摘要 針對電站鍋爐中的氨燃燒應(yīng)用，首先介紹氨的基本物理化學(xué)性質(zhì)、純氨燃燒及氨與氣/液體燃料混合燃燒的基礎(chǔ)研究;然后針對新興的燃煤電站鍋爐摻氨燃燒技術(shù)，分別從氨-煤混合燃燒的燃燒與火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴⒒鹧嫘螒B(tài)及輻射特性、NOx 生成與排放特性等方面介紹當(dāng)前研究進(jìn)展;最后對電站鍋爐氨燃燒的未來研究方向進(jìn)行了分析和展望.氨-煤混燃可大幅降低電站鍋爐碳排放，而對爐內(nèi)溫度特性無顯著改變，雖然燃料氮的增加帶來NOx 排放風(fēng)險(xiǎn)，但可以通過燃燒分級、燃燒組織等方式有效調(diào)控.因此氨-煤混燃是一種可行的減碳路徑.以氨作為可再生能源的載體，實(shí)現(xiàn)熱力、電力、動力等不同應(yīng)用領(lǐng)域中的碳減排，并緩解或解決對有限化石能源的依賴，具有巨大的發(fā)展?jié)摿�和利用前�?

　　關(guān)鍵詞 氨;煤;鍋爐;燃燒;碳減排

　　氣候變化已成為人類共同面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)之一.溫室氣體，特別是 CO2 的大規(guī)模、高強(qiáng)度排放被認(rèn)為是造成這一全球挑戰(zhàn)的重要原因.溫室氣體凈零排放及碳減排、碳達(dá)峰、碳中和正逐步成為國際社會的熱門議題和主流目標(biāo).中國是當(dāng)前全球碳排放最大的國家，面臨著巨大的碳減排壓力.我國碳排放八大行業(yè)依次為電力、鋼鐵、水泥、冶金、石化與化工、煤化工、交通、建筑，占全國碳排放總量近 90%.

　　其中，電力和熱力生產(chǎn)行業(yè)為 51.4%，工業(yè)生產(chǎn)為 27.9% (2018年)[1]，占比最高.在這些重點(diǎn)行業(yè)進(jìn)行碳減排已刻不容緩.電力是國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，在國民生活中具有不可或缺的地位.如何在保障電力生產(chǎn)和供應(yīng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳減排、碳中和是世界各國面臨的普遍挑戰(zhàn).我國經(jīng)濟(jì)社會仍處于快速發(fā)展階段，能源與電力需求大，碳減排、碳中和時(shí)間余度少，這就對電力行業(yè)碳減排提出了更為嚴(yán)苛的要求.

　　然而，由于我國資源稟賦條件的特點(diǎn)，電力供應(yīng)長期以來高度依賴高碳排放的化石能源，導(dǎo)致煤電在我國電力結(jié)構(gòu)中具有主體電源和基礎(chǔ)電源的雙重地位(2020 年中國燃煤發(fā)電量占發(fā)電總量的63.2%[2]).我國燃煤火電行業(yè)規(guī)模巨大，燃煤發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá) 10.4 億千瓦，占全球煤電總裝機(jī)的50%[3].同時(shí)，我國燃煤機(jī)組服役年限短，煤電機(jī)組平均運(yùn)行年齡約為 12 年，運(yùn)行年齡為 20 年以下的機(jī)組占比高達(dá) 85%(美國和歐盟只有約 10%和20%)，技術(shù)先進(jìn)完備，仍具有巨大的利用價(jià)值[4].我國與發(fā)達(dá)國家在煤電低碳轉(zhuǎn)型中面臨著巨大差異，煤電與火電設(shè)施在保障電力供應(yīng)、實(shí)現(xiàn)碳減排的同時(shí)還對大規(guī)模新能源電力起到緩沖器和消納器的作用.

