关于氨煤预热共燃过程中颗粒物（PM）和氮氧化物（NO）协同减排的实验研究

《Journal of the Energy Institute》：Experimental study on synergistic emission reduction of PM and NO during ammonia-coal preheating co-firing

　　唐子涵|余颖|赵志平|尚一民|王晨|郭欣|牛艳青
中国陕西省西安市西安交通大学能源与动力工程学院，教育部热流体科学与工程重点实验室，邮编710049

**摘要**
氨煤共燃是实现燃煤电厂低碳转型的关键途径。然而，由于其对于颗粒物（PM）和氮氧化物（NO）形成的影响复杂且不明确，大规模应用可能面临重大挑战。本研究提出了一种氨煤预热共燃技术，旨在协同减少PM和NO的生成。在氨混合比例（表示为αNH3）为20%的情况下，与传统氨煤共燃相比，预热使PM1减少了17.15%，PM1-10减少了9.45%，NO减少了37.85%。同时，在αNH3 = 20%时，氨煤预热共燃使PM10、NO和二氧化碳（CO2）分别减少了16.96%、6.26%和20%。随着αNH3从0%增加到40%，PM的生成量有所减少，这主要归因于氨燃烧导致的烟气稀释，而氨与煤的相互作用则促进了PM的生成。对于NO，随着αNH3的增加，其生成量最初增加，随后减少，最终在20%时达到最低值。在预热区，氨比煤更容易氧化，因此在αNH3 = 10时NO的生成量最高。当αNH3 ≥ 20%时，NO生成量的变化源于氨氧化、氰化氢（HCN）氧化以及未燃尽的氨和炭对NO还原之间的竞争。总之，氨煤预热共燃是一种可行的策略，可以协同减少燃煤锅炉中的PM10、NO和CO2的生成。

**引言**
气候变化缓解和碳中和是全球社会的两大紧迫任务。煤炭约占全球二氧化碳（CO2）排放量的40%，是碳排放的主要来源[1]。然而，鉴于全球煤炭储备的丰富性以及可再生能源稳定性和电网灵活性的限制，短期内完全脱碳并不现实。因此，将低碳或零碳燃料与煤炭混合使用是一种向燃煤发电系统脱碳过渡的务实策略。
氨（NH3）是一种典型的零碳燃料，由可再生资源合成，易于液化、储存和运输，并具有较高的能量转换效率[2]。部分用氨替代煤炭可以在保持成本效益的同时减少碳排放[3]。例如，当氨混合比例（αNH3）为20%和40%时，与纯煤燃烧相比，CO2排放量分别可减少约20%和40%。在中国，已在一台40 MW的燃煤锅炉中实现了35%的氨煤共燃比例，这是世界首创[4]。然而，大规模应用需要在NOx和PM减排等领域取得进一步突破。
氨的高氮含量（约82.4 wt%）在共燃过程中倾向于促进NOx的生成。对于典型的含氮燃料（如煤炭和氨），生成的NO主要是燃料NO。在高温和氧化性气氛下，燃料中的氮（N）会转化为NO，但在还原条件下则优先生成氮气（N2）[5]。Liu等人[6]对771个数据集进行了定量分析，发现氨的使用使NOx的总生成量比纯煤燃烧增加了25.14%。在低αNH3（10 - 20%）时，NO生成量达到峰值后随αNH3的增加而下降。因此，人们研究了优化燃料混合和空气分级等NOx减排策略。Tamura等人[7]证明，在燃烧器处注入氨（αNH3 < 30%）时，NOx排放量与纯煤相当；而侧壁注入则导致NOx排放量增加。Wang等人[8]在45 kW的炉子中提出了一种延迟共燃方法，通过空气分级使αNH3在0 - 50%范围内的NO生成量降至205-298 mg/m3。Xie等人[9]观察到，在顶部混合模式下空气分级能有效减少NOx，但在高αNH3下的侧向混合模式下NOx生成量会增加。Zhang等人[10]和Wang等人[11]证实，适当的空气分级可以显著减少NO生成，但过高的过量空气比例可能会增加未燃尽的碳和CO，而不会进一步减少NO。总之，尽管现有策略显示出潜力，但其效果受到燃烧器设计和αNH3的限制，导致结果不一致。根本原因在于对共燃过程中NOx生成和还原的复杂机制理解不足。探索新的减排策略并揭示NOx生成和还原的内部机制对于进一步提高减排效果至关重要。
除了NOx外，氨煤共燃还可能增加颗粒物（PM）的生成。PM通过沉积在呼吸道和肺部或通过血液传输到器官而增加健康风险[12]。本研究将PM分为超细PM（粒径< 1 μm，PM1）和细粒及粗粒PM（1 μm < 粒径 < 10 μm，PM1-10）进行讨论。PM1主要来源于燃料中矿物元素在高温下的挥发，随后经过均匀核化、非均匀凝结和颗粒聚合[13]。PM1-10主要由炭碎裂、排出的矿物分解以及残留矿物的聚集形成[14][15]。目前关于氨煤共燃过程中PM生成的知识仍然有限，且存在显著分歧。一些研究表明，氨与煤共燃会促进PM的生成[16]。Zhang等人[16]报告称，在αNH3 = 0 - 50%的范围内，氨煤共燃过程中PM生成量增加，尤其是亚微米颗粒（PM1，粒径< 1 μm）的影响最为明显。Hu等人[17]观察到氨共燃会加剧灰分在传热表面的沉积，从而降低传热效率。相反，其他研究则表明有减少作用[18]。Ma等人[18]显示，αNH3 = 30%时PM10（粒径< 10 μm）显著减少。Zhai等人[19]观察到随着αNH3的增加，总PM浓度下降。这些差异可能源于氨煤共燃过程中复杂的气固相互作用。此外，使用不同的单位（如mg/m3、mg/g_ash）使得直接比较和数据整合变得复杂[20]。因此，阐明PM生成机制对于开发有效的控制策略至关重要。

