煤氨混燃方式與摻氨比對燃料排放特性的影響研究

龔 艷 艷

(1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，煤炭的能源保障性地位短時期不會改變[1]，將煤與NH3混燃逐步減少煤電是實現(xiàn)降碳的1種新途徑，但純NH3燃燒有火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?、NOx排放高的問題。研究表明，摻氨比、NH3的注入方式及位置、燃燒溫度、氧體積分數(shù)、氣體流速是影響煤/NH3混合燃料燃燒特性的主要影響因素[2-4]。有學者發(fā)現(xiàn)將煤/NH3共燃的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺燃兠喝紵?倍，比純NH3燃燒快2倍[5]。

隨著摻氨比增加，NOx呈線性增加的趨勢[6]，但Yuan[7]認為煤/NH3混燃可實現(xiàn)NOx排放低于純煤燃燒，同時在高溫區(qū)產(chǎn)生的NO2和N2O不容忽視。在MW級試驗中發(fā)現(xiàn)[8]從燃燒器中心注入NH3比側(cè)壁注入更可取，其改造成本更低且NOx控制性能更好，當摻氨比低于20%時，將NH3噴射到富含燃料區(qū)域不會加劇NOx排放，CO2的減少也與摻氨比成正比，氨氣噴槍的使用可以在維持 NOx排放幾乎不變的情況下，顯著提高焦炭的燃盡率，是氨氣與煤混燃時1種較優(yōu)的選擇。合適的氨氣射流速度不僅可以充分促進氨氣對焦炭氧化過程中NOx生成的抑制，還能提高局部燃燒溫度促進焦炭的氧化。Hencken燃燒器因其具有燃燒穩(wěn)定、在較大的范圍內(nèi)可快速精準調(diào)節(jié)、較好的光學特性、可以真實的模擬實際燃燒條件等優(yōu)點，適合開展煤/NH3混燒的機理研究，MA[9]在雙級平焰燃燒器上開展了煤/NH3混燒的著火機理、燃盡特性、NOx排放特性、灰渣演化及沉積特性等一系列研究，對理解煤/NH3混燒的相互作用至關(guān)重要。綜上，將煤/NH3混燃以實現(xiàn)低碳清潔燃燒是可行的，但關(guān)于煤/NH3混燃的燃燒特性的結(jié)論不一，亟待開展大量研究。

因此，筆者將基于平焰燃燒器開展煤/NH3混燃的實驗研究，探究摻氨比、煤/NH3注入方式對燃燒特性的影響，研究成果有望為煤/NH3混燃的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，為數(shù)值模擬工作提供有效數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗裝置及方法

1.1 平焰燃燒器介紹

實驗中燃燒方式為預混、非預混，其示意如圖1所示[6]，燃燒器的圓形結(jié)構(gòu)可以降低反應(yīng)區(qū)氣體組分和溫度分布的不均勻性。燃燒器直徑為72 mm，不銹鋼管以1∶2的管孔比插入蜂窩中，管內(nèi)徑為1.0 mm，外徑為1.2 mm，中心進料管外徑為1.6 mm，硅膠墊圈和不銹鋼管用于隔離氧化劑和燃料。

1.2 實驗工況設(shè)置

實驗設(shè)定燃燒器平面燃燒溫度為1 500 K、燃燒后氧摩爾分數(shù)為0.2，蜂窩內(nèi)流出氣體的流速為1 m/s。供料器采用日本 Sankyo 制造的微量給粉器，供料誤差為±5%，純煤燃燒時，煤粉供料量為250 mg/min，煤氨混合燃料按照能量輸入不變的原則配比煤與氨的燃料量，實驗中設(shè)定摻氨比為0(純煤燃燒)、20%、40%、60%、80%、100%(純NH3燃燒，摻氨比的計算公式如式(1)所示)。在預混工況下，保持蜂窩中N2、O2、CO氣體流量不變，煤粉與NH3按照一定摻氨比在N2的攜帶作用下進入中心進料管，氧化劑從不銹鋼蜂窩管流出，在燃燒器平面高溫環(huán)境下與燃料反應(yīng)并產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物。在非預混工況下，根據(jù)預混工況所計算出的不同摻氨比下NH3流量，將NH3與N2、O2、CO在蜂窩內(nèi)一起通入，煤粉在N2的攜帶作用下從中心進料管進料燃燒，具體實驗工況參數(shù)見表1。

