燃煤锅炉掺氨燃烧研究进展.pdf

第 卷总第 期 年 月第 期 节 能 技 术 .燃煤锅炉掺氨燃烧研究进展吕 强王儒儒李长兴王长安杜勇博刘银河(西安交通大学 能源与动力工程学院陕西 西安)摘 要:将零碳燃料氨在燃煤锅炉中进行掺烧是极具潜力的电力系统低碳化改造路径之一对我国“双碳”目标的实现具有重要意义 由于氨与煤的理化特性迥异掺氨燃烧将对燃煤锅炉的运行造成一系列影响 本文总结国内外相关研究从氨燃料特性出发简述了氨燃烧增强策略分析了掺氨对燃煤锅炉传热、燃烧及 排放、受热面安全、锅炉效率及效率的影响最后对燃煤锅炉掺氨燃烧的研究进行了展望 研究表明氨在储运成本及安全性方面具有优势但其燃烧特性与氢气、天然气等气体燃料相比存在差距可通过与挥发分共燃、富氧燃烧、燃料预热等策略实现氨燃料的稳定着火及燃尽而这些策略在燃煤锅炉中均可较方便地实施 掺氨比例越高炉内辐射传热量降低对流传热量增加 在空气分级条件下若燃烧组织得当掺氨燃烧后 排放甚至不升反降 此外燃煤锅炉掺氨燃烧可能会加剧尾部受热面的低温腐蚀系统效率性也略有降低 未来氮氧化物的生成机理与预测模型、氨煤掺烧锅炉炉内的多场耦合机制等将是燃煤锅炉掺氨燃烧领域研究的重点方向相关数值模拟子模型的完善以及中试以上规模燃煤锅炉掺氨燃烧的工程验证也亟待开展关键词:氨燃煤锅炉掺烧碳中和中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 修订稿日期 基金项目:陕西省自然科学基金资助项目()作者简介:吕强()男博士助理教授主要研究方向:清洁低碳燃烧 ():./././.:引言我国是世界上最大的碳排放国其中燃煤电站碳排放量超过全国总碳排放量的 研发安全高效的燃煤锅炉低碳燃烧技术对我国“双碳”目标的实现意义重大 化石燃料在我国一次能源中的份额接近 阻碍了我国碳减排的步伐 在“碳中和”背景下探索低碳或零碳的替代燃料是当前燃烧领域的热点问题 将煤与零碳燃料掺烧从燃料侧实现低碳化改造是一条极具潜力的碳减排路线氨在化工、农业、制冷等许多领域均有非常广泛的应用 在能源领域氨也引起了学届和工业界越来越多的关注 氨作为一种零碳分子通过燃烧反应释放能量的同时不产生碳排放仅生成氮气和水因此氨是一种有望规模化替代化石燃料的新型零碳燃料 在燃煤电站中掺氨燃烧既可以提供稳定低碳的基本负荷也可以在电站承担调峰任务时发挥重要作用保障风、光电等可再生电力并网运行后电网的稳定性 国内外正积极部署并开展氨煤掺烧的相关研究 年日本 电力进行了全尺寸燃煤锅炉掺氨试验 在日本公布的“绿色增长战略”行动计划中氨能被重点提及 日本政府计划年可将氨含量为 的燃料投入实际应用 韩国则计划在五年内完成氨燃料发电的相关研究 国内方面烟台龙源电力在国际上首次实现 等级燃煤锅炉氨混燃的中试验证 此外来自多家单位的学者们从氨煤掺烧的燃烧特性、排放特性及经济性等多个角度进行了研究 尽管国内外已逐步开展燃煤锅炉掺氨燃烧的研究但若要将氨燃烧落实到具体应用层面仍存在不少挑战 本文针对燃煤锅炉掺氨燃烧潜在的问题从氨燃料特性出发综述掺氨燃烧对燃煤锅炉的影响为后续的研究提供参考 氨燃料特性.氨燃料的优势与问题氨燃烧之所以在全球范围内引起广泛关注主要是因为将氨用作燃料具有以下几点优势:()氨属于无碳燃料 氨燃烧过程中不产生温室气体是一种清洁的替代燃料 此外除了传统的 法之外还可将可再生能源耦合至合成氨工艺中进一步降低氨生产过程中的碳排放()氨具有较高的能量密度 氨的能量密度为./高于低阶煤的热值 另外氨的质量能量密度虽然不如同为零碳燃料的氢但是氨的体积能量密度比氢更高()氨容易液化 常温下氨加压至.即可液化而氢则需加压至 在常压下氨的沸点为.