含碳摻氨燃料的研究進展

賴詩妮，江麗霞，李軍，4，5，黃宏宇，5，小林敬幸

（1 中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2 中國科學技術大學能源科學與技術學院，廣東 廣州510640；3 中國科學院重大科技任務局，北京 100864；4 江西省碳中和研究中心，江西 南昌 330096；5 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458；6 名古屋大學化學系統(tǒng)工程系，日本 名古屋 464-8603）

由于人口數(shù)量在不斷增多和人們生活水平日漸提升，國家能源的需求量在逐年上升[1]。從表1 中可以看出，近幾年來，煤炭、石油、天然氣等化石能源依然占據(jù)主導地位[2]。但隨著社會發(fā)展，持續(xù)大規(guī)模使用化石燃料將會造成能源危機、環(huán)境污染、溫室效應等問題。另外，2020 年，兩會的政府工作報告中明確提出在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”和在2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標[3]。因此，研發(fā)低碳清潔能源以減少化石能源的消耗迫在眉睫。

表1 2015—2020年的能源消費情況[2]

在這種背景下，氫儲能技術得以快速發(fā)展。氫氣具有高達121MJ/kg 的質量能量密度，并且燃燒性能良好、安全性較高，是理想的清潔能源[4]。但是，儲存氫氣困難限制了其大規(guī)模應用[5]。為了尋求更好的能源替代品，Christensen等[6]在“氫經(jīng)濟”的基礎上提出“氨經(jīng)濟”的概念。氨是一種重要的化工品和無碳燃料，被廣泛應用于生產(chǎn)生活中。然而，傳統(tǒng)哈伯法合成氨所需原料的生產(chǎn)過程均要投入大量化石能源，這不利于氨的清潔利用。但近期隨著可再生能源的迅速發(fā)展，電解水制氫、電空分和電化學制氨等技術均可以實現(xiàn)綠色制氨，氨在可再生能源系統(tǒng)中也起到清潔儲能的作用。在應用方面，除了用于制備化肥、前體化學品以及用于降低NOx排放，直接將氨作為無碳燃料進行利用得到了越來越廣泛的關注。圖1中展示了一種利用氨進行儲能的清潔能源系統(tǒng)構想[7]。由此可見，在“雙碳”的發(fā)展背景下，氨作為儲能載體既可用于實現(xiàn)可再生清潔能源的大規(guī)模消納，也有利于促進能源的低碳清潔利用，它在可再生能源系統(tǒng)中的優(yōu)勢日益明顯。

圖1 清潔能源系統(tǒng)中氨的合成、儲存及運輸概念[7]

近年，氨作為新型的零碳燃料得到越來越多的關注。許多研究機構如國際能源機構、日本的東北大學、美國的明尼蘇達大學、日本的IHI公司、美國的能源部等都對氨燃料進行了一定的研究[8-10]。在未來，氨燃料還會得以進一步發(fā)展。如國際可再生能源署將氨燃料列入實現(xiàn)碳中和的六條途徑之一[11]；日本計劃于2030年之前，在1000MW燃煤機里實現(xiàn)氨濃度高達20%的煤摻氨混合燃燒[12]；美國在2021 年國會上提出將氨作為合格的低碳燃料[13]；澳大利亞計劃投資建設“亞洲可再生能源中心”，用可再生能源發(fā)電的電力合成可供進出口的氨，這也有利于氨燃料在全球范圍內(nèi)的流動[14]。本文基于目前氨摻雜含碳燃料（煤和甲烷）的研究現(xiàn)狀，從基本理論和燃燒優(yōu)化兩個角度進行綜述。

1 NH3 燃料的特性

氨是由氮和氫兩種元素組成，其中含氫量可高達17.7%（質量分數(shù)），是一種無色且有刺激性氣味的氣體[15]。在生產(chǎn)方面，它既能利用化石能源為原料制備而成，又能利用太陽能、生物質能和風能等清潔能源制得，是一種比較理想的能源載體[16-18]。在性能方面，其具體參數(shù)以及與其他常見燃料的性能對比如表2所示。與同為無碳燃料的氫氣相比，雖然氨氣的質量熱值比氫氣低，但是它的體積熱值高于氫氣[5]。與含碳燃料甲烷和甲醇相比，氨氣具有高辛烷值、較高含氫氣量以及能量密度相當?shù)葍?yōu)點，是潛在可行的替代燃料。在功能方面，它可用于生產(chǎn)硝酸和化肥、為燃料電池提供氫源、作為燃料提供能量等，廣泛應用于日常的生產(chǎn)和生活中[19-20]。

