深度空氣分級下煤粉耦合氨燃燒及NO生成特性

馬 侖,方慶艷,張 成,陳 剛，王學斌

(1.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

我國明確提出2030年前實現“碳達峰”、2060年前實現“碳中和”。燃煤火電作為碳排放主要來源之一，通過節能減排、使用可再生能源等措施，可減少或抵消燃煤發電過程中的碳排放。氨作為一種富氫的無碳燃料，具有能量密度高、成本低、儲運安全等優勢，近年來受到廣泛關注[1-4]。就氨的來源而言，可利用風電或光電等可再生能源電力空分制氮和電解水制氫，然后合成氨，具有良好的經濟性。燃煤耦合氨燃燒被認為是一種快速有效減少CO2排放的方法[5]。其中，日本經濟產業省計劃到2030年用氨與煤炭混燒，替代日本燃煤發電站20%的煤炭供應。

研究人員已在燃煤耦合氨燃燒方面開展了部分研究工作。ZHANG等[5]以8.5 MW旋流燃燒試驗爐開展了煤粉與氨的混燃試驗，并結合數值模擬研究了氨摻混比例對燃燒特性及NO排放的影響，結果表明，氨摻混比例為10%時，飛灰含碳量最低，但生成大量NO；增加氨摻混比例，飛灰含碳量逐漸增加，但氨會還原已生成的NO，NO排放量顯著降低；當摻氨比例超過40%時，高速NH3射流會穿過火焰回流區，影響水冷壁熱量分布及其安全性。YAMAMOTO等[6]在760 kW 臥式試驗爐中開展了煤粉與20%比例氨的混燃試驗，發現將氨從靠近煤粉燃燒器的側墻注入時，爐膛出口NOx排放量較低。ISHIHARA等[7]采用數值模擬方法在某1 000 MW鍋爐上研究了氨送入爐內位置(燃燒器內、高溫火焰區以及燃盡風區)對NO排放特性的影響，發現將氨從火焰區送入爐內時NO排放最低。TAMURA等[8]在1.2 MW的煤粉臥式燃燒爐上研究了噴氨氨槍結構對煤粉耦合氨燃燒下NO排放特性影響，發現煤粉與氨混燃可顯著降低碳排放，合適的氨槍結構可實現氨大比例摻燒下的穩定燃燒，配合空氣分級燃燒可實現NO低排放。而在深度空氣分級條件下對燃煤耦合氨燃燒特性及其NO生成有待研究。

研究表明，燃煤耦合氨燃燒可有效減少CO2排放，基于此，以某20 kW中試規模的沉降爐(氨從煤粉火焰高溫區噴入)為研究對象，在深度空氣分級下對煤耦合氨燃燒特性及NO生成規律開展數值模擬研究，探究氨摻混比例(0、10%、20%、30%)、氨燃燒區過量空氣系數(1.08、0.96、0.84、0.72)、氨送入位置(0.5、0.6、0.7、1.0 m)對煤粉燃盡特性及NO生成特性的影響，以期為后續的燃煤鍋爐耦合氨燃燒提供參考，對燃煤火電的碳減排具有一定意義。

1 沉降爐概況

選取某20 kW中試規模沉降爐為研究對象[9]。該沉降爐煤粉燃燒器安裝在沉降爐頂部，其攜帶煤粉的一次風管內直徑為16 mm，二次風管內直徑為38 mm；沉降爐分為上下2部分，上、下爐膛的內徑分別為0.20和0.15 m，從沉降爐頂部到爐膛出口長度約2.90 m。為實現煤粉的深度空氣分級燃燒，在爐膛下游布置有燃盡風噴口OFA(Over-Fire Air)。根據FAN等[10]和MACKRORY等[11]研究，將燃盡風噴口OFA布置于燃燒器下游1.30 m左右。關于該沉降爐更多信息可參考文獻[12-13]。

為研究煤粉耦合氨燃燒特性，在煤粉燃燒器下游布置有氨燃燒器噴口(距離爐頂0.5、0.6、0.7、1.0 m)；氨氣從環形噴口送入爐內，其環形噴口上下布置有氨氣助燃噴口，其結構及尺寸如圖1所示。其中，煤粉粒徑符合Rosin-Rammler分布，最小粒徑為10 μm，最大粒徑為150 μm，平均粒徑為50 μm，分布指數為1.1；氨低位發熱量為18.6 MJ/kg。煤質特性參數見表1。

