煤粉锅炉掺氨燃烧技术

Alexandria2020

煤粉锅炉掺氨燃烧技术

1技术简介

燃煤火电厂是碳排放大户，目前的燃料灵活性改造方案主要有燃煤掺烧生物质粉末、燃煤掺烧生物质气、燃煤掺烧垃圾或污泥等，可有效降低火电厂碳排放量的可再生资源燃料。但这些掺烧的可再生能源燃料存在能量密度低、燃烧不稳定、需要大面积的燃料储运场地、烟气处理费用高、二噁英排放及其他污染物排放控制难等诸多问题。

氨混煤燃烧技术是直接或间接利用可再生能源电力空分制氮和电解制氢，然后合成氨，将氨作为一种零碳排放的燃料，应用于电站煤粉锅炉内。

氨作为燃料具有能量密度高、燃料储运方便，其燃烧热值的体积能量密度和质量能量密度均接近燃油。

仅需对现有大型火电站某一层煤粉燃烧器结构进行改造，在传统煤粉锅炉燃烧器的一次风和二次风的基础上，通过增加氨供给枪、氧气供给枪、氢／油燃气供给枪及相应管道，可以使氨与各种燃料灵活地组合进行燃烧，实现了对现有煤粉锅炉的低成本的低碳燃烧改造。

如此操作实现了真正的燃料灵活性，即，锅炉在不同时段根据燃料的供给和价格情况，及当前的碳市场价格和本电厂的碳配额使用情况，可以采用不同的燃料进行燃烧发电。

氨混煤燃烧器，使得传统火电厂的煤粉锅炉具有燃烧其他燃料的可能性，降低火电机组的碳排放强度，使电厂可以避免未来征收碳排放税或额外购买碳配额的巨额支出；从而使电厂在未来碳税和绿色证书强制执行阶段在电力市场的竞争中处于有利地位。氨、纯氧的引入，可以实现火电机组锅炉的低负荷稳燃，从而提高锅炉低负荷调峰的负荷范围，加大火电机组的调峰能力，通过全年参与电网的深度调峰，使电厂获得调峰补贴。

氨气特性：

燃烧热，25℃气态时 18603.1kJ/kg

空气中爆炸低限含量：16.1%

空气中爆炸高限含量：25%

标准状况下的密度：0.771g/L

自燃点：651.1℃

燃烧温度：~1300℃

2氨气燃烧

3空气中

4NH3+5O2=4NO2+6H20反应条件为点燃

在纯净的氧气中

4NH3+3O2=2N2+6H2O 反应条件为催化剂和加热

氧化还原反应

4NH3+5O2=4NO+6H2O反应条件为催化剂高温

氨气燃烧条件

1）温度达到1250度以上。

2）氨在炉膛内的停留时间2.5s。

系统概况

氨混配煤粉锅炉燃烧系统，包括：

氨储存装置，储存氨气、液氨或氨水中的任意一种，与氨混配燃烧器相连，向其供氨；

氨混配燃烧器，包含一种或多种燃料出口，以将一种或多种燃料与氨进行混配后输送到与之连接的锅炉炉膛内进行燃烧；

氨混配燃烧系统控制器，接收氨、一次风和二次风检测器的数据以控制向氨混配燃烧器输入的氨、一次风和二次风。

纯氧供给装置，与氨混配燃烧器相连，向其供应纯氧。

纯氧检测器，其检测供给氨混配燃烧器的纯氧的流量、压力和温度，反馈给氨混配燃烧系统控制器。

所述氨混配燃烧器中设置氨与纯氧预混室，氨与纯氧在其中充分混合后，输送至锅炉炉膛中。

所述系统包括一次氨供给管路、一次氨控制阀及一次氨检测器，一次氨检测器检测一次氨供给管路中氨的流量、压力和温度，反馈给氨混配燃烧系统控制器，其根据检测的数据，控制一次氨控制阀向氨混配燃烧器供氨。

系统设置二次氨供给管路、二次氨控制阀及二次氨检测器，二次氨检测器检测二次氨供给管路中氨的流量、压力和温度，反馈给氨混配燃烧系统控制器，其根据检测的数据，控制二次氨控制阀向锅炉炉膛供氨。

