燃煤锅炉氨煤混燃技术的研究进展

为了应对全球气候变化,实现“碳达峰、碳中和”目标,减少碳排放至关重要。氨气具有运输储存成本低、安全性高、燃烧零碳排放等优势,燃煤锅炉氨煤混燃技术受到全社会的高度重视。本文综述了燃煤电厂的低碳低氮燃烧工艺,介绍了氨气燃料的火焰传播特性,从氨气注入位置、氨气掺混比、燃尽风、当量比等多个角度分析了氨煤混燃技术对NOx生成量的影响,探讨了氨煤混燃对燃煤机组性能的影响,指出氨煤混燃技术是极具发展潜力的低碳燃烧技术,对于我国实现“双碳”目标具有重要意义。

氨煤混燃技术在工业应用中的研究进展

随着我国能源消耗逐年增加,需在减少煤炭使用量的前提下保证能源的供给,寻找可替代燃料势在必行,因而氨作为可代替燃料部分代替煤粉燃烧的氨煤燃烧技术在近年来引起广泛关注,即氨煤混燃技术以其对煤炭燃烧产生的污染物减排和能源利用效率提高的潜力而备受关注。阐述氨煤混燃研究领域的最新进展,包括火焰形态、煤粉着火和点火延迟时间、火焰传播机理及NO_(x)的排放等研究,总结不同燃烧策略和燃烧器下氨煤混燃的燃烧特性和排放特性,分析全球氨煤混燃技术在工业应用中取得的一些重要突破以及未来研究可能面临的挑战。氨煤混燃的反应路径和机理模型类型复杂,在不同条件下的过程不尽相同,需进一步明确中间体物质的多重作用,且有待深入研究气体组分对煤粉和NO_(x)的生成影响规律。目前氨煤混燃点火及减少NO_(x)排放的研究主要聚焦于宏观规律,部分研究着手分析氨煤混燃过程中间产物,但基础研究较少,机理尚不明确,相关燃烧器设计困难,技术仍不成熟,需对其进一步优化。未来可进一步针对提高掺氨比和降低污染物排放等方面进行研究,以实现氨煤混燃在火电厂等大型工业中应用。

氨煤混燃NO生成机理研究

以氨煤混燃为研究对象,研究了不同温度,不同掺氨比(氨气完全燃烧释放的热量在总热量中所占百分比)对NO生成特性的影响。研究结果表明:温度与掺氨比对NO体积分数有显著的影响,在温度为1000℃和1100℃工况下,氨气的加入会抑制NO的生成;随着温度的升高,氨燃烧性能增强,促进了燃料-N到NO生成,使得温度在1200℃时,NO生成量随着掺氨比的增加而增大;当温度进一步升高至1300℃以上时,未燃氨协同煤焦对NO的还原作用增强,表现为NO生成量随掺氨比的增加呈现先增加后降低的规律;温度在1200℃时,单位质量燃料的NO释放量随着掺氨比的增加而增加;在研究的其他温度区间中,单位质量燃料的NO释放量随着掺氨比的增加而减少;煤粉燃烧中掺入氨气会大幅度降低燃料-N到NO的转化率,不同温度和不同掺氨比对燃料-N到NO转化率的影响不同。

氨煤混燃过程中单颗粒煤粉着火特性

开展绿氨与煤混燃有助于双碳目标下的火电降碳,在炉内掺烧技术逐步实现增大掺氨比过程中,煤粉颗粒着火特性是影响氨煤混燃机组宽负荷灵活运行的关键因素。针对氨与煤粉混合给料的掺烧技术路径,利用新型两级平焰燃烧器开展了氨煤混燃过程单颗粒煤粉着火特性研究。利用高速摄影和背光法,通过图像分析获得了不同工况(载气掺氨比、环境氧浓度)下准东煤粉颗粒着火模式和着火延迟时间。研究发现,非掺氨工况下颗粒着火过程由非均相着火模式主导,而掺氨可增大均相颗粒着火模式的煤粉颗粒比例。同时,增大掺氨比,煤粉在脱挥发分阶段破碎的比例增大。同时,通过构建含有氨总包燃烧反应的一维暂态煤粉着火模型,可较好复现氨对煤粉颗粒着火特性的影响:在中心还原气氛下影响较小;而中心氧体积分数为0.1、0.2时,掺氨显著降低单颗粒着火延迟时间,这主要是由于氨火焰提高了煤粉颗粒的加热速率。

