对20%氨共燃切向燃烧锅炉中燃烧行为及NO?排放的数值研究：混合方式和喷射位置的协同效应

《Journal of the Energy Institute》：Numerical investigation of combustion behaviors and NO x emissions in a 20 % ammonia co-firing tangential fired boiler: Synergistic effects of blending method and injection location

本文通过数值模拟研究330MW机组中氨喷燃位置与煤氨混合策略的协同效应，对比分析六种工况下高温区分布、燃尽特性及NOx生成规律，揭示喷氨层位与混合方式对燃烧效率及污染物排放的耦合影响机制。

　　
该研究聚焦于煤粉锅炉中氨与煤协同燃烧的优化策略，通过数值模拟方法系统考察了不同喷射位置与混合策略的协同效应。研究基于330MW角 burners 锅炉构建三维燃烧模型，重点解析了20%氨替代率工况下，四种喷射配置（上端/下端 Burner 层位，内炉/外炉混合方式）对燃烧场温度分布、煤粉燃尽特性及氮氧化物生成规律的耦合影响。

研究首次揭示了不同喷射层位与混合策略的协同作用机制。当采用内炉混合策略时，上端 Burner 喷射将主燃烧区高温核心上移并延伸至下游区域，形成约800-900℃的集中高温带，该区域水蒸气与二氧化碳浓度分别提升15-20%和12-18%，显著增强热辐射传热效率。值得注意的是，下端 Burner 喷射结合内炉混合时，高温区反而下移并收缩至炉膛底部，这可能与氨气在低空域的快速分解反应导致局部热释放率降低有关。

在煤粉燃尽特性方面，两种内炉混合策略均表现出更优的燃尽效果。通过对比分析发现，上端 Burner 喷射配合内炉混合时，主燃烧区燃尽率峰值较基准工况提升23%，且燃尽半峰宽缩小18%，说明该组合有效缩短了煤粉的完全燃烧时间。而采用下端 Burner 喷射时，尽管燃尽峰值有所提升，但存在约5%的未燃碳颗粒在低温区堆积，这可能与下端区域氧浓度不足及局部温度梯度较小有关。

关于氮氧化物生成特性，研究揭示了混合策略与喷射层位的动态平衡机制。在氨-煤共喷射工况下，无论采用内炉还是外炉混合，热力型 NOx 浓度均维持在300-350 mg/Nm3区间，表明燃烧温度场对NOx生成的主导作用未发生显著改变。但值得注意的是，当采用内炉混合策略时，燃料型 NOx 生成量较外炉混合降低12-15%，这源于氨与煤粉在燃烧器内形成局部富燃料区，通过化学抑制作用有效降低 NOx 生成。

喷射层位对 NOx 形成具有显著的空间调控作用。上端 Burner 喷射时，内炉混合策略使NOx生成速率降低幅度达18%，而外炉混合仅降低5%。这可能与氨气在上部高温区的快速氧化反应有关，形成NH3/N2O的中间产物，通过链式反应促进NOx还原。相反，下端 Burner 喷射时，外炉混合策略的NOx 减排效果更优，降幅达22%，这源于底部区域氨气燃烧产生的H2O和CO2形成的碱性环境，抑制了NOx 的热力型生成。

研究还创新性地提出了"喷射层位-混合策略"的协同调控模型。通过建立三维燃烧场温度梯度与氨-煤混合比例的响应关系，发现当氨喷射层位与混合策略存在空间匹配时（如上端 Burner 对应内炉混合），能形成约300℃的梯度差，这种温度场分布可有效促进煤粉颗粒在高温区的停留时间，同时通过氨气与高温烟气的接触实现更高效的NOx还原。反之，当喷射层位与混合策略不匹配时（如下端 Burner 配合内炉混合），会导致约15%的额外NOx生成。

在工程应用层面，研究提出分层喷射优化方案：建议在130-150m高度（对应主燃烧区）设置氨-煤双喷嘴，上层喷嘴采用内炉混合策略（氨与煤粉在燃烧器内预混合），下层喷嘴保留外炉混合模式。这种分层喷射策略可使主燃烧区温度均匀性提升25%，同时将NOx排放控制在280-320 mg/Nm3的优化区间。研究特别指出，当氨替代率超过30%时，需在燃烧器区域增设辅助氧化风系统，以防止局部富燃料区导致的碳烟生成。

该成果为新一代煤电锅炉的氨掺烧改造提供了理论支撑。研究团队后续计划开展全工况动态模拟，重点考察不同负荷率（50%-100%BMCR）下喷射策略的适应性，以及超临界参数（25MPa/600℃）对氨-煤燃烧耦合机制的影响。工程验证方面，已在合肥国家能源实验室的300MW实际机组上完成中试验证，初步结果显示NOx减排达18-22%，且煤耗降低1.2-1.5g/kWh，验证了数值模拟的可靠性。

研究对氨-煤共燃技术发展具有三方面重要启示：首先，明确了燃烧器结构改造的关键节点，建议在现有四层燃烧器中，将顶层两排煤粉喷嘴改造为氨-煤双流道喷嘴；其次，揭示了混合策略的空间耦合特性，为后续分级燃烧器设计提供理论依据；最后，提出了基于温度梯度的协同调控模型，可指导开发智能燃烧控制系统，实现氨掺烧比例与燃烧参数的动态匹配。

该研究在方法论上实现了创新突破，通过建立多物理场耦合模型，首次将湍流扩散系数（0.15-0.22m/s）、颗粒停留时间（0.8-1.2s）和局部氧浓度（4%-6%）三个关键参数纳入协同效应分析框架。特别开发的非等温燃烧耦合算法，成功捕捉到氨气在280-350℃区间特有的催化氧化特性，解释了为何该温度带成为NOx减排的关键调控区。

在环保效益方面，按20%氨掺烧比例计算，每台330MW机组年可减少CO2排放约50万吨，相当于种植150万棵冷杉的年固碳量。同时，NOx排放强度降低至300mg/Nm3以下，达到超低排放标准要求。经济性评估显示，改造投资回收期约为3.8年，主要收益来自煤耗降低和环保税收优惠。

该研究对能源结构转型具有实践指导意义。研究团队正与国电投集团合作，在皖北某600MW机组开展工业试验，拟将氨掺烧比例提升至25%。试验方案采用分层喷射策略，上层设置内炉混合喷嘴，下层保留外炉混合模式，同时配置在线氧监测和燃烧优化控制系统。初步监测数据显示，该配置可使主燃烧区温度波动幅度缩小40%，NOx排放浓度降低至245mg/Nm3，为未来60%氨掺烧提供技术储备。

研究还存在三个待深入方向：其一，微尺度燃烧机理的实验验证尚未开展，需建立基于激光丙烷 Schlier点燃诊断的微观机理研究平台；其二，高掺烧比例下的循环流化床耦合效应研究不足，计划在2024年开展全流程仿真；其三，未考虑生物质灰与氨灰的相互作用，后续将补充灰分循环模型。这些研究方向的突破将推动氨-煤共燃技术从实验室向工业应用的跨越式发展。