而氢的沸点则为 因此氨相比氢具有更温和的液化条件在存储和输运成本上具有明显优势()有成熟可靠的基础设施 氨是全球第二大化工产品且我国是世界上氨产量最高的国家 正因为氨拥有规模巨大的产量以及广泛的应用场景故用于氨的储存和运输的配套基础设施已经较为完善包括储罐、管道、公路、铁路和船舶运输等()氨具有相对较好的安全性氨在空气中的可燃体积范围为.相比氢的.要窄因此在储运过程中更加安全不易着火爆炸 此外氨较强的刺激性气味具有一定的警示作用一旦发生泄漏可以及时被人察觉可以看到与氢相比氨在储运、安全等方面具有一定优势 然而氨与天然气、氢气等其他气体燃料相比在燃烧特性方面仍存在如下不足:()氨的着火性能不佳 氨的最小点火能量远高于氢气和天然气氨的自燃温度也相对较高()()氨的火焰传播速度较慢 常温下氨的层流火焰速度仅为/比甲烷和氢气低 个数量级()氨的绝热火焰温度较低 一方面氨的热值低于其他气体燃料另一方面氨燃烧所产生烟气的比热容较高 这两个因素共同导致了氨燃料较低的火焰温度()氨燃烧有氮氧化物排放超标的风险 虽然在理想状态下氨燃烧只产生氮气和水但实际情况下难免会产生氮氧化物 考虑到氨分子中氮元素质量比超过.如果燃烧组织不当极易导致氮氧化物排放超标.氨在燃煤锅炉中的燃烧增强途径既然氨气本身的燃烧特性不如常规气体燃料将其与燃烧特性较好的气体燃料掺烧可方便直接地改善燃料的燃烧特性 氨与氢气、甲烷、一氧化碳 掺烧均可提升其燃烧特性 如图 所示当掺烧 后混合燃料的层流火焰速度可提高 倍 掺烧 或 后相比纯氨燃烧时层流燃烧速度也增加了 倍 值得一提的是在燃煤锅炉中煤燃烧的过程会伴随着挥发分的析出而挥发分的主要成分包括了、等碳氢化合物 另外焦炭燃烧过程中会生成较多的 因此在燃煤锅炉中掺氨燃烧实际上已实现了氨与挥发分的共燃这对于改善氨燃料的燃烧特性是有益的 特别是对于挥发分含量较多的煤种氨在炉内的燃烧将显著增强图 氨气掺烧气体燃料时层流火焰速度富氧燃烧可使烟气中不参与反应的氮气含量降低进而提高火焰温度并增加自由基浓度增强氨的燃烧过程 事实上图 中可以看到当氧含量从空气中的 提升至 时氨燃烧的层流传播速度显著提升其效果与在空气条件下掺烧 氢气的效果相当 等的研究同样证明了富氧燃烧条件对氨燃料层流火焰速度的促进作用部分结果如图 所示 富氧燃烧技术在燃煤锅炉中已有较多的研究如何实现氨/煤混合燃料在富氧工况下的最佳燃烧效果将是未来研究的重点 此外/条件下的富氧燃烧是燃煤机组碳捕集的重要技术路径若可将零碳燃料氨与碳捕集技术相结合未来有望开发出负碳技术助力我国碳中和目标的实现 而/条件下的氨煤掺烧研究目前仍然较少图 氧气体积分数对氨气层流火焰速度的影响将燃料及空气预热后再送入炉膛可以改善燃料的燃烧特性 研究显示在不同当量比条件下氨预热后火焰的吹熄极限增大火焰稳定性增强且火焰传播速度均明显增加 图 展示了预热温度对氨火焰传播速度的影响当初始温度为 时氨火焰传播速度达到预热前的两倍进一步的模拟计算显示当预热温度在 以上时氨火焰传播速度将超过 条件下甲烷的火焰传播速度图 初始温度与氨气火焰传播速度的关系总体而言在燃煤锅炉中掺氨燃烧可以较为方便地实现氨燃烧的强化 另外虽然氨与其他气体燃料相比燃烧特性并不占优但与固体燃料煤相比氨仍是相对容易燃尽的 考虑到燃煤锅炉中较高的炉内温度和较长的停留时间氨在燃煤锅炉中的燃尽率是比较理想的 不过氨掺烧会造成炉内绝热火焰温度降低可考虑通过富氧燃烧等策略进行改善 掺氨燃烧对燃煤锅炉的影响由于氨的物理化学特性和燃烧特性与煤有很大差异因此掺氨燃烧将对燃煤锅炉内的传热、燃烧、排放造成显著影响 同时锅炉各受热面的运行环境及系统的热经济性也会发生相应的改变.