NH3与Co在粉煤锅炉中共同燃烧的数值及技术经济分析

《Results in Engineering》：Numerical and Techno-Economic Analysis of NH3Co-Firing in a Pulverized Coal Boiler

　　

氨混烧已成为减少现有燃煤电厂碳排放的一种有前景的近期策略。然而，其在公用事业规模煤粉锅炉中的应用需要仔细评估，因为氨注入会影响炉膛热行为、NO_x生成、燃尽率以及改造经济性。本研究评估了在210MW四角切圆煤粉锅炉中，燃烧器级别氨注入位置对燃烧性能、减排效果及简化CO₂减排成本效益的影响。研究人员使用ANSYS Fluent，结合湍流、燃烧、离散相和辐射子模型进行了计算流体动力学（CFD）模拟。评估了10% NH₃混烧配置：在A、B、C、D层进行单层注入，以及在所有燃烧器层进行分布式注入。所有案例均与在相同总热输入下的基准低阶煤燃烧进行了比较。结果表明，氨注入位置强烈影响炉膛温度分布、CO₂减排、NO_x抑制和未燃碳趋势。在研究的配置中，在燃烧器C层注入氨提供了最有利的整体性能，实现了最高的CO₂和NO_x减排，分别达到6.73%和41.18%，同时保持了相对较低的未燃碳趋势。简化的技术经济评估表明，在相同氨能量占比下，CO₂规避成本主要取决于CO₂减排效果。因此，在研究的场景中，燃烧器C层被确定为技术上和经济上最有利的配置。然而，这些发现应在固定的10%氨混烧比例、简化的反应机理和初步技术经济假设的范围内进行解释。未来工作应包括详细化学机理、氨逃逸验证、多种混烧比例以及项目级改造成本评估。

**论文解读文章**

**1. 研究背景、问题与目的**

燃煤电厂是全球电力生产的主要来源，也是能源相关CO₂排放的主要贡献者之一。在发展中国家，由于电力需求持续增长且基础设施严重依赖化石燃料，短期内完全淘汰燃煤电厂在技术、经济和社会层面均面临巨大挑战。因此，在现有燃煤电厂中实施减排策略是支持电力部门脱碳的重要近期举措。氨（NH₃）作为一种无碳燃料和氢载体，因其储存、运输便捷及能量密度较高等优势，通过氨混烧（ammonia co-firing）部分替代煤炭，无需完全更换现有锅炉系统，即可直接减少CO₂排放，成为备受关注的脱碳路径之一。

然而，氨的燃烧特性与煤显著不同，存在反应活性低、着火温度高、火焰传播慢、火焰稳定性风险以及燃料氮导致氮氧化物（NO_x）生成等问题。这使得在煤粉锅炉中实施氨混烧远比直接替代无碳燃料更为复杂。现有研究已证明氨混烧的可行性，并指出氨的注入策略（如注入位置、比例）会显著影响炉膛温度场、CO₂和NO_x排放以及燃尽行为。但现有研究大多侧重于燃烧行为、排放特性或氨掺混比例的探讨，而将燃烧器级别的氨注入位置分析、污染物减排效果与CO₂减排成本效益进行系统整合的研究尚不充分。因此，开展此项研究，旨在通过整合基于计算流体动力学（CFD）的燃烧器级别氨注入分析与简化的技术经济评估，识别出一种在恒定氨能量占比下，能够平衡燃烧性能、NO_x和CO₂减排、氨利用效率及初步CO₂减排成本效益的实用改造策略。该论文发表在《Results in Engineering》。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法开展研究：首先，基于印尼Pangkalan Susu电厂3号和4号机组，构建了一个210MW四角切圆煤粉锅炉的CFD计算域。其次，使用ANSYS Fluent软件，采用标准k-ε湍流模型、有限速率/涡耗散模型（finite-rate/eddy-dissipation model）处理湍流-化学交互作用，离散相模型（Discrete Phase Model）追踪煤粉颗粒，离散坐标模型（Discrete Ordinates Model）和加权灰气体和模型（Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model, WSGGM）计算辐射传热。氨-煤混烧反应采用包含煤热解、氨热解、氨氧化和NH₃-NO相互作用的简化反应方案。NO_x建模采用后处理方法，结合热力型NO_x（Zeldovich机理）和燃料型NO_x（De Soete机理）。最后，进行简化的技术经济评估，基于CFD结果计算燃料成本惩罚和CO₂规避成本，并针对氨价、碳价等参数进行敏感性分析。

