《F&S Science》：Optimization reduction of nitric oxide and particulate matter during ammonia-coal preheating co-firing
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氨煤预混燃烧结合空气分级技术，通过优化过量空气系数（α=1.1）、预燃温度（T_p=1300K）和燃烧温度（T_c=1400K），实现PM和NO协同减排，PM1和PM1-10分别减少26.10%和3.88%，NO减少28.59%。
尚一民|唐子涵|于颖|李思雨|王胜业|哈里亚娜·哈里亚娜|牛彦青
中国陕西省西安交通大学能源与动力工程学院热流体科学与工程国家重点实验室，西安710049
摘要
氨煤共燃是一种有前景的减少二氧化碳排放的方法，但可能会无意中增加一氧化氮（NO）和颗粒物（PM）的排放，从而对环境可持续性带来新的挑战。为了解决这个问题，预加热共燃技术结合参数优化有望实现PM和NO排放的协同减少。通过空气分级下的氨煤预加热共燃实验，研究了总过量空气系数α、预加热温度Tp和燃烧温度Tc的影响。α的增加会削弱预加热过程中的还原气氛，但会提高煤粉温度。因此，随着α的增加，NO含量也会增加。虽然PM1和PM1-10在初期有所增加，但在α=1.1时达到最低生成量，其质量分别比α=1.05时减少了26.10%和3.88%。Tp的增加通过增强氨的热分解反应影响了NO和PM的生成。随着Tp的升高，PM和NO先减少后增加。PM10的最低生成量出现在Tp=1200 K时，比Tp=1100 K时减少了5.24%。而NO的最低生成量出现在Tp=1400 K时，减少了53.54%，这表明过高的预加热温度会将燃料中的氮转化为NO。对于Tc，当其增加时，PM会增加，但NO先增加后减少，在Tc=1700 K时达到最大值。最终，在基础条件α=1.2、Tp=1300 K和Tc=1600 K下进行优化后，确定在氨添加量为20%时的最佳参数为α=1.1、Tp=1300 K和Tc=1400 K，此时PM1、PM1-10和NO的生成量分别减少了35.87%、13.09%和28.59%。
引言
作为主要的温室气体，二氧化碳是全球变暖的关键驱动因素[1,2]。化石燃料（煤、石油和天然气）的燃烧是二氧化碳的主要来源[3,4]。2024年，煤炭仍占中国总能源消耗的53.2%[5]。因此，人们越来越关注使用低碳或零碳燃料作为燃煤锅炉的替代品，以实现二氧化碳减排，这与中国“碳达峰和碳中和”政策一致[6,7]。
在这种需求下，氨（NH3）作为一种可再生的零碳燃料[8]，具有易于液化[9]、便于储存/运输[9]和高能量转换效率[10]等优点，逐渐成为研究热点。然而，由于氨的生产能力有限且点火困难[11,12]，将其作为现有锅炉的唯一燃料具有挑战性。因此，常见的策略是将氨与煤进行共燃[13, [14], [15]]。在这种技术中，煤燃烧的中间产物可以加速氨的燃烧反应[16]，从而促进其点火。此外，崔等人[17]发现，氨浓度的增加也可以加快煤粉的加热速率，使煤粉燃烧更加剧烈。在二氧化碳减排方面，徐等人[18]对600 MW锅炉的氨煤共燃进行了模拟研究，表明在基于热值的氨共燃比例为20%的情况下，二氧化碳排放量可减少96.4吨/小时。
尽管氨煤共燃具有促进燃烧反应和减少二氧化碳排放的优点，但由于氨的高氮含量（>80 wt%），可能会导致NOx的产生增加。王等人在50 kW下降流炉中的实验结果显示，随着氨混合比的增加，NO的产生量迅速增加，排放量从500毫克/立方米增加到2781毫克/立方米。胡等人在200 kW一维炉中进行氨煤共燃实验，发现单独燃烧煤粉时NOx浓度为283.34 ppm，当氨混合比为10%时达到最大值349.05 ppm，随后随着氨混合比增加到20%而减少。此外，由于氨是一种还原性气体，在共燃过程中会与煤相互作用，颗粒物（PM）的形成也可能受到影响。张等人[21]发现氨煤共燃促进了PM的形成，尤其是PM1（粒径< 1 μm）。一些研究者持有相反的观点。例如，马等人[22]发现，与单独燃烧煤相比，30%的氨共燃比例可以显著减少PM10（粒径< 10 μm）的形成。因此，在中国超低排放要求（PM为10毫克/立方米，NOx为50毫克/立方米，氧气含量为6%）[23]下，迫切需要开发适当的方法来协同减少氨煤共燃过程中的NOx和PM，并验证其有效性并进一步优化参数。