表2 氨與其他燃料的性能對比[21]

現(xiàn)階段相關基礎設施已大規(guī)模建成，氨的生產(chǎn)和儲存成本較低。據(jù)統(tǒng)計，生成氨的成本大約為13.3USD/GJ，接近氫的三分之一[5]。在儲存方面，氨在室溫和壓力為0.8MPa 的條件下就能以液氨的形態(tài)進行儲存，儲存成本低[22-23]。在安全性方面，氨的著火范圍比較窄，在運輸過程可以實現(xiàn)無火焰運輸，大大減少了運輸時發(fā)生意外的概率。在排放特性方面，氨燃料充分燃燒時比傳統(tǒng)燃料更加低碳且清潔環(huán)保。研究表明將純氨作為燃料來驅動發(fā)動機運行，其燃燒產(chǎn)物中溫室氣體的含量可比傳統(tǒng)重質燃油的含量少69%[24]。這主要是因為氨中不含碳元素，燃燒過程中幾乎不產(chǎn)生二氧化碳等含碳溫室氣體。

由于氨燃料的燃燒性能較差，它并未得到大規(guī)模的推廣應用。氨的可燃極限范圍小，在空氣中氨的極限范圍僅為15.0%～28.0%（體積分數(shù)）[25]。且點火所需的能量多，據(jù)研究最小點火能量為8mJ[26]。在燃燒過程中，純氨的層流燃燒速度低。在大氣壓條件下，不同當量比條件下的純氨燃料的層流燃燒速度如圖2 所示[27]。由圖2 可以得出，純氨燃料在空氣中燃燒的最大層流燃燒速度約為7cm/s。與層流燃燒速度分別約為300cm/s和40cm/s的氫氣或甲烷相比，純氨在燃燒過程中的傳播性能較差[27-28]。目前已開展不少研究來改善這一不足，如在純氨燃料中添加氫氣、甲烷、合成氣等燃燒性能更好的燃料[29-30]，或在富氧、預熱等條件下進行燃燒[31-32]。污染物排放方面，氨燃料在實際的燃燒過程中存在較高的氮氧化物排放。根據(jù)原理不同，可大致分為熱力型NOx和燃料型NOx兩類。熱力型NOx主要是通過N2+O=== ===== NO+N、N+O2=== ===== NO+O和N+OH=== ===== NO+H反應產(chǎn)生[33]。燃料型NOx主要是氨燃料在氧化過程中產(chǎn)生的，通常受到當量比、溫度、壓力等方面因素的影響。因此，在實際應用過程中控制燃燒條件對降低NOx排放至關重要。

圖2 大氣壓條件下不同當量比的層流燃燒速度對比[27]

2 煤摻氨燃料體系

在我國的能源體系中，含碳化石燃料依然占據(jù)主導地位。使用含碳燃料摻氨無須對現(xiàn)有的鍋爐、發(fā)動機、燃氣輪機等設備進行大幅調整，可縮短改進的周期。另一方面，在短時間內(nèi)較難實現(xiàn)利用可再生能源清潔生產(chǎn)氨，并將生產(chǎn)的氨完全替代傳統(tǒng)的煤炭。因此，在煤、甲烷等常用含碳燃料中摻氨是短期實現(xiàn)碳減排的可行方案。目前關于煤摻氨燃燒利用過程的綜述側重于進行基礎燃燒特性規(guī)律的介紹[10,34]。因此，本文重點對煤摻氨燃燒過程的反應機理、模型及燃燒過程的優(yōu)化方案進行總結。

2.1 煤摻氨燃燒的基礎理論

作為煤炭大國，我國長期以來的主要能源來源是煤炭，而大量使用煤炭造成嚴重的碳排放。隨著實現(xiàn)“雙碳”任務的時間越來越緊迫，研發(fā)新興的燃煤電站摻氨技術在保障能源供應的同時，在實現(xiàn)低碳減排的目標上有很大潛力。因此，近期不少研究人員開展了新興的燃煤摻氨技術的研究。