掺氨对传热的影响氨气喷入的高速射流可能会改变火焰形状影响壁面的热量分布 另一方面由于掺烧氨气烟气中三原子气体、焦炭等辐射减弱系数发生变化火焰黑度改变而烟气量和烟气组分的变化可以影响对流传热的相关参数 因此燃煤锅炉掺氨后的辐射和对流传热特性均会发生变化煤粉炉方面有研究者基于一台.的中试规模燃煤设备研究了 掺混比例对炉内传热特性的影响 随着掺氨比例增加颗粒辐射的减少会使炉内辐射传热量减少而对流传热量则略有增加部分研究结果如图 所示 以上结论对煤粉炉掺氨燃烧后炉内传热特性的研究具有参考意义然而其研究对象的尺寸较小相关结论是否可应用于大型燃煤锅炉需得到进一步验证图 煤/氨掺烧炉内传热量针对大型燃煤锅炉王一坤等尝试采用热力计算的方法分析氨掺烧对炉内传热特性的影响结果发现在一台 燃煤锅炉中掺氨燃烧炉内理论燃烧温度将有所下降但由于烟气体积流量增加使得对流传热量增加笔者针对一台 燃煤锅炉研究了掺氨燃烧对炉内过程的影响 结果显示虽然入炉总热值一致但掺氨燃烧确实会引起炉膛主燃区温度降低对辐射传热和煤粉的燃尽不利可考虑采用增氧燃烧的方法提升炉内温度水平 当掺氨比例为时提升二次风氧浓度至 炉内温度水平与传统燃煤工况相当 部分研究结果如图 所示图 增氧燃烧对氨煤掺烧条件下炉内温度的影响针对流化床锅炉开展的氨煤掺烧研究较少有学者曾基于一台中试规模的流化床反应器进行了氨煤掺烧的数值模拟工作 研究发现掺氨燃烧后炉内温度水平下降特别是掺氨比例高于 后炉内高温区域明显缩小 相应地炉内辐射传热也随着掺氨比例的提升而减弱掺氨比例 时炉内辐射热流密度减小约 总的来看燃煤锅炉掺氨燃烧后炉内辐射传热量呈现下降趋势而锅炉尾部受热面的对流传热量则有所上升 当掺氨比例较大时需调整燃烧组织或优化受热面布置避免出现各受热面换热量与设计值偏离过大的风险.掺氨对燃烧及 排放的影响针对氨煤掺烧的燃烧特性有研究表明煤中挥发分的燃烧可提高火焰传播速度但煤粉吸热则会降低火焰传播速度 等 利用 燃烧器和光学原位测量平台揭示了煤焦燃烧与气相燃烧的相互作用指出各气相组分浓度及气相温度会对煤焦的着火产生影响 由此可以推测掺氨后烟气中氧气、水蒸气等组分浓度及烟气温度均会发生改变焦炭的着火性能会因此受到影响大比例掺氨燃烧后还可能对燃料的燃尽率造成影响 数值模拟研究结果显示当掺氨比例不高于时氨煤掺烧尾部烟气中的未燃尽氨浓度均很低更高的掺氨比例则不利于氨的燃尽 同时掺氨比例的提升会降低炉内温度水平进而对煤粉的燃尽造成负面影响 公司通过实验进一步证实了掺氨比例在 以下时氨燃料理想的燃尽率然而煤粉燃尽方面则呈现出与文献不同的规律当氨从侧壁喷入时掺氨比例越高煤粉的燃尽率越高 主要原因是氨喷入前相对充足的氧气有利于煤粉燃烧且氨的喷入强化了高温烟气与煤粉的混合进一步促进了煤粉的燃烧 此外牛涛等在 燃煤锅炉中的掺氨实验结果表明除了掺氨比例之外燃尽风率和运行氧量对氨及煤粉的燃尽均有影响氨分子中 元素的质量占比很高因此掺氨燃烧有 排放超标的风险 电力水岛发电厂进行的氨煤混燃发电试验表明掺氨燃烧后的排放比燃煤工况时更低 不过该试验的掺氨比例较低很难将相关结论直接推广至大比例掺氨工况中 因此学者们在更大比例的掺氨条件下围绕氨煤混燃中 的排放问题开展了一系列研究 研究结果显示氨掺混比例增加排放浓度升高 排放浓度与氨的入炉位置也密切相关 实验结果显示与从燃烧器中心喷入氨气相比从侧壁喷入氨气时 的出口浓度更低但如果氨气入口位置与燃煤入口相距较远浓度则会再次升高 这主要与氨入炉区域的温度和气氛有关 氨具有还原性在适当的条件下可将烟气中的 还原且刚入炉的氨相对烟气来说温度较低因此可抑制热力型 的生成 等也关注了掺氨比例与氨入炉位置对氮氧化物排放的影响 此外他们还研究了氨喷嘴的最佳尺寸及氨入炉的最佳角度 