学术报告

本文为一篇关于热动力学与燃煤/氨共燃发电技术的原创研究文章，题为“Nitric oxide (NO) and nitrous oxide (N2O) emissions during selective non-catalytic reduction and selective catalytic reduction processes in a pulverized coal/ammonia co-fired boiler”，发表在2023年《Journal of Environmental Chemical Engineering》。主要作者包括Minkyu Jeon、Eunsong Lee、Minsu Kim等，分别来自韩国机械材料研究所（Korea Institute of Machinery & Materials）、SK Ecoplant公司以及韩国电力公司所属研究机构。

背景与研究意义

本研究围绕如何有效降低热电厂中氮氧化物（NOx）和一氧化二氮（N2O）的排放展开。在全球变暖和气候变化日益严峻的背景下，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）以及氟氯烃（CFC）等温室气体的排放问题备受关注。而作为温室效应贡献度远高于CO2的气体，N2O成为本研究的重点目标。传统燃煤火力发电厂排放的大量温室气体和空气污染物已造成严重的生态环境问题，而氨（NH3）作为一种零碳燃料被视为未来的潜力型能源。本文研究结合了燃煤与氨共燃的新型燃烧技术，旨在探讨如何通过选择性非催化还原（SNCR）与选择性催化还原（SCR）技术降低NOx与N2O的排放量，并优化热电厂的整体操作条件。

研究流程与方法

研究以一系列燃烧实验为核心，通过5个主要步骤展开实验和数据分析。

1. 研究装置与实验条件： - 利用一台电加热流化床模拟炉代表工业热电厂的燃烧环境，其热功率为5 kW，反应器全长为5米，燃烧温度在850–950℃之间。 - 研究所用燃料为工业比特明烟煤，粒径约为200微米，含碳量约70.95%，热值为6100 kcal/kg。 - 氧化剂为空气，流量为70 L/min，空气/燃料当量比（AFR）为151%。一氧化二氮生成与裂解的实验依赖反应温度、空气分阶段输送，以及还原剂（尿素溶液和氨水）的类型。

2. 化学还原过程研究： - 在选择性非催化还原（SNCR）过程中，将尿素溶液注入高温区域（850℃或以上）研究NOx还原反应。选择性催化技术（SCR）则在较低温度环境（300℃）中进行，并采用Ti-V-W基催化剂。 - 研究使用气体分析仪测量和记录反应后烟气中氧气（O2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、NOx和N2O的浓度变化。

3. 燃煤/氨燃烧特性研究： - 比较单纯燃煤与燃煤/氨共燃的排放特性，重点考查N2O生成量对氧气浓度、不完全燃烧过程以及温度的依赖关系，并对N2O的分解动力学进行建模分析。

4. 还原剂类型的影响： - 分别使用尿素溶液和氨水作为还原剂，考察其对SNCR和SCR过程中NOx去除效率和N2O生成的影响。

5. 多级燃烧与操作优化： - 探讨单段燃烧、多段燃烧模式下NOx生成的抑制效果，优化不同燃烧/还原过程的操作条件，最终通过组合SNCR和SCR技术实现NOx与N2O的协同控制。

研究结果

1. 烟气行为：

   • 在基本燃烧条件（AFR 151%，燃烧温度850℃）下，N2O生成量随氧气浓度降低而增加，并在不完全燃烧区域呈显著升高。
   • 对比发现，NO浓度高时N2O浓度较低，表明两者呈负相关关系。伴随CO浓度线性增加，N2O生成量同步增加。

2. 多级燃烧的效果：

   • 多级燃烧显著抑制了热NOx生成，NO浓度较单级燃烧降低至75 ppm；联合SNCR和SCR方法使得NO浓度进一步降低到6 ppm。
   • N2O浓度虽在SNCR条件下升高至26 ppm，但通过优化操作条件可减至最低3 ppm。

3. 不同还原剂的影响：

   • 使用尿素溶液的SNCR反应中，N2O生成量随着尿素投入量增加呈线性升高，而NOx浓度同步降低。
   • 使用氨水时，N2O生成量基本保持恒定，但SNCR的NOx去除效率较尿素略低。
   • SCR过程中，尿素和氨水的NOx去除效率相当，两者均未引起N2O的显著生成。

4. 反应温度对N2O的影响：

   • 高温（950℃）条件下，N2O分解显著，最终排放浓度随时间减少；低温（850℃）条件下，由于尿素分解产生的中间产物累积，N2O浓度呈现升高趋势。

结论与研究意义

1. 尿素溶液作为还原剂在高温区域的分解反应会促进N2O的生成，但通过调整操作温度和停留时间可以有效控制N2O的最终排放量。
2. SCR技术在300℃以下工况中对N2O生成影响甚微，这使得该技术在温室气体控制方面展现出潜在优势。
3. 研究结果不仅为未来碳中和背景下氨燃料的清洁能源应用提供了理论依据，更在实践中指出了通过空气分段供应、多级燃烧与优化操作条件降低NO与N2O排放的可能性。

研究亮点

1. 揭示了燃煤与氨共燃条件下NO↔N2O反应机制，以及两者的转化关系和影响因素，为优化减排策略提供了重要理论支持。
2. 对比了尿素与氨水在SNCR和SCR中的差异反应机理与性能，为选择适配的还原剂提出了指导性意见。
3. 提出了在高温下通过自然分解实现N2O控制的可能性，以及SCR工艺在温室气体减排中的实际应用潜力。

研究不仅为热电厂排放治理提供了前瞻性分析，也为实现零碳燃烧技术进一步开发和工业化应用铺平了道路。未来针对纯氨燃料的研究，以及氨燃烧过程中NO和温室气体协同减排技术的开发，仍有广阔的探索空间。