2 計算方法與工況設置

2.1 煤粉耦合氨燃燒的數值模擬方法

采用Fluent 16.0軟件對煤粉耦合氨燃燒及NO生成特性開展數值模擬研究。氣相湍流的流動過程模擬采用旋流修正的Realizablek-ε湍流模型；氣相燃燒反應采用有限速率/渦耗散模型；輻射傳熱過程采用DO模型，氣體吸收系數的計算通常采用WSGG模型，煤粉顆粒的運動采用軌道模型進行模擬；煤粉熱解采用雙方程競爭反應模型；焦炭燃燒則采用表面反應模型,相關參數見表2(C為物質的量濃度；vol為揮發分；A為指前因子；E為活化能)。

圖1 沉降爐示意[12,14]Fig.1 Drop tube furnace[12,14]

表1 原煤工業分析和元素分析

表2 化學反應及動力學參數

NO的生成采用后處理方法，煤粉耦合氨燃燒過程中NO主要來源于3部分：氨燃燒生成的NO、高溫下N2被氧化生成的熱力型NO、煤粉燃燒生成的NO[5]。氨燃燒生成NO見表2中反應R9；熱力型NO生成采用Extended Zeldovich模型，中間產物自由基·O和·OH選擇為部分平衡；煤粉燃燒NO采用HCN/NH3/NO/N2反應體系(圖2)[12]，選擇CO和H2作為再燃氣體，選擇CH3作為等效燃料[21]。根據LI等[12]的模擬計算，揮發分N/焦炭N比設為0.7∶0.3，高溫條件下2者轉化率都設為1；揮發分N和焦炭N轉換過程中HCN/NH3分別設為0.9∶0.1 和0.3∶0.2。為提高計算效率，選擇1/8區域進行三維建模，邊界定義為周期邊界條件，其網格劃分如圖3所示。

圖2 煤粉燃料-NO轉化模型[12]Fig.2 Coal fuel-NO conversion model[12]

圖3 網格劃分示意Fig.3 Grid division

2.2 試驗工況設置

過量空氣系數保持為1.20，單燒煤粉時給粉量為3.21 kg/h。不同工況下維持入爐內總熱量恒定。主要研究以下3個因素對煤粉耦合氨燃燒特性及NO生成特性的影響：① 氨質量摻混比(10%、20%、30%)對燃燒及NO生成特性的影響；② 氨摻混比例為20%時，氨燃燒器區過量空氣系數SR(NH3)(0.72、0.84、0.96、1.08)對燃燒及NO生成特性的影響；③ 氨摻混比例為20%，氨燃燒器區過量空氣系數SR(NH3)為0.96，氨送入位置(距離爐頂0.5、0.6、0.7、1.0 m)對燃燒及NO生成特性的影響，具體工況設置見表3。對于頂部煤粉燃燒器而言，攜帶煤粉進入爐內的一次風溫度為353 K，約占煤粉燃燒空氣量的20%，助燃二次風溫度為473 K，約占煤粉燃燒空氣量的38%，煤粉燃燒器區過量空氣系數SR(coal)=0.696；對于氨燃燒器而言，氨氣溫度設置為300 K，用于氨燃燒的部分助燃一次風通過氨燃燒器送入爐內，溫度為353 K，剩余助燃二次風通過下游燃盡風噴口送入爐內，溫度為473 K。

各風入口設置為質量入口邊界；壁面設置為無滑移的溫度邊界，根據試驗測量結果[12]，將爐壁沿爐高溫度分布設置為1 573、1 373、1 073和873 K，發射率設置為0.7，可參考文獻[12]；出口設置為-40 Pa 的壓力出口邊界。壓力場和速度場耦合采用SIMPLE算法，壓力采用Standard格式，其他項采用一階迎風差分格式。

3 結果驗證與分析

3.1 單煤燃燒模擬結果驗證

首先，在4種網格數量下(473 813、379 603、308 456、264 813)開展了網格無關性測試，對比了沿程平均參數，結果如圖4所示?？芍?種網格數量下沿程平均溫度、氧量以及NO濃度分布趨勢基本一致，平均溫度和氧量差異相對較小；473 813、379 603及308 456網格下沿程平均NO質量濃度差異相對較小。綜合考慮模擬計算效率和準確性，最終選擇308 456網格開展相關研究。

