內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高正平高級(jí)工程師和東南大學(xué)段倫博教授等結(jié)合國(guó)內(nèi)外氨燃燒技術(shù)研究成果，綜述了氨燃料的物化特性和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究成果，梳理了氨燃料在燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池以及鍋爐等應(yīng)用背景下的研究進(jìn)展。相較于傳統(tǒng)氫氣、甲烷等燃料，氨層流火焰速度低，反應(yīng)活性較弱為燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)不同摻混系統(tǒng)，學(xué)者已建立豐富的氨化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，可為氨燃燒應(yīng)用打下基礎(chǔ)。氨燃料燃?xì)廨啓C(jī)已完成純氨燃燒試驗(yàn)，并結(jié)合SCR裝置可實(shí)現(xiàn)較低NOx排放，溫和燃燒與液氨噴射等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了氨在燃燒器內(nèi)的燃燒性能。

面向零碳電力的氨燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

高正平1，涂安琪1，李天新2，段倫博2

1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司

2.東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

研究背景

在全球碳減排大背景下，無(wú)碳燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。氨能源具有生產(chǎn)技術(shù)工業(yè)化成熟、儲(chǔ)存運(yùn)輸難度小以及燃燒零碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是化石替代能源的有力競(jìng)爭(zhēng)者。氨燃料的研究與應(yīng)用將有助于改善我國(guó)傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。但氨作為燃料存在燃燒不穩(wěn)定、層流火焰速度低以及NOx排放高等問(wèn)題，氨燃燒技術(shù)研究亟待推進(jìn)。

研究?jī)?nèi)容

綜述了氨燃料的物化特性和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，梳理了氨燃料在燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池以及鍋爐等應(yīng)用背景下的研究進(jìn)展。氨能源作為有望替代氫氣的新一代能源載體，其燃燒應(yīng)用可大幅降低動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的碳排放量。在基礎(chǔ)燃燒方面，學(xué)者為揭示氨氧化過(guò)程機(jī)理，進(jìn)行了大量的氨燃燒試驗(yàn)及并建立了相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型。在應(yīng)用領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)有效促進(jìn)了氨的燃燒，相關(guān)研究已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的初期階段。內(nèi)燃機(jī)在雙燃料燃燒策略下，已成功驗(yàn)證氨摻混燃燒內(nèi)燃機(jī)的可行性。

研究結(jié)論

1）對(duì)氨燃燒基本特征的理解仍需進(jìn)行大量研究。優(yōu)化普適性氨燃燒動(dòng)力模型，建立針對(duì)不同摻混體系的特定氨燃燒動(dòng)力模型。

2）燃燒策略中，氫氨摻混燃燒系統(tǒng)亟待開(kāi)發(fā)研究。該系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，不僅燃燒無(wú)碳，且可通過(guò)裂解氨原位產(chǎn)生氫氣，穩(wěn)定氨燃燒過(guò)程，是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。

3）針對(duì)尾氣排放問(wèn)題，不同動(dòng)力設(shè)備需采用不同的尾氣處理策略進(jìn)行應(yīng)對(duì)。如燃?xì)廨啓C(jī)中采用加濕燃燒等先進(jìn)燃燒技術(shù)以及優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)等；內(nèi)燃機(jī)中采用噴射策略優(yōu)化和尾氣后處理裝置應(yīng)用等。

4）氨煤摻燒鍋爐試驗(yàn)亟待進(jìn)行。氨與煤混燒時(shí)涉及的非均相燃燒過(guò)程有待進(jìn)一步探索，氨在不同燃煤設(shè)備中的燃燒特性試驗(yàn)也需重點(diǎn)研究。

重要圖表

表1 不同燃料燃燒特性對(duì)比

圖1 氨層流火焰速度變化曲線

圖2 氨氧化機(jī)制Miller模型

圖3 氨燃燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)裝置示意

圖4 固體氧化物燃料電池原理示意

圖5 氨燃料電池汽車SOFC系統(tǒng)示意

圖6 臥式試驗(yàn)爐摻氨燃燒示意

引用格式：高正平,涂安琪,李天新,等.面向零碳電力的氨燃燒技術(shù)研究進(jìn)展[J/OL].潔凈煤技術(shù):1-14 [2022-03-15].DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CC22011901.

GAO Zhengping, TU Anqi, LI Tianxin, et al.Recent advances on ammonia combustion technology for zero-carbon power[J/OL].Clean Coal Technology:1-14 [2022-03-15].DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CC22011901.

作者簡(jiǎn)介

高正平，內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院高級(jí)工程師，工學(xué)博士，國(guó)家二級(jí)安全評(píng)價(jià)師，中電聯(lián)環(huán)境保護(hù)技術(shù)標(biāo)委會(huì)委員。主要從事燃煤電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)、靈活性改造技術(shù)、CO2捕集技術(shù)研究，參加多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)及內(nèi)蒙古電力公司項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，主編專著2部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)，獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中電聯(lián)科技創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、內(nèi)蒙古電力公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)等多項(xiàng)科技獎(jiǎng)勵(lì)。入選中組部第12批“西部之光”訪問(wèn)學(xué)者。

通訊作者

段倫博，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事節(jié)能減排和碳中和技術(shù)的研發(fā)工作。國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者、入選國(guó)家第四批“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才。2018年和2014年分別獲得教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第1和排名第4）。2018年獲得首屆中國(guó)能源研究會(huì)“優(yōu)秀青年能源科技工作者獎(jiǎng)”。主持國(guó)家自然科學(xué)基金4項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng)，任務(wù)2項(xiàng)，973子課題1項(xiàng)，并獲多項(xiàng)包括美國(guó)能源部、韓國(guó)科技部在內(nèi)的外資項(xiàng)目。在PECS、C&F、PCI、ES&T、CEJ等國(guó)際權(quán)威刊物上發(fā)表論文140余篇，其中SCI收錄論文110余篇，論文引用超過(guò)3900次，個(gè)人H因子35。擔(dān)任《Cleaner Chemical Engineering》副主編、《燃燒科學(xué)與技術(shù)》編委、《潔凈煤技術(shù)》青年編委、《動(dòng)力工程學(xué)報(bào)》青年編委、中國(guó)工程院院刊《Engineering》青年通訊專家。擔(dān)任國(guó)際燃燒學(xué)會(huì)會(huì)刊《Proceedings of the Combustion Institute》等11個(gè)期刊的杰出審稿人。以第1發(fā)明人申報(bào)發(fā)明專利23項(xiàng)，目前授權(quán)17項(xiàng)，公開(kāi)6項(xiàng)。