在煤粉中添加氨后，燃料在鍋爐中的燃燒性能會發(fā)生變化。研究表明添加氨會導致混合燃料的點火性能變差，鍋爐中火焰的著火位置出現(xiàn)偏離[35]。在燃燒過程中，摻氨還會導致火焰溫度比純煤燃燒降低100K左右[36-37]。另外，混合燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧驗閾桨北群兔航M分的不同而存在差異。如貧氨條件下，發(fā)光火焰的強輻射作用和揮發(fā)分造成的局部當量比增加，更有利于促進煤摻氨火焰?zhèn)鞑?；而在富氨條件下，局部當量比增加則不利于火焰?zhèn)鞑38]。不同品種的煤對火焰?zhèn)鞑ヒ泊嬖诓煌潭鹊挠绊?。如圖3 所示，揮發(fā)性物質更高的煙煤（C5）的反應面與發(fā)光面之間的距離更短，其煙灰的形成速度比高燃料比煤（UL） 更快，火焰速度也更快[39]。

圖3 氨/煤顆?；旌先紵幕鹧鎸Ρ萚39]

在煤摻雜氨過程中，火焰形狀會發(fā)生變化。如在熱功率為8.5MW 的鍋爐中，通過模擬可知當氨含量超過40%時，火焰形狀會從正常的旋流火焰變成細長狀[40]?；鹧嫘螤畹母淖儠е洛仩t中各爐墻上的熱流分布發(fā)生明顯的變化。不同摻氨比的混合燃料在燃燒過程中的換熱方式存在差異，這也會影響鍋爐內(nèi)的溫度分布。如當摻氨比小于60%時，顆粒輻射強度對爐墻上的換熱影響更明顯；而進一步提高摻氨比時，對流換熱的作用更加明顯[40]。因此，需要根據(jù)煤摻氨燃燒的具體情況對常用的燃煤鍋爐結構進行調整，從而保障鍋爐的安全高效穩(wěn)定運行。

在排放特性方面，在煤粉摻氨的鍋爐中，NOx的形成與煤和氨都有巨大的關系。圖4 為Wang等[41]結合實驗研究總結的煤摻氨燃燒過程中的主要反應路徑。從圖中可以看出HNO是影響NO產(chǎn)生的關鍵基團。煤炭中含氮的主要反應路徑為揮發(fā)分→HCN→HNO→NO。氨主要有兩條反應路徑，在貧燃條件下的主要反應路徑為NH3→H2NO→HNO→NO；在低氧條件下的主要反應路徑為NH3→NH2→NNH→N2。研究發(fā)現(xiàn)，在反應過程中當氨含量較低時，HNO與H、O、OH自由基反應以及H與NO2自由基反應來產(chǎn)生NO；當氨含量進一步升高時，NH2和NH自由基能將NO還原為N2。同時，NH3能消耗大量的O，抑制HCN 轉化為HNO，從而降低NO排放。

圖4 煤摻氨燃燒過程中與NOx形成的相關反應路徑[41]

氨不僅可以作為燃料參與反應，還能在摻雜煤共燃過程中作為NOx的還原劑。因此，研究反應過程中的NO 還原機理對于降低NOx排放至關重要。由于煤摻氨共燃過程中，高溫的氣固兩相流反應復雜并且反應還原區(qū)中的還原物質多樣，現(xiàn)階段很難闡述完整的NO還原機理。已有的研究中大多數(shù)關注的是NH3和NO 均相反應的還原機理，而共燃過程中其他氣體組分的均相還原機理以及固體如焦炭、礦物質、堿金屬等成分對NO還原反應的影響尚處于初步探究階段。如在均相反應過程中，煤粉燃燒產(chǎn)生的CO能將NH3還原NO關鍵反應能壘降低53.90kJ/mol，對還原反應有協(xié)同作用[42]；在異相反應區(qū)中，煤焦對NH3還原NO 具有協(xié)同作用，而煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的CO削弱焦炭表面NO和NH基元的非均相還原反應，存在輕微抑制作用[42]。在煤中的礦物質影響方面，鐵對煤摻氨燃燒過程中NO的非均相還原起到抑制作用，提高了該還原反應的反應能壘，不利于降低NOx排放[43]。還有以堿金屬和硫為代表的微量元素也會對煤摻氨的排放特性造成影響。在氧化作用環(huán)境下，二氧化硫為代表的硫化物對NO生成無影響，以KOH為代表的堿金屬能顯著降低NO生成；在還原條件下，硫化物和堿金屬能抑制NH3的分解[44]。

