在500千瓦的一维炉中，低负荷条件下灵活使用氨气/煤粉注入对NOx排放及燃烧特性的影响

《Proceedings of the Geologists' Association》：Flexible ammonia/coal injection on NOx emissions and combustion characteristics in a 500-kW one-dimensional furnace under low-load condition

氨煤共燃500kW炉内实验表明，中心/侧墙喷射结合30%分级空气可有效将NOx控制在500ppm（6%O2），抑制幅度达20-200℃。氨逃逸<10ppm，燃烧效率与纯煤相当。揭示氨早期喷射通过氮自由基反应网络促进NOx生成的机理。

　　本研究围绕氨煤共燃技术展开，探讨了在低负荷条件下，不同氨气注入策略对燃烧特性和氮氧化物（NOx）排放的影响。这项工作在能源转型和碳减排的大背景下显得尤为重要，因为燃煤电厂仍然是全球二氧化碳排放的主要来源，尤其是在发展中国家。尽管可再生能源如风能和太阳能在减少碳足迹方面发挥着关键作用，但其间歇性和不稳定性给电网稳定性带来了挑战。因此，热能发电在提供深度调峰支持方面仍不可或缺，频繁的启停操作成为行业常态。在这一背景下，氨作为一种潜在的绿色燃料，因其高能量密度、易于液化以及成熟的储存和运输基础设施而受到关注。氨煤共燃技术作为一种新兴的多相燃烧方式，提供了一种经济有效的手段，以降低排放并实现燃煤电厂的脱碳，推动向碳中和或碳负排放的转型。

然而，氨煤共燃技术在实际应用中仍面临诸多挑战。其中，氨与煤在燃烧过程中对氧气的竞争是主要限制因素之一，这可能导致燃烧效率下降、炉墙腐蚀加剧以及NOx排放增加。尽管已有大量实验室规模的研究，利用平板火焰燃烧器探讨了氨煤共燃的基本特性，如点火延迟、挥发性释放和火焰结构等，但这些研究往往无法准确反映工业规模系统的复杂湍流流动、温度分布和污染物生成特性。因此，兆瓦级炉膛测试对于商业化至关重要，但由于成本高昂和安全限制，相关数据仍然匮乏。为了弥补这一差距，千瓦级燃烧测试成为从实验室研究向试点应用过渡的关键环节，其能够在较低成本下实现与实际炉膛高度相似的温度和成分梯度。

本研究基于此前在25 kW下向式炉膛中进行的氨煤共燃实验，进一步将实验平台扩展至500 kW的一维炉膛，以更接近实际工业应用的规模进行深入探索。通过实验分析不同氨气注入方式（包括中心注入、与一次风混合注入、与二次风混合注入以及侧墙注入）对燃烧特性和NOx排放的影响，并结合空气分段比例和位置的调整，揭示了氨气注入策略与燃烧效率之间的复杂关系。此外，研究还引入了化学反应网络（CRN）模型，对不同条件下的反应路径进行了系统分析，为优化氨煤共燃技术提供了理论支持。

实验结果显示，在30%的氨气能量掺混比例下，中心注入和侧墙注入策略均能有效降低NOx排放，但侧墙注入对炉膛热负荷的影响更为显著。中心注入虽然在高比例下仍能维持较高的燃烧效率，但其NOx排放的变化趋势与侧墙注入有所不同。具体而言，在中心注入模式下，当氨气掺混比例达到30%时，NOx排放水平与纯煤燃烧相比接近，且在一定条件下可达到SCR入口所接受的500 ppm@6%O2标准。相比之下，侧墙注入策略不仅有效抑制了NOx的生成，还显著降低了炉膛内的热负荷，这可能对提高燃烧系统的安全性和经济性具有重要意义。

值得注意的是，与一次风混合注入的策略导致NOx排放大幅上升，这表明在氨气注入过程中，与空气混合的方式对燃烧过程和污染物生成具有重要影响。研究进一步指出，在固定过量空气比例和一次风流量的前提下，空气分段策略在降低NOx排放方面起到了关键作用。特别是当分段空气比例达到30%时，中心注入模式下的NOx排放水平与纯煤燃烧相当。这一发现对于优化氨煤共燃技术、实现高效低排放的燃烧过程具有重要指导意义。

实验还揭示了氨气注入位置对炉膛温度分布的显著影响。在纯煤燃烧条件下，炉膛中心线温度从入口P1的1400±10 °C逐渐下降至出口P6的800±10 °C，形成有效的热梯度，以调节不同燃烧动力学阶段下的焦炭颗粒温度。当引入氨气共燃后，温度分布发生变化，中心线温度在出口处出现20–200 °C的显著下降。这种温度变化不仅影响了燃烧效率，还可能对炉内污染物的生成路径产生影响。研究表明，氨气的早期注入能够创造更加复杂的反应环境，促进氮含物中间体的形成，这些中间体随后被氧化为NO。因此，氨气的注入时机和位置对于控制NOx排放具有重要影响。

本研究通过实验和模型分析相结合的方法，系统地探讨了氨煤共燃技术的优化路径。在实验方面，采用了一维炉膛作为研究平台，确保了实验条件与实际工业系统的高度相似性。同时，实验设计涵盖了多种氨气注入策略和空气分段方式，以全面评估其对燃烧特性和NOx排放的影响。在模型分析方面，引入了详细的化学反应网络模型，以减少多维计算的复杂性，同时保持对关键反应路径的准确描述。这种模型方法不仅有助于理解氨煤共燃过程中的化学反应机制，还为实际工程应用提供了理论依据。

