双碳背景下燃煤电站掺氨燃烧研究进展与展望

在“双碳”背景下,选择低碳燃料氨对燃煤电站的改造显得尤为重要。该文首先介绍氨的基本物性及其掺烧的优势,随后针对氨煤掺烧技术的新应用,按照燃煤设备的输出功率分类,从微/小型掺氨燃烧器、千瓦级燃煤掺氨燃烧系统、兆瓦级燃煤掺氨燃烧系统,大型燃煤电站掺氨燃烧系统,介绍当前的研究进展。最后,对燃煤电站掺氨燃烧的前景进行分析与展望。燃煤电站掺氨燃烧可大幅降低碳排放,但可能带来NO_x排放问题,通过空气分级、氨预分解、调节氨掺入位置和比例等手段,可以有效控制NO_x排放;目前,仍需解决煤/氨气固两相燃料反应性差异大、NO_(x)浓度高、缺乏大容量高比例燃烧器技术,以及突破“大型给氨+清洁燃氨+灵活运行”的关键技术。

煤粉掺氨空气分级燃烧排放特性及炉内过程烟气特性试验

以往针对氨煤掺烧研究多集中在数值模拟及小型试验炉,大型试验炉上多为技术可行性的点工况试验。在一台50 kW自持燃烧下行试验炉中在不同工况下针对燃煤掺氨燃烧产物的排放和过程分布特性展开研究,重点分析了不同掺氨比例、燃尽风率及运行氧量的影响。为充分了解氨与煤燃烧过程中对NO生成的贡献,针对纯氨燃烧进行一系列试验。试验结果表明,空气分级燃烧可大幅降低燃煤掺氨燃烧NO的排放,掺氨比例为10%~90%时NO排放质量浓度在170~215 mg/m^(3),同纯煤燃烧NO排放质量浓度处于同一水平;最佳燃尽风比率维持在38%附近,继续增大燃尽风比率不会进一步降低NO排放,反而会导致燃烧不充分等负面影响。纯氨燃烧利用空气分级技术可以很好地控制出口NO浓度,但纯氨燃烧稳定性远不及氨煤掺混燃烧,运行氧浓度较低时易出现氨逃逸现象。燃煤掺混氨燃烧既可解决氨燃烧困难、出口NO排放浓度过高的问题,又可减少燃煤CO_(2)排放,是一项极具潜力的技术路线。

掺混方式对天然气窑炉掺氨燃烧影响的数值模拟研究

文章通过数值模拟的方法研究了天然气窑炉掺氨燃烧及NO生成排放特性,重点考察了NH_(3)、CH_(4)不同掺混方式对窑炉内流场、温度场、NO浓度场等的影响。结果表明:NH_(3)、CH_(4)预混掺烧方式下炉内各燃烧器出口的速度场和温度场分布较为均匀,但由于NH_(3)火焰与CH_(4)火焰间强烈的耦合作用,预混掺烧下NO排放浓度高达9790 mg/m^(3)。在NH_(3)、CH_(4)非预混掺烧方式下,由于NH_(3)火焰与CH_(4)火焰间的耦合作用削弱,NO排放降幅达到75.6%~86.3%。在所有考虑工况范围内,采用NH_(3)在前、CH_(4)在后的掺烧方式(即工况5)既能保证炉膛较高的热利用效率,还能实现较低的NO排放,可作为窑炉掺氨燃烧的优选方案。

燃煤发电锅炉掺氨燃烧技术研究进展及应用分析

燃煤机组掺氨燃烧是从燃烧源头减碳的有效方法。由于氨与煤在物理和化学特性上存在显著差异,导致氨煤混燃存在诸多技术难题。通过总结国内外氨煤混燃的基础研究、技术开发与中试研究,以及工业应用的研究进展,提出大型燃煤电站锅炉掺烧面临的挑战,包括氨煤混燃中NO_(x)排放控制、氨对锅炉受热面的腐蚀和氨供应系统与原有系统的耦合运行控制等。以600 MW机组为例,对比计算了掺氨前后的度电成本,发现液氨成本是制约燃煤机组大比例掺氨燃烧的主要原因之一。