　　如何使煤電機(jī)組更高效、清潔、低碳和靈活，使煤電機(jī)組與可再生電力有機(jī)融合互補(bǔ)發(fā)展，已成為電力部門和電力行業(yè)的迫切需求.在當(dāng)前風(fēng)電/光電等大規(guī)模存儲、CCUS 技術(shù)尚無法成熟應(yīng)用的現(xiàn)狀下，利用低碳/碳中性燃料替代高碳煤燃料是一種具有潛力的火力發(fā)電碳減排技術(shù).直接低碳燃料摻燒既可大幅降低碳排放又能充分利用燃煤電廠既有設(shè)備，既適用于新建機(jī)組也適用于已有機(jī)組低碳化改造，對我國實(shí)現(xiàn)由高碳電力快速、平穩(wěn)過渡至低碳及零碳電力具有重要意義.

　　1 氨能源特性及發(fā)展應(yīng)用

　　1.1 氨能源特性氨(NH3)作為一種無碳富氫的化合物，可以直接燃燒，是一種類似氫氣(H2)的新型零碳替代燃料[5-8].在理想情況下，氨燃料的完全燃燒產(chǎn)物是氮?dú)夂退�，無 CO2 排放風(fēng)險(xiǎn)，具有突出的低碳優(yōu)勢.氨氣的質(zhì)量能量密度低于氫氣，但體積能量密度高于氫氣，液氨體積熱值比液氫高 45%.同時(shí)，相比于氫氣，氨氣具有易存儲運(yùn)輸、易檢測、安全性高等優(yōu)良特性.在 25 ℃下加壓至 1.03 MPa 或常壓下達(dá)到33.4℃便可以液化[5-6,9-10]，液化難度和能量消耗遠(yuǎn)低于 H2，這使得氨的儲存和運(yùn)輸非常容易;同時(shí)，合成氨的產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)成熟，氨的運(yùn)輸及儲存技術(shù)已在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大規(guī)模運(yùn)輸和跨區(qū)域調(diào)配.

　　1.2 氨能源技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用氨的燃燒和能源化利用研究

　　最早起始于十九世紀(jì)，近年來在 CO2 減排和新能源開發(fā)利用的驅(qū)動下，氨能源受到越來越多的關(guān)注.美國(國防部、能源部、能源高級研究計(jì)劃局、明尼蘇達(dá)大學(xué)、耶魯大學(xué)等)、日本(科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)、東北大學(xué)、大阪大學(xué)、北海道大學(xué)、IHI 公司等)、英國、澳大利亞、荷蘭以及國際能源機(jī)構(gòu)等先后對氨能源進(jìn)行了研究.各國機(jī)構(gòu)研究重點(diǎn)各有不同，研究方向包括內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、電站和工業(yè)鍋爐、燃料電池等多種形式的氨燃燒利用及氨電化學(xué)、光化學(xué)合成等[5,6,11-19].

　　美國國防部 DOD 早在 60 年代便圍繞氨燃料開展了 Energy Depot 系列軍用研究，研發(fā)了氨燃料火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)、壓燃發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和火箭發(fā)動機(jī);進(jìn)入 21 世紀(jì)后，美國能源部 DOE 設(shè)立多項(xiàng)氨燃料研究項(xiàng)目，成立了氨燃料聯(lián)盟，聯(lián)合數(shù)十家單位促進(jìn)氨燃料推廣應(yīng)用.2016 年，DOE 及能源研究計(jì)劃署 ARPA-E 在 REFUEL 計(jì)劃中，重點(diǎn)設(shè)置了多個(gè)圍繞氨燃料的研究項(xiàng)目[20].

　　2021 年美國國會提出了 CLEAN Future Act 法案，擬將氨與氫氣并列為合格低碳燃料[21].日本十分重視氨作為能量載體的潛力，作為其國家戰(zhàn)略性創(chuàng)新創(chuàng)造方案(SIP)十個(gè)主題之一，實(shí)施 了 SIP Energy Carriers 項(xiàng) 目(2014~2018年)[22].SIP 項(xiàng)目的研究內(nèi)容涵蓋 NH3 燃燒機(jī)制等基礎(chǔ)研究、各種 NH3 燃燒設(shè)備開發(fā)、在以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的天然氣火電站和以蒸汽鍋爐為核心的燃煤電站上開展氨-天然氣和氨-煤混燃技術(shù)研究等.其中，IHI 公司已完成了中試規(guī)模(10 MW)氨煤混合燃燒技術(shù)實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了熱量比為20%的氨-煤摻混燃燒[23-25].