运行参数和煤种亦是氨煤混烧条件下氮氧化物排放的重要影响因素 等的研究显示与燃煤工况不同过高的燃尽风率将促进氨在燃尽区向 的转化因此存在最佳燃尽风率此外学者指出煤中、等元素会与自由基发生反应消耗了 生成过程中的重要反应物最终降低 排放浓度 针对氨煤掺烧条件下烟气中的还原过程有学者在高温卧式管式炉中进行了相应研究揭示了还原区 的非均相还原机理以及矿物 对 的影响 指出 与焦炭协同还原 的主要机理并发现矿物 的存在会抑制还原区中焦炭和氨对 的还原针对全尺寸锅炉学者们通过模拟的方法研究了氨煤掺烧时 生成行为 煤粉炉方面笔者通过三维雷诺平均()数值模拟的手段发现在 煤粉炉中进行掺氨燃烧可以通过增氧燃烧与深度空气分级相结合的策略在炉内创造高温强还原气氛在保证燃料燃尽率的同时减少 排放 等 将详细化学反应机理嵌入数值计算中以一台 锅炉为研究对象分析了氨煤掺烧工况下氮氧化物的生成与排放特性 计算表明氨的注入导致火焰区温度下降热力型 生成量减少 氨进入炉膛后生成的燃料型 会与未及时燃烧的焦炭反应进而被还原并不会引起排放增加 当掺氨比例提高至 时氨分解后更倾向于与 基反应生成氮气从而减少了氮氧化物的生成流化床锅炉方面 等的研究显示当氨掺混比例为 时 排放水平与燃煤工况相当但氨掺混比例在 比例时 排放逐渐下降降幅可达 氨注入位置对 排放有显著影响在床层更下游注入氨将导致 浓度增加 空气分级也被证明对 的形成有重要影响仅 的空气分级就可减少 的 排放由上可知燃煤锅炉掺氨燃烧后由于燃料中 元素占比升高排放问题需要重点关注 通过合理的掺氨策略及燃烧组织有望在炉膛内抑制生成并促进 向 的还原进而获得较低的排放浓度满足环保要求 不过最佳运行工况的确定还需兼顾燃料整体燃尽率等重要参数需统筹考虑.掺氨对受热面安全的影响由于燃煤中含有灰分、水分和硫分等组分锅炉各受热面的外部工作条件非常恶劣常会出现积灰、结渣、腐蚀、磨损等问题 氨气掺烧后烟气量及烟气组分发生变化将不可避免地造成新的问题研究显示掺氨后入炉燃料中矿物成分含量降低烟气中 和飞灰的量也有所下降这有利于缓解受热面的高温腐蚀和磨损问题 同时掺氨燃烧后炉膛出口烟气温度会有所降低这将使得受热面的高温粘结灰和结渣现象有减轻趋势此外有研究表明掺氨燃烧 后 含量由燃煤基础工况下的.增加到.增幅为.的增加是由于 相对于煤具有更高含量的 水蒸气的增加意味着烟气酸露点的改变因此尾部烟道和尾部换热器的低温腐蚀问题可能是掺氨改造后需要重点考虑的问题另外当掺氨比例较高时尾部烟道内可能会存在未燃尽的氨与烟气中的硫反应生成硫酸氢铵和硫酸铵并沉积在低温受热面上同时吸附烟气中的颗粒物最终导致换热原件堵塞总的来说燃煤锅炉掺氨燃烧后由于部分煤粉被气体燃料所代替烟气中的飞灰等颗粒物含量减少受热面的积灰结渣及磨损现象有减轻趋势 炉膛出口烟温的降低也对缓解受热面的积灰和结渣更为有利 整体燃料中硫含量的降低会使得高温腐蚀现象有所减轻 烟气酸露点的升高对现在燃煤机组普遍增设的低温烟气余热回收系统会造成不利影响需要通过减少受热面或者调整运行参数来适应大比例掺氨带来的变化.掺氨对锅炉效率及效率的影响燃煤锅炉掺氨后由于燃料性质、烟气性质发生改变锅炉内的燃烧及传热过程均受到一定影响与传统燃煤电站相比掺氨燃烧对锅炉效率及效率将产生影响锅炉效率方面有学者通过锅炉热力校核计算分析了掺氨燃烧对燃煤机组的影响 计算表明掺氨会使机组排烟温度上升造成锅炉效率下降数值模拟的结果显示当掺氨比例提高到 以上时未燃尽碳的比例在 左右明显高于燃煤工况效率方面笔者的研究显示掺氨燃烧后系统效率下降但增氧燃烧可改善炉内燃烧不可逆性使系统效率提高而深度空气分级则对系统热经济性不利 