摻燒氨燃料對煤揮發(fā)分火焰特性及顆粒物生成的影響

朱京冀，徐義書*，徐靜穎，王華坤，劉小偉，于敦喜，馬晶晶，徐明厚

（1.煤燃燒國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北省 武漢市 430074；2.省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室(寧夏大學(xué))，寧夏回族自治區(qū) 銀川市 750021）

0 引言

燃煤電廠是中國最主要的電力來源，也是主要的CO2排放源之一，減少燃煤電廠的碳排放迫在眉睫[1-3]。摻燒低碳或零碳燃料是很有前景的燃煤電站碳減排技術(shù)，不僅可以大幅減少碳排放，還能充分利用存量電站現(xiàn)有設(shè)施，實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益的最大化[4-5]。氨氣(NH3)是一種新興的“零碳”可再生燃料，可利用可再生電力(如風電、光電)電解水、分離空氣獲得的綠色氫(H2)、N2規(guī)模化制備，實現(xiàn)可再生能源的長時存儲和燃料化利用[5-8]。氨燃料作為新型替代燃料，在發(fā)動機(如壓燃式發(fā)動機、燃氣輪機)、燃料電池和工業(yè)爐等領(lǐng)域已受到廣泛重視[9]。2014年，日本首次提出在燃煤電站鍋爐中通過摻燒氨實現(xiàn)CO2減排，氨煤混燒技術(shù)日益受到關(guān)注[10-12]。

氨燃料具有特殊的“零碳、富氫、高氮”特性，摻燒氨會引入大量燃料氮而帶來NOx排放風險，因此現(xiàn)有研究主要關(guān)注并探究了氨?煤摻燒中氮氧化物的形成和排放問題[5,13-16]。日本IHI研究團隊[13]在不同等級煤燃燒裝置和真實商用燃煤鍋爐機組上系統(tǒng)地研究了氨混燒比例，氨注入位置、參數(shù)，氨與煤/空氣摻燒模式(如與煤、空氣預(yù)混合)，煤的性質(zhì)(如揮發(fā)分含量)，以及空氣分級對NO和NO2形成、排放的影響。結(jié)果表明：NO的排放量并不隨著氨混燒比的增加而單調(diào)增加，在氨混燒比為10%時，合理的氨煤摻燒方式可以將NO的排放量降低到與煤單獨燃燒時的相同水平。此外，針對氨煤混燒中NOx生成與排放的模擬仿真研究，通過合理的氨摻燒方式、參數(shù)，燃燒器、爐膛設(shè)計，以及燃燒條件設(shè)置，可以有效控制NOx排放。除NOx排放外，IHI研究團隊[13]還分析了氨煤混燒對未燃NH3和CO2排放的影響，結(jié)果表明，CO2排放可以隨氨摻燒比例升高而成比例地減少。通過合理設(shè)計的氨注入槍能夠?qū)崿F(xiàn)純氨穩(wěn)定燃燒，使CO2排放降為零，且NOx達到純煤燃燒時的排放水平。牛濤等[14]在熱功率40 MW燃煤鍋爐上進行了氨煤混燒的工業(yè)試驗，結(jié)果表明：通過合理的燃燒器設(shè)計和摻混參數(shù)調(diào)節(jié)，可以控制NOx排放保持在低水平，驗證了氨煤混燒技術(shù)的可行性。

隨著研究的深入，氨煤混燒的著火、燃燒與火焰特性(如脫揮發(fā)分、著火、火焰?zhèn)鞑?引起廣泛重視。燃煤碳煙會通過輻射效應(yīng)影響爐膛內(nèi)的溫度分布，還會通過影響溫度分布來影響煤的燃燒特性。然而，目前關(guān)于氨煤混燒對碳煙的影響研究鮮見報道，氨煤摻燒條件下燃料熱解、揮發(fā)分釋放及碳煙生成行為等方面信息的缺失，成為進行氨煤混燒燃燒組織和設(shè)計的重要瓶頸。Murai等[16]在熱功率10 MW燃燒實驗爐上的觀測結(jié)果表明：從煤粉燃燒器中心噴射氨燃料會導(dǎo)致著火延遲，使得氨煤混合火焰遠離燃燒器出口。Hadi等[17-18]測定了不同氨煤混合物的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋Y(jié)果表明：氨摻燒可以提高煤顆粒的著火能力，導(dǎo)致氨煤混合物的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為煤本身火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?倍。煤中揮發(fā)分的含量對火焰?zhèn)鞑ビ酗@著影響，氨與高揮發(fā)性煤摻燒時的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前眴为毴紵龝r的2倍，而氨與低揮發(fā)性煤摻燒時對火焰?zhèn)鞑]有明顯的促進作用。經(jīng)推測，高揮發(fā)分煤熱解釋放的可燃揮發(fā)分物質(zhì)提高了燃料空氣當量比，并通過形成碳煙顆粒增強了輻射熱傳遞，抵消了煤熱解(脫揮發(fā)分)過程的吸熱效應(yīng)，最終促進了燃燒反應(yīng)和火焰?zhèn)鞑ァ＞C上可見，摻燒氨燃料會改變煤中揮發(fā)分的釋放和轉(zhuǎn)化，是決定混合燃料火焰特性和燃燒特性的關(guān)鍵因素。然而，摻燒氨燃料將如何影響揮發(fā)性物質(zhì)形成、著火、燃燒和碳煙顆粒生成仍缺乏深入研究。