　　日本在 Chugoku 電力水島發(fā)電廠 156 MW 燃煤機(jī)組上開展了氨-煤混燃(熱量比為 0.6%~0.8%)發(fā)電的現(xiàn)場試驗(yàn)[26].該試驗(yàn)中，氨燃料可完全燃燒且 NOx 的排放量與單燒煤時(shí)無明顯差別，初步證實(shí)了氨-煤混燃技術(shù)作為燃煤火電站 CO2 減排措施的可行性.目前，日本正規(guī)劃在碧南火力發(fā)電廠 1 000 MW 燃煤機(jī)組上開展氨煤混燃試驗(yàn)，計(jì)劃在2030 中期之前實(shí)現(xiàn)混燃 20%的氨[27].國際能源署(IEA)在《能源技術(shù)展望 2017-催化能源技術(shù)轉(zhuǎn)型》[28]中，將氨列為一種能源載體，推動了將氨用作能量載體和潛在燃料的研究.

　　隨后，在《The Future of Hydrogen》(2019)中將氨列為未來實(shí)現(xiàn)氫能源在交通、熱力、鋼鐵、電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要路徑[29].國際可再生能源署(IRENA)也高度重視低碳氨燃料在實(shí)現(xiàn)未來碳中和目標(biāo)中的作用和重要性，將其列為實(shí)現(xiàn)碳中和的六條技術(shù)途徑之一，并特別將其列為工業(yè)和交通等難以直接電能替代部門的重要解決方案[30].目前，氨的制取工藝已十分成熟，主要為哈伯-博施(H-B)法.但為獲得零碳或低碳氨燃料，須將 H-B 工藝與碳捕集 CCS 技術(shù)相結(jié)合以降低氨合成過程碳排放[31].另外，也可由可再生能源制氨[12]和電化學(xué)還原氮制氨[32].

　　通過可再生電力電解水制氫，氫氣與氮?dú)夂铣芍迫×闾及比剂希瑢?shí)現(xiàn)可再生能源的消納和燃料化利用.近年來，我國日益重視氨能源的發(fā)展和利用.在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016–2030年)》中，將合成氨列為重要的氫氣儲運(yùn)技術(shù)，并列入能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動路線圖中，推動發(fā)展以氨等為儲氫介質(zhì)的長距離、大規(guī)模氫的儲運(yùn)技術(shù)[33].

　　1.3 氨燃料促進(jìn)低碳電力發(fā)展的優(yōu)勢氨能源和氨燃料的利用對促進(jìn)低碳電力發(fā)展具有重要價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和提供了具有競爭力的技術(shù)路徑.作為化學(xué)儲能的一種形式，可消納富余的風(fēng)電、光電等間歇性可再生能源，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)和利用.作為較高能量密度的化學(xué)燃料，易于存儲和運(yùn)輸，可促進(jìn)實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模、長時(shí)間存儲和遠(yuǎn)距離、跨地域輸運(yùn).儲運(yùn)及處置知識、技術(shù)和設(shè)施成熟，可適用于不同應(yīng)用場景.

　　組成中不含碳元素，燃燒利用中不產(chǎn)生 CO2，可以替代高碳燃料，助力現(xiàn)有火電站快速實(shí)現(xiàn) CO2 減排，同時(shí)也有利于在未來實(shí)現(xiàn) CO2 排放監(jiān)測情景下進(jìn)行 CO2 排放核算.能源化利用方式多樣，可用于車用/船用內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、電站鍋爐、工業(yè)窯爐等.綜上所述，電站鍋爐氨-煤混合燃燒或純氨燃燒是一種有潛力的電站鍋爐低碳化改造技術(shù)[34-35].