在推廣煤摻氨燃料的應用過程中，相關數(shù)值模擬必不可少?，F(xiàn)階段適用于氨摻煤粉的反應模型仍有待完善。除了完善模型中的氣相燃燒反應，還需考慮氣固的異相反應對排放特性的影響。如在燃煤鍋爐的高溫低氧還原區(qū)，NO 和NH3、焦炭、煙塵的異相反應機理仍需進一步研究。因為減少NO和其與烴類自由基的反應以及與煙塵或煤焦之間的異相反應有關，所以在反應模型中應該包含煙塵和煤焦的反應。目前機理方面的研究工作主要是完善共燃時揮發(fā)燃燒部分的詳細機理，對于異相反應方面，則多采用簡化的煙塵和焦炭的氣固反應模型進行分析[45-46]。在煤粉摻氨燃燒過程中的主要化學反應及各組分反應參數(shù)如表3所示。另外，煤炭組分復雜，存在多種微量元素和礦物質。大部分文獻尚未在模型中體現(xiàn)礦物質和微量元素對煤摻氨燃燒過程的影響。未來可進一步探究摻氨對煤中As、Cd、Hg、Pb 等有毒有害微量元素的遷移和轉化過程的影響。同時，煤中的鹵族元素在燃燒過程中會釋放出酸性氣體，影響燃燒性能以及污染物的排放。因此，未來仍需探究F、Cl、I 等典型鹵族元素對煤摻氨燃燒過程中OH、HCN、NHi等自由基的影響，進一步完善鹵族元素對混合燃料燃燒特性和NOx生成影響的相關基礎數(shù)據(jù)。

表3 煤摻氨過程主要反應及部分動力學參數(shù)

2.2 煤摻氨燃燒的燃燒應用優(yōu)化

在實際燃燒器的應用研究過程中，氮氧化物排放量與煤摻氨燃料中的氨含量存在非線性關系，并且受到注射燃料方式以及燃燒環(huán)境等因素的影響。目前在實驗研究方面，主要集中在摻氨比較低的條件下進行排放特性研究。如當摻氨的最高濃度為20%，NOx排放量出現(xiàn)先降低后升高的趨勢[53-54]。 摻氨比高燃燒主要是通過實驗模擬進行研究，如Ishihara等[49]通過模擬初步分析氨體積分數(shù)高達80%的條件下污染物生成情況。研究發(fā)現(xiàn)當氨體積分數(shù)小于20%時，摻氨后燃燒產(chǎn)生更多煤焦，導致NO排放量比純煤燃燒要少；當摻氨體積分數(shù)為20%～60%之間時，隨著氨含量的增加，燃燒產(chǎn)生的燃料型NOx增加，NO排放增加；當氨體積分數(shù)高于60%時，由于大部分NH3不需要分解后反應生成NO，而是直接與NHi基團反應生成N2，以及存在未反應的NH3還原NO的現(xiàn)象，NO含量反而大幅減少。

另外，噴射氨燃料的方式也會影響NOx的排放。如在商業(yè)化應用的1000MW鍋爐中研究煤摻氨的燃燒場，發(fā)現(xiàn)從火焰區(qū)域注射氨燃料到鍋爐中比在燃燒器內(nèi)以及火上風區(qū)域噴入產(chǎn)生的NO少，甚至低于煤粉燃燒的排放量[49]。除了注射燃料的位置，注射燃料的比例分配也存在影響。IHI 公司混合燃燒了1.0～1.6kg/h 煤和0.46t/h 氨，從距燃燒器噴嘴一段距離處注入20%的氨燃料所產(chǎn)生的NOx和CO 會比和煤粉一起從燃燒器入口注入產(chǎn)生的量要更小[55]。煤摻氨混合燃料燃燒的NOx排放還受分級燃燒風率和過量空氣系數(shù)的影響。研究表明隨著分級燃燒風率增加，NOx含量先減少后增大[35-36,56]。在過量空氣系數(shù)方面，研究發(fā)現(xiàn)混合燃料中的NOx隨著過量空氣系數(shù)的增大而增多[36]。

