掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22088

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 908-917.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22088

掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响

朱京冀¹, 徐义书¹, 徐静颖¹, 王华坤¹, 刘小伟¹, 于敦喜¹, 马晶晶², 徐明厚¹

^1.煤燃烧国家重点实验室(华中科技大学), 湖北省武汉市 430074
^2.省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室(宁夏大学), 宁夏回族自治区银川市 750021

收稿日期:2022-04-27 出版日期:2022-12-31 发布日期:2023-01-03
作者简介:朱京冀(1998)，女，硕士研究生，研究方向为氨煤混烧碳烟的生成机理，15901088535@163.com；
徐义书(1989)，男，博士，讲师，研究方向为燃烧源PM2.5、碳烟的生成机理与生成控制、发动机清洁高效燃烧、新型替代燃料，本文通信作者，xuyishu@hust.edu.cn；
徐静颖(1991)，女，博士，讲师，研究方向为燃烧有机污染物控制、太阳能热利用等，xujy2019@hust.edu.cn；
王华坤(1998)，男，硕士研究生，研究方向为氨煤混燃烧与污染物，1418467324@qq.com；
刘小伟(1981)，男，博士，教授，研究方向为PM2.5与重金属生成与联合控制、PM2.5在线检测、新型氧/燃料燃烧技术，xwliu@hust.edu.cn；
于敦喜(1975)，男，博士，教授，研究方向为高效燃烧理论与技术、燃烧颗粒物，yudunxi@hust.edu.cn；
马晶晶(1983)，女，博士，讲师，研究方向为能源利用过程污染物释放机理与控制，majingjing@nxu.edu.cn；
徐明厚(1966)，男，博士，教授，研究方向为能源清洁利用、洁净煤燃烧、煤的燃烧理论，mhxu@hust.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51806075)

Effect of Co-firing Ammonia on Coal Volatile Flame Characteristics and Particulate Matter Formation Behaviours

Jingji ZHU¹, Yishu XU¹, Jingying XU¹, Huakun WANG¹, Xiaowei LIU¹, Dunxi YU¹, Jingjing MA², Minghou XU¹

^1.State Key Laboratory of Coal Combustion (Huahzong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China
^2.State Key Laboratory of High-efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering, Ningxia Univeristy, Yinchuan 750021, Ningxia Hui Autonomous Region, China

Received:2022-04-27 Published:2022-12-31 Online:2023-01-03
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51806075)

摘要/Abstract

摘要：

掺烧“零碳、富氢、高氮”的氨气(NH₃)燃料是实现燃煤电站CO₂减排的重要技术路径。为探究氨燃料的引入对煤燃烧及污染物生成行为的影响，基于McKenna平面火焰燃烧系统开展了煤掺氨燃烧实验，结合可见光相机、烟气分析仪及热泳探针取样分析系统，探究了掺烧氨燃料对煤挥发分火焰形态与温度特征、气态污染物及碳烟等细颗粒物生成的影响。研究结果表明：氨燃料先于煤着火，并加热促进煤热解及挥发分的生成与释放，促使挥发分着火燃烧，导致挥发分火焰长度和温度增加。掺烧的NH₃在挥发分火焰中部分转化为NO，导致火焰中NO浓度显著升高。掺烧NH₃提升了气相燃料当量比，促进了挥发分向碳烟的转化，促使碳烟颗粒生成量增加。

关键词: 燃煤电厂, 碳排放, 氨燃料, 挥发分火焰, 颗粒物, 碳烟

Abstract:

Co-firing “zero-carbon, hydrogen rich, high nitrogen” ammonia (NH₃) fuel in coal-fired power plant is an important technical route to mitigate CO₂ emission. To explore the impacts of co-firing ammonia fuel on coal combustion and pollutant formation behaviour, the coal-ammonia co-firing experiments were carried out on a McKenna type flat-flame burner system. Combined with visible-light camera, flue gas analyser and thermophoresis probe sampling system, the influence of co-firing ammonia on the flame properties, gaseous pollutant and particulate matter formation was explored. The results show that the ammonia fuel ignites ahead of coal, and the additional heat released from ammonia combustion promotes the pyrolysis of coal and the release of volatile. Thereafter, it promotes the ignition and combustion of volatile, resulting in the increase of flame height and temperature. The added NH₃ is partially converted into NO in the volatile flame, resulting in a notable increase in NO concentration. Adding NH₃ improves the equivalent ratio of gaseous fuel, which promotes the conversion of volatile to soot, and finally increases the yield of soot particles.

Key words: coal-fired power plant, carbon emission, ammonia fuel, volatile flame, particulate matter, soot

中图分类号:

TK 16

朱京冀, 徐义书, 徐静颖, 王华坤, 刘小伟, 于敦喜, 马晶晶, 徐明厚. 掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 908-917.

Jingji ZHU, Yishu XU, Jingying XU, Huakun WANG, Xiaowei LIU, Dunxi YU, Jingjing MA, Minghou XU. Effect of Co-firing Ammonia on Coal Volatile Flame Characteristics and Particulate Matter Formation Behaviours[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(6): 908-917.

图/表 12

表1 煤的工业分析和元素分析 (%)

Tab. 1 Proximate and ultimate analysis of coal

工业分析				元素分析
F_Cad	V_ad	A_ad	M_ad	C_ad	H_ad	N_ad	S_ad	O_ad
55.4	30.8	7.5	6.3	68.4	5.4	0.8	0.6	11.0

图1 燃烧实验系统示意图①—McKenna燃烧器；②—热泳取样；③—石英取样管；④—细丝热电偶；⑤—石英罩；⑥—相机；⑦—中心燃料管给气(NH3/Ar、N2)；⑧—预混燃气(N2、O2、CO、CH4)。

Fig. 1 Schematic diagram of combustion experimental system

表2 预混气态燃料流参数设置 (fuel flow)

Tab. 2 Parameter setting of premixed gaseous

参数	数值
过量空气系数	1.15
CO流量/(L/min)	1.17
CH₄流量/(L/min)	0.43
O₂流量/(L/min)	1.65
N₂流量/(L/min)	8.00
总流量/(L/min)	11.25

表3 携氨气流参数设置 (gas flow)

Tab. 3 Parameter setting of ammonia carrying

参数	无氨	低掺氨	高掺氨
NH₃体积分数/%	0	25	50
NH₃流量/(L/min)	0	0.05	0.10
N₂流量/(L/min)	0.20	0.10	0
Ar流量/(L/min)	0	0.05	0.10
总流量/(L/min)	0.20	0.20	0.20

图2 掺氨前后不同时刻(间隔1 s)的煤挥发分火焰形貌

Fig. 2 Volatile flame of coal at different time (1 s interval) before and after ammonia addition

图3 掺氨前后煤挥发分着火时间、稳定时间和火焰高度

Fig. 3 Ignition time, stability time of coal volatile and flame height before and after ammonia addition

图4 火焰轴线上的温度分布

Fig. 4 Temperature distribution along flame centerline

图5 火焰中O2、NH3与NO浓度分布

Fig. 5 Concentration distribution of O2，NH3 and NO in flame

图6 火焰中CO、CO2浓度分布

Fig. 6 Concentration distribution of CO and CO2 in flame

图7 掺氨前后煤挥发分火焰轴线上的碳烟形态变化

Fig. 7 Morphology changes of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

图8 掺氨前后燃煤挥发分火焰轴线上的碳烟数浓度变化

Fig. 8 Number concentration of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

图9 掺氨前后燃煤挥发分火焰轴线上的碳烟体积分数变化

Fig. 9 Volume fraction of soot on axis of coal-fired volatile flame before and after ammonia addition

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掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响

Effect of Co-firing Ammonia on Coal Volatile Flame Characteristics and Particulate Matter Formation Behaviours

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