　　2 電站鍋爐氨燃燒的研究進(jìn)展

　　目前國內(nèi)外關(guān)于氨燃料燃燒利用的研究涵蓋內(nèi)燃機(jī)[5,6,36-38]、燃?xì)廨啓C(jī)[6]、電站鍋爐、工業(yè)鍋爐[39]、燃料電池[19,40-41]等領(lǐng)域，雖然已有相關(guān)綜述進(jìn)行了總結(jié)和介紹，但多側(cè)重于氨燃燒反應(yīng)動力學(xué)[9,10,42-43]、內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用[44-45]、燃料電池應(yīng)用[19,44-45]等.本研究重點(diǎn)關(guān)注燃煤電站鍋爐中氨燃燒應(yīng)用.

　　2.1 氨的燃燒特性氨的可燃極限范圍較窄，可燃極限下限較高，與其他燃料相比火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較低.但是，相比其他燃料，氨燃料存在自燃溫度較高、著火能量較高、低位質(zhì)量熱值偏低、存在潛在 NOx 排放風(fēng)險(xiǎn)等問題.

　　此外，氨的燃燒速率非常低，因此在相同的流速和當(dāng)量比條件下，與甲烷火焰相比，氨的火焰更寬更長.同時(shí)，氨燃燒火焰的顏色也與甲烷等碳?xì)淙剂嫌忻黠@不同，甲烷等碳?xì)淙剂匣鹧嬉蚧鹧嬷械?CH*高溫自發(fā)光而呈藍(lán)色，而氨燃料火焰因NH2*而呈現(xiàn)黃色.并且，NH2*的濃度會隨氨燃料當(dāng)量比增大而急劇增加，從而火焰會呈現(xiàn)更深的顏色[27,46-47].可見甲烷和氨的輻射傳熱特性可能不同[46-47].周上坤等[9]綜合前人[48-52]對純氨與空氣預(yù)混火焰的未拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?SL 相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在 NH3當(dāng)量比為 1.05 附近時(shí)獲得了 SL的最大值，約為 7 cm/s，而 CH4 和 H2 的 SL 最大值則在 35cm/s 和 3 m/s 左右[53]，反應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于純 NH3 燃燒.Mathieu 等[54]探究了純氨在空氣中燃燒的容積熱釋放速率和火焰厚度，發(fā)現(xiàn) NH3 的容積熱釋放速率要低于 CH4，而且 NH3 的火焰厚度(2.85 mm)要比 CH4的(0.44 mm)大.

　　氨-碳?xì)淙剂蠐綗�是改善氨燃燒性能、�?shí)現(xiàn)氨燃燒利用的有效手段，在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及工業(yè)鍋爐領(lǐng)域已開展了純氨燃燒、氨與甲烷等氣/液碳?xì)淙剂匣旌先紵�相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究.Akamatsu等[39,55-57]圍繞鋼鐵加熱爐、玻璃熔爐等工業(yè)爐中使用氨燃料替換天然氣相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)關(guān)注了氨燃燒中 NOx 生成與控制、火焰的輻射傳熱等方面.

　　在燃?xì)廨啓C(jī)使用氨燃料方面，日本東北大學(xué)、國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)和 IHI 公司進(jìn)行了相關(guān)研究.AIST 在 50kW 等級的燃?xì)廨啓C(jī)裝置上分別開展了煤油摻氨、甲烷摻氨以及 100%純氨燃燒實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了以氨為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的可行性[27,59].IHI 公司在 2000 kW 級燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)行了氣態(tài)氨和天然氣混合燃燒研究，實(shí)驗(yàn)中混合燃料可穩(wěn)定燃燒[27,59-60].為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒并減少氮氧化物，IHI 公司還對燃燒器進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，并開發(fā)了適用于液氨直接噴入燃燒器的氨燃燒技術(shù)，實(shí)驗(yàn)摻氨體積比最高達(dá)到約 70%.