表1 氨煤混燃實驗工況Table 1 Experimental cases of coal/ammonia combustion

(1)

式中，Q(NH3)為氨燃料熱量，MJ；QMix煤氨混合燃料總熱量，MJ；E(NH3)為摻氨比，%。

1.3 實驗方法

采用尼康D90相機觀測煤粉與氨燃燒后的火焰狀態(tài)，實驗中設(shè)定燃燒器平面為起點，為減少外界氣體對燃燒后煙氣的干擾，在平焰燃燒器上方高度為5、100 mm處設(shè)置測點，分別采用德國 MRU VARIO PLUS 增強型煙氣分析儀及S型鉑銠熱電偶測量燃燒后煙氣溫度、氣體成分，并在HAB=100 mm處抽取灰樣，并采用熱重分析儀在升溫速率與終溫為20 ℃/min和1 000 ℃、氣氛為空氣、保護氣為氬氣條件下進行灰樣的熱重分析。

1.4 燃料特性

實驗中采用的煤種為中等揮發(fā)分煙煤，平均粒徑為28.2 μm。煤質(zhì)特性見表2，實驗前，需將煤粉樣品篩選并干燥。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒煙氣溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 煙氣溫度變化曲線圖Fig.2 Temperature variation curve of flue gas

在預混燃燒工況下，隨著摻氨比增加煙氣溫度呈現(xiàn)增加的趨勢，當摻氨比為20%時，相較于純煤燃燒，溫度增加幅度較大，原因是摻氨后呈現(xiàn)氨氣包裹著煤粉燃燒的現(xiàn)象，氨在前期燃燒產(chǎn)生的熱量預熱煤粉顆粒，摻氨量越多，預熱溫度越高。由于煤粉濃度降低，煤粉顆粒周圍揮發(fā)分降低，因此單位質(zhì)量的煤粉顆粒所接受的熱量就越多，同時煤粉顆粒周圍氣體對流換熱作用增強。有研究表明高溫煙氣對流加熱煤粉著火的時間比單純輻射加熱快23倍[10]，因此氨燃料濃度越高，燃燒溫度越高，但較高濃度的氨燃料著火會吸收煤粉顆粒周圍熱量，所以當摻氨比≥80%時，溫度增加速率變化不大。當純煤燃燒時，由于煤粉濃度高周圍高溫氣體對煤粉的輻射傳熱作用增強，但氨燃料濃度降低對煤粉的預熱作用降低，煤粉顆粒升溫速率降低，導致煤粉析出的揮發(fā)分的濃度效應(yīng)不足以抵消煤粉顆粒升溫速率的降低，因此燃燒溫度大幅降低[11]。

在非預混燃燒工況下，隨著摻氨比增加煙氣溫度呈現(xiàn)下降的趨勢，與預混燃燒工況下溫度變化趨勢相反，主要原因是燃燒前期在平焰燃燒器平面氣體燃燒所產(chǎn)生的高溫預熱區(qū)的預熱作用下，氨更迅速燃燒，使平焰燃燒器平面溫度增加，因此，煤氨氣固燃料在燃燒后期主要為煤粉燃燒，氨燃燒對煤粉的預熱作用明顯降低，溫度呈現(xiàn)下降的趨勢。

2.2 氣體排放特性

2.2.1O2質(zhì)量濃度分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒O2體積分數(shù)分布的變化曲線如圖3所示。

在預混方式下，隨著摻氨比增加氧體積分數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢；在非預混方式下，隨著摻氨比增加氧體積分數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢；除預混、摻氨比為60%外，氧體積分數(shù)均低于煤粉燃燒，由于煤與氨燃燒爭奪O2[12]，體現(xiàn)摻氨后對煤氨氣固燃料燃燒的負面作用，且在2種燃燒工況下純氨燃燒時，氧體積分數(shù)均較低，氧體積分數(shù)相差較少，說明燃燒方式對純氨燃燒的影響較小，而當煤氨氣固燃料中有煤粉加入時，燃燒方式對燃燒影響較大。

