氨-煤在沉降炉中掺烧试验及氨的氧化动力学

发展先进的碳减排技术、实现双碳目标已成为能源领域最迫切的攻关难题。我国燃煤电厂碳排放占比很大。氨作为零碳燃料,在热值、合成、运输等方面具有显著优势。氨在燃煤锅炉中混烧是实现大规模利用的重要途径,然而大规模掺烧过程中NO_(x)排放控制将是未来面临的主要挑战之一。在沉降炉试验平台对氨煤开展混燃试验,研究温度(1000~1300℃)、空燃比(0.8~1.5)、掺烧比例(0~30%)等对NO_(x)排放的影响。结果表明,控制较低燃烧温度和空燃比是抑制氨向NO_(x)转化的关键。在空燃比1.5、掺烧20%氨工况下,1200和1300℃下NO_(x)排放量可达780×10^(-6)和1870×10^(-6)。随氨掺烧比例增加,NO_(x)排放水平线性增长,但整体燃料氮向NO的转化显著下降。借助详细化学反应机理(Glarborg 2018、Mendiara 2009、Konnov)计算结果表明,Konnov机理预测结果更接近试验结果。进一步采用Konnov机理讨论了燃烧温度、空燃比等变量对纯氨燃烧NO_(x)排放的影响,发现温度与NO_(x)排放浓度呈指数型增长,而空燃比由1.0提高至1.1时NO_(x)排放总量发生突变。引入混合因子讨论氧化剂与氨的混合水平对NO_(x)排放的影响,发现延长氨与氧化剂的混合距离能显著降低NO_(x)排放强度。

氨煤混燃过程中NH/煤焦/O_(2)异相体系N氧化的分子机理

为了实现双碳目标,降低煤电碳排放势在必行。无碳燃料氨与煤混烧被认为是降低火电碳排放的有效途径之一。而氨作为N源,增加了氨煤混燃NOx排放量升高的可能性,因此,深入研究氨煤混燃NO生成机理对实现氨煤混燃低碳低氮燃烧十分关键。采用量子化学方法探究了当NH3以NH形式存在时氨煤混燃N的氧化机理,并采用波函数分析NH和O_(2)在煤表面的吸附行为。计算结果表明,NH在C5表面吸附形成中间体IM1的过程为放热过程,放热量高达754.79 kJ/mol,且C原子为电子供体而失电子,NH为电子受体而得电子,促进C—N键键合。进一步探究O_(2)以不同方式吸附时NH/煤焦/O_(2)体系的反应机理,得出NH/煤焦/O_(2)共燃体系首先发生NH在煤焦表面的氧化,随后煤焦表面残余氧或体系中O_(2)将煤焦-N进一步氧化。NH/煤/O_(2)异相体系中NH通过不同反应路径生成氧化产物NO、NO_(2)和HNO,对应决速步能垒分别为120.67、323.37和193.50 kJ/mol,说明氨-N/煤-N生成NO的过程更易进行。动力学结果表明,各温度下生成NO的决速步速率明显高于NO_(2),且随着温度升高,生成NO的决速步速率与HNO的逐渐接近。NH氧化产物释放后,残留在煤焦表面氧进一步与C结合成CO释放,实现了共燃体系氨燃料中N和煤粉中C的氧化。随后煤焦-N与体系中O_(2)发生异相氧化,实现煤焦-N向NO的转化。在微观层面揭示了氨燃烧生成NO过程中重要过渡产物HNO形成的分子机理,明晰了另一氧化产物NO_(2)的生成路径,为发展氨煤的混合燃烧机理提供理论支撑和数据参考。