圖4 網格無關性測試Fig.4 Mesh-independence test

由于未開展煤粉耦合氨燃燒試驗，僅對純煤粉燃燒時3種深度空氣分級程度下(SR(coal)=1.200、0.996、0.696)中心線上溫度、氧量、CO及NO濃度的模擬結果與試驗測量值進行了對比，如圖5所示。可知3種深度空氣分級程度下溫度、氧量模擬與試驗值總體符合性相對較好，變化趨勢一致。對于CO而言，除SR(coal)=1.20工況下主燃燒區CO濃度模擬與試驗值存在一定差異外，SR(coal)=0.996、0.696 工況下2者符合性相對較好；對于NO而言，除SR(coal)=0.696工況下主燃燒區濃度模擬與試驗值存在一定差異外，SR(coal)=1.200、0.996 兩個工況下模擬與試驗值符合性也相對較好。沿程參數存在的誤差可能是煤粉劇烈燃燒導致溫度及組分濃度波動，從而導致模擬結果與測量結果存在一定偏差。SR(coal)=1.200、0.996、0.696對應的出口NO質量濃度測量值分別為1 071、609、272 mg/m3(6% O2，下同)，3種工況下出口NO模擬值分別為1 025、654、301 mg/m3，相對誤差都控制在10%以內。綜上所述，認為建立的網格與模型較合理，可用于開展爐內燃燒及NO生成相關研究。

圖5 煤單獨燃燒時中心線上模擬與試驗結果對比Fig.5 Comparison between the simulated and measured results for the pure coal combustion along the axis

3.2 氨摻混比例對燃燒及NO生成的影響

圖6為不同NH3摻混比例下爐內溫度及氣體體積分數分布云圖，圖7為沿程參數平均值分布。由圖6(a)可知，隨著NH3摻混比例的提高，由于煤粉燃燒器區氣流減少，使得煤粉高溫火焰區更靠近煤粉燃燒器且高溫火焰面積逐漸減小，但煤粉火焰形狀變化不大。在煤粉火焰下游區域將NH3送入爐內的高溫區，NH3迅速反應并著火燃燒；NH3摻混比例越高，氨燃燒產生的熱量越多、火焰越長，氨燃燒后在其下游區域(0.6～1.0 m)平均溫度越高；燃盡風送入爐內后，主燃區未燃盡可燃物在燃盡區繼續燃燒，但不同NH3摻混比例下平均溫度變化相對較小。

圖6 不同NH3摻混比例下溫度及組分體積分數云圖Fig.6 Temperature and species volume fraction contours under different ammonia co-firing ratios

由圖6(b)可知，隨著NH3摻混比例的提高，煤粉燃燒器出口附近低氧區逐漸向爐頂靠近；深度空氣分級條件下，主燃燒區煤粉著火燃燒后O2體積分數較低，其平均O2體積分數接近0。由圖7(b)可知，NH3不同摻混比例下，沿程平均O2體積分數變化相對較??；煤粉燃燒器與氨燃燒器之間煤粉劇烈燃燒區(0～0.6 m)同一位置的O2體積分數隨著NH3摻混比例的提高輕微降低。由圖6(c)和7(c)可知，深度空氣分級條件下，煤粉主燃燒區消耗大量氧氣產生了大量CO，形成強還原性氣氛；摻混NH3工況下，氨燃燒器區NH3/空氣送入爐內稀釋了煙氣中CO，同時部分CO與氨燃燒器送入的空氣反應，使得NH3送入爐內后下游CO體積分數隨NH3摻混比例提高而有所降低。由圖6(d)和7(d)可知，摻混NH3后，由于氨燃燒區過量空氣系數較低，氨略微過量，通過反應R8～R10產生了大量未燃燒的還原性氣體H2；隨著摻混NH3比例的提高，下游區域H2逐漸增加，這種還原性氣氛的增加，有利于已生成NO還原為N2，降低出口NO排放。

圖7 不同NH3摻混比例下沿程參數平均值分布Fig.7 Average parameters along the furnace length under different ammonia co-firing ratios

由圖7(f)可知，煤粉燃燒器出口附近區域(0～0.6 m)隨著摻混NH3比例的提高，煤粉給粉量降低，煤粉平均反應速率有所降低；同時NH3送入爐內后在主燃區會與未完全燃燒的焦炭發生搶氧反應，顯著降低了煤焦燃燒速率，這種現象在燃盡區(1.3～2.9 m)更為顯著。上述2方面共同作用使得煤粉燃燒平均速率隨NH3摻混比例的提高而有所降低。