此外，研究还强调了氨煤共燃技术在工业应用中的重要性。随着全球对碳中和目标的推进，燃煤电厂的脱碳成为必然趋势。氨作为一种零碳燃料，其在燃烧过程中的应用有望显著降低温室气体排放，同时保持较高的燃烧效率。然而，实现这一目标需要克服诸多技术挑战，包括燃烧效率的下降、炉墙腐蚀的加剧以及NOx排放的增加。因此，优化氨气注入策略和空气分段方式成为关键，以在保证燃烧效率的同时，有效控制污染物排放。

在实际应用中，氨煤共燃技术的推广需要综合考虑多种因素，包括燃料成本、储存和运输条件、燃烧系统的适应性以及环境影响等。本研究通过实验和模型分析，为这些问题提供了有价值的参考。例如，中心注入和侧墙注入策略在降低NOx排放方面表现出色，而与一次风混合注入则可能导致NOx排放的显著上升。因此，在实际工程设计中，应根据具体的燃烧需求和排放控制目标，选择合适的氨气注入方式。

空气分段策略在降低NOx排放方面也发挥了重要作用。研究表明，空气分段比例的调整能够显著影响NOx的生成路径，从而实现更高效的排放控制。在固定过量空气比例和一次风流量的前提下，空气分段比例的增加有助于减少NOx的生成。这一发现为燃煤电厂的氨煤共燃改造提供了重要依据，即通过优化空气分段比例，可以在不牺牲燃烧效率的前提下，实现更低的NOx排放。

本研究还强调了实验平台的重要性。500 kW的一维炉膛不仅能够模拟实际工业系统的燃烧特性，还能够在较低成本下实现高精度的实验数据获取。这种实验平台的设计和应用，为后续的工业级研究和工程实践奠定了基础。同时，研究中提到的千瓦级燃烧测试作为连接实验室研究与工业应用的关键环节，具有重要的现实意义。

在结论部分，研究指出，氨煤共燃技术在低负荷条件下对燃烧特性和NOx排放具有显著影响。通过实验和模型分析，研究人员发现不同注入策略和空气分段方式对燃烧过程和污染物生成具有不同的作用。中心注入和侧墙注入策略在降低NOx排放方面表现优异，而与一次风混合注入则可能导致NOx排放的上升。此外，空气分段比例的调整在降低NOx排放方面起到了关键作用，特别是在高比例分段空气的情况下，中心注入模式下的NOx排放水平可与纯煤燃烧相当。

本研究的创新点在于，首次在500 kW的试点规模下，系统地探讨了氨煤共燃技术中的关键因素，包括灵活的氨气供应和空气分段策略。通过使用10–100 kW的一维炉膛，研究人员能够在较低成本下准确模拟工业系统的温度梯度、加热速率和组分浓度，从而填补了实验室研究与工业应用之间的空白。此外，研究还通过实验和模型分析相结合的方法，揭示了氨气注入时机和位置对燃烧过程和污染物生成的复杂影响，为氨煤共燃技术的优化提供了科学依据。

研究的意义在于，为燃煤电厂的氨煤共燃技术应用提供了重要的理论支持和实践指导。随着全球对碳中和目标的推进，燃煤电厂的脱碳成为必然趋势。氨作为一种零碳燃料，其在燃烧过程中的应用有望显著降低温室气体排放，同时保持较高的燃烧效率。然而，实现这一目标需要克服诸多技术挑战，包括燃烧效率的下降、炉墙腐蚀的加剧以及NOx排放的增加。因此，优化氨气注入策略和空气分段方式成为关键，以在保证燃烧效率的同时，有效控制污染物排放。

在实际应用中，氨煤共燃技术的推广需要综合考虑多种因素，包括燃料成本、储存和运输条件、燃烧系统的适应性以及环境影响等。本研究通过实验和模型分析，为这些问题提供了有价值的参考。例如，中心注入和侧墙注入策略在降低NOx排放方面表现出色，而与一次风混合注入则可能导致NOx排放的显著上升。因此，在实际工程设计中，应根据具体的燃烧需求和排放控制目标，选择合适的氨气注入方式。

空气分段策略在降低NOx排放方面也发挥了重要作用。研究表明，空气分段比例的调整能够显著影响NOx的生成路径，从而实现更高效的排放控制。在固定过量空气比例和一次风流量的前提下，空气分段比例的增加有助于减少NOx的生成。这一发现为燃煤电厂的氨煤共燃改造提供了重要依据，即通过优化空气分段比例，可以在不牺牲燃烧效率的前提下，实现更低的NOx排放。

本研究的成果不仅为氨煤共燃技术的优化提供了理论支持，还为工业应用提供了实践指导。通过实验和模型分析相结合的方法，研究人员揭示了氨气注入时机和位置对燃烧过程和污染物生成的复杂影响，为未来的研究和工程实践奠定了基础。此外，研究还强调了实验平台的重要性，指出500 kW的一维炉膛能够有效模拟实际工业系统的燃烧特性，为后续的工业级研究和工程实践提供了可靠的实验数据。

总之，本研究在氨煤共燃技术的优化方面取得了重要进展，为实现燃煤电厂的低排放和高效燃烧提供了科学依据和实践指导。随着全球对碳中和目标的推进，氨煤共燃技术有望成为实现燃煤电厂脱碳的重要手段，而本研究的成果将为这一技术的推广和应用提供关键支持。