2.2.2NOx質(zhì)量濃度分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒NOx質(zhì)量濃度分布如圖4所示。在2種燃燒方式下，相較于煤粉燃燒，摻氨后NOx排放量均大幅增加，隨摻氨比增加，NOx排放量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與ISHIHARA的研究結(jié)果一致[13]。煤粉燃燒摻氨后NOx排放量均大幅增加，因氨以相等的熱值取代部分煤，而單位質(zhì)量氨中燃料N含量遠高于煤粉，因此摻氨后煤氨氣固燃料中燃料N含量增加，NOx生成量更高。

圖4 NOx質(zhì)量濃度變化曲線Fig.4 NOx concentration variation curve

由于煤顆粒與氨燃燒產(chǎn)生的蒸氣促進了氣化反應(yīng)，改變了焦炭的孔隙結(jié)構(gòu)，此時灰分中的一些含N雜環(huán)破碎，加速了N元素析出轉(zhuǎn)化為氣相組分，使NOx的排放量進一步增加。煤氨氣固燃燒中有煤粉存在時，還原區(qū)少量的焦炭和NH對NO還原具有協(xié)同促進作用[14]，純氨燃燒時，NOx排放量下降，原因是可能存在一定量的未燃氨[15]，對NO的還原作用更顯著。

2.2.3CO2體積分數(shù)分布

在不同燃燒方式、摻氨比下，煤/氨氣固燃料燃燒CO2質(zhì)量濃度分布如圖5所示。

圖5 CO2體積分數(shù)變化曲線Fig.5 CO2 concentration variation curve

當預混、摻氨比≥20%及非預混燃燒工況下，CO2體積分數(shù)均低于煤粉燃燒[16]，是煤粉供料量減少所致，也證實通過煤氨摻燒降碳是可行的。但非預混模式下，隨著摻氨比增加，CO2體積分數(shù)降低幅度更大，原因是在此燃燒方式下，燃燒前期的氨迅速燃燒，相比于預混燃燒方式煤粉的燃燒不充分，所釋放出CO2也更少。2種燃燒方式下，摻氨比越大，CO2相差越大，說明摻氨比越高，燃燒方式對煤氨氣固燃料燃燒的影響越明顯。

2.3 飛灰特性

2.3.1失重與質(zhì)量變化速率曲線

通過熱重分析儀檢測不同工況下的灰樣，得到的失重曲線及失重曲率曲線如圖6所示，特征參數(shù)見表3，其中定義T1、T2，T3該3個特征溫度點[17]，根據(jù)3個特征溫度點將灰樣隨溫度的變化分成3個階段：起始反應(yīng)段、劇烈反應(yīng)段、終止反應(yīng)段。在起始反應(yīng)段，T1對應(yīng)飛灰質(zhì)量剛開始變化的溫度，由于溫度升高飛灰表面未燃盡的活性結(jié)構(gòu)數(shù)量劇增，飛灰開始裂解揮發(fā)，產(chǎn)生CO，CO2和小分子有機氣體，同時灰中的內(nèi)水開始析出，此階段飛灰質(zhì)量下降較少；在劇烈反應(yīng)段，T2對應(yīng)整個質(zhì)量損失過程中的最大質(zhì)量變化速率點所對應(yīng)的溫度，此時，飛灰質(zhì)量開始急劇下降，飛灰中分子內(nèi)部開始發(fā)生劇烈的化學反應(yīng)，耗氧速率急劇增加，升溫速率急劇加快，產(chǎn)生氣體量大，燃料失重明顯；在終止反應(yīng)段，T3對應(yīng)飛灰中質(zhì)量基本不再變化時所對應(yīng)的溫度，在TG曲線上表現(xiàn)為曲線趨于平緩，在DTG曲線上表現(xiàn)為質(zhì)量變化速率在0附近波動，此時可以獲得飛灰的殘?zhí)悸省?/p>

表3 飛灰的特征溫度、最大質(zhì)量變化速率Table 3 Characteristic temperature and maximum weight loss rate of fly ash