除了改變不同的燃燒條件，還能從優(yōu)化燃燒器結構來調節(jié)污染物排放。如Tamura 等[37]在常用的IHI 低NOx旋流燃燒器中引入不同孔徑和開口角度的氨燃料注射器，如圖5 所示。開口角度為40°和孔徑為6.4mm的氨燃料注射噴嘴的NOx和未燃碳飛灰的排放量比純煤粉顆粒燃燒要低，性能最好。其原因主要是該開口角度和孔徑下，氨氣被注入到煤粉旋流燃燒器產(chǎn)生的再循環(huán)燃燒區(qū)，這有利于減小燃燒空氣的擴散角，得到更大的共燃比。另一方面，將氨噴入循環(huán)氣流中有利于將未燃的煤粉顆粒推入到空氣流中進行燃燒。因此，在實際應用過程中，結合燃燒過程中的流場分布，改進燃燒器結構能有效降低污染物排放。未來還可從反應機理的角度深入探究不同流場中摻氨對煤粉的均相和異相反應的影響，從而為燃燒器設計提供更全面的分析和參考。

圖5 三種用于煤摻氨燃燒的氨燃料噴嘴結構設計[37]

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀及展望

在國際上，煤摻氨混合燃燒技術仍處于起步階段，尚未實現(xiàn)廣泛的工業(yè)化應用。在國外，處于研究前沿的國家的目標仍為實現(xiàn)摻氨比為20%的混合燃料穩(wěn)定燃燒。如日本的中國電力株式會社曾將煤摻氨混合燃料用于水島發(fā)電機組中[57]。受氨氣化器的容量限制，摻混氨的容量為0.6%～0.8%之間。通過測量發(fā)現(xiàn)，添加氨后能在達到排放環(huán)境標準的情況下實現(xiàn)降低碳排放，這證明煤摻氨混合燃料具有用于大規(guī)?；虡I(yè)應用的潛力。日本的電力公司JERA計劃在2030年前關閉所有的燃煤發(fā)電廠，并在2040 年前將氨燃燒技術引入到燃煤發(fā)電站中。JERA 和IHI 公司還將會聯(lián)合研發(fā)適用于1000MW級燃煤電廠的20%氨混燃技術[58]。其中，JERA 公司主要負責采購氨和相關建造，IHI 公司則主要負責改善燃燒器，該項目改造如圖6所示。

圖6 鍋爐和發(fā)電廠的改造示意圖[58]

在國內(nèi)，也有不少研究人員對改造適用于氨燃料的燃煤鍋爐性能進行了評估，并提出了相應的改善方案，取得了不錯的成果[34,59]。如2022年，國家能源集團宣布可在40MW燃煤鍋爐中實現(xiàn)摻氨燃燒熱量比例高達35%的技術[60]，并且摻氨工況下的運行效率比相同負荷下的純?nèi)济汗r更高，NOx排放更低。這意味著我國的煤摻氨混合燃燒技術實現(xiàn)了新突破，達到了國際領先水平。后續(xù)也將在更大容量的燃煤鍋爐上開展工業(yè)示范，為未來火電行業(yè)實現(xiàn)大規(guī)模碳減排提供了可行的方案，推動實現(xiàn)“雙碳”目標的進程。

綜上，在基礎燃燒特性方面，摻氨會改變煤燃料的點火性能、火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴⑤椛浜蛯α鲹Q熱方式等。這些特性的改變與摻氨量和煤種類都密切相關。但目前，不同工況下煤摻氨混合燃料的詳細反應機理模型、火焰形態(tài)以及具體傳熱規(guī)律仍有待進一步研究。氮氧化物的排放是限制煤摻氨混合燃料推廣應用的重要因素。目前的研究主要集中在初步分析氨比例較少時，不同燃料組分、注射策略、燃燒條件等對NOx排放的影響。實際燃燒過程中的生成NOx的機理研究尚且不足，并且在現(xiàn)有的大型電站中，使用摻氨比超過20%的混合燃料進行燃燒實驗的研究較少，尚且無法驗證模擬的準確性，在工業(yè)應用設備中的NOx形成規(guī)律尚不清晰。另外，還需根據(jù)實際應用情況，進一步探索適合的摻氨比、注射方式、分級燃燒策略以及燃燒器結構，從而降低NOx排放。

3 甲烷摻氨燃料體系

甲烷是天然氣的主要成分，具有高達25%的含氫量。它是含氫量最高且含碳量最低的烴類，擁有與氨相似的物理特性。在燃燒過程中，甲烷所需的點火能比純氨低，通常能在空氣中燃燒并且釋放出大量的熱量。甲烷摻氨為化石燃料逐步過渡到低碳清潔能源提供了一定的參考。

