135兆瓦切向燃烧锅炉中煤氨混烧时降低NO排放并提升热性能的燃烧参数优化

《Fuel》：Optimization of combustion parameters for NO reduction and thermal performance in coal-ammonia co-firing in a 135 MW tangentially fired boiler

　　

顾亚楠|陈杰超|马伦|葛雅|刘娜|谢静静|黄思敏

中国广东省多能互补分布式能源系统重点实验室，东莞理工学院，东莞523808

摘要

为研究135兆瓦切向式磨煤锅炉中煤与氨联合燃烧的特性，本研究采用经过验证的数值模型对锅炉的热性能及氮氧化物减排策略进行了三维模拟。系统研究了氨的掺烧比例（ε = 0.3–0.5）、喷射倾角（θ = -15°至+15°）、二次空气比例（r_SA = 33%～39%）以及过量空气比例（r_SR = 1.05 ～ 1.20）的影响。研究结果表明，随着ε值的增加，主燃烧区的温度和辐射热通量降低，而由氨氧化途径主导的NO生成加剧，导致出口NO浓度从ε = 0.3时的384.42 ppm上升至ε = 0.5时的545.49 ppm。值得注意的是，当喷射倾角为θ = -15°时，可形成强烈的还原性气氛，有助于氨的分解，相比水平喷射（θ = 0°），NO浓度可降低26.44%。此外，将二次空气比例降至r_SA = 33%，过量空气比例降至r_SR = 1.05，可增强燃料分层效果和异质还原作用，相比基准情况（θ = 0°，ε = 0.5），NO浓度可分别降低52.61%和63.49%。在所有试验条件下均未观察到明显的氨泄漏现象。在兼顾NO减排与热负荷分布稳定的前提下，本研究推荐采用θ = -15°、r_SA = 33%以及r_SR = 1.20的运行参数作为最优方案。该研究为设计并运行高效、低NO排放的煤氨联合燃烧系统提供了重要参考。

引言

随着向低碳能源系统的迫切转型，火电厂的深度脱碳技术已成为重要的研究方向[1]。由于火电仍是全球主要的电力来源，且约40%的能源相关二氧化碳排放来自火电领域[2]、[3]，因此通过燃料替代和工艺创新来实现减排目标至关重要。氨（NH₃）作为一种无碳燃料和高效的氢载体，具有能量密度高（18.6 MJ/kg）、液化及运输基础设施完善以及燃烧过程中不产生碳排放等优点[4]、[5]。尤为重要的是，煤氨联合燃烧能够充分利用现有的锅炉设施，大幅降低改造成本，同时实现显著的二氧化碳减排，因此被视为电力行业可行的过渡路径[6]、[7]。

尽管煤氨联合燃烧具有巨大潜力，但其大规模应用仍受到氮氧化物排放控制问题的制约[8]、[9]。这一问题的根源在于两种燃料中都含有化学结合态的氮元素。在燃烧过程中，煤炭中的氮会分布在炭层和挥发分中，而氨及其分解产物（如NH₂、NH）则会生成高活性的含氮物质[10]。在联合燃烧条件下，这些不同的氮转化途径会相互影响、竞争，使得NO的生成机制比纯煤燃烧更为复杂[11]。氨的二元特性也是造成这一复杂性的重要原因：在富氧环境中，氨会被氧化生成NO；而在贫氧或还原性环境中，氨则可作为有效的NO还原剂。这种双重特性要求必须精心优化燃烧参数，才能有效控制排放。

计算流体力学（CFD）已成为研究煤氨联合燃烧机制的重要工具，通过结合湍流、辐射和化学反应模型，可实现全尺度模拟[12]、[13]。以往的研究已系统探讨了掺烧比例、喷射位置、空气分级以及富氧环境等因素的影响。Cardoso等人[14]在流化床反应器中发现，随着氨的掺烧比例（ε = 0–0.8）的增加，NO排放浓度先上升后下降，在ε = 0.2时达到峰值。张等人[15]在滴管炉实验中也观察到了类似的趋势。然而，Wang等人[16]对135兆瓦锅炉的模拟结果显示出相反的结果，即随着ε值的增加，NO排放浓度先下降后上升，在ε = 0.15时达到最低值。Tan等人的实验研究[17]以及Ishihara等人的零维模拟[18]也进一步证实了这一差异，表明NO的生成机制在很大程度上取决于联合燃烧系统的规模和结构。