　　2.2 氨-煤混合燃燒技術(shù)的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)與模擬研究目前，關(guān)于電站鍋爐氨燃燒、氨與固體燃料混合燃燒的研究十分缺乏，相關(guān)研究主要來自日本CRIEPI(電力中央研究所)、IHI 公司、北海道大學(xué)、大阪大學(xué)等.下面分別從燃燒特性(著火、燃燒、燃盡)、火焰特性(形態(tài)、溫度、輻射)、污染物生成與排放特性等方面介紹氨-煤混合燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀.

　　2.2.1 燃燒與火焰?zhèn)鞑ヌ匦匀剂系姆�(wěn)定著火與燃燒是鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，Nagatani 與 Ishii 等[23]在 10 MW 煤粉燃燒試驗(yàn)爐實(shí)驗(yàn)中觀察到：

　　當(dāng)氨燃料通過煤粉燃燒器中心位置的管道給入時(shí)會延遲煤粉著火，導(dǎo)致火焰位置遠(yuǎn)離燃燒器出口，須通過燃燒器參數(shù)(如旋流強(qiáng)度)調(diào)整方可將著火位置恢復(fù)至與煤粉單獨(dú)燃燒時(shí)相同的位置.Nakatsuka 與 Akamatsu 等[46,61-62]采用層流對沖式燃燒器，詳細(xì)觀察分析了煤-氨混合燃燒時(shí)的單顆粒煤粉燃燒行為，研究了煤粉與氨混合燃燒對單顆粒煤粉脫揮發(fā)分和碳煙形成過程的影響.在對沖燃燒器實(shí)驗(yàn)中，煤粉由氨氣-空氣預(yù)混氣攜帶送入，隨后在氫氣/空氣擴(kuò)散火焰穩(wěn)定的常壓氨氣火焰中燃燒.實(shí)驗(yàn)中采用配置了顯微鏡頭的高速攝像機(jī)采集具有高時(shí)間/空間分辨率的過程圖像.

　　同時(shí)，采用 LII(激光誘導(dǎo)熾光法)和 PAH-LIF(激光誘導(dǎo)熒光法)直接觀測燃燒過程中碳煙和多環(huán)芳烴(PAH)在單個(gè)煤粉顆粒周圍的空間分布.觀測結(jié)果顯示：當(dāng)氨-煤混燃時(shí)，煤粉顆粒周圍揮發(fā)分分布區(qū)域增大，且在煤衍生揮發(fā)性物質(zhì)和氨燃燒作用下煤粉呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)行為.氨-煤混燃時(shí)兩種燃料之間的相互作用也會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑バ袨榈牟煌?

　　Xia，Hadi 與 Fujita 等[63-64]采用定容燃燒彈裝置結(jié)合 OH 自由基成像技術(shù)，首次對氨與煤粉顆粒群混合燃燒的湍流火焰?zhèn)鞑バ袨殚_展了研究，重點(diǎn)探究了氨當(dāng)量比對氨與煤粉顆粒群混合燃燒湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?

　　結(jié)果顯示：在所有湍流強(qiáng)度和當(dāng)量比條件下，氨-煤粉云混合燃燒時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣染�大于煤粉云單�?dú)燃燒.而氨-煤粉云混合燃燒時(shí)的火焰速度與純氨單獨(dú)燃燒時(shí)的火焰速度關(guān)系則與氨當(dāng)量比密切相關(guān).在低當(dāng)量比條件(Φ<1)下，煤粉加入后受熱釋放出更多的揮發(fā)分，導(dǎo)致局部當(dāng)量比增大;同時(shí)揮發(fā)分形成更多的碳煙，導(dǎo)致位于預(yù)熱區(qū)內(nèi)的待燃煤粉顆粒獲得更多的輻射加熱熱流.

　　這兩者對火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的促進(jìn)作用大于煤粉顆粒熱解吸熱導(dǎo)致局部溫度降低的抑制作用，從而最終促進(jìn)火焰的傳播.而在高當(dāng)量比條件(Φ>1)下，煤粉加入后因引入揮發(fā)分導(dǎo)致局部當(dāng)量比增大帶來的正面促進(jìn)作用有限，導(dǎo)致氨煤粉云混合燃燒時(shí)的火焰速度反而小于純氨單獨(dú)燃燒時(shí).