3.1 甲烷摻氨燃燒的基礎理論特性

目前，已大量開展關于NH3/CH4的燃燒特性及排放特性方面的研究。如Xiao等[61]較全面地比較了Tian、Mendiara、Konnov、?bo Akademi（?A）和GRI五個機理的模擬結果以及實際燃氣輪機中NH3/CH4混合燃料的點火延遲時間[61-66]。他們發(fā)現(xiàn)在點火延遲特性方面，壓力的影響很大而當量比的影響相對較小。另外，甲烷摻氨燃燒還能有效改善氨燃料的熄火極限、層流燃燒速度和熱釋放速率。近期還逐步開展了甲烷摻氨的湍流火焰特性的相關研究，研究表明甲烷摻氨火焰曲率與純氨相似，且隨著湍流的增加，火焰拉伸效應不會發(fā)生顯著的變化[67]。在湍流火焰?zhèn)鞑シ矫妫捎诨鹧姹砻鏌釘U散的不穩(wěn)定性，當量比為0.9 條件下的混合燃料可以在高湍流強度條件下傳播[68]。

在排放特性方面，甲烷摻氨的排放特性與純氨類似，貧燃條件下NOx排放最多。研究表明，在貧燃條件下，甲烷摻氨中的含碳和含氮組分之間的耦合關系很小[69]。NOx的產(chǎn)生主要取決于氨的氧化反應。同時，增加甲烷會提高燃燒過程中OH自由基的含量，導致NH2自由基含量減少，從而抑制了NO 的還原反應。除了當量比和甲烷組分的影響，升高壓力有利于降低NOx的排放。這主要是因為在高壓條件下反應對NO的轉化影響很大[61]。另外，Valera-Medina 等[70]還研究了NH3/CH4混合燃料在實際燃氣輪機條件下的排放特性，如圖7所示。從圖中可以看出，當量比大于1.1時，氮氧化物含量可以小于20×10-6。這主要是因為燃燒過程中，組分NH2*被消耗反應了。而當量比大于1.1時，CO 的排放量則可以達到900×10-6。最后綜合考慮CO、THC 和NH3等多項燃燒產(chǎn)物的排放量，得到當量比為1.14～1.25 時不完全燃燒產(chǎn)物最少的結論。

圖7 不同當量比條件下的排放特性 [70]

在反應機理方面，現(xiàn)階段已針對甲烷摻氨混合燃燒過程提出了較多的反應機理。本文重點對常用于甲烷摻氨燃燒過程的反應機理及其應用的情況進行總結，如表4所述。從表4中可知，機理的適用范圍存在差異。如GRI3.0 和SanDiego 反應機理適用于高壓條件下模擬，而Tian和Okafor反應機理則更適用于低壓條件下的模擬。因此，近期的研究主要集中在完善甲烷摻氨的機理。如Bao 等[71]基于GRI3.0反應機理，進一步補充和完善了NH3、NH2、CH3等自由基的反應機理，提高模型的準確性。Kovaleva 等[72]根據(jù)實驗數(shù)據(jù)更新優(yōu)化Okafor 機理中的NH 和HNO 中間體以及熱力型NOx的相關反應。Wang 等[73]基于反應動力學模擬提出了適用于高溫高壓條件下的混合燃燒反應機理。

表4 甲烷摻氨部分反應機理及適用情況

3.2 甲烷摻氨燃燒的燃燒應用優(yōu)化

基于此，不少研究還致力于優(yōu)化燃氣輪機中的燃燒策略，從而降低NOx排放。如不同的燃料預混方式會影響排放特性。Okafor 等[81]在燃氣輪機中測量得到，在單級燃燒中預混NH3/CH4混合燃料的NOx排放可達到5000×10-6，這是相同條件下NH3/空氣混合物的兩倍以上[81-82]。研究發(fā)現(xiàn)，在貧燃條件下，非預混NH3/CH4燃燒比預混NH3/CH4燃燒更有利于還原NO，降低氮氧化物排放。研究者還得出NOx的排放趨勢和OH 的趨勢非常類似的結論。通過濃淡燃燒的方式來控制污染物的排放，NOx可低至49×10-6，燃燒效率可達到99.8%，主燃燒區(qū)的最佳當量比在1.30～1.35之間。