预加热燃烧是一种新的燃烧技术，可以协同减少NOx和PM的排放。预加热使燃料在较低温度下部分燃烧，促进燃料中的氮转化为氮气[24]并减少矿物挥发[25]。同时，由于整个燃烧过程分为预加热和燃烧两个阶段，空气分级很容易实现，从而通过创造还原气氛进一步减少NOx的形成[26]。该技术在单煤粉燃烧[25,27]和生物质煤共燃[28,29]中都表现出优异的性能。朱等人[26]研究了带有预加热燃烧技术的煤粉燃烧器，发现带有空气分级的预加热燃烧可以将NO生成量显著减少70.2%。他们的进一步研究[27]表明，带有空气分级的预加热燃烧可以实现NO和PM0.3的协同减少，减少比例分别为33.27%和17.43%。同时，徐等人[28]研究了生物质煤共燃，证明了其协同减少NO和PM的能力，而余等人[29]优化了生物质煤共燃的参数，最终实现了PM10和NO分别减少30.88%和48.01%。此外，NO的生成量甚至可以减少到100毫克/立方米以下[30]。如果将带有空气分级的预加热燃烧技术应用于氨煤共燃，通过调整空气体积和温度等参数，有望实现NOx和PM的有效协同减少。然而，关于这一主题的研究还很少。
因此，本文研究了总过量空气系数α、预加热温度Tp和燃烧温度Tc对NO和PM形成的影响。在最佳条件（α=1.1、Tp=1300 K和Tc=1400 K）下，PM1、PM1-10和NO的生成量分别最大减少了35.87%、13.09%和28.59%。本研究为氨煤预加热共燃过程中的参数优化提供了参考。
实验系统
图1显示了实验系统图，详细说明见参考文献[28,29]。在本研究中，由于煤粉是固体燃料而氨是气体燃料，它们通过位于相同高度的两根独立管道进入预加热炉，而不是预先混合。
为了模拟参考文献[26]中描述的空气分级，将21O2/79 N2的空气分为多种类型，包括一次空气（PA）和内二次空气I
总过量空气系数的影响
图2a显示了不同总过量空气系数下PM1和PM1-10的质量生成量。随着总过量空气系数的增加，PM1和PM1-10先减少后增加，在α=1.1时达到最小值。以α=1.05时的PM1和PM1-10的质量生成量为参考，PM1的质量生成量减少了26.10%，而PM1-10的质量生成量减少了3.88%。随后，PM1和PM1-10的质量生成量都增加了，但增加的比例不同。
结论
本文研究了带有空气分级的氨煤预加热共燃，探讨了总过量空气系数α、预加热温度Tp和燃烧温度Tc对PM和NO形成的影响，旨在确定污染物控制的最佳参数。主要结论如下。
(1) 当总过量空气系数α< 1.1时，由于还原气氛减弱，PM的生成量减少；而当α>1.1时，PM的生成量增加
作者贡献声明
尚一民：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，调查，数据分析。唐子涵：写作 – 审稿与编辑，数据分析。于颖：写作 – 审稿与编辑，调查，数据分析。李思雨：写作 – 审稿与编辑。王胜业：写作 – 审稿与编辑。哈里亚娜·哈里亚娜：写作 – 审稿与编辑。牛彦青：监督，方法论，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了陕西省重点研发项目（2024SF-YBXM-578）、陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-TBZC-12）和国家重点研发计划（2024YFB4104902-5）的支持。
