世界最大容量40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)投用

煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司牛濤高級(jí)工程師和天津大學(xué)王赫陽(yáng)教授等聯(lián)合國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司、國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司設(shè)計(jì)搭建了世界最大容量的40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，包括全尺度氨煤混燃燃燒器和氨氣供應(yīng)系統(tǒng)，并在此試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了0~25%混氨比例(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗(yàn)。

燃煤鍋爐氨煤混合燃燒工業(yè)尺度試驗(yàn)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(yáng)4

1.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司

2.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司

3.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司

4.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jī)組CO2排放更加現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)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(yàn)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(yàn)證。

研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)搭建了40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)臺(tái)，重點(diǎn)研究了煤與氨氣在燃燒器內(nèi)預(yù)混燃燒方式下，氨氣摻燒比例（按熱值）、燃盡風(fēng)率和鍋爐運(yùn)行氧量等參數(shù)對(duì)鍋爐NOx排放、NH3燃盡、CO排放和飛灰含碳量的影響，并觀測(cè)了不同混氨比例下燃燒器的著火與穩(wěn)燃狀態(tài)。

研究結(jié)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(jí)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(yàn)研究證明燃煤鍋爐氨煤混合燃燒技術(shù)具有可行性。

2）爐膛主燃區(qū)氣氛對(duì)氨煤混合燃燒的NOx排放特性有強(qiáng)烈影響：在氧化性氣氛下，NOx排放與混氨比例呈正相關(guān)；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(shì)，使高混氨比例下的NOx排放低于燃煤工況。

3）鍋爐空氣分級(jí)燃燒可顯著降低氨煤混合燃燒的NOx排放，但增加燃盡風(fēng)率顯著影響煤粉燃盡和鍋爐效率，且燃盡風(fēng)率高于20%后對(duì)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(fēng)率，使鍋爐NOx排放與燃盡皆處于較優(yōu)水平。

4）鍋爐運(yùn)行氧量對(duì)NOx與NH3排放有顯著影響，隨運(yùn)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(gè)鍋爐最佳運(yùn)行氧量區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)鍋爐的NOx與NH3排放皆可保持在較低水平。

創(chuàng)新點(diǎn)

01

設(shè)計(jì)搭建了世界最大容量的40 MWth燃煤鍋爐氨煤混合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，包括全尺度氨煤混燃燃燒器和氨氣供應(yīng)系統(tǒng)，并在此試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了0～25%混氨比例(按熱值)的氨煤混合燃燒試驗(yàn)。

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?nèi)济汗r。

03

通過(guò)分級(jí)燃燒，在高混氨比例下可實(shí)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(yàn)系統(tǒng)示意

表1 40 MWth鍋爐主要設(shè)計(jì)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(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4 氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)研究[J/OL].潔凈煤技術(shù):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(jiǎn)介

牛濤，煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司副總經(jīng)理，長(zhǎng)期從事火力發(fā)電廠節(jié)油點(diǎn)火、煤粉燃燒和綜合節(jié)能方面的技術(shù)研究工作，先后主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題及多項(xiàng)企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，曾獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)及多項(xiàng)省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)，是國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程示范”的負(fù)責(zé)人。

通訊作者

王赫陽(yáng)，清華大學(xué)工學(xué)博士，美國(guó)普林斯頓大學(xué)博士。主要從事清潔燃燒能源技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用技術(shù)研究。在理論研究方面，對(duì)預(yù)混火焰擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)了火焰面曲率對(duì)火焰響應(yīng)的控制規(guī)律，對(duì)擴(kuò)散火焰穩(wěn)定性的研究是國(guó)際上最早成功采用非線性方法對(duì)擴(kuò)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(xué)國(guó)際燃燒專(zhuān)業(yè)期刊上；應(yīng)用技術(shù)研究主要集中在燃煤鍋爐燃燒、傳熱與污染物生成過(guò)程的CFD數(shù)值模擬技術(shù)，并致力于彌補(bǔ)煤粉燃燒領(lǐng)域基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用技術(shù)研發(fā)之間的鴻溝，使燃煤鍋爐CFD數(shù)值模擬對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物生成特性等方面的預(yù)報(bào)，在精度和應(yīng)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(fù)荷的電站鍋爐的技術(shù)改造與運(yùn)行優(yōu)化中獲得了廣泛的成功應(yīng)用。

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