Li等[83]用Tian的反應機理分別對代表燃氣輪機中主燃燒區(qū)域的模型及代表燃燒后區(qū)域的模型進行研究。發(fā)現(xiàn)隨著混合燃料中NH3的增加，排放中NOx增加主要是因為增強了主燃燒區(qū)域中HNO的反應途徑。而HNO的反應途徑受當量比的影響很大，如在富燃條件下，通過HNO 反應路徑生成NOx的反應可以被其他反應抵消掉，從而降低NOx的排放。基于此，研究者提出了主燃燒區(qū)的當量比為1.5 的空氣分級模型燃燒系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，當混合燃料中NH3的體積分數(shù)達到40%時，NOx的排放量仍可以低于30×10-6。

由于用氣態(tài)氨作為燃料比直接燃燒液態(tài)氨的成本高并且啟動時間長，近期研究人員還對燃氣輪機中高效燃燒液態(tài)氨進行進一步研究。Okafor 等[84]首次研發(fā)出能燃燒液氨噴霧的新型旋流燃燒器，如圖8 所示。這個燃燒器燃燒過程用溫度高達500K 的預熱空氣來促進液滴的擴散和蒸發(fā)，同時添加了CH4來助燃和降低火焰高度。研究發(fā)現(xiàn)，當混合燃料中氨占比70%時，火焰能在當量比為0.66～1.37的范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒。在排放性能方面，在當量比為1.06 時，NOx的排放量最低，這也說明二級燃燒器中一次燃燒區(qū)處于輕微的富燃狀態(tài)可降低NOx的排放。接著他們還采用新型的二級燃氣輪機燃燒器來研究液氨噴霧燃燒的火焰穩(wěn)定性和排放控制問題[85]。研究表明進氣溫度高和壁面熱損失低能降低NO、N2O 和未燃氣體的排放量。值得注意的是，雖然沒有壁面冷卻的燃燒器能提高NH3/CH4混合燃料的穩(wěn)定性和降低污染物的排放，但是一次燃燒區(qū)域會存在壁面溫度不均勻的現(xiàn)象，從而增加污染物排放。因此仍需進一步研究來改善這一問題。

優(yōu)化燃燒器的結構設計也有利于提高甲烷摻氨混合燃料的燃燒性能。近期的研究主要集中在甲烷摻氨預混燃燒的旋流燃燒器優(yōu)化上，而擴散燃燒的燃燒器優(yōu)化設計相對較少，燃燒器的設計方案總結如表5 所示。在預混燃料旋流燃燒器設計的過程中，常見的設計為旋流葉片結構的設計以及添加具有穩(wěn)流作用的鈍體結構的設計。最近還有利用雙旋流燃燒器分別注入甲烷和氨燃料的設計方式。這樣能在提高燃燒穩(wěn)定性的同時，有效降低NO排放[86]。通入貧甲烷/空氣燃料的外旋流燃燒器能有效改善火焰的吹熄極限，同時增加外旋流燃燒器中的當量比能實現(xiàn)減少高達620×10-6的NO 排放量。這主要是因為在NH3/空氣火焰中，大部分氨完全氧化成氮的過程中需要消耗O/OH 自由基。而甲烷的主要反 應 路 徑（CH4→CH3→CH2O→HCO→CO→CO2）能不斷產(chǎn)生H原子，能強化O/H的分支反應，促進生成N2的反應。

3.3 發(fā)展現(xiàn)狀及展望

NH3/CH4混合燃料的應用研究主要集中在燃氣輪機方向上[89]。甲烷的加入能改善氨的燃燒性能并且增強了氨基燃料在燃氣輪機中燃燒的穩(wěn)定性。如Kurata 等[90]初步建立了包含燃料供應系統(tǒng)、氨氣壓縮系統(tǒng)、燃氣輪機機組、SCR降NOx設備以及裝載系統(tǒng)的小型發(fā)電系統(tǒng)。其中，燃氣輪機采用日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所的50kW 典型微型燃氣輪機系統(tǒng)。在微型燃氣輪機的轉速同為80000r/min 條件下，NH3燃料的發(fā)電功率可操作性的范圍為31.6～41.6kW，而NH3/CH4燃料的發(fā)電功率范圍可擴大到15.8～41.8kW，如圖9 所示。在工業(yè)改造方面，尚處于初步嘗試階段。日本的石川島重工業(yè)株式會社將20% NH3/80%CH4燃料用于2MW 級燃氣輪機中進行發(fā)電[91]。該系統(tǒng)效率和燃用天然氣的效率相近，排放尾氣中的NOx可低至7×10-6，進一步證明燃料的可行性。在工業(yè)應用研究方面，Iki 等[92]在豐田公司的燃氣輪機的基礎上，研發(fā)了50kW的雙燃料微型燃氣輪機。而后又基于此燃燒器進一步優(yōu)化，開發(fā)了適用功率范圍更廣、燃燒更穩(wěn)定且NOx排放更低的濃淡分級燃燒器[93]。