　　煤質(zhì)差異(揮發(fā)分含量)也會顯著影響氨-煤低當(dāng)量比(Φ=0.6)混合燃燒時(shí)的湍流火焰速度.Xia，Hadi 與 Fujita 等[63-64]的結(jié)果顯示：純氨燃燒速度均大于煤粉顆粒群的燃燒速度;特別地，對于高揮發(fā)分煤種，摻氨后的氨-煤混合湍流火焰速度大于純氨，約是純氨燃燒時(shí)的 2 倍、煤粉云單獨(dú)燃燒時(shí)的3 倍。

　　而對于低揮發(fā)分煤種，摻氨后的氨-煤混合湍流火焰速度與純氨燃燒時(shí)差別不大;在部分煤種實(shí)驗(yàn)中，摻氨后的氨-煤混合湍流火焰速度甚至小于純氨燃燒.煤粉在燃燒過程中依次經(jīng)歷水分析出、揮發(fā)分析出和著火、煤焦的燃燒和燃盡，其中揮發(fā)分的生成和轉(zhuǎn)化對煤粉燃燒過程具有重要影響.高揮發(fā)分煤受熱釋放出更多的揮發(fā)分，導(dǎo)致局部當(dāng)量比增幅更大;同時(shí)更易形成碳煙，使得熾光火焰鋒面更接近反應(yīng)鋒面，導(dǎo)致位于預(yù)熱區(qū)內(nèi)的待燃煤粉顆粒獲得更多的輻射熱流.

　　這兩者對火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的促進(jìn)作用大于煤粉顆粒熱解吸熱導(dǎo)致的局部溫度降低，最終促進(jìn)了火焰?zhèn)鞑?而對于低揮發(fā)分煤，由于釋放的揮發(fā)分少，前兩方面的正面促進(jìn)作用與第三方面的抑制作用相當(dāng)，導(dǎo)致對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用不明顯，甚至存在抑制作用.結(jié)合以上的研究可以發(fā)現(xiàn)：混燃中氨燃料會影響煤的著火行為，以及煤燃燒中揮發(fā)分的形成、分布與轉(zhuǎn)化，混燃時(shí)的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t與煤的揮發(fā)分含量密切相關(guān).但目前氨與煤顆粒的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理與影響機(jī)制尚不明確，仍須進(jìn)一步研究.

　　上述實(shí)驗(yàn)研究之外，部分研究者還通過數(shù)值仿真探究了高氨燃料摻燒比例、大容量鍋爐等實(shí)驗(yàn)難度 較 大 情 形 下 的 NOx 生 成 行 為 與 影 響 因素.Ishihara 與 Zhang 等[69-70]采用零維數(shù)值模擬方法結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理探究了 1000 MW 煤粉鍋爐摻氨燃燒中氨摻燒比例(0~80%)及摻燒位置對NO 排放的影響.

　　結(jié)果顯示：當(dāng)氨均從燃燒器火焰區(qū)注入時(shí)，隨著氨摻燒比例的增加，NH3 發(fā)生反應(yīng)的位置、NO 峰值均向下游位置移動;并且，當(dāng)NH3 摻燒比例在 20%時(shí)，NO 排放量小于煤單獨(dú)燃燒時(shí);20%~60%時(shí)，NO 隨氨摻燒比例的增加單調(diào)增加;而當(dāng) NH3 摻燒比例進(jìn)一步升高至 80%時(shí)NO 排放量將下降到 40%的水平.反應(yīng)路徑分析表明：

　　在 80%氨摻混比例下，大量 NH3 分解后通過與 NHi基團(tuán)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為 N2，而不需經(jīng)過 NO，從而抑制了 NO 的生成.這也正是氨-煤混燃與純煤燃燒過程中 NOx形成機(jī)理的區(qū)別，NH3的加入會使燃燒過程中產(chǎn)生更多的 NHi 自由基，增加了 N 和NH 與 NHi基團(tuán)的反應(yīng)路徑.為深入分析氨-煤混燃中 NOx 生成抑制機(jī)理，大阪大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)借助對沖平面火焰燃燒器開展了煤粉摻氨燃燒實(shí)驗(yàn)，通過 NO-平面激光誘導(dǎo)熒光法(NO-PLIF)觀 測 了 火 焰 中 的 NO 空間分布情況[71].

