督，资源提供，研究，概念化。刘俊涵：方法学，研究，概念化。余光硕：研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。