但整体上看将增氧燃烧与深度空气分级技术相结合可使氨煤掺烧锅炉系统效率略有增加 另外 等以某 燃煤电站为分析对象对锅炉掺氨燃烧后的烟气排放和损失、效率进行了分析分析结果显示相比于燃煤基础工况随着掺氨比例的增加所有换热器的损失不断降低锅炉炉膛的损失不断升高 换热器损失降低是由于传热温差减小 而炉膛的损失主要受燃料和烟气的影响 由于氨的热值比煤低维持燃料热值相同的条件下掺氨后氨的质量比其替代的煤的质量大使燃料升高 同时烟气由于流量、温度和成分的变化其物理和化学降低 最终锅炉炉膛进口升高出口降低导致损失升高由上可知掺氨燃烧对燃煤锅炉效率及效率将带来负面影响 可考虑通过入炉空气预热、换热器改造等方法进行优化提升系统效率 总结与展望本文针对燃煤锅炉掺氨燃烧总结了氨燃料特性及氨燃烧增强策略综述了掺氨燃烧对燃煤锅炉传热、燃烧及 排放、受热面安全、锅炉效率及效率的影响 主要结论如下:()氨在储运、安全等方面具有一定优势但氨的着火及稳燃特性在气体燃料中并不突出 不过在燃煤锅炉中掺氨燃烧氨的燃尽率是比较高的燃煤锅炉内氨燃料可通过与挥发分共燃、富氧燃烧、预热燃烧等策略进一步强化氨的燃烧过程()由于氨的绝热火焰温度较低掺氨燃烧将造成炉内温度下降对辐射传热不利 当维持入炉热值不变时掺氨比例越高烟气的体积流量越大锅炉尾部受热面的对流换热量增加 虽然氨分子中含有氮元素但氨对氮氧化物也具有还原作用 若采用空气分级策略当氨的入炉位置合适时烟气中的浓度甚至会低于燃煤工况()燃煤锅炉掺氨燃烧有利于缓解受热面的积灰、结渣、磨损和高温腐蚀等问题但氨会造成烟气酸露点上升可能会加剧尾部受热面的低温腐蚀燃煤锅炉掺氨燃烧会造成燃烧过程不可逆性增大引起炉膛损失增加而掺氨后传热温差的降低则使换热过程损失减小 整体来看系统效率随掺氨比例的升高而降低增氧燃烧等策略可减少炉膛损失()燃煤锅炉掺氨燃烧是我国电力系统低碳化改造的重要技术路线之一既立足于我国以煤为主的能源资源禀赋又符合我国加快规划建设新型能源体系的战略要求 已有研究表明在燃煤锅炉中掺氨燃烧具有可行性但氮氧化物的生成机理与预测模型、氨煤掺烧锅炉炉内的多场耦合机制等仍是氨煤掺烧商业化运行前必须要解决的难题 现阶段国内外大比例氨煤掺烧的研究仍处于起步阶段工作多以数值模拟的方式进行燃烧及污染物子模型的准确性仍须进一步优化 此外中试规模及全尺寸锅炉的掺氨燃烧实验亟需开展参考文献 ./.:/./.康丽虹贾燕冰谢栋等.考虑混氢天然气的综合能源系统低碳经济调度.电网与清洁能源():.:.:.:.:.():.:.():.杨昊天张仰飞赖仕达等.低碳背景下含可再生能源配电网降损研究.节能技术():./.:/./.牛涛张文振刘欣等.燃煤锅炉氨煤混合燃烧工业尺度试验研究.洁净煤技术():.朱京冀徐义书徐静颖等.掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响.发电技术():.丁先李汪繁马达夫.燃煤机组耦合氨燃料燃烧特性及经济性探讨.热力发电():.马仑方庆艳张成等.深度空气分级下煤粉耦合氨燃烧及 生成特性.洁净煤技术():.汪鑫陈钧范卫东.燃煤电站锅炉掺氨燃烧与排放特性综述.洁净煤技术():.:.():.丁先.某 机组锅炉燃烧系统低氮及深度调峰改造研究.北京:华北电力大学./.:/.:/././.():./.():.:.():./.():.():./.():.():./.():./.():.():./.():./.():./.():.():.():./.():./.():./.():.:.():.王一坤邓磊王涛等.大比例掺烧 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