　　研究發(fā)現(xiàn)：在向煤揮發(fā)分燃燒后的氣體中注入氨氣后降低了生成的 NO 含量，確認(rèn)了氨-煤混合燃燒中生成的 NO 可被注入的氨還原脫除.另外，Tsukada 等[62,72]發(fā)現(xiàn)燃料中一些雜質(zhì)元素(如 Br，Cl，燃料 N，S)會減少火焰環(huán)境中的 O，H 和 OH 自由基，進(jìn)而降低氨-煤混燃中 NOx 的濃度.而在氨與生物質(zhì)混燃時(shí)，若 OH 自由基摩爾分?jǐn)?shù)太低，則Cl 的還原作用會阻礙氨的分解，使氨留在富燃料區(qū)，隨后與分級空氣反應(yīng)大量生成 NOx.

　　綜上所述，氨-煤混燃中氨燃料的引入存在較大的 NOx 生成與排放風(fēng)險(xiǎn)，控制 NOx 生成具有較大挑戰(zhàn).NOx 生成受多種因素影響，現(xiàn)有研究初步揭示了小摻混比時(shí)各因素的表觀影響規(guī)律，而對深層次的影響機(jī)制仍認(rèn)識不足.大比例摻氨仍處于模擬階段，對于流動和反應(yīng)的綜合影響仍不清楚，同時(shí)對多燃燒器情況下的 NOx 生成情況仍須進(jìn)一步探究.

　　2.3 大型電站鍋爐摻氨燃燒的試驗(yàn)和模擬研究2017 年 ， 日 本 Chugoku 電 力 水 島 發(fā) 電 廠156MW 燃煤機(jī)組(2 號機(jī)組)上進(jìn)行了世界首次氨煤混燃發(fā)電試驗(yàn)，NH3摻燒比例為 0.6~0.8wt%[26].試驗(yàn)機(jī)組總輸出功率為 155 MW 左右，氨燃料摻燒量為 450kg/h(相當(dāng)于 400kg/h 煤)，由原有脫硝液氨系統(tǒng)供應(yīng)，通過汽化器氣化后注入鍋爐.

　　試驗(yàn)持續(xù) 7 天，對鍋爐溫度、煤炭消耗量、燃燒器情況、煙道出口 NOx 排放以及煙道出口 NH3 濃度進(jìn)行了觀測分析.試驗(yàn)結(jié)果所示：機(jī)組負(fù)荷 155MW 時(shí)，氨-煤混燃與純煤燃燒時(shí)的 NOx 排放差值為-8×10-6~7×10-6，平均約為 0;機(jī)組負(fù)荷改為 120MW 時(shí)，兩者差值為-1.4×10-5， 可 見 煤 燃 燒 中 摻 燒0.6%~0.8%的氨燃料不但不會增加 NOx 的生成反而可能有助于減少 NOx 排放，滿足排放要求.

　　3 電站鍋爐氨燃燒研究總結(jié)及展望

　　分別從燃燒與火焰?zhèn)鞑ァ⒒鹧嫘螒B(tài)、燃燒溫度與輻射、NOx 生成與排放及未燃盡碳與未燃盡氨排放等角度對電站鍋爐摻氨燃燒研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與分析.可以看到：氨-煤混燃可大幅降低電站鍋爐碳排放，而對爐內(nèi)溫度特性無顯著改變，雖然燃料氮的增加帶來 NOx 排放風(fēng)險(xiǎn)，但可以通過燃燒分級、燃燒組織等方式有效調(diào)控.因此氨-煤混燃是一種可行的減碳路徑.