燃煤电站锅炉掺氨燃烧系统安全风险识别及防控机制

燃煤电站锅炉掺氨清洁高效燃烧技术选择绿氨替代部分燃煤,可协同解决新能源消纳储能与保留存量煤电的双重难题,是一条能够统筹协调诸多目标、达到稳步有序推进能源绿色低碳转型与发展的可行性路线。但鉴于零碳氨燃料的燃烧特性及危险化学品属性,如何确保大容量燃煤电站锅炉掺氨燃烧系统与设备的安全可靠是关系其未来能否推广应用的核心议题。依托大容量燃煤锅炉掺氨燃烧验证实际工程,通过归纳分析,梳理出锅炉掺氨后燃烧存在的安全风险点,分别从锅炉掺氨状态切换调节、燃烧稳定性、污染物超标、与锅炉原设备兼容匹配、氨腐蚀及泄漏等方面进行全要素分类辨识;并基于理论研究及中试验证结果,对风险发生概率进行安全评估。提出一套完整的燃煤电站锅炉掺氨燃烧系统安全风险防控机制,指出通过研制适配性氨煤混燃低氮燃烧关键掺氨设备、设计合理掺氨燃烧系统及构建逻辑保护等预警控制,能有效规避大容量燃煤电站锅炉掺氨燃烧存在的风险,为燃煤电站锅炉掺氨清洁高效燃烧未来推广提供了安全保障。

分级空气高速射流对煤掺氨燃烧中氨预分解与NO_(x)生成影响

氨作为零碳清洁燃料,对碳减排有重要作用,但其燃烧过程中NO_(x)生成倾向大。针对煤掺氨燃烧NO_(x)生成控制问题,以某50 kW一维试验炉系统所用旋流燃烧器为原型,提出一种内置高速空气射流阵列结构的新型煤掺氨旋流燃烧器结构,以实现炉内氨预分解后燃烧和分级燃烧。进一步用CFD燃烧数值模拟探究空气分级比、过量空气系数及氨燃料喷口尺寸对氨煤掺烧火焰结构及NO_(x)排放影响,优化新型燃烧器结构及运行参数。结果表明,相比于原型燃烧器,采用空间分散高速三次风射流会导致燃烧区域滞后,加深空气分级,减小主燃烧区域局部过量空气系数,抑制氨过度氧化形成NO_(x),也降低火焰温度峰值,利于抑制热力型NO_(x)产生。同时通过调控总过量空气系数使氨热解发生区域沿炉膛轴向逐渐延伸,火焰前部高温欠氧区增大,促进氨受热预分解为N_(2)和H 2,进一步减少氨中燃料氮直接转化形成NO_(x)。空气分级比20∶22∶58时,NO_(x)生成体积分数由原燃烧器的3309×10^(-6)降至新型燃烧器的1069×10^(-6),降幅达67.69%。增大过量空气系数,或过量空气系数不变、控制一次风率不变而增大三次风率将促进上述效应,进一步减少NO生成。氨管内径变化范围仅考虑5~9 mm,氨喷射速度和分散高速三次风带来的协同效应有待进一步研究。

氨及掺氨燃烧过程机理与特性研究进展

氨及掺氨燃烧对于替代化石燃料实现无碳化及减碳化燃烧、实现双碳目标具有积极意义。针对氨及掺氨燃烧在燃料化学工业中的应用潜力,阐述了氨及掺氨燃烧的过程机理包括的反应路径、反应方程及机制模型,主要限制因素包括当量比、氨掺混比例和初始温度等对火焰传播速度和火焰温度的影响,氨及掺氨燃烧的反应、流动与能量的数学模型及其模化性能评估,氨及掺氨燃烧过程氮氧化物的生成与控制,以及掺氨燃烧的工业应用。最后,就氨及掺氨燃烧的基础理论和技术发展进行了展望。

多燃烧模式下掺氨发动机试验研究

氨(NH_(3))作为一种无碳、低成本、来源广的氢载体燃料,在未来碳中和内燃机研发中将起到重要作用。该文在快速压缩机、高压缩比汽油机和柴油机平台,系统对比研究了氨气掺混对火焰传播、均质压燃、均质引燃3种燃烧模式的影响。结果表明:氨气压燃着火过程在燃烧室中呈现顺序自燃特征,点燃模式下氨的火焰传播速度仅为0.66 m/s。氨是良好的爆震抑制剂。在汽油机中,掺混少量氨气即可起到爆震抑制和燃烧相位优化的作用,指示热效率提高1.2%,但氨气掺混比例过高时,燃烧持续期增加,热效率反而降低;掺混氨气后NO_(x)排放增加,但在试验工况下,其与掺混比例无明显相关性。在柴油机中,掺混氨气使得燃烧放热滞后,燃烧持续期增大;随着NH_(3)掺混比增加,有效热效率和NO_(x)排放降低,CO排放增加。