**预热燃烧**
预热燃烧是一种先进的清洁技术，能够在稳定低负荷运行的同时减少PM和NOx的生成[21][22]。它显著提高了氨火焰的稳定性。更高的预热温度促进了氨的裂解，从而提高了燃烧效率并减少了NOx[21]。在煤炭、半焦和生物质上的预热燃烧应用验证了其对PM和NO的协同减排效果[23][24][25]。Zhu等人[23]观察到，煤炭预热燃烧减少了PM和NO的生成，而这种协同效应在结合空气分级后得到了进一步增强[26][27][28]。Ruan等人[24]和Wang等人[25]也证实了这一点。热解炭的预热燃烧使PM1减少了16.67%，PM1-10减少了8.52%，NOx减少了15.84%。同样，Xu等人[22]报告称，在预热煤-生物质共燃过程中，PM1、PM1-10和NOx分别减少了22.30%、10.75%和49.84%。Yu等人[26]通过结合燃料分级进一步减少了NO的生成（最低生成量低于100 mg/Nm3）。鉴于其有效性，将预热技术应用于氨煤共燃可以成为实现PM和NOx深度协同减排的实用策略。

**预热燃烧技术在氨煤共燃中的减排潜力**
本研究使用高温滴管炉系统系统地分析了PM和NO的生成特性和机制，并比较了传统条件和预热条件下的PM和NO生成情况，发现预热显著减少了这两种污染物的生成。此外，还研究了αNH3（0 - 40%）对预热共燃过程中PM和NO生成的影响，以阐明其背后的机制。这项工作旨在为实现更清洁的氨煤共燃提供新的技术途径和理论基础。

**实验系统**
Gong等人[27]开发了一种新型低NOx燃烧器系统，并有效调节了煤炭预热燃烧状态。基于该燃烧器系统设计，本研究设计并构建了一个适用于氨煤预热共燃研究的高温滴管炉实验系统。如图1左侧所示，该管式炉具有双炉体结构，两个炉子通过不锈钢弹簧管连接。

**PM生成特性**
图2展示了在传统条件和预热条件下，纯煤和氨煤混合燃料（αNH3 = 20%）的PM生成情况。图2a显示，纯煤燃烧和氨煤共燃过程中的粒径分布呈现双峰特性。在0.1 - 0.3 μm范围内有一个与PM1相关的峰，在4 - 6 μm范围内有一个与PM1-10相关的峰。这种双峰分布与广泛报道的结果一致。

**结论**
本研究重点研究了氨煤预热共燃过程中PM和NO的生成特性。结果表明，预热在减少PM和NO生成方面发挥了重要作用：
(1) 预热显著减少了PM和NO的生成。对于纯煤，与传统燃烧相比，预热使PM1减少了12.75%，PM1-10减少了9.81%，NO减少了26.77%。对于氨煤共燃（αNH3 = 20%），预热使PM1减少了17.15%，PM1-10减少了9.45%，NO减少了37.85%。

**作者贡献声明**
王晨：撰写、审阅与编辑；郭欣：撰写、审阅与编辑；赵志平：撰写、审阅与编辑、数据整理；尚一民：撰写、审阅与编辑；牛艳青：监督、方法论制定、资金获取、概念构思；唐子涵：撰写、审阅与编辑、初稿撰写、实验设计、数据分析；余颖：撰写、审阅与编辑、实验设计、数据分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB4104902-5）、陕西省重点研发项目（2024SF-YBXM-578）以及西安市科学家和工程师建设项目（24KGDW0004）的支持。