燃煤碳煙主要存在于揮發(fā)分火焰中，利用平面火焰燃燒器可以形成較真實的熱煙氣環(huán)境，實現(xiàn)對燃煤碳煙生成與演變的探究[19]。本研究基于McKenna燃燒器開展煤燃燒實驗，利用CH4-COO2-N2預(yù)混氣燃燒形成的平面火焰為煤的熱解和燃燒提供真實熱煙氣環(huán)境。采用可見光相機連續(xù)記錄煤火焰生成及演變歷程，采用細石英取樣管和煙氣分析儀測定火焰不同高度處的煙氣成分(O2、NH3、NO、CO、CO2)，利用熱泳取樣系統(tǒng)采集火焰不同高度處顆粒物，并利用電鏡觀測微觀形貌、數(shù)濃度和體積分數(shù)。研究結(jié)果可為實現(xiàn)氨煤摻燒鍋爐的燃燒穩(wěn)定、污染物生成調(diào)控提供參考。

1 燃燒實驗與采樣分析

1.1 燃燒系統(tǒng)與工況設(shè)計

1.1.1 燃燒系統(tǒng)

本研究所用煤種為神華煙煤，其工業(yè)分析和元素分析如表1所示。原煤經(jīng)干燥(105℃)、研磨、篩分后選取50~100 μm粒徑段煤粉用于實驗。煤粉經(jīng)手動壓片(2 MPa)壓制成直徑8 mm的圓柱形煤顆粒((200±1)mg)備用[20]。

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

實驗采用的平面火焰燃燒實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由McKenna平焰燃燒器、管式石英罩、煤支撐架、供氣模塊和水冷模塊組成[20]。其中，McKenna燃燒器(Holthuis&Associates Co.)通過燃燒預(yù)混燃氣產(chǎn)生穩(wěn)定的平面火焰，為煤燃燒提供穩(wěn)定熱源，其主要由燃氣混合腔、保護氣腔、中心管(直徑為4 mm)、冷卻水組成。各燃料氣(CO、CH4、N2、O2)先通入燃氣混合腔中形成預(yù)混燃氣，然后從上方多孔燒結(jié)板滲出，燃燒形成穩(wěn)定的平面火焰。煤樣放置在燃燒器中心軸線正上方5 mm處，即距離燃燒器的高度(height above burner，HAB)為5 mm，由特制的耐高溫氧化鋁陶瓷棒(直徑0.4 mm)支撐，煤樣在氣體燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中依次被加熱、熱解和燃燒。含氨混合氣(NH3、Ar、N2)由中心管送入燃燒環(huán)境(煤樣正下方)，在煤樣周圍形成不同NH3濃度的燃燒氛圍。燃燒器出口外圍設(shè)置了石英保護罩(內(nèi)徑為90 mm，高度為200 mm)，將火焰與外部環(huán)境隔離開，避免火焰抖動，保障火焰穩(wěn)定性。石英罩側(cè)方設(shè)置有寬10 mm、高100 mm的垂直狹縫，用于實現(xiàn)溫度、煙氣和顆粒物的測量、采集。

圖1 燃燒實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of combustion experimental system

1.1.2 工況設(shè)計

實驗中預(yù)混燃氣采用CO、CH4、O2和N2，總流量設(shè)置為11.25 L/min，詳細組成如表2所示。

表2 預(yù)混氣態(tài)燃料流參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter setting of premixed gaseous fuel flow