氧浓度对氨煤混燃高温还原区NH_(3)/煤焦/NO异相还原的影响

在煤粉炉中掺入无碳燃料氨可有效降低火电CO_(2)排放,近几年引起了越来越多的关注。然而,氨混烧增加了NO_(x)生成途径,研究氨煤混烧过程高温还原区NO的还原机理对实现氨煤混燃低氮排放尤为关键。高温还原区并非无氧环境,探究还原区微氧对未燃氨耦合煤焦还原NO的影响机理十分必要。利用高温水平管式炉研究了O_(2)体积分数(0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)对NH_(3)/NO均相以及NH_(3)/煤焦/NO异相还原的影响机理,温度在1373~1773 K。研究结果表明,高温无氧环境下,随着温度升高,NH_(3)均相还原NO的效率增加;当温度高于1573 K时,NH_(3)均相还原NO随温度的升高略微降低,未燃氨对NO的最佳还原温度为1573 K。而煤焦的存在显著提高了高温下NH_(3)还原NO的效率,且将NO的最佳还原温度拓宽到1673 K,煤焦与NH_(3)对NO的还原表现为协同促进作用。相对于无氧条件,O_(2)体积分数在2.0%、温度不高于1500 K时,微氧促进了还原性自由基NH_(2)/NH的生成,对NH_(3)/NO的均相还原表现为促进作用;进一步升高温度,有利于体系内NH_(2)/NH的氧化,使得有氧条件下NH_(3)均相还原NO的效率低于无氧条件。NH_(3)/煤焦/NO的异相还原体系中,当温度不高于1473 K以及O_(2)体积分数不高于0.5%时,微氧条件下的NO异相还原效率高于无氧条件;但当O_(2)体积分数和温度的进一步提高,NHi与OH/O等氧化性自由基的氧化反应相较于NHi/煤焦还原NO过程的速率更快时,NH_(3)/煤焦/NO异相体系内NO的还原效率降低,表明存在促进高温还原区NH_(3)/煤焦异相还原NO的最佳O_(2)体积分数。

钙对氨煤混燃高温贫氧区NH协同煤焦还原NO影响机理

氨煤混燃可有效降低火力发电中CO_(2)排放,但氨作为N源与煤混烧时会增加NO_(x)排放,探究氨煤混燃过程中NO还原机理对实现氨煤混燃低氮排放非常必要。采用密度泛函理论探究氨煤混燃高温贫氧区内NO还原机理,进一步分析煤中重要矿物质钙对NH_(3)协同煤焦还原NO的影响。理论计算结果表明,高温贫氧区内氨基/煤焦可将NO通过形成NNH、N_(2)O等重要过渡中间产物进而还原成N_(2),NH协同煤焦还原NO中NNH的形成需克服438.49 kJ/mol能垒,成为体系反应决速步。矿物质钙不利于NH和NO在煤焦表面吸附,降低二者在煤焦表面的吸附能约187.09 kJ/mol。煤焦表面顶部Ca存在下NH还原NO可通过生成中间产物NNH(路径1)和N_(2)O(路径2)2种路径实现,路径1决速步能垒为636.41 kJ/mol,较NH/煤焦/NO体系的决速步能垒高出197.92 kJ/mol;Ca参与下路径2中决速步N_(2)O自由基的形成需455.74 kJ/mol,较NH/煤焦/NO体系的决速步能垒高出17.25 kJ/mol,2条路径均表明金属矿物质钙抑制了NH/煤焦对NO的还原。Ca的存在增强了NNH基团与煤焦表面结合能,使得顶部钙催化作用下路径1较路径2抑制作用更强。采用过渡态理论计算了Ca参与前后NH/煤焦/NO体系决速步动力学参数,结果表明,顶部钙参与下NH协同煤焦还原NO的速率低于无钙参与体系NO的还原速率,且路径1中NH协同煤焦还原NO速率比路径2更低,确定了顶部钙催化作用下路径1较路径2抑制作用更强,动力学结果与热力学结果一致。