针对工业锅炉的研究表明，氨的喷射位置、炉内氧气浓度以及喷射方式是影响NO排放的关键因素[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。在贫氧条件下或靠近火焰区域喷射氨，可提升其还原效果；而在富氧条件下或远离火焰核心处喷射，则容易促进NO的生成。这些研究均指出，局部氧气浓度和喷射策略是决定NO排放的关键因素。此外，应用空气分级技术可在较高的氨掺烧比例下有效抑制NO排放[24]、[25]，而氧燃料燃烧结合适当的空气分级则是一种极具前景的低NO排放策略[26]、[27]。不过，富氧燃烧需要谨慎操作，以避免因局部温度过高和氧气浓度过高而导致的NOx排放增加[28]。

虽然各项参数已得到广泛研究，但关于氨的喷射角度与其与空气分级及过量空气比例之间相互作用的影响机制，目前仍存在诸多未知之处。在高氨掺烧条件下，了解这些多参数之间的耦合效应尤为重要。为填补这些研究空白，本研究对135兆瓦切向式燃煤锅炉的煤氨联合燃烧特性及NO排放行为进行了全面数值分析。本研究的主要目的包括：（i）评估高氨掺烧比例的影响；（ii）优化氨的喷射倾角；（iii）明确空气分级与过量空气比例的协同作用。通过建立参数优化策略，本研究旨在为高氨掺烧条件下的低NO排放设计提供坚实的理论基础，从而推动这一具有潜力的低碳技术的实际应用。

章节要点

锅炉结构与燃料特性

本研究所分析的锅炉为135兆瓦切向式燃煤工业锅炉，总高度为38.2米，主燃烧区截面尺寸为9.2米×9.2米。如图1所示，燃烧器布局包括三层一次空气喷嘴、四层二次空气喷嘴、两层氨喷射喷嘴、一层过燃空气喷嘴，以及位于炉顶的三层分离式过燃空气喷嘴。一次空气喷嘴和二次空气喷嘴

氨掺烧比例的影响

从锅炉对角截面上的温度分布图（图4(a)）以及对应的垂直温度分布图（图5(a)）可以看出，在所有氨掺烧比例（ε = 0.3–0.5）下，高温区域都集中在主燃烧器区域内，呈现出切向式燃煤锅炉典型的对称分布特征。值得注意的是，靠近氨喷射器的区域的高温位置比靠近煤燃烧器的区域更接近炉壁，这

结论

本研究通过对135兆瓦切向式磨煤锅炉的煤氨联合燃烧现象进行全面数值分析，系统研究了氨掺烧比例、喷射倾角、空气分级比例以及过量空气比例对燃烧特性、传热过程及NO排放的影响。主要结论如下：

• (1)
  随着氨掺烧比例（ε）从0.3升高到0.5，主燃烧区的温度和辐射热通量均有所降低

作者贡献说明

顾亚楠：论文撰写——初稿编写、可视化处理、模型验证、软件应用、实验研究。陈杰超：论文撰写——审稿与编辑、软件应用、实验研究、资金申请、定量分析、数据整理。马伦：模型验证、软件应用、资源协调、项目管理、方法设计、数据整理、概念构思。葛雅：可视化处理、软件应用、方法设计、资金申请。刘娜：研究指导、软件应用、方法设计、定量分析、数据整理、概念构思。谢静静：

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省科学技术协会青年科技人才扶持计划（项目编号SKXRC2025426）、中国电力建设成都院科技兴企项目（项目编号P54022）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515140164、2025A1515140171）的支持。