通过检测锅炉排放烟气中氮氧化物的排放量来调整二次氨供给管路供给氨的量及二次氨加注口距离炉膛火焰的距离。

氨混配燃烧器被供给的主体燃料为一次风携带的煤粉和一次氨供给管路供给的氨。

氨混配燃烧器被供给的助燃燃料包括天然气、甲烷气、煤气、氢气、汽油、柴油中的一种或几种。

系统包括一次风供给装置和二次风供给装置，分别向所述系统输送煤粉和纯净空气，

一次风检测器检测一次风的压力、温度和煤粉浓度，并反馈给氨混配燃烧系统控制器，以调节输入锅炉炉膛的一次风量；

二次风检测器检测二次风的压力、温度和风量，并反馈给氨混配燃烧系统控制器，以调节输入锅炉炉膛的二次风量。

氨混煤燃烧实现低成本的对现有化石能源的锅炉、燃气轮机、燃气锅炉、甚至燃油燃气汽车发动机的改造，将现有燃烧器或内燃机的结构或燃料供给模块进行改造，在低成本改造的基础上，就可以实现上述燃烧设备的部分燃料的去碳化改造。具体的有益效果如下：

1.利用氨作为常温常压的储氢介质，可大量低能耗地储能。

2.与可再生能源制氢或火电厂调峰电力制氢结合，利用富余电力和火电厂高温高压环境，可经济性地实现合成氨工艺。

3.氨作为零碳排放的燃料，可以利用掺烧快速降低燃煤燃气火电站的碳排放强度。

4.提高锅炉热效率、节能降耗。

电站煤粉锅炉氨混配煤燃烧器

1氨供给管路、 2 氨控制阀、 3 氨供给枪、 4 供氧控制阀、 5 纯氧供给枪、 6 一次风流道、 7 二次风引入管、 8 氨与纯氧预混室、 9 氢、油或燃气供给枪、 10 助燃燃料控制阀、 11大型火电电站锅炉四角切圆燃烧区域

该燃烧器包括：

一次风流道，其一端侧壁上设置有一次风入口，另一端延伸到大型火电电站锅炉四角切圆燃烧区域  并形成一次风出口。一次风流道 用来输送煤粉与空气的混合物。一次风流道的出口设置压力传感器、温度探头和浓度传感器，当输送的一次风的压力、温度和煤粉浓度不在规定范围时，氨混配燃烧系统控制器0 发出指令调整煤粉与空气混合物的各项参数。

二次风引入管，其一端侧壁上设置有二次风入口，另一端延伸到大型火电电站锅炉四角切圆燃烧区域 H 并形成二次风出口。用来输送预热的空气。出口设置压力传感器、温度探头，当输送的煤粉压力高于规定数值、温度大于预设温度时，氨混配燃烧系统控制器发出指令调整所述空气的压力、温度。可以设置风量监测器，监测二次风的进风量并反馈给氨混配燃烧系统控制器，以调整进风量。

氨控制阀控制氨供给管路，将氨通过氨供给枪 输送到氨与纯氧预混室。氨供给管路的截面包括但不限于圆形。氨供给管路和供给枪的截面直径范围为 O . 5一 50O 。氨供给管路 的出口端设置有氨控制阀 、压力传感器和温度探头，当压力传感器检测到氨供给管路内的压力低于预设压力时，或者当温度探头检测到的温度高于预设温度时，则控制氨控制阀关闭。氨供给管路的出口端设置有流量传感器，当其检测到氨供给管路中的流量不在规定的阂值范围内时，则氨混配燃烧系统控制器 发出指令调整氨流量。

纯氧供给枪的截面包括但不限于圆形。截面直径范围为 0 . 5 一 500。供氧控制阀控制纯氧供给枪，将氧气输送到氨与纯氧预混室。 纯氧供给枪  的出口端设置有供氧控制阀、压力传感器和温度探头，当压力传感器检测到纯氧供给枪内的压力低于预设压力时，或者当温度探头检测到的温度高于预设温度时，则控制供氧控制阀关闭。纯氧供给枪的出口端设置有流量传感器，当其检测到纯氧供给枪中的氧流量不在规定范围内时候，氨混配燃烧系统控制器发出指令调整纯氧的供应量。

氢、油或燃气供给枪，其一端形成油气入口，另一端延伸到大型火电电站锅炉四角切圆燃烧区域 H 形成为油气出口，用于分时输送液体或气体燃料。油包括但不限于重油、轻质油。燃气包括但不限于天然气、生物质气。氢、油或燃气供给枪 的轴线与一次风流道的轴线形成第一夹角。第一夹角的角度范围为 0一 30°。

氢、油或燃气供给枪的截面包括但不限于圆形。截面直径范围为 0 . 5 一 200 。出口端设置有温度探头，当温度探头检测到的温度高于预设温度时，则控制指令控制助燃燃料控制阀 10 关闭。出口端设置有压力传感器，当压力传感器检测到的气压或油压低于预设压力时，则控制指令控制助燃燃料控制阀 关闭。通过温度探头和压力传感器的设置，避免回火事故的发生，提高设备的安全性。出口端设置有浓度传感器，当其检测到氢、油或燃气供给枪中的浓度不在规定阂值范围时，氨混配燃烧系统控制器发出指令调整氢、油或燃气的浓度。

