研究分析氨共燃对燃煤锅炉传热、安全性和经济性的影响

煤炭燃烧产生的二氧化碳是导致全球变暖和生态灾害的罪魁祸首之一。用低碳或无碳燃料替代煤炭，包括生物质、氢（H2）和氨（NH3）等，得到了极大的关注。其中，无碳NH3在0.9 MPa和室温或在-33℃和大气压下更容易液化。液态NH3比液态H2具有更高的能量密度，NH3的储运更节能、技术更成熟、更安全。近年来，许多研究提出燃煤锅炉的NH3共燃技术，当前研究主要集中在NH3-煤共燃时的NOx排放和未燃碳，对燃煤锅炉换热的影响研究较少。然而，了解燃煤锅炉与NH3共燃时的传热特性是决定其是否适合与NH3共燃的关键。

华北电力大学和河北大学联合研究团队合作建立了一台600 MW燃煤锅炉的热力计算模型。与CFD方法相比，热力学计算可以进一步评估对流加热器的传热和安全性，包括过热和低温腐蚀。锅炉辅助系统可以兼容NH3共燃（0%-50%）。共燃NH3为0%-50%时，炉膛热负荷降低6.2%-7.1%，这是由于火焰的发射率和温度明显下降，但炉膛出口烟气温度升高不到7℃。当共燃50% NH3时，通过调节垂直烟道两通道的烟气比例，可以满足主蒸汽系统和再热蒸汽系统的吸热。因此，在不修改锅炉受热面和辅助装置的情况下，燃煤锅炉可以共燃NH3高达50%。NH3共燃对压板管壁温度和高温过热器管壁温度影响不大。在锅炉额定负荷下，共燃50%的NH3对空气预热器的低温腐蚀几乎没有影响，但在锅炉负荷较低时，空气预热器的低温腐蚀加剧。与仅使用煤燃料相比，NH3比为50%时，烟气温度升高6.2 ~ 13.9℃，锅炉效率略有下降（0.7%-1.2%）。此外，锅炉的受热面和辅助系统在共燃NH3达到50%时需要进行的改造较少。然而，燃烧器、NH3进料系统和一次风管的改造仍然是必要的。除改造费用外，锅炉运行费用随煤氨比的变化而变化，但目前昂贵的NH3导致燃煤锅炉的运行成本大幅增加。要使氨煤共燃经济可行，需要大幅度降低氨的价格，利用可再生能源产生的“绿氢”合成NH3，或利用可再生能源电力将N2电化学转化生成NH3等。碳税的增加也可以凸显NH3共燃的经济效益。

图1 NH3共燃比对炉内传热的影响。(a)炉膛热负荷；(b)炉膛出口的烟气温度。

本研究分析了NH3共燃比在50%以下时，锅炉在不同负荷下的传热、安全性、经济性及各辅助系统的兼容性，建立的600 MW燃煤锅炉热力计算模型可进一步评估对流加热器的传热和安全性，包括过热和低温腐蚀。研究结果为评价燃煤锅炉高配比NH3共燃可行性提供了有价值信息。研究成果发表在《Fuel》。

（薛凯丽 岳芳）

文献来源：Chen L, Wang C B, Wang W J. Effect of ammonia co-firing on heat transfer, safety, and economy of coal-fired boilers. Fuel, 2023, DOI: 10.1016/j.fuel.2022.126649.

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