燃煤电站锅炉掺氨燃烧与排放特性综述

近年来,氨作为一种无碳、富氢的燃料,多被用作内燃机、燃气轮机和其他工业用途的无碳燃料。为了降低燃煤电厂CO_(2)排放,燃煤掺氨燃烧受到广泛关注。介绍了现有燃煤电厂锅炉碳减排的途径,论述了氨煤掺烧研究的最新进展,分析了燃煤掺氨燃烧过程中可能存在的问题,揭示了燃煤掺氨燃烧特性与污染物排放规律。针对氨在燃煤锅炉中的燃烧特性与燃煤掺氨燃烧过程中高NO_(x)排放特性,在一台燃烧炉中实现了0~100%掺氨比例的燃煤掺氨燃烧试验,并将空气分级燃烧技术应用于燃煤掺氨燃烧,通过试验进一步研究了不同掺氨比例和分级工况(温度、掺氨位置)对燃煤掺氨燃烧产物的影响。燃煤锅炉提供的高水平预热条件及炉内高温热环境均有利于强化氨气燃烧,氨燃烧特性差不会成为制约其在燃煤锅炉掺烧的主要因素。通过调整燃煤混氨方式、优化空气分级燃烧工况可大幅降低NO_(x)排放浓度。延后燃尽风的通入位置,可延长还原区长度,有利于还原区NH_(3)与NO选择性非催化还原反应和煤热解产物(挥发分和焦炭)与NO异相和同相还原反应的进行,有效降低尾气NO浓度。根据试验煤种,空气分级燃烧工况下,燃尽风中、高位布置且燃尽风占总风量30%以上,燃煤掺氨比例控制在20%~30%(按热值)时,燃烧炉尾部烟气中NO_(x)排放浓度可控制在与煤空气分级燃烧相当的水平。空气分级燃烧工况下,随掺氨比例的提高,燃煤掺氨燃烧还原区H_(2) S峰值浓度呈下降趋势,可能缓解水冷壁管的腐蚀;燃煤掺氨燃烧还会大幅促进还原区CO_(2)/H_(2) O和煤焦气化反应进行,造成大量CO生成。燃煤掺氨燃烧技术是燃煤电厂实现低碳和低氮排放极具应用前景的技术发展方向。

掺氨燃料在四冲程内燃机中的排放特性

为了实现直接利用氨作为发动机燃料以降低污染物排放的目标,对氨-丙烷双燃料在往复式四冲程发动机中的排放产物进行了实验研究,测试了不同功率、不同燃料比下发动机的运行状态参数,包括发动机经济性指标、起燃的可靠性、输出功率以及排放参数,实现了掺氨燃料发动机的稳定运行;同时依据文献数据对比了氨-汽油、氨-柴油双燃料燃烧的排放特性.实验结果表明,氨作为燃料的经济性优于丙烷,而且掺氨可以改善丙烷的燃料经济性.丙烷作为助燃剂时的CO_(2)排放与柴油的相比更低,而且掺氨比达到30%时可以减少丙烷47%~55%的CO_(2)排放.丙烷掺氨燃烧时的碳氢化合物(HC)排放水平较汽油、柴油掺氨燃烧的更高,但掺氨可以显著减少丙烷的HC排放;此外,掺氨会使丙烷的NO排放水平增高,但仍低于柴油的NO排放.

基于不同情景模式的燃煤掺氨发电技术的经济性分析

为更好地厘清氨在未来能源体系中的作用,对氨的燃料属性应用方向等关键问题进行分析和研断。以燃煤掺氨发电利用方式为研究对象,设置了4种不同的情景模式,从发电效率、二氧化碳排放和经济性等方面进行了对比研究,指出燃煤掺氨为燃煤电厂提供了一条灵活可行的减碳技术路径。随着可再生能源制氨成本的降低,结合国情实际,就氨作为燃料在碳中和路径中的作用提出了思考与建议。