**3. 研究结果**

**3.1. 温度与H₂O分布**
通过比较炉膛温度分布发现，氨混烧会改变火焰结构和放热模式。与基准煤燃烧相比，氨注入使温度场分布更均匀，局部峰值温度降低。注入位置影响显著，将氨分布式注入所有燃烧器层（场景5）可获得最均匀的温度场。氨注入导致水蒸气（H₂O）质量分数增加，这可能影响气相热容和辐射传热。

**3.2. CO₂与CO分布**
氨混烧案例均显示出比基准煤燃烧更低的CO₂浓度，这归因于无碳燃料氨对含碳煤的部分替代。尽管所有混烧场景的氨能量占比相同，但CO₂减排效果因注入位置而异。在燃烧器C层注入氨（场景3）实现了最大的CO₂减排量，表明该位置能增强氨与煤粉、湍流在主流燃烧区的相互作用，使无碳燃料的替代效果更佳。CO主要在氧气不足和煤氧化不完全的区域出现，在炉膛上部随着燃尽风的引入被进一步氧化。

**3.3. NO_x质量分数**
与基准煤燃烧相比，所有氨混烧案例均降低了沿炉膛高度的NO_x浓度，尤其在燃尽风区域附近，这与分级燃烧和局部还原性气氛有关。氨的注入位置影响了其作为燃料氮源和还原性物质之间的平衡。场景3（燃烧器C层注入）展现了最高的NO_x减排效果（41.18%），表明该位置创造了更有利于氨与煤、氧气及高温反应区相互作用的条件，从而更有效地抑制NO_x生成。

**3.4. 未燃碳行为**
通过比较炉膛出口烟气温度（FEGT）区域的离散相模型（DPM）浓度（代表未燃碳趋势），发现氨混烧案例的DPM浓度均略有增加，表明氨的加入可能局部影响氧气可用性和煤粉燃尽率。其中，在燃烧器C层注入氨（场景3）的DPM增加幅度最小，说明该位置在氨参与反应和确保煤粉充分燃尽之间取得了较好的平衡。

**3.5. 燃烧器级别氨注入的整体技术-经济性能**
简化的技术经济评估表明，由于氨的单位能量成本远高于煤炭，氨混烧会显著增加燃料成本。在相同氨能量占比下，不同注入位置的总燃料成本惩罚相似，因此CO₂规避成本主要取决于CO₂减排效果。场景3因其最高的CO₂减排率（6.73%），在所有场景中实现了最低的CO₂规避成本。敏感性分析显示，碳定价机制可以改善氨混烧的经济性，但降低氨燃料价格仍然是实现大规模应用的关键。

**4. 总结与讨论**

讨论部分指出，综合技术-经济排名，燃烧器C层注入（场景3）是最佳方案，其兼具最高的CO₂和NO_x减排效果、相对较低的未燃碳趋势以及最低的预期CO₂规避成本。分布式注入（场景5）虽能改善温度均匀性，但减排效果不及场景3，且系统更复杂。其他场景的总体表现则相对较差。研究强调，优化氨注入位置对于提高技术性能和CO₂减排成本效益至关重要，而非仅依赖氨混烧比例。从改造角度，单层注入可能更简单，而分布式注入需要更复杂的管道和控制系统。此外，氨混烧的可行性还需考虑氨的毒性、腐蚀性、氨逃逸及操作安全等问题。研究结论是在固定的10%混烧比例、简化反应机理和初步技术经济假设下得出的，不应推广到所有锅炉类型或工况，未来需结合详细化学动力学、多种混烧比例、实验验证及项目级成本评估进行深入研究。

**研究结论部分翻译**：
本研究对一台210MW煤粉锅炉在10%燃烧器级别氨混烧条件下进行了数值模拟和简化技术经济评估。结果表明，注入位置强烈影响炉膛温度分布、CO₂减排、NO_x行为、未燃碳趋势以及预期的CO₂规避成本。在所研究的案例中，对应于在燃烧器C层注入氨的场景3提供了最有利的性能，实现了最高的CO₂减排（6.73%）和NO_x减排（41.18%），同时保持了相对较低的未燃碳增长。该性能归因于氨、煤粉、一次空气与主高温反应区之间的有效相互作用。总体而言，在固定的10%混烧条件下，燃烧器C层被确定为最有前景的注入位置。然而，该结论不应在未经进一步验证的情况下推广到所有锅炉类型、氨比例或运行条件。从实际实施角度看，结果表明氨混烧性能不仅取决于氨替代水平，还取决于注入策略、安全要求和经济条件。因此，燃烧器级别优化对于在保持可行的改造要求的同时实现有效的减排至关重要。未来研究应包括多种混烧比例、详细的NH₃-NO_x-N₂O化学机理、氨逃逸评估、实验验证、改造成本估算、安全评估和氨供应链分析。