圖6 飛灰失重與質(zhì)量變化速率曲線Fig.6 Weight loss and weight loss rate curve of fly ash

從圖6中可看出，在2種燃燒方式下，灰樣的失重、質(zhì)量變化速率曲線隨溫度的變化規(guī)律整體相同。當預混燃燒時，在劇烈反應(yīng)段，根據(jù)質(zhì)量變化速率曲線，隨著摻氨比增加質(zhì)量變化速率峰峰值提前，當摻氨比>60%時，失重峰開始從單峰向雙峰變化，分別稱雙峰為前質(zhì)量變化速率峰和后質(zhì)量變化速率峰，后質(zhì)量變化速率曲線峰值與純煤燃燒時飛灰樣品所對應(yīng)的峰值溫度接近，說明氨燃燒可使煙氣中的水蒸氣濃度增加，促進了焦炭的氣化反應(yīng)，使灰分的孔隙結(jié)構(gòu)更疏松，比表面積更大，飛灰中的小分子可燃物更容易析出，因此，前質(zhì)量變化速率峰提前，但灰樣中仍維持純煤粉燃燒工況下飛灰的燃燒特性。當非預混燃燒時，在劇烈反應(yīng)段，根據(jù)質(zhì)量變化速率曲線，當摻氨比>40%時，失重峰開始由單峰轉(zhuǎn)化為雙峰，但后質(zhì)量變化速率峰不明顯。

2.3.2飛灰殘?zhí)悸?/p>

基于上述熱重分析結(jié)果，得到在不同燃燒方式、摻氨比下的飛灰殘?zhí)苛咳鐖D7所示。

圖7 飛灰殘?zhí)苛孔兓€Fig.7 Variation curve of unburned carbon in fly ash

在預混燃燒方式下，隨著摻氨比增加，殘?zhí)苛砍尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢。從反應(yīng)動力學角度分析，煤燃燒產(chǎn)生的自由基和中間體，如HO2、H2O2、H、OH等，會促進氨的分解和氧化，但氨燃燒與煤燃燒的競爭影響了煤與氨的燃燒速率，而煤的協(xié)同作用降低了氨燃燒的活化能。從傳熱角度分析，隨摻氨比量增加，煤粉顆粒減少因而顆粒輻射傳熱降低，但實驗中根據(jù)燃燒后煙氣溫度、氣體成分、殘?zhí)苛康臋z測結(jié)果，表明在預混燃燒條件下，隨著摻氨比增加，對煤粉點火以及整個燃燒進程都有促進作用，此時氨對煤粉燃燒的正向促進作用占主導，抵消了傳熱及燃燒速率降低對燃燒的反向作用。在非預混燃燒方式下，殘?zhí)苛侩S著摻氨比增加呈現(xiàn)先增加后下降再上升的趨勢，當摻氨比<40%，時選擇預混燃燒更有利于煤粉燃盡，而在摻氨比為40%時，2種燃燒方式小飛灰殘?zhí)苛肯嗖畈欢?，當摻氨?40%，選擇非預混燃燒為宜。

3 結(jié) 論

為探究煤粉摻燒氨后的燃燒特性，在平焰燃燒器上開展了不同燃燒方式、摻混比下的煤/氨混燃實驗，通過檢測燃燒器上方的煙氣溫度、氣體分布以及飛灰特性，得到以下結(jié)論：

(1)預混燃燒時,相比于非預混燃燒燃燒前期氨燃燒對煤粉的預熱作用,使煙氣溫度更高、氧氣消耗量更低、但NOx、CO2生成量更高,同時考慮飛灰殘?zhí)柯?最佳的燃燒工況為預混、摻氨比為40%。

(2)煤粉摻氨燃燒后產(chǎn)生的NOx大幅上升，但在純氨燃燒時NOx降低，煤氨氣固燃料中有煤粉時CO、NH3、焦炭均對NO還原，3者存在協(xié)同作用，而純氨燃燒時未燃氨的濃度對NO的還原作用占主導。

(3)摻氨后，灰樣的在劇烈反應(yīng)段的后質(zhì)量變化速率峰從單峰向雙峰變化，且非預混燃燒方式下后質(zhì)量變化速率峰較小，可能是摻氨后引起焦炭孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

(4)氨燃燒后煙氣中水蒸氣濃度對煤氨氣固燃料的燃燒及灰孔隙結(jié)構(gòu)變化的影響尚不清晰，將是接下來的研究方向。