带二次氨供给管的电站煤粉锅炉氨混配燃烧器结构

12 一次氨供给管路、 13 一次氨控制阀、 14 一次氨供给枪、 15 二次氨供给管路、 16 二次氨控制阀

一次氨控制阀控制一次氨供给管路，将氨通过一次氨供给枪 输送到氨与纯氧预混室。

一次氨供给管路的截面包括但不限于圆形。一次氨供给管路和一次氨供给枪的截面直径范围为 0 . 5 一 500。出口端设置有一次氨控制阀、压力传感器和温度探头，当压力传感器检测到一次氨供给管路内的压力低于预设压力时，或者当温度探头检测到的温度高于预设温度时，则控制指令控制一次氨控制阀 关闭。出口端设置有流量传感器，当其检测到一次氨供给管路 中的流量不在规定阂值范围时，氨混配燃烧系统控制器发出指令调整氨流量。

二次氨供给管路  的截面包括但不限于圆形，其截面直径范围为 o . 1一 500。出口端设置有二次氨控制阀  。 经过二次氨供给管路  ，二次氨控制阀 控制将氨将直接输送到大型火电电站锅炉四角切圆燃烧区域。出口端设置压力传感器、温度探头和流量传感器。二次氨供给管路的出口端设置有二次氨控制阀、压力传感器和温度探头，当压力传感器检测到二次氨供给管路内的压力低于预设压力时，或者当温度探头检测到的温度高于预设温度时，则控制指令控制二次氨控制阀 关闭。出口端设置有流量传感器，当其检测到二次氨供给管路 中的流量不在规定阂值范围时，氨混配燃烧系统控制器 发出指令调整氨流量。

根据锅炉烟气的 Nox 的排放量，调整二次氨的加注量，即，二次氨控制阀 接收氨混配燃烧系统控制器的指令，调整进入大型火电电站锅炉四角切圆燃烧区域 H 的氨的压力、温度和流量。二次氨供给管路设置的加注氨喷口位于炉膛火焰上方（烟气流动方向），距离火焰的位置需要根据氨混配燃烧器替换锅炉的多层燃烧器某一层燃烧器的位置合理设定，并保证锅炉烟气的 NOX 的排放满足环保要求。

新型氨混配煤粉锅炉燃烧系统整体示意图

17 氨混配燃烧器、 18 点火器、 19 锅炉炉膛、 20 氨混配燃烧系统控制器、 21 氨储存装置、 22 纯氧供给装置、 23 纯氧检测器、 24 一次氨检测器、 25 二次氨检测器、 26 燃煤检测器、 27 助燃燃料检测器

新型氨混配煤粉锅炉燃烧系统包括：氨混配燃烧器 ，该燃烧器具有一种或多种燃料进口，使得不同形态的氨、纯氧、助燃燃料（氢、油或燃气）进入氨混配燃烧器  混配后，输送到与之相连的锅炉炉膛  ，使用点火器 点燃以进行燃烧。

一次氨供给管路  与氨储存装置 相连，向氨混配燃烧器 供应氨，一次氨检测器  检测氨的压力、温度和流量并反馈给氨混配燃烧系统控制器 ，其控制一次氨控制阀 来调整氨的输入量。

二次氨供给管路直接与锅炉炉膛连接，向其供应氨，二次氨检测器检测氨的压力、温度和流量并反馈给氨混配燃烧系统控制器  其控制二次氨控制阀以调整氨的输入量。

纯氧供给装置向氨混配燃烧器 供应纯氧，根据纯氧检测器检测到的氧的压力、温度和流量，调整供给量。燃煤检测器检测输入的煤粉浓度，将其调整至规定范围内，输入至氨混配燃烧器助燃燃料包括天然气、甲烷气、煤气、氢气、汽油、柴油中的一种或几种。助燃燃料检测器检测上述所用燃料的压力、温度和浓度，调整至规定范围内，输入至氨混配燃烧器。一次风供给装置和二次风供给装置，分别向所述系统输送煤粉和纯净空气。一次风检测器检测一次风的压力、温度和煤粉浓度，并反馈给氨混配燃烧系统控制器，以调节输入锅炉炉膛的一次风量和煤粉量。二次风检测器检测二次风的压力、温度和风量，并反馈给氨混配燃烧系统控制器，以调节输入锅炉炉膛的二次风量。本实用新型所提供的以氨作为燃料的必须组成部分的燃烧器，可以应用于火力发电厂、汽车发动机系统和内燃发电机等领域。这样做，不但可以降低现有化石燃料燃烧的碳排放强度，减少环境的污染；同时可以大量利用再生能源发电、电解制氢并合成氨，充分高效利用现有能源，使人类摆脱化石能源的梗桔，进入氨能源的新时代。

内容来源：热能圈