世界最大容量40 MWth燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验系统投用
烟台龙源电力技术股份有限公司牛涛高级工程师和天津大学王赫阳教授等联合国家能源投资集团有限责任公司、国电电力发展股份有限公司设计搭建了世界最大容量的40 MWth燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验系统，包括全尺度氨煤混燃燃烧器和氨气供应系统，并在此试验台实现了0~25%混氨比例(按热值)的氨煤混合燃烧试验。
燃煤锅炉氨煤混合燃烧工业尺度试验研究
牛涛1，张文振1，刘欣1，胡道成2，王天堃3，谢妍4，王赫阳4
1.烟台龙源电力技术股份有限公司
2.国家能源投资集团有限责任公司
3.国电电力发展股份有限公司
4.天津大学机械工程学院
研究背景
氨作为更具发展潜力的低碳燃料，以氨替代部分燃煤，采用氨与煤在锅炉中混合燃烧的方式，是现阶段降低燃煤机组CO2排放更加现实可行的技术选择。
燃煤锅炉氨煤混合燃烧研究基本集中在数值模拟研究和小尺度试验研究阶段，工业尺度条件下燃煤锅炉氨煤混合燃烧的可行性亟需验证。
研究内容
设计搭建了40 MWth燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验台，重点研究了煤与氨气在燃烧器内预混燃烧方式下，氨气掺烧比例（按热值）、燃尽风率和锅炉运行氧量等参数对锅炉NOx排放、NH3燃尽、CO排放和飞灰含碳量的影响，并观测了不同混氨比例下燃烧器的着火与稳燃状态。
研究结论
1）在所有混氨比例下，锅炉皆具有良好的稳燃与燃尽，氨煤混合燃烧条件下煤粉的燃尽优于燃煤工况；锅炉分级燃烧可使氨煤混合燃烧的NOx排放在高混氨比例条件下低于燃煤工况。工业尺度试验研究证明燃煤锅炉氨煤混合燃烧技术具有可行性。
2）炉膛主燃区气氛对氨煤混合燃烧的NOx排放特性有强烈影响：在氧化性气氛下，NOx排放与混氨比例呈正相关；而在还原性气氛下，NOx排放随混氨比例增加呈现先上升后下降趋势，使高混氨比例下的NOx排放低于燃煤工况。
3）锅炉空气分级燃烧可显著降低氨煤混合燃烧的NOx排放，但增加燃尽风率显著影响煤粉燃尽和锅炉效率，且燃尽风率高于20%后对NOx排放降低效果不再显著。因此，燃煤锅炉氨煤混合燃烧存在一最优燃尽风率，使锅炉NOx排放与燃尽皆处于较优水平。
4）锅炉运行氧量对NOx与NH3排放有显著影响，随运行氧量降低，锅炉NOx排放显著下降，而NH3排放快速上升；存在一个锅炉最佳运行氧量区间，在此区间内锅炉的NOx与NH3排放皆可保持在较低水平。
创新点
1
设计搭建了世界最大容量的40 MWth燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验系统，包括全尺度氨煤混燃燃烧器和氨气供应系统，并在此试验台实现了0～25%混氨比例(按热值)的氨煤混合燃烧试验。
2
在所有混氨比例下锅炉皆具有良好的稳燃与燃尽性能，且氨煤混燃条件下煤粉的燃尽优于纯燃煤工况。
3
通过分级燃烧，在高混氨比例下可实现锅炉NOx排放低于燃煤工况。
重要图表
图140 MWth燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验系统示意
表140 MWth锅炉主要设计参数
图2氨煤混燃燃烧器示意
图340 MWth氨煤混合燃烧试验台现场照片
图4氨燃料供应系统现场照片
图5不同混氨比例下燃烧器喷口火焰形态
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.
作者简介
牛涛，烟台龙源电力技术股份有限公司副总经理，长期从事火力发电厂节油点火、煤粉燃烧和综合节能方面的技术研究工作，先后主持国家重点研发计划子课题及多项企业重点研发项目，曾获得国家科技进步二等奖及多项省部级科技奖励，是国家能源投资集团有限责任公司重点研发项目“燃煤锅炉混氨燃烧技术开发与工程示范”的负责人。
通讯作者
王赫阳，清华大学工学博士，美国普林斯顿大学博士。主要从事清洁燃烧能源技术相关的基础理论研究与应用技术研究。在理论研究方面，对预混火焰扰动响应规律的研究发现了火焰面曲率对火焰响应的控制规律，对扩散火焰稳定性的研究是国际上最早成功采用非线性方法对扩散火焰失稳特性的理论研究，研究成果全部发表在《Combustion and Flame》和《Proceedings of the Combustion Institute》等燃烧学国际燃烧专业期刊上；应用技术研究主要集中在燃煤锅炉燃烧、传热与污染物生成过程的CFD数值模拟技术，并致力于弥补煤粉燃烧领域基础理论研究与应用技术研发之间的鸿沟，使燃煤锅炉CFD数值模拟对炉内流动、传热、燃烧和污染物生成特性等方面的预报，在精度和应用范围上都得到了极大的提升，并已在中美不同炉型、煤种和负荷的电站锅炉的技术改造与运行优化中获得了广泛的成功应用。