圖8為不同NH3摻混比例下出口參數。不同NH3摻混比例下，沉降爐出口NH3及H2體積分數雖然存在一定差異(NH3摻混比例越高，出口處NH3體積分數越低、H2體積分數越高)，但整體來說相對較低，表明送入爐內的NH3基本完全燃盡。不摻混NH3時，沉降爐出口CO質量濃度約5.04 mg/m3，摻混NH3后沉降爐出口CO質量濃度顯著降低到3.64 mg/m3；隨著NH3摻混比例增加CO質量濃度進一步降低。與純煤粉燃燒相比，氨送入爐內混燒后，飛灰含碳量顯著增加，這主要是由于氨送入爐內后在主燃區會與未完全燃燒焦炭發生搶氧反應，降低了煤焦燃燒速率；隨著NH3摻混比例進一步增加，飛灰含碳量略增加。從NO排放結果來看，從煤粉燃燒火焰區噴入氨時NO 排放低于煤粉單獨燃燒時。這與YAMAMOTO等[6]、ISHIHARA等[7]研究結論一致。出口處NO質量濃度隨NH3摻混比例增加逐漸降低。結合ZHANG等[5]結論，建議實際燃燒過程中，NH3摻混比例控制在20%左右較為合適。

3.3 氨燃燒區過量空氣系數對燃燒及NO生成的影響

氨燃燒區過量空氣系數對NO影響顯著，燃燒氣體中殘留的NH3發揮還原作用，燃燒中生成的NO被還原為N2。因此，有必要進一步探究氨燃燒區過量空氣系數對燃燒及NO生成特性的影響。氨燃燒區不同過量空氣系數下溫度及組分分布如圖9所示，沿程參數平均值分布如圖10所示。

由圖9(a)、10(a)可知，隨著氨燃燒區過量空氣系數減小，對燃燒器出口附近煤粉劇烈燃燒區溫度影響較小，氨燃燒產生的高溫區域變短，氨燃燒后在其下游區域(0.6～1.0 m)平均溫度降低；燃盡風送入爐內后，氨燃燒區過量空氣系數越小，燃盡區高溫火焰越明顯，平均溫度越高，這主要是氨燃燒區過量空氣系數偏低，主燃燒區未燃盡可燃物濃度偏高所致。

圖8 不同NH3摻混比例下出口參數Fig.8 Parameters at the furnace outlet under different ammonia co-firing ratios

圖9 氨燃燒區不同過量空氣系數下溫度及組分體積分數云圖Fig.9 Temperature and species volume fraction contours under different ammonia excess air coefficient

圖10 氨燃燒區不同過量空氣系數下沿程參數平均值分布Fig.10 Average parameters along the furnace length under different ammonia excess air coefficient

由圖9(b)可知，氨燃燒區不同過量空氣系數對氨燃燒上游O2體積分數分布基本沒有影響；氨燃燒器出口區域高O2體積分數區域隨著NH3燃燒區過量空氣系數減小而逐漸縮短。由圖10(b)可知，不同氨燃燒區過量空氣系數下，沿程O2平均體積分數變化不顯著。由圖9(c)和10(c)可知，氨燃燒區過量空氣系數越小，氨燃燒下游區域CO體積分數越高，還原性氣氛越強，這主要是由于氨燃燒區過量空氣系數越小，更多空氣通過燃盡風噴口送入爐內，主燃區空氣分級程度增加，氨燃燒器區NH3/空氣混合氣體對CO稀釋作用越弱，同時CO與氨燃燒器送入的空氣反應越弱。由圖9(d)和10(d)可知，氨燃燒區過量空氣系數越低，下游區域H2體積分數越高，這是因為NH3燃燒區氧體積分數越低，R8～R10產生了大量未燃燒的還原性氣體H2越不容易被氧化。

圖11為氨燃燒區不同過量空氣系數下出口參數統計結果，可知爐膛出口處NH3及H2體積分數隨著氨燃燒區過量空氣系數降低有所增加，但都處于較低水平，說明送入爐內的NH3基本完全燃盡。氨燃燒區過量空氣系數降低，爐膛出口CO體積分數小幅增加(圖11(c))，飛灰含碳量增加(圖11(d))，這主要是由于氨燃燒區過量空氣系數越小，主燃燒區總的空氣分級程度越高所造成的。氨燃燒區過量空氣系數從1.08降低到0.96，飛灰含碳量輕微增加；但進一步降低到0.84、0.72，飛灰含碳量顯著增加。氨燃燒區過量空氣系數為1.08時，沉降爐出口NO質量濃度達到1 600 mg/m3；而氨燃燒區過量空氣系數為降低到0.96時，沉降爐出口NOx質量濃度顯著降低，質量濃度只有242 mg/m3；進一步降低NH3燃燒區過量空氣系數，沉降爐出口NO質量濃度降幅不明顯。綜上分析，建議氨燃燒區過量空氣系數維持在0.96左右，既可以滿足煤粉高效燃燒，又可以有效抑制NH3燃燒過程中NO的生成。