圖9 轉速為80000r/min時NH3/CH4為燃料的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)效率 [90]

綜上，在基礎燃燒特性方面，目前關于不同條件下甲烷摻氨的層流燃燒速度、點火特性、熄火極限等已開展了大量的研究，但關于湍流與火焰的相互作用研究相對較少。反應機理方面，應進一步擴充和完善被忽略組分對反應的影響。如GRI3.0 機理中不包括N2H2和N2H3，但是這些組分對火焰層流燃燒速度的影響很大，并且兩者反應產(chǎn)生的NH自由基影響NO 的排放量[74]。另外，甲烷摻氨混合燃燒過程中兩種燃料之間的相互反應也可能會影響模型預測的準確性，因此需要進一步優(yōu)化完善反應機理。

在應用方面，現(xiàn)階段對甲烷摻氨燃料的燃氣輪機整體性能、效率及排放規(guī)律有了初步的研究。并且針對降低NOx排放，提出了一些燃氣輪機適用的燃燒策略及優(yōu)化的燃燒器結構。但目前燃燒器的設計主要用于預混燃燒。而工業(yè)中常用的是擴散燃燒方式，針對擴散燃燒的設計及優(yōu)化相對較少，仍需進一步綜合考慮燃燒策略和燃燒器結構優(yōu)化，從而實現(xiàn)燃料高效清潔燃燒。

4 結語

氨的含氫量可高達17.7%（質量分數(shù)），其體積能量密度高，是良好的儲氫介質及能源載體。目前，氨的生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)确矫姘l(fā)展成熟，使用成本較低。另外，使用過程中比較安全且完全燃燒時只產(chǎn)生氮氣和水。因此，氨在緩解能源危機和減少碳排放方面有很大的潛力。但氨的燃燒性能較差，如點火能量高、層流燃燒速度低、不完全燃燒時NOx的排放較高，這限制了氨的進一步推廣應用。另一方面，現(xiàn)階段中國仍以煤炭、天然氣等化石燃料為主要能源來源，因此在化石能源中摻氨有利于在短時間內(nèi)快速推進降碳減排的進程。

本文主要闡述了煤摻氨和甲烷摻氨混合燃料的基礎研究，并從燃燒策略以及燃燒器設計兩個角度總結了兩種燃料的燃燒優(yōu)化方法。對于煤摻氨燃燒技術，國內(nèi)外研究多基于兆瓦級的燃燒設備開展，成果頗豐。其中，我國已在40MW燃煤鍋爐中實現(xiàn)了摻氨比高達35%的混合燃料穩(wěn)定燃燒，達到世界領先水平。而甲烷摻氨混合燃燒技術的應用研究成果則較少。千瓦級微型燃氣輪機和兆瓦級燃氣輪機的研究相對不成熟。從目前的研究情況而言，實現(xiàn)氨燃料大規(guī)模應用仍面臨著挑戰(zhàn)。

未來，在理論基礎研究方面，兩種含碳摻氨燃料均需進一步完善反應機理。尤其是煤摻氨混合燃料，目前此類燃料的研究聚焦較宏觀的燃燒規(guī)律的研究，而基礎燃燒特性的研究相對欠缺。另外，實際燃燒過程中的流場情況如考慮湍流與火焰的相互作用的研究相對不足，仍需發(fā)展更能準確反映不同應用場景下燃燒情況的模型。在應用方面，燃燒的技術應用以及燃燒器的設計仍需進一步優(yōu)化。兩種混合燃料應用設計的側重點有所差別，如在煤摻氨燃燒技術方面應進一步提高氨含量。而甲烷摻氨燃燒技術已經(jīng)可以實現(xiàn)摻氨比高達80%的燃料穩(wěn)定燃燒，未來的側重點則是提高不同應用場景的適應性，改善混合燃料的燃燒性能。除此之外，還可以研發(fā)適用于含氨燃料的新型輔助燃燒技術，從而提高火焰穩(wěn)定性并實現(xiàn)低碳減排的目標。