论文标题：Experimental Study on Ammonia Co-Firing with Coal for Carbon Reduction in the Boiler of a 300-MW Coal-Fired Power Station

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.06.003

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合肥综合性国家科学中心能源研究院团队在燃煤锅炉掺氨降碳方面的研究成果以 “Experimental Study on Ammonia Co-Firing with Coal for Carbon Reduction in the Boiler of a 300-MW Coal-Fired Power Station” （300 MW燃煤电站锅炉掺氨降碳试验研究）为题，作为封面文章发表在中国工程院院刊《Engineering》上。林启富、孙王平、李海燕为论文共同第一作者，方世东、冯汉升、罗广南共同担任通讯作者。

Engineering 2024年9月刊封面

为减少燃煤电厂的二氧化碳排放，开发低碳或无碳燃料燃烧技术已经迫在眉睫。氨（NH3）作为一种新型零碳燃料，可用于解决氢能源的储存和运输问题。但因其短期内不可完全代替煤，故现阶段，发展氨煤共燃技术是减少燃煤电厂二氧化碳（CO₂）排放的一条快速可行的途径。

研究团队以皖能铜陵电厂300 MW燃煤电站锅炉为掺氨燃烧验证平台，通过增设两层共八台纯氨燃烧器，实现发电机组 180 MW~300 MW 负荷下对应 20%~10% 比例（热量比）的掺氨燃烧。

图1 300 MW燃煤电站锅炉掺氨燃烧系统示意。

试验研究了不同运行氧量、掺氨位置、机组负荷和掺氨比例对尾气氮氧化物（NO_x）排放特性和氨燃尽特性的影响规律，同时探究了掺氨燃烧对锅炉换热、锅炉热效率的影响。

研究发现，燃烧尾气NO_x排放可调可控。与纯煤工况相比，掺氨燃烧情形下尾气NO_x排放对锅炉运行氧量变化更为敏感；当处于富燃状态时，炉内高温还原功能发挥作用，尾气NOx甚至低于纯煤工况。在该试验涉及工况下，炉膛出口氨浓度均小于1 ppm，表明氨能够很好地燃尽。

掺氨燃烧对锅炉热效率影响较小。相比纯煤工况，掺氨燃烧造成掺氨后烟气中水蒸汽显热损失和固体未燃尽损失略微增大，导致锅炉热效率略微下降（降低 0.12%~0.38%）。在该试验的机组负荷和掺烧比例下，锅炉受热面可以满足换热需求，无需对现有受热面进行改造。

图2 锅炉运行氧量、掺氨量、机组负荷对尾气NO_x、氨以及锅炉效率的影响。

结论

研究团队通过对300 MW燃煤机组进行掺氨燃烧改造，实现了180~300 MW负荷下对应20%~10%比例（热量比）的掺氨燃烧试验，研究了机组运行氧量、喷氨位置、机组负荷和掺氨量对锅炉NO_x排放特性影响，探究了掺氨燃烧对锅炉换热和锅炉热效率的影响，主要的结果及结论如下：

（1）与纯煤工况相比，掺氨燃烧情形下尾气NO_x对锅炉运行氧量的变化更敏感。此外，喷氨位置、机组负荷和掺氨量这些参数均会影响纯氨燃烧器出口氨燃烧的当量比。当处于富燃状态时，炉内高温还原功能发挥，尾气NO_x会降低，甚至低于纯煤工况。例如，只开主燃区中部的氨燃烧器，提升机组负荷和加大喷氨量，可以降低尾气NO_x。

（2）在机组负荷180~300 MW条件下，掺氨量在0~18 t/h内变化时，锅炉出口的氨逃逸均低于1 ppm，表明氨能够很好地燃尽。

（3）低负荷（180 MW）下掺氨燃烧时，受颗粒物辐射和气体辐射强度减弱以及火焰中心上移的双重影响，锅炉换热呈现辐射换热减少而对流换热增加的趋势；高负荷（240 MW、300 MW）目前的掺氨量（最大18 t/h）锅炉换热变化较小。在该试验的机组负荷和掺烧比例下，锅炉受热面可以满足换热需求，无需对现有受热面进行改造。

（4）相比纯煤工况，掺氨燃烧造成掺氨后烟气中水蒸气显热损失和固体未燃尽损失略微增大，导致锅炉热效率略微下降（降低0.12%~0.38%）。因此，该试验条件下的掺氨燃烧对锅炉热效率影响较小。

该研究得到了国家重点研发计划、中国工程院院地合作项目、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、安徽高校协同创新项目、合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）自主立项项目的资助。论文合作者还包括了氨邦科技有限公司、中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所团队成员。

该试验的成功，标志着我国燃煤机组通过掺氨实现清洁高效燃烧技术进入工业应用阶段，为煤电机组节能减排、绿色低碳发展开辟了一条切实可行的路径，对加快构建清洁低碳安全高效的能源体系具有重要意义。

据悉，研究团队将进一步探索更大掺烧比例以及更大型机组条件下的氨煤混烧特性及其对锅炉性能的影响，为煤电机组掺氨燃烧这一碳减排技术路线的推广应用持续做出贡献。

论文信息：

Qifu Lin, Wangping Sun, Haiyan Li, Yangjiong Liu, Yuwei Chen, Chengzhou Liu, Yiman Jiang, Yu Cheng, Ning Ma, Huaqing Ya, Longwei Chen, Shidong Fang, Hansheng Feng, Guang-Nan Luo, Jiangang Li, Kaixin Xiang, Jie Cong, Cheng Cheng. Experimental Study on Ammonia Co-Firing with Coal for Carbon Reduction in the Boiler of a 300-MW Coal-Fired Power Station. Engineering, 2024, 40(9): 247-259 DOI:10.1016/j.eng.2024.06.003

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