煤氨混燃方式与掺氨比对燃料排放特性的影响研究

龚 艳 艳

(1.北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013；2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，煤炭的能源保障性地位短时期不会改变[1]，将煤与NH3混燃逐步减少煤电是实现降碳的1种新途径，但纯NH3燃烧有火焰传播速度低、NOx排放高的问题。研究表明，掺氨比、NH3的注入方式及位置、燃烧温度、氧体积分数、气体流速是影响煤/NH3混合燃料燃烧特性的主要影响因素[2-4]。有学者发现将煤/NH3共燃的火焰传播速度比纯煤燃烧快3倍，比纯NH3燃烧快2倍[5]。

随着掺氨比增加，NOx呈线性增加的趋势[6]，但Yuan[7]认为煤/NH3混燃可实现NOx排放低于纯煤燃烧，同时在高温区产生的NO2和N2O不容忽视。在MW级试验中发现[8]从燃烧器中心注入NH3比侧壁注入更可取，其改造成本更低且NOx控制性能更好，当掺氨比低于20%时，将NH3喷射到富含燃料区域不会加剧NOx排放，CO2的减少也与掺氨比成正比，氨气喷枪的使用可以在维持 NOx排放几乎不变的情况下，显著提高焦炭的燃尽率，是氨气与煤混燃时1种较优的选择。合适的氨气射流速度不仅可以充分促进氨气对焦炭氧化过程中NOx生成的抑制，还能提高局部燃烧温度促进焦炭的氧化。Hencken燃烧器因其具有燃烧稳定、在较大的范围内可快速精准调节、较好的光学特性、可以真实的模拟实际燃烧条件等优点，适合开展煤/NH3混烧的机理研究，MA[9]在双级平焰燃烧器上开展了煤/NH3混烧的着火机理、燃尽特性、NOx排放特性、灰渣演化及沉积特性等一系列研究，对理解煤/NH3混烧的相互作用至关重要。综上，将煤/NH3混燃以实现低碳清洁燃烧是可行的，但关于煤/NH3混燃的燃烧特性的结论不一，亟待开展大量研究。

因此，笔者将基于平焰燃烧器开展煤/NH3混燃的实验研究，探究掺氨比、煤/NH3注入方式对燃烧特性的影响，研究成果有望为煤/NH3混燃的应用奠定理论基础，为数值模拟工作提供有效数据支撑。

1 实验装置及方法

1.1 平焰燃烧器介绍

实验中燃烧方式为预混、非预混，其示意如图1所示[6]，燃烧器的圆形结构可以降低反应区气体组分和温度分布的不均匀性。燃烧器直径为72 mm，不锈钢管以1∶2的管孔比插入蜂窝中，管内径为1.0 mm，外径为1.2 mm，中心进料管外径为1.6 mm，硅胶垫圈和不锈钢管用于隔离氧化剂和燃料。

1.2 实验工况设置

实验设定燃烧器平面燃烧温度为1 500 K、燃烧后氧摩尔分数为0.2，蜂窝内流出气体的流速为1 m/s。供料器采用日本 Sankyo 制造的微量给粉器，供料误差为±5%，纯煤燃烧时，煤粉供料量为250 mg/min，煤氨混合燃料按照能量输入不变的原则配比煤与氨的燃料量，实验中设定掺氨比为0(纯煤燃烧)、20%、40%、60%、80%、100%(纯NH3燃烧，掺氨比的计算公式如式(1)所示)。在预混工况下，保持蜂窝中N2、O2、CO气体流量不变，煤粉与NH3按照一定掺氨比在N2的携带作用下进入中心进料管，氧化剂从不锈钢蜂窝管流出，在燃烧器平面高温环境下与燃料反应并产生燃烧产物。在非预混工况下，根据预混工况所计算出的不同掺氨比下NH3流量，将NH3与N2、O2、CO在蜂窝内一起通入，煤粉在N2的携带作用下从中心进料管进料燃烧，具体实验工况参数见表1。

表1 氨煤混燃实验工况Table 1 Experimental cases of coal/ammonia combustion

(1)

式中，Q(NH3)为氨燃料热量，MJ；QMix煤氨混合燃料总热量，MJ；E(NH3)为掺氨比，%。

1.3 实验方法

采用尼康D90相机观测煤粉与氨燃烧后的火焰状态，实验中设定燃烧器平面为起点，为减少外界气体对燃烧后烟气的干扰，在平焰燃烧器上方高度为5、100 mm处设置测点，分别采用德国 MRU VARIO PLUS 增强型烟气分析仪及S型铂铑热电偶测量燃烧后烟气温度、气体成分，并在HAB=100 mm处抽取灰样，并采用热重分析仪在升温速率与终温为20 ℃/min和1 000 ℃、气氛为空气、保护气为氩气条件下进行灰样的热重分析。