圖11 氨燃燒區不同過量空氣系數下出口參數Fig.11 Parameters at the furnace outlet under different ammonia excess air coefficient

3.4 氨送入位置對燃燒及NO生成影響

圖12、圖13分別為氨不同送入位置下爐內溫度及氣體體積分數分布、沿程參數平均值分布。由圖12(a)和13(a)可知，氨送入位置對煤粉火焰形狀影響相對較?。粐姲蔽恢门c煤粉火焰距離越大，其周圍來流氣體溫度越低；與其他遠離燃盡風工況下(噴氨位置0.5、0.6、0.7 m)，當噴氨位置靠近燃盡風區域時(氨送入位置距離爐頂1.0 m)，氨反應放熱使燃盡區平均溫度升高。

由于煤粉燃燒處于深度空氣分級下，煤粉劇烈燃燒在煤粉燃燒器出口區域消耗了大量O2，使得煤粉火焰下游主燃燒區O2體積分數較低(接近0)。由圖12(b)和13(b)可知，氨送入位置不同分布變化不顯著。圖12(c)和13(c)，噴氨位置與煤粉燃燒器距離越大，CO高濃度區域范圍越大，這主要是由于噴氨位置越遠，氨燃燒器區NH3/空氣混合氣體對CO稀釋作用越弱，同時CO與氨燃燒器送入的空氣反應越延遲。因此，噴氨位置越遠，高CO體積分數區域越大，越有利于增強CO作為再燃氣體對已生成NO的還原作用。由圖12(d)和13(d)可知，噴氨與煤粉燃燒器距離越遠，高H2體積分數區域越小，氨燃燒器下游主燃燒區H2平均體積分數最高。因此，噴氨位置越近，高H2體積分數區域越大，會增強H2作為再燃氣體對已生成NO的還原作用。

由圖12(e)和13(e)可知，不同氨送入位置對氨燃燒上游煤粉燃燒生成的NO體積分數影響相對較小；噴氨位置距離煤粉燃燒器越近，氨燃燒器下游及燃盡區域NO體積分數越低。原因為越接近煤粉燃燒火焰區，雖然高體積分數CO區域越小，CO作為再燃氣體對已生成NO的還原作用越弱，但氨反應生成還原性氣體H2越高，且反應區域越大，H2作為再燃氣體對已生成NO的還原作用越強，在綜合影響下，H2作為再燃氣體對NO還原效應占主導，降低了NO生成量。

由圖13(f)可知，在氨燃燒器區域煤粉燃燒平均速率存在小幅波動；噴氨位置距離煤粉火焰區增大，會輕微降低燃盡區煤粉燃燒速率。

圖14為氨不同送入位置下出口參數統計結果，可知，噴氨位置越遠離煤粉火焰區，爐膛出口處NH3及H2體積分數越高，但都處于較低水平；爐膛出口CO體積分數輕微降低(圖13(c))，同時飛灰含碳量增加(圖13(d))，這可能由于噴氨位置距離煤粉火焰區越遠，未燃盡可燃氣體越多，在燃盡區會與未燃盡焦炭發生搶氧反應，導致焦炭燃燒速率降低。噴氨位置越遠離煤粉火焰區，沉降爐出口NO質量濃度增加(圖13(e))。因此，建議噴氨位置盡量靠近煤粉燃燒火焰區，既可以滿足煤粉的高效燃燒，又可以有效抑制耦合氨燃燒過程中NO的生成。

圖14 氨不同送入位置下出口參數Fig.14 Parameters at the furnace outlet under different ammonia injection locations

4 結 論

1)與純煤粉燃燒相比，煤粉中摻混氨后，氨在貧氧燃燒中產生大量未燃盡氣體與煤焦搶氧，降低了煤焦反應速率，使飛灰含碳量增加，且較少量煤粉產生更少NO，氨貧氧燃燒有效抑制來自氨燃燒NO的生成，降低NO生成量；氨摻混比例進一步提高會增加飛灰含碳量、降低NO生成量。考慮燃燒經濟性和NO排放量，氨摻混比例維持在20%左右比較合適。

3)噴氨位置距離煤粉火焰區越遠，沉降爐出口飛灰含碳量和NO濃度越高，建議噴氨位置盡量靠近煤粉燃燒火焰區。