应用无碳氨的氨煤混燃机组平准化电力成本计算

为评估未来使用可再生能源合成的无碳氨的氨煤混燃机组在实际应用中的技术经济性,建立了无碳氨合成成本计算方法以及煤电机组氨煤混燃平准化电力成本(LCOE)经济模型。基于各环节的投资成本与耗能情况,进行了平准化无碳氨成本的计算。结果表明:在当前可再生发电成本及技术投资情况下,无碳氨成本高于煤化工合成氨成本,且可再生发电成本为无碳氨成本的主要影响因素;考虑碳税情况下,在制氨成本以及碳排放成本不会产生较大改变的近未来范围内,氨煤混燃相较于传统煤电不具备经济优势;无碳氨价格是影响LCOE的主要因素。

氨煤混燃过程中氮元素迁移转化机理的分子动力学研究

本文采用分子动力学模拟研究了温度,过量空气系数和氨气混燃比对氨煤混燃过程中典型含氮组分及氮元素迁移转化机理的影响。结果表明:温度升高,加快了反应速率,最终产生的N_(O)_(2)个数随之降低,N_(O)个数先降低后升高最后又降低,其中温度为3000 K时产生的N_(2)最少,N_(O)和N_(O)_(2)总量最多。过量空气系数的增加,使得最终N_(O)和N_(O)_(2)个数均增加,N_(2)个数减少。N_(2),N_(O)和N_(O)_(2)的最终个数均随氨气混燃比的增加而增加,但对含N产物占比分析后发现随着氨气混燃比的增加,整体上最终体系内生成的N_(2)个数占比随之增加,N_(O)和N_(O)_(2)个数占比则随之降低。此外过量空气系数为0.8时,随着氨气混燃比的增加,煤焦氮生成N_(2)的前驱体越多。最终探究了煤焦氮和所有氮原子的反应路径及重要中间体。

典型高碱煤灰对氨煤混燃中氨氧化反应特性的影响

氨能作为一种零碳燃料,取代部分煤炭混燃可有效降低电厂原有污染物排放,促进燃煤电厂向煤氨混燃电厂的转型。但由于氨能中含氮量过高,导致NO_(x)排放问题备受关注。在复杂的氨煤混燃过程中,有必要探索NO_(x)排放与煤灰之间存在的关联性。燃煤电厂中高碱煤作为一类开发应用前景广阔的煤种,其中高含量的金属氧化物对氨氧化反应的排放特性却鲜有研究。为探讨氨煤混燃过程中不同种类高碱煤灰对氨氧化反应排放特性的影响,通过搭建立式管式炉氨氧化反应试验平台进行变工况分析,对比不同温度下各类煤灰表面NH_(3)转化率及NO生成率两大指标,从试验结果和反应机理2个层面阐述了煤灰中各类金属氧化物对氨氧化反应排放特性的影响。结果表明:煤灰中主要金属氧化物CaO、MgO及Al_(2)O_(3)可促进氨煤混燃过程中煤灰表面气固氨氧化反应的进行,提高NH_(3)转化率。400~600℃,煤灰对NH_(3)转化率的促进作用依次为:HM-2>HM-1>CJ>AKS>EERDS,与煤灰中CaO含量由高到低的排列顺序对应,与MgO排序基本吻合。且这3类金属氧化物均可促进NH_(3)向NO定向转化,以CaO催化效果最显著,其中,Ca含量最高的HM-2对NO生成的选择性相较于空白组而言可提高67.86%。CaO和MgO可促进NH_(3)和NO在催化剂表面氧化,有利于N_(2)O快速产生,使N_(2)O生成温度提前,而Na_(2)O和Fe_(2)O_(3)的存在则抑制NH_(3)氧化,促进NH_(3)还原NO。

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。