氣態(tài)氨燃料通過中心管注入，中心管中攜氨氣流總流量設(shè)置為0.20 L/min，其中氨體積分數(shù)為0、25%、50%，其余為N2、Ar組成的平衡氣，詳細組成如表3所示。

表3 攜氨氣流參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting of ammonia carrying gas flow

1.2 火焰形貌、溫度及氣態(tài)產(chǎn)物測量

實驗中借助相機記錄預(yù)燃氣點燃后煤樣受熱、燃燒、熄滅全過程的可見光圖像，過程中視場大小及拍攝設(shè)置保持不變。

參考文獻[21-22]的方法，采用無涂層預(yù)焊的R型熱電偶(型號為P13R-003，Omega，導(dǎo)線直徑為75 μm，結(jié)點直徑為180 μm)對穩(wěn)定火焰中心軸線上的溫度分布進行測量。實驗中將熱電偶測溫點(焊接點)迅速插入到火焰中心軸線位置，實時連續(xù)記錄測溫數(shù)據(jù)，避免在熱電偶表面快速形成碳煙覆蓋層，影響溫度測量的準確性。沿火焰高度方向每隔5 mm設(shè)置一個測點，直到火焰頂端。采用輻射熱損失法對溫度測量結(jié)果進行校正[22]。每個測點重復(fù)測量5次，計算平均值和誤差。

采用定制的細石英取樣管(采樣尖端外徑為1 mm，內(nèi)徑為0.5 mm)在火焰穩(wěn)定燃燒階段對中心軸線不同高度位置進行采樣，采用煙氣分析儀(MRU Optima 7)測定煙氣中O2、CO、CO2含量，采用定制的復(fù)合氣體分析儀(GT2000-SY5)測定煙氣中NH3、NO含量(取樣點HAB分別為17、20、24、28、32 mm)。

1.3 顆粒態(tài)產(chǎn)物采集與分析

采用快速熱泳取樣法對火焰中的顆粒態(tài)產(chǎn)物進行瞬時采樣，以分析顆粒態(tài)產(chǎn)物的真實形貌特征[20,22]。

如圖1所示，熱泳取樣系統(tǒng)主要由探針、升降臺、氣動系統(tǒng)(即雙向高速氣缸、雙向電磁閥、壓縮空氣系統(tǒng))、控制單元組成。采樣時超薄微柵碳膜(200目)夾于探針前端，由氣缸驅(qū)動快速插入、離開火焰。取樣過程包括進入火焰、停留采樣、離開火焰3個階段，經(jīng)高速攝像確認，探針停留取樣位置位于燃燒器中軸線上。實驗中，均在火焰穩(wěn)定階段相同時刻(點火后第35 s)取樣，取樣行程時間為200 ms。采樣點HAB分別為14、17、20、24、28、32 mm。

利用透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)(Talos F200X，F(xiàn)EI)觀察采集的碳煙樣品微觀形貌。在每個微柵碳膜上下左右4個位置隨機觀測，每個位置分別拍攝7張圖像。低放大倍數(shù)圖像用于檢驗碳煙顆粒在微柵碳膜上分布的均勻性，高放大倍數(shù)用于分析碳煙顆粒的整體形貌。采用圖像處理軟件ImageJ對TEM圖像進行處理，統(tǒng)計并計算碳煙顆粒(1 000個以上)的數(shù)濃度和體積分數(shù)等信息。

顆粒物的數(shù)濃度N定義為平均每張TEM圖像中的總顆粒數(shù)量，碳煙體積分數(shù)(soot volume fraction，SVF)VSVF定義為平均每張TEM圖像中的總顆粒體積，計算公式如下：

式中：Nimg為一個工況下用于分析碳煙數(shù)據(jù)的TEM圖像的數(shù)量；Nia為第i張TEM圖像中碳煙顆粒(碳煙單體和碳煙團聚體)的總數(shù)量；dijp、Nijp、Aijp和Aija分別為第i張TEM圖像中第j個碳煙顆粒的初級顆粒平均粒徑、初級顆粒數(shù)、初級顆粒平均投影面積和投影面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰形態(tài)及演變行為