1.4 燃料特性

实验中采用的煤种为中等挥发分烟煤，平均粒径为28.2 μm。煤质特性见表2，实验前，需将煤粉样品筛选并干燥。

表2 煤粉燃料特性Table 2 Fuel property of coal

2 结果与讨论

2.1 温度分布

在不同燃烧方式、掺氨比下，煤/氨气固燃料燃烧烟气温度的变化曲线如图2所示。

图2 烟气温度变化曲线图Fig.2 Temperature variation curve of flue gas

在预混燃烧工况下，随着掺氨比增加烟气温度呈现增加的趋势，当掺氨比为20%时，相较于纯煤燃烧，温度增加幅度较大，原因是掺氨后呈现氨气包裹着煤粉燃烧的现象，氨在前期燃烧产生的热量预热煤粉颗粒，掺氨量越多，预热温度越高。由于煤粉浓度降低，煤粉颗粒周围挥发分降低，因此单位质量的煤粉颗粒所接受的热量就越多，同时煤粉颗粒周围气体对流换热作用增强。有研究表明高温烟气对流加热煤粉着火的时间比单纯辐射加热快23倍[10]，因此氨燃料浓度越高，燃烧温度越高，但较高浓度的氨燃料着火会吸收煤粉颗粒周围热量，所以当掺氨比≥80%时，温度增加速率变化不大。当纯煤燃烧时，由于煤粉浓度高周围高温气体对煤粉的辐射传热作用增强，但氨燃料浓度降低对煤粉的预热作用降低，煤粉颗粒升温速率降低，导致煤粉析出的挥发分的浓度效应不足以抵消煤粉颗粒升温速率的降低，因此燃烧温度大幅降低[11]。

在非预混燃烧工况下，随着掺氨比增加烟气温度呈现下降的趋势，与预混燃烧工况下温度变化趋势相反，主要原因是燃烧前期在平焰燃烧器平面气体燃烧所产生的高温预热区的预热作用下，氨更迅速燃烧，使平焰燃烧器平面温度增加，因此，煤氨气固燃料在燃烧后期主要为煤粉燃烧，氨燃烧对煤粉的预热作用明显降低，温度呈现下降的趋势。

2.2 气体排放特性

2.2.1O2质量浓度分布

在不同燃烧方式、掺氨比下，煤/氨气固燃料燃烧O2体积分数分布的变化曲线如图3所示。

在预混方式下，随着掺氨比增加氧体积分数呈现先降低后增加再降低的趋势；在非预混方式下，随着掺氨比增加氧体积分数呈现降低的趋势；除预混、掺氨比为60%外，氧体积分数均低于煤粉燃烧，由于煤与氨燃烧争夺O2[12]，体现掺氨后对煤氨气固燃料燃烧的负面作用，且在2种燃烧工况下纯氨燃烧时，氧体积分数均较低，氧体积分数相差较少，说明燃烧方式对纯氨燃烧的影响较小，而当煤氨气固燃料中有煤粉加入时，燃烧方式对燃烧影响较大。

2.2.2NOx质量浓度分布

在不同燃烧方式、掺氨比下，煤/氨气固燃料燃烧NOx质量浓度分布如图4所示。在2种燃烧方式下，相较于煤粉燃烧，掺氨后NOx排放量均大幅增加，随掺氨比增加，NOx排放量均呈现先增加后降低的趋势，与ISHIHARA的研究结果一致[13]。煤粉燃烧掺氨后NOx排放量均大幅增加，因氨以相等的热值取代部分煤，而单位质量氨中燃料N含量远高于煤粉，因此掺氨后煤氨气固燃料中燃料N含量增加，NOx生成量更高。

图4 NOx质量浓度变化曲线Fig.4 NOx concentration variation curve

由于煤颗粒与氨燃烧产生的蒸气促进了气化反应，改变了焦炭的孔隙结构，此时灰分中的一些含N杂环破碎，加速了N元素析出转化为气相组分，使NOx的排放量进一步增加。煤氨气固燃烧中有煤粉存在时，还原区少量的焦炭和NH对NO还原具有协同促进作用[14]，纯氨燃烧时，NOx排放量下降，原因是可能存在一定量的未燃氨[15]，对NO的还原作用更显著。

2.2.3CO2体积分数分布

在不同燃烧方式、掺氨比下，煤/氨气固燃料燃烧CO2质量浓度分布如图5所示。

图5 CO2体积分数变化曲线Fig.5 CO2 concentration variation curve

当预混、掺氨比≥20%及非预混燃烧工况下，CO2体积分数均低于煤粉燃烧[16]，是煤粉供料量减少所致，也证实通过煤氨掺烧降碳是可行的。但非预混模式下，随着掺氨比增加，CO2体积分数降低幅度更大，原因是在此燃烧方式下，燃烧前期的氨迅速燃烧，相比于预混燃烧方式煤粉的燃烧不充分，所释放出CO2也更少。2种燃烧方式下，掺氨比越大，CO2相差越大，说明掺氨比越高，燃烧方式对煤氨气固燃料燃烧的影响越明显。

