混合比例对燃煤电厂中生物柴油与煤炭共燃时的热性能及氮氧化物排放的影响

《Renewable Energy》：Effects of blend ratio on thermal performance and NO emissions in biodiesel-coal co-combustion for coal-fired power units

生物质燃料煤共燃过程中燃烧稳定性与NOx排放协同优化研究，采用CFD模拟分析0-25%掺混比例对超临界机组燃烧特性的影响，发现温度随掺混比升高而显著增加，NOx排放呈倒U型变化，20%掺混比时排放量降至纯煤的34.34%，为兼顾热效率与减排的最优方案。

　　在当今全球能源需求不断增长的背景下，实现电力生产的高效性和低碳化已成为一个重要的课题。随着人口增长和社会经济发展，煤炭作为主要的能源来源，在中国依然占据着主导地位。然而，煤炭燃烧所带来的高碳排放和环境污染问题，使得推动能源转型、减少对化石燃料的依赖变得尤为迫切。在这一背景下，生物质能作为一种可再生能源，因其接近零净碳排放和对非可再生能源的替代潜力，逐渐成为电力生产领域的一个重要研究方向。

生物质与煤炭共燃技术被视为传统燃煤电厂实现低碳转型的关键策略之一。这项技术已经在英国、德国等国家成功实施，并在中国也得到了积极推广。《中国燃煤发电低碳转型行动计划（2024–2027）》将生物质共燃列为战略重点，要求通过生物质的引入对燃煤机组进行低碳改造。由于生物质的可再生性和其与现有燃煤发电基础设施的高度兼容性，生物质与煤炭共燃被视为一种可行且经济的替代方案。

近年来，关于固体生物质与煤炭共燃的研究引起了广泛关注。大量研究表明，不同种类的生物质燃料在共燃过程中具有显著的污染物减排效果。例如，甘蔗渣与煤炭共燃可以有效降低氮氧化物（NOx）和二氧化硫（SO2）的排放，这主要归因于生物质的高挥发分含量和低硫含量。锯木屑的掺烧不仅提升了燃烧效率，还有效抑制了颗粒物的生成。此外，生物质与煤炭共燃还被证实能够改善燃烧特性，降低污染物排放，特别是氮氧化物和硫氧化物的排放。然而，尽管这些研究成果展示了生物质共燃的潜力，但仍然存在一些技术挑战，例如固体生物质与煤炭在物理化学性质上的差异，以及生物质燃烧过程中产生的碱金属（如钾、钠）和碱土金属（如钙）对燃烧行为和灰沉积的影响。这些因素可能导致燃烧不稳定和设备腐蚀，从而影响锅炉的正常运行。

作为典型的液体生物燃料，生物柴油在与煤炭共燃方面展现出独特的优势。它不仅具有较高的热值，还含有丰富的氧元素，这使其在燃烧过程中能够显著提高点火性能，降低点火延迟，并减少局部火焰熄灭的风险。这些特性有助于实现煤粉颗粒的完全燃烧，提高燃烧效率。此外，生物柴油中大约10%的氧含量能够在燃烧初期生成羟基自由基，促进燃烧反应的进行，同时通过调节局部当量比，抑制污染物的生成。因此，生物柴油被认为是燃煤共燃的有前景替代方案。

尽管生物柴油在共燃方面具有诸多优势，但目前对纯生物柴油与煤炭共燃的研究仍然较为有限。大多数相关研究主要集中在生物柴油副产物（如甘油）或生物重油与煤炭的共燃上，而对纯生物柴油在燃煤锅炉中的燃烧特性和污染物形成机制的研究尚不充分。此外，现有的研究多依赖于热重分析（TGA）等实验手段，但这些方法的实验条件与实际锅炉环境存在较大差异，难以全面反映燃烧过程中的流体力学、热传递和污染物生成等复杂现象。因此，有必要通过系统的研究，深入探讨生物柴油与煤炭共燃的燃烧特性及其对污染物排放的影响，从而为生物柴油在燃煤锅炉中的大规模应用提供理论和技术支持。

本研究采用计算流体力学（CFD）方法，对生物柴油与煤炭共燃过程中的燃烧温度场、燃烧行为以及氮氧化物（NO）排放进行了系统分析。研究对象为一台350兆瓦的超临界角火煤粉锅炉，该锅炉安装在中国北方的一家火力发电厂。通过模拟不同生物柴油掺混比例（0%至25%）下的燃烧过程，研究揭示了生物柴油掺混比例对燃烧温度和NO排放的影响机制。研究结果表明，随着生物柴油掺混比例的增加，炉膛出口温度呈现单调上升趋势。在25%的掺混比例下，炉膛出口温度达到了1543.21 K，比纯煤燃烧时的温度高出69.42 K。这一现象主要归因于生物柴油的高热值和高氧含量，使其在燃烧过程中能够释放更多的热量，并促进燃烧反应的进行。

然而，生物柴油掺混比例的增加并非对所有污染物排放都具有正面影响。研究发现，NO排放呈现出倒置抛物线的变化趋势，即在20%的掺混比例时达到最低值，为15.98 g/s，仅为纯煤燃烧时的34.34%。这一趋势可以归因于燃烧过程中复杂的化学反应机制。在较低的掺混比例下，生物柴油的高氧含量有助于促进NO的还原反应，使其转化为氮气（N2）和氧气（O2），从而减少NO的生成。然而，当掺混比例超过20%时，生物柴油燃烧过程中产生的氧自由基浓度增加，这些自由基会促进NO的形成，导致排放量上升。因此，生物柴油掺混比例的优化成为实现燃烧效率和污染物排放平衡的关键。

研究还指出，生物柴油与煤炭共燃过程中，燃烧稳定性与污染物排放之间存在显著的权衡关系。在高掺混比例下，生物柴油的高热值会导致局部燃烧温度急剧上升，从而增加燃烧器和锅炉部件的热应力，可能影响设备的寿命和运行安全性。而在低掺混比例下，生物柴油的低固定碳含量和高挥发性会缩短燃烧时间，提高燃烧效率。然而，由于生物柴油的高碳排放特性，其与煤炭共燃的碳中和效果可能会受到一定限制。此外，生物柴油的高粘度和其与煤炭燃烧过程中火焰传播速度的差异，也可能导致燃烧过程的不稳定性，进而影响整体的燃烧效率。

综上所述，本研究通过CFD模拟，系统分析了不同生物柴油掺混比例对燃煤锅炉燃烧温度和NO排放的影响。研究结果表明，20%的生物柴油掺混比例能够实现最佳的燃烧稳定性和污染物排放控制。这一发现不仅为生物柴油在燃煤锅炉中的应用提供了理论依据，也为优化生物柴油共燃策略、实现燃煤机组的低碳运行提供了技术指导。通过进一步研究和实验验证，可以为生物柴油与煤炭共燃技术的推广和应用提供更加坚实的科学基础和工程实践支持。