煤單獨燃燒或摻燒不同比例NH3時的揮發(fā)分火焰圖像及演變歷程如圖2所示。可以看出，煤在預(yù)混燃氣加熱下析出揮發(fā)分，并著火燃燒形成細長黃色的揮發(fā)分火焰；隨后進入穩(wěn)定燃燒階段，揮發(fā)分火焰形態(tài)維持不變；隨著揮發(fā)分釋放殆盡，揮發(fā)分火焰逐漸減小，最后進入焦燃燒階段。摻氨后，煤樣燃燒歷程類似，但NH3較早著火燃燒，形成短粗的黃色氨火焰，并包裹加熱煤樣，促使其揮發(fā)分析出；析出的揮發(fā)分與NH3混合燃燒，形成共存火焰穩(wěn)定燃燒；最后，殘余煤焦在氨火焰中繼續(xù)燃盡。

圖2 摻氨前后不同時刻(間隔1 s)的煤揮發(fā)分火焰形貌Fig.2 Volatile flame of coal at different time(1 s interval)before and after ammonia addition

通過對比發(fā)現(xiàn)，摻燒NH3后煤的著火時刻提前，如圖3所示，未摻氨時煤揮發(fā)分著火起始時刻為預(yù)混氣點燃后23 s，而在低摻氨(25%)、高摻氨(50%)時的著火起始時刻分別提前至21、20 s。這是因為煤在著火前需經(jīng)歷吸熱脫揮發(fā)分過程，導(dǎo)致著火時間長于NH3。而摻燒NH3后，NH3在煤析出揮發(fā)分前就開始燃燒，釋放大量熱量，低摻氨時溫度整體升高了10~50℃，高摻氨時溫度整體升高了20~70℃，如圖4所示，對煤著火時間提前有正向促進效應(yīng)。值得注意的是，NH3的燃燒反應(yīng)性低于揮發(fā)分(主要成分為H2、CH4、CO等)，所以摻混NH3也會因?qū)]發(fā)分有稀釋效應(yīng)而對著火有抑制效應(yīng)。當摻氨比例由25%升高至50%時，NH3燃燒放熱對煤著火時間的正向促進效應(yīng)與稀釋抑制效應(yīng)部分抵消，使得著火時刻不再進一步提前。

圖3 摻氨前后煤揮發(fā)分著火時間、穩(wěn)定時間和火焰高度Fig.3 Ignition time,stability time of coal volatile and flame height before and after ammonia addition

圖4 火焰軸線上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution along flame centerline

同時，摻燒NH3會導(dǎo)致氣相火焰穩(wěn)定燃燒階段時間更長，如未摻NH3時火焰穩(wěn)定持續(xù)時間為23 s，而低摻氨和高摻氨時火焰穩(wěn)定持續(xù)時間分別延長至32、38 s，這表明NH3改變了煤熱解及揮發(fā)分釋放行為。

摻燒NH3也會改變穩(wěn)定階段的揮發(fā)分火焰高度，如未摻氨時揮發(fā)分火焰高度為38 mm，低摻氨(20%)時火焰高度增至43 mm，而高摻氨(50%)時火焰高度反而降低為33 mm，即摻燒NH3對火焰高度具有非線性影響。摻燒NH3后由揮發(fā)分和NH3組成的混合可燃氣體的總量增加，燃燒需要更多氧氣，從而使火焰高度增加。同時，摻燒NH3也會影響火焰中碳氫組分向碳煙顆粒的轉(zhuǎn)化，改變火焰的輻射特性和可視邊界。煤燃燒時碳煙生成較多，導(dǎo)致火焰顏色明亮、形狀細長、邊界清晰；而高摻氨時火焰顏色暗黃，碳煙輻射減少，火焰呈短粗形狀，比煤單獨燃燒時的火焰高度低。在低摻氨時，火焰變得更加明亮，長度增加，表明該工況下碳煙生成與分布行為可能發(fā)生了改變，值得進一步分析。

2.2 揮發(fā)分火焰的溫度及氣態(tài)污染物分布特性

煤單獨燃燒或摻燒不同比例NH3時揮發(fā)分火焰軸線上的溫度分布及氣態(tài)產(chǎn)物(O2、NH3、NO、CO、CO2)濃度分布分別如圖4、5所示。由圖4可見，摻氨前后火焰軸線上的溫度分布規(guī)律相似，即隨著HAB增加，火焰溫度先升高后降低。其原因是：在火焰下部煤樣周圍，由于煤熱解吸熱及揮發(fā)分未充分燃燒放熱，導(dǎo)致溫度較低；隨著HAB增加，揮發(fā)分燃燒放熱，使溫度升高；在火焰高處，揮發(fā)分逐漸燃盡，致使溫度下降。