2.3 飞灰特性

2.3.1失重与质量变化速率曲线

通过热重分析仪检测不同工况下的灰样，得到的失重曲线及失重曲率曲线如图6所示，特征参数见表3，其中定义T1、T2，T3该3个特征温度点[17]，根据3个特征温度点将灰样随温度的变化分成3个阶段：起始反应段、剧烈反应段、终止反应段。在起始反应段，T1对应飞灰质量刚开始变化的温度，由于温度升高飞灰表面未燃尽的活性结构数量剧增，飞灰开始裂解挥发，产生CO，CO2和小分子有机气体，同时灰中的内水开始析出，此阶段飞灰质量下降较少；在剧烈反应段，T2对应整个质量损失过程中的最大质量变化速率点所对应的温度，此时，飞灰质量开始急剧下降，飞灰中分子内部开始发生剧烈的化学反应，耗氧速率急剧增加，升温速率急剧加快，产生气体量大，燃料失重明显；在终止反应段，T3对应飞灰中质量基本不再变化时所对应的温度，在TG曲线上表现为曲线趋于平缓，在DTG曲线上表现为质量变化速率在0附近波动，此时可以获得飞灰的残碳率。

表3 飞灰的特征温度、最大质量变化速率Table 3 Characteristic temperature and maximum weight loss rate of fly ash

图6 飞灰失重与质量变化速率曲线Fig.6 Weight loss and weight loss rate curve of fly ash

从图6中可看出，在2种燃烧方式下，灰样的失重、质量变化速率曲线随温度的变化规律整体相同。当预混燃烧时，在剧烈反应段，根据质量变化速率曲线，随着掺氨比增加质量变化速率峰峰值提前，当掺氨比>60%时，失重峰开始从单峰向双峰变化，分别称双峰为前质量变化速率峰和后质量变化速率峰，后质量变化速率曲线峰值与纯煤燃烧时飞灰样品所对应的峰值温度接近，说明氨燃烧可使烟气中的水蒸气浓度增加，促进了焦炭的气化反应，使灰分的孔隙结构更疏松，比表面积更大，飞灰中的小分子可燃物更容易析出，因此，前质量变化速率峰提前，但灰样中仍维持纯煤粉燃烧工况下飞灰的燃烧特性。当非预混燃烧时，在剧烈反应段，根据质量变化速率曲线，当掺氨比>40%时，失重峰开始由单峰转化为双峰，但后质量变化速率峰不明显。

2.3.2飞灰残碳率

基于上述热重分析结果，得到在不同燃烧方式、掺氨比下的飞灰残炭量如图7所示。

图7 飞灰残炭量变化曲线Fig.7 Variation curve of unburned carbon in fly ash

在预混燃烧方式下，随着掺氨比增加，残炭量呈现先增加后降低的趋势。从反应动力学角度分析，煤燃烧产生的自由基和中间体，如HO2、H2O2、H、OH等，会促进氨的分解和氧化，但氨燃烧与煤燃烧的竞争影响了煤与氨的燃烧速率，而煤的协同作用降低了氨燃烧的活化能。从传热角度分析，随掺氨比量增加，煤粉颗粒减少因而颗粒辐射传热降低，但实验中根据燃烧后烟气温度、气体成分、残炭量的检测结果，表明在预混燃烧条件下，随着掺氨比增加，对煤粉点火以及整个燃烧进程都有促进作用，此时氨对煤粉燃烧的正向促进作用占主导，抵消了传热及燃烧速率降低对燃烧的反向作用。在非预混燃烧方式下，残炭量随着掺氨比增加呈现先增加后下降再上升的趋势，当掺氨比<40%，时选择预混燃烧更有利于煤粉燃尽，而在掺氨比为40%时，2种燃烧方式小飞灰残炭量相差不多，当掺氨比>40%，选择非预混燃烧为宜。

3 结 论

为探究煤粉掺烧氨后的燃烧特性，在平焰燃烧器上开展了不同燃烧方式、掺混比下的煤/氨混燃实验，通过检测燃烧器上方的烟气温度、气体分布以及飞灰特性，得到以下结论：

(1)预混燃烧时,相比于非预混燃烧燃烧前期氨燃烧对煤粉的预热作用,使烟气温度更高、氧气消耗量更低、但NOx、CO2生成量更高,同时考虑飞灰残炭率,最佳的燃烧工况为预混、掺氨比为40%。

(2)煤粉掺氨燃烧后产生的NOx大幅上升，但在纯氨燃烧时NOx降低，煤氨气固燃料中有煤粉时CO、NH3、焦炭均对NO还原，3者存在协同作用，而纯氨燃烧时未燃氨的浓度对NO的还原作用占主导。

(3)掺氨后，灰样的在剧烈反应段的后质量变化速率峰从单峰向双峰变化，且非预混燃烧方式下后质量变化速率峰较小，可能是掺氨后引起焦炭孔隙结构的变化。

(4)氨燃烧后烟气中水蒸气浓度对煤氨气固燃料的燃烧及灰孔隙结构变化的影响尚不清晰，将是接下来的研究方向。