　　以氨作為可再生能源的載體，實(shí)現(xiàn)熱力、電力、動力等不同應(yīng)用領(lǐng)域中的碳減排，并緩解或解決對有限化石能源的依賴，具有巨大的發(fā)展?jié)摿�和利用前�?但是目前電站鍋爐摻氨燃燒研究剛剛起步，在煤氨燃燒基礎(chǔ)理論、燃燒技術(shù)及工程應(yīng)用工藝方面仍十分薄弱，需要在以下方面進(jìn)行深入研究：

　　3.1 燃燒基礎(chǔ)理論燃燒基礎(chǔ)理論是進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)與優(yōu)化的理論基礎(chǔ).目前，對氨-碳?xì)淙剂匣旌先紵�的燃燒基礎(chǔ)理論研究大多集中于氨與小分子氣體燃料的混合燃燒方面，如 NH3-H2，NH3-CH4，NH3-合成氣等燃料體系.而對于氨與煤、生物質(zhì)等固體大分子碳?xì)淙剂系幕旌先紵�行為認(rèn)識尚十分缺乏.尤其在氨-煤混燃情況下，研究多在兆瓦級別的燃燒裝置上開展，對于煤粉著火延遲、著火模式、揮發(fā)分燃燒及焦炭燃燒等燃燒特性缺乏深入理解.

　　3.2 污染物排放與控制污染物的生成、控制與排放是鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行中必須考慮的重要方面.摻氨燃燒中，NOx 是最受關(guān)注的污染物，現(xiàn)有研究大多圍繞著 NOx 生成與排放，少量關(guān)注了 NH3，N2O 等污染物，但氨與煤等摻燒中煤中 N，S，Cl 等元素遷移和轉(zhuǎn)化行為以及 HCN、含氮 PAH 等高毒性氣態(tài)污染物的生成與排放行為尚未探究，有待研究確認(rèn).另外，煤中普遍存在礦物雜質(zhì)，氨摻燒后帶來的燃燒環(huán)境變化對礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化及沉積行為、礦物顆粒物、碳煙顆粒物等有何影響，也有待研究.

　　3.3 模型開發(fā)、驗(yàn)證及模擬預(yù)測數(shù)值模擬計(jì)算是進(jìn)行燃煤鍋爐摻氨燃燒改造設(shè)計(jì)、評價(jià)和優(yōu)化的重要手段.在模擬仿真過程中，鍋爐、燃燒器等裝置結(jié)構(gòu)以及供風(fēng)配風(fēng)的運(yùn)行參數(shù)需更加精細(xì)、準(zhǔn)確，更接近現(xiàn)實(shí)，盡可能模擬出真實(shí)情形，并從多個(gè)角度驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與正確性.流動、換熱及反應(yīng)模型是實(shí)現(xiàn)可靠仿真的基礎(chǔ)，現(xiàn)有反應(yīng)機(jī)理模型對大比例氨摻燒條件的適用性尚需評估.

　　工業(yè)技術(shù)方面的論文：出口鍋爐鋼結(jié)構(gòu)包裝的難點(diǎn)及對策研究

　　3.4 技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)、優(yōu)化及工業(yè)示范燃煤火電機(jī)組進(jìn)行摻氨改造，須全面考慮鍋爐燃燒設(shè)備、煙氣處理等大量裝置的匹配和優(yōu)化.目前，針對高濃度、大比例摻氨情形的低污染物摻氨-煤粉燃燒器設(shè)計(jì)及爐膛燃燒策略仍缺少探究.另外，現(xiàn)有研究更多關(guān)注的是摻氨后污染物排放量的變化，對于鍋爐尾部污染物控制設(shè)備(SCR，ESP，F(xiàn)GD 等)調(diào)整的研究仍缺乏.現(xiàn)有研究大多為小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室研究，將氨大規(guī)模實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)役鍋爐上仍須進(jìn)一步的工業(yè)示范.同時(shí)，系統(tǒng)開發(fā)中還須關(guān)注NH3的腐蝕性等問題，進(jìn)行針對性設(shè)計(jì).

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　　作者：徐靜穎 a朱鴻瑋 a徐義書 a于敦喜 b