相比較而言，摻氨后火焰溫度升高，高溫區(qū)域范圍增大，且在實驗摻氨比范圍內(nèi)，摻氨比越高，溫度越高。摻燒NH3后，NH3燃燒釋放額外熱量，導(dǎo)致NH3與揮發(fā)分的混合氣體火焰溫度高于煤單獨燃燒時的火焰溫度。

由圖5可見，實驗條件下火焰軸線上O2體積分數(shù)在0~4%范圍內(nèi)，較為真實地模擬了燃煤煙氣條件。值得注意的是，在火焰中后部(HAB超過24 mm)，火焰軸線上O2濃度隨HAB增加而升高，這是因為有少量空氣從石英罩垂直狹縫滲入。摻燒NH3后，火焰中可燃物當量比增大，燃燒反應(yīng)會消耗更多的O2，導(dǎo)致火焰中O2濃度降低，且摻氨比越高，O2濃度越低。并且，在高摻氨工況下，由于O2不足，導(dǎo)致火焰及煙氣中存在大量未燃盡NH3(體積分數(shù)>3.988×10?3，超出儀器量程上限)。值得注意的是，由于NH3的燃燒反應(yīng)性較弱，即使在低摻氨、火焰中仍有富余O2存在的工況下，也存在NH3燃燒不完全的風險。

圖5 火焰中O2、NH3與NO濃度分布Fig.5 Concentration distribution of O2，NH3 and NO in flame

摻燒NH3后火焰中NOx濃度的變化是人們關(guān)注的重點。實驗中，煤單獨燃燒時NO體積分數(shù)約為0.18×10?3，而摻燒NH3后火焰中NO體積分數(shù)升至0.73×10?3，表明摻燒的NH3在揮發(fā)分火焰中部分轉(zhuǎn)化為NO，且即使在高摻氨、高可燃物當量比的工況下，也會形成較高濃度的NO。該結(jié)果表明，在實現(xiàn)氨煤摻燒中需進行特殊的低氮燃燒設(shè)計。相比較而言，在未摻氨及低摻氨工況下，火焰下游NO濃度隨滲入空氣稀釋而下降；而在高摻氨工況下，火焰中富余的NH3在當?shù)馗邷?大于1 150℃)條件下與滲入的空氣進一步發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致NO濃度略有升高。

火焰中CO、CO2濃度分布如圖6所示，可以看出，摻燒NH3后火焰中CO與CO2濃度均升高，且其增幅隨摻氨比增加而增大。由此可見，摻燒NH3也會影響煤等碳氫燃料中元素在燃燒過程中的釋放與遷移行為。一方面，摻燒的NH3與揮發(fā)分競相消耗O2，抑制揮發(fā)分中CO等可燃物燃燒，導(dǎo)致火焰中CO含量升高。另一方面，在煤樣及預(yù)混燃氣等含碳組分總量保持不變的情況下，揮發(fā)分火焰中CO2與CO濃度均升高，表明摻燒的NH3可能改變了煤樣的熱解行為，促進了煤熱解中氣態(tài)揮發(fā)分產(chǎn)物的生成與釋放，形成更多的氣態(tài)碳氫組分。更多揮發(fā)分的生成和釋放很好地解釋了氣相揮發(fā)分火焰穩(wěn)定燃燒階段時間延長的實驗現(xiàn)象，同時，上述火焰特性及煙氣成分變化表明，摻燒NH3后，燃煤揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化行為及碳煙等物質(zhì)的生成與分布也可能隨之發(fā)生改變，值得進一步分析。

圖6 火焰中CO、CO2濃度分布Fig.6 Concentration distribution of CO andCO2 in flame

2.3 揮發(fā)分火焰的顆粒物生成特性

圖7為摻氨前后煤揮發(fā)分燃燒火焰軸線上不同高度處碳煙顆粒物的微觀形貌，圖8、9分別為碳煙數(shù)濃度與碳煙體積分數(shù)變化。結(jié)果顯示，摻氨前后燃煤揮發(fā)分火焰中碳煙生成歷程相同，即熱解形成焦油等重質(zhì)揮發(fā)分、焦油生成碳煙一次顆粒、碳煙顆粒團聚長大、碳煙顆粒氧化。

圖7 摻氨前后煤揮發(fā)分火焰軸線上的碳煙形態(tài)變化Fig.7 Morphology changes of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

