世界最大容量40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗系統(tǒng)投用

煙臺龍源電力技術股份有限公司牛濤高級工程師和天津大學王赫陽教授等聯(lián)合國家能源投資集團有限責任公司、國電電力發(fā)展股份有限公司設計搭建了世界最大容量的40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗系統(tǒng)，包括全尺度氨煤混燃燃燒器和氨氣供應系統(tǒng)，并在此試驗臺實現(xiàn)了0~25%混氨比例(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗。

燃煤鍋爐氨煤混合燃燒工業(yè)尺度試驗研究

牛 濤1，張文振1，劉 欣1，胡道成2，王天堃3，謝 妍4，王赫陽4

1.煙臺龍源電力技術股份有限公司

2.國家能源投資集團有限責任公司

3.國電電力發(fā)展股份有限公司

4.天津大學 機械工程學院

研究背景

氨作為更具發(fā)展?jié)摿Φ牡吞既剂?，以氨替代部分燃煤，采用氨與煤在鍋爐中混合燃燒的方式，是現(xiàn)階段降低燃煤機組CO2排放更加現(xiàn)實可行的技術選擇。

燃煤鍋爐氨煤混合燃燒研究基本集中在數(shù)值模擬研究和小尺度試驗研究階段，工業(yè)尺度條件下燃煤鍋爐氨煤混合燃燒的可行性亟需驗證。

研究內容

設計搭建了40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗臺，重點研究了煤與氨氣在燃燒器內預混燃燒方式下，氨氣摻燒比例（按熱值）、燃盡風率和鍋爐運行氧量等參數(shù)對鍋爐NOx排放、NH3燃盡、CO排放和飛灰含碳量的影響，并觀測了不同混氨比例下燃燒器的著火與穩(wěn)燃狀態(tài)。

研究結論

1）在所有混氨比例下，鍋爐皆具有良好的穩(wěn)燃與燃盡，氨煤混合燃燒條件下煤粉的燃盡優(yōu)于燃煤工況；鍋爐分級燃燒可使氨煤混合燃燒的NOx排放在高混氨比例條件下低于燃煤工況。工業(yè)尺度試驗研究證明燃煤鍋爐氨煤混合燃燒技術具有可行性。

2）爐膛主燃區(qū)氣氛對氨煤混合燃燒的NOx排放特性有強烈影響：在氧化性氣氛下，NOx排放與混氨比例呈正相關；而在還原性氣氛下，NOx排放隨混氨比例增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，使高混氨比例下的NOx排放低于燃煤工況。

3）鍋爐空氣分級燃燒可顯著降低氨煤混合燃燒的NOx排放，但增加燃盡風率顯著影響煤粉燃盡和鍋爐效率，且燃盡風率高于20%后對NOx排放降低效果不再顯著。因此，燃煤鍋爐氨煤混合燃燒存在一最優(yōu)燃盡風率，使鍋爐NOx排放與燃盡皆處于較優(yōu)水平。

4）鍋爐運行氧量對NOx與NH3排放有顯著影響，隨運行氧量降低，鍋爐NOx排放顯著下降，而NH3排放快速上升；存在一個鍋爐最佳運行氧量區(qū)間，在此區(qū)間內鍋爐的NOx與NH3排放皆可保持在較低水平。

創(chuàng)新點

01

設計搭建了世界最大容量的40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗系統(tǒng)，包括全尺度氨煤混燃燃燒器和氨氣供應系統(tǒng)，并在此試驗臺實現(xiàn)了0～25%混氨比例(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗。

02

在所有混氨比例下鍋爐皆具有良好的穩(wěn)燃與燃盡性能，且氨煤混燃條件下煤粉的燃盡優(yōu)于純燃煤工況。

03

通過分級燃燒，在高混氨比例下可實現(xiàn)鍋爐NOx排放低于燃煤工況。

重要圖表

圖1 40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗系統(tǒng)示意

表1 40 MWth鍋爐主要設計參數(shù)

圖2 氨煤混燃燃燒器示意

圖3 40 MWth氨煤混合燃燒試驗臺現(xiàn)場照片

圖4 氨燃料供應系統(tǒng)現(xiàn)場照片

圖5 不同混氨比例下燃燒器噴口火焰形態(tài)

引用格式：牛濤,張文振,劉欣,等.燃煤鍋爐氨煤混合燃燒工業(yè)尺度試驗研究[J/OL].潔凈煤技術:1-10[2022-03-07]
.DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CC22022401.

NIU Tao, ZHANG Wenzhen, LIU Xin, et al.Industrial-scale experimental investigation of ammonia-coal cofiring in coal-fired boiler[J/OL].Clean Coal Technology:1-10[2022-03-07].DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CC22022401.

作者簡介

牛濤，煙臺龍源電力技術股份有限公司副總經(jīng)理，長期從事火力發(fā)電廠節(jié)油點火、煤粉燃燒和綜合節(jié)能方面的技術研究工作，先后主持國家重點研發(fā)計劃子課題及多項企業(yè)重點研發(fā)項目，曾獲得國家科技進步二等獎及多項省部級科技獎勵，是國家能源投資集團有限責任公司重點研發(fā)項目“燃煤鍋爐混氨燃燒技術開發(fā)與工程示范”的負責人。

通訊作者

王赫陽，清華大學工學博士，美國普林斯頓大學博士。主要從事清潔燃燒能源技術相關的基礎理論研究與應用技術研究。在理論研究方面，對預混火焰擾動響應規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)了火焰面曲率對火焰響應的控制規(guī)律，對擴散火焰穩(wěn)定性的研究是國際上最早成功采用非線性方法對擴散火焰失穩(wěn)特性的理論研究，研究成果全部發(fā)表在《Combustion and Flame》和《Proceedings of the Combustion Institute》等燃燒學國際燃燒專業(yè)期刊上；應用技術研究主要集中在燃煤鍋爐燃燒、傳熱與污染物生成過程的CFD數(shù)值模擬技術，并致力于彌補煤粉燃燒領域基礎理論研究與應用技術研發(fā)之間的鴻溝，使燃煤鍋爐CFD數(shù)值模擬對爐內流動、傳熱、燃燒和污染物生成特性等方面的預報，在精度和應用范圍上都得到了極大的提升，并已在中美不同爐型、煤種和負荷的電站鍋爐的技術改造與運行優(yōu)化中獲得了廣泛的成功應用。

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