煤氨混燃方式与掺氨比对燃料排放特性的影响研究

将煤与氨混燃逐步减少煤电是实现降碳的1种新途径,但煤氨混燃后的排放特性仍不清晰,需进一步从煤氨混燃方式与掺氨比对燃料排放特性的影响进行实验研究。因此,基于平焰燃烧器开展煤氨混燃实验,探究燃烧方式(预混、非预混)、掺氨比(0~100%)对排放特性的影响,采用烟气分析仪、热电偶与热重分析仪检测燃烧器上方高度沿程烟气中温度分布,并分析气体排放特性及飞灰特性。研究表明:当预混燃烧时,掺氨比越高,氨燃烧对煤氨气固燃料燃烧的促进作用越明显,即燃烧温度越高;而非预混燃烧时,掺氨比越高对燃烧越不利,即燃烧温度越低,但在燃烧前期消耗更多O_(2),是由于此时氨燃烧速率更快,且存在氨与煤争夺O_(2)的现象,体现了掺氨后对燃烧反应的抑制作用。在预混、非预混2种燃烧方式下,掺氨后相比于纯煤燃烧则NO_(x)大幅增加,纯氨燃烧时NO_(x)浓度均有降低的趋势,掺氨比增加,CO_(2)浓度降低,非预混燃烧时CO_(2)浓度低于预混燃烧。当掺氨比≥60%时,在剧烈反应段,根据质量变化速率曲线,质量变化速率峰由单峰逐渐向双峰转变,掺氨能够促进质量变化速率峰前移,说明掺氨燃烧后煤粉的孔隙结构发生改变;根据飞灰残碳率,当掺氨比<40%时更适合选择预混燃烧,当掺氨比>40%时则更适合选择非预混燃烧。总体来说,考虑煤氨气固燃料的排放特性,最佳的燃烧工况为预混燃烧方式、掺氨比为40%。

掺氨对煤粉着火和污染物排放影响的试验研究

本文利用电加热炉试验平台,研究了掺氨对煤粉着火和污染物排放的影响规律。研究表明:氨与煤粉的混合燃料,能够实现在炉内的共燃;掺氨对煤粉着火有一定的抑制作用,随着掺氨比率的提高,抑制作用越强;并且在无燃尽风时掺氨对煤粉燃烧过程中NO_(x)的生成有促进作用,随着掺氨比例的提高,NO_(x)排放浓度明显提高,其中掺氨比例为10%时,相对于不掺氨气时,NO_(x)排放浓度提高50%以上。

煤掺氨燃烧过程中NO生成特性和氨氮转化行为研究

在实验室小型沉降炉上开展了氨、煤单独燃烧以及掺混燃烧实验,并结合数值模拟探究了氨煤掺烧的NO生成特性、中间反应过程及氨氮转化行为。结果表明,氨煤掺烧工况下的NO生成浓度远高于氨、煤单烧工况,且高于氨、煤单烧工况总和。掺氨比例为45%(热量比值,下同)时,氨煤掺烧NO排放比氨、煤单烧之和提高70.17%;而掺氨比例不变、燃料质量变为2倍后则提高79.36%,说明煤粉与氨掺烧后会导致NO排放升高。模拟结果表明,掺氨后反应器内NO浓度有一个快速增大阶段,此时氨开始氧化生成NO。氨氧化反应与氨还原反应同时发生,由于氨氧化速率始终高于氨还原速率,导致NO浓度升高。氨煤掺烧后,氨燃烧相关反应平均反应速率峰值增大,峰值出现位置提前,促进了氨氮向NO转化。

基于燃煤机组掺烧绿氨的碳减排量分析研究

绿氨与煤基燃料混燃作为一种可行的燃煤机组碳减排路径,分析研究全链条CO_(2)减排量不仅有利于推动绿氢和绿氨行业的发展,有效促进绿氢和绿氨的消纳,还有利于推动氨煤混燃发电技术的发展。以可再生能源发出的绿电制成绿氨并在燃煤机组上实现氨煤混燃发电为情景,对全链条CO_(2)减排量进行测算,结果表明,采用445 GW·h绿电制备绿氨并在燃煤机组上进行掺烧发电,其全链条CO_(2)减排量可达10.07万t/a,绿电CO_(2)减排量约226.29 g/(kW·h)且每年节省约956.65万元的碳减排成本。

氨煤掺烧NOx生成特性研究综述

燃煤机组掺烧氨是一种有效减少碳排放的手段,但氨富含氮元素,掺氨燃烧后是否会导致NOx排放增加,一直是人们所关心的问题。介绍氨和煤在掺烧时NOx的生成特性研究,主要分为数值模拟和掺烧试验两个方面。氨和煤掺烧时,其NOx浓度受到氨掺烧比例、氨的掺混燃烧方式、煤种、温度、空气分级燃烧、过量空气系数等因素影响。数值模拟和小型试验炉存在局限性,大型燃煤机组掺氨燃烧仍需进一步探究。