從圖8、9可以看出，在實驗條件下，HAB<20 mm火焰中，碳煙的成核生成過程強于碳煙顆粒的團聚和氧化過程，因而碳煙顆粒數(shù)目不斷增多。而在HAB>20 mm火焰中，碳煙顆粒的團聚和氧化成為主導(dǎo)過程，導(dǎo)致碳煙顆粒數(shù)目不斷減少。

圖8 摻氨前后燃煤揮發(fā)分火焰軸線上的碳煙數(shù)濃度變化Fig.8 Number concentration of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

圖9 摻氨前后燃煤揮發(fā)分火焰軸線上的碳煙體積分數(shù)變化Fig.9 Volume fraction of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

通過對比發(fā)現(xiàn)，摻燒NH3后火焰中的碳煙數(shù)量增多，且碳煙團聚體尺寸增大。定量結(jié)果顯示，摻氨后火焰中碳煙顆粒數(shù)濃度峰值由平均每張TEM圖像上154個增至380個，增加了147%。相應(yīng)地，摻氨后火焰中碳煙體積分數(shù)峰值也由平均每張TEM圖像上2.1×10?14cm3增至4.2×10?14cm3，增加了100%?？梢姡瑢嶒灄l件下?lián)綗齆H3促進了揮發(fā)分向碳煙的轉(zhuǎn)化過程，并促進了碳煙的團聚長大。在以后的氨煤混燒實際應(yīng)用中，需要合理地調(diào)控各個工況參數(shù)，如氧當量比、燃燒溫度、摻氨濃度、氨與煤的相對位置等，使碳煙量處在一個合適的范圍內(nèi)。

碳煙是由煤熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分轉(zhuǎn)化、演化生成的，摻燒NH3通過影響溫度、碳氫組分濃度、O2濃度來影響煤燃燒火焰的揮發(fā)分釋放與轉(zhuǎn)化行為，進而影響碳煙的生成。首先，摻燒NH3后，火焰溫度升高，促進了煤熱解，并改變了煤樣周圍的熱解氛圍，促進了煤揮發(fā)分的釋放；其次，摻氨后火焰溫度升高及高溫區(qū)擴展，促進了多環(huán)芳烴化合物(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAH)、焦油等氣態(tài)碳煙前驅(qū)體的生長反應(yīng)，增加了碳煙生長時間；再次，摻燒NH3后，強化了燃燒中O2的競爭，抑制了PAH等氣態(tài)有機組分的氧化，促進了其向碳煙的轉(zhuǎn)化；最后，火焰氛圍中O2濃度降低，抑制了碳煙的氧化消耗。

3 結(jié)論

基于McKenna平面火焰燃燒系統(tǒng)開展了煤摻氨燃燒實驗，結(jié)合可見光相機、煙氣分析儀及熱泳探針取樣分析系統(tǒng)，探究了摻燒氨燃料對煤揮發(fā)分火焰形態(tài)、火焰溫度分布、氣態(tài)污染物及碳煙等細顆粒物生成的影響，得到以下結(jié)論：

1）摻燒NH3會影響煤熱解、揮發(fā)分釋放及著火、揮發(fā)分火焰形態(tài)和演變特征。NH3先于煤樣著火，促進煤熱解及釋放揮發(fā)分，使火焰著火起始時刻提前，揮發(fā)分釋放時間和火焰穩(wěn)定時間延長。

2）摻燒NH3會影響煤揮發(fā)分火焰中的溫度和產(chǎn)物分布，摻燒的NH3在揮發(fā)分火焰中部分轉(zhuǎn)化為NO，導(dǎo)致火焰中NO濃度顯著升高。即使在高摻氨、高可燃物當量比工況下，也會形成較高濃度的NO，表明氨煤摻燒中進行特殊低氮燃燒設(shè)計的重要性。

3）NH3摻燒會通過影響溫度、碳氫組分濃度、O2濃度，進而影響煤燃燒火焰的揮發(fā)分釋放與轉(zhuǎn)化行為，最終影響碳煙的生成。摻燒NH3促進了揮發(fā)分向碳煙的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致生成的碳煙數(shù)量增多，體積分數(shù)增大，并且延長了燃煤碳煙的團聚長大過程，抑制了碳煙氧化，使得碳煙團聚體尺寸增大。在以后的氨煤混燒實際應(yīng)用中，需要合理地調(diào)控各個工況參數(shù)，以使碳煙量處在一個合適的范圍內(nèi)。