氨煤混燃气相中NO生成的化学反应动力学分析

氨煤混燃涉及复杂的化学反应过程,是否会加剧氮氧化物的生成是倍受关注的问题。通过化学反应动力学计算方法,研究了氨煤混合燃烧的气相反应中NO生成和还原的反应路径,以及不同因素对NO生成的影响。结果表明:温度T=1300℃、过量空气系数α=0.84时,相较于纯煤燃烧,掺氨比例为0.3时能够降低反应器出口NO体积分数96.5%,原因是此工况下氨分解产生大量的NH_(2)和NH等自由基,其还原反应的反应速率更快,从而使含N基元向N_(2)转化;T=1300℃下,掺氨比例为0.3时较为合适,此时反应器出口的NO和NH_(3)体积分数均较低;小比例掺氨燃烧会增大NO的生成速率和NH_(3)的分解速率,导致反应器出口NO体积分数增大,且温度越高,该现象越明显;α<1的还原性气氛和较低的温度(T≤1300℃)能够有效降低NO的排放。

不同空气分级模式下氨煤掺烧数值模拟

氨作为零碳燃料和良好的储氢介质,近年来引起广泛关注。未来在燃煤电厂掺烧零碳燃料是碳减排的重要途径。在空气深度分级模式下,对氨煤掺烧进行了数值模拟,讨论了煤燃烧区域不同过量空气系数α工况下炉内的温度场、组分浓度场及NO_(x)排放情况,而各工况总的过量空气系数均维持在1.2。模拟了4个燃烧工况(α=0.696、0.840、0.912、0.996)。对温度场的统计结果表明,随α降低,煤粉燃烧第1阶段的着火位置提前,但形成的高温火焰长度缩短,喷氨口附近的温度更低。在α=0.696工况下,可明显区分出煤粉火焰和氨燃烧火焰。随α提高,二者界限逐渐模糊。α降低有助于在氨燃料喷入上游形成一个较长的还原区,因此氨发生氧化反应的概率降低。但随α降低,炉内燃尽情况降低,CO排放浓度、飞灰含碳量及氨逃逸量提高。炉内NO x浓度统计结果表明,随α降低,NO_(x)排放水平显著降低。进一步对炉内H 2浓度进行统计,发现α=0.696工况下,炉内最高H 2体积分数可达2%,这意味着该工况下氨的分解反应显著增强。由于氨的消耗反应是3个总反应竞争的结果,因此分解反应的增强使氨直接参与氧化的反应减弱。而H 2生成的增加也进一步提高了NO_(x)被还原的几率,使炉内NO_(x)排放水平进一步降低。总之,在实际煤粉炉掺氨运行工况下,可通过空气深度分级的方法,调控氨燃烧区域的温度、氧气浓度,实现低NO_(x)排放。

基于氨储能技术的电转氨耦合风–光–火综合能源系统双层优化调度

针对高风光渗透率的风-光-火综合能源系统弃能问题,提出利用电转氨和火电机组掺氨燃烧相结合的技术以提高风光利用率,改善我国以煤为主的能源系统安全性与环保性。首先提出电转氨耦合综合能源系统构型,并为燃煤机组出力、风光消纳和电转氨运行的经济性和稳定性的综合评价定义风-光-火-氨系统协调运行指标;进而构建以协调运行指标最大为上层目标、电转氨耦合风-光-火综合能源系统运行成本最小为下层目标的双层优化调度模型;最后,通过多场景下不同模型的对比验证了所提模型的有效性。结果表明,在冬季、过渡季和夏季典型日场景下,对于不含电转氨的综合能源系统,采用双层优化调度模型后,在燃煤机组的稳定性和安全性得到改善的同时,系统的总成本均降低。引入电转氨后,风光消纳率得到提升,总成本分别进一步降低1.06%、1.74%和0.59%;碳排放量分别降低2.11%、2.81%和1.95%。可见电转氨对综合能源系统的经济、低碳运行具有较好的改善作用。

氨煤混合燃烧NO生成特性的实验研究

氨作为一种富氢无碳含氮燃料,与煤粉混合燃烧在有效降低煤电CO_(2)排放的同时,增加了NO的生成途径。为实现氨煤低氮燃烧,该文在氨煤混燃理论燃烧放热量固定的条件下,利用高温管式炉进行氨煤混合燃烧实验探究掺氨比(0%~10%)、温度(1000~1500℃)对氨煤共燃NO生成特性的影响。结果表明,氨的掺混能够促进NO的生成与单位质量燃料NO释放量,降低燃料N向NO的转化率。随着掺氨比升高,NO的释放量逐渐增加,在同一掺氨比工况下,随着温度的升高,NO的单位质量燃料释放量先增加后降低。掺氨比为0~2%时,燃料N到NO的转化率随温度的升高逐渐降低;掺氨比为4%~10%时,燃料N到NO的转化率随温度的升高呈先增加后降低的规律;在1200℃时,各工况下转化率达到峰值。结果可为氨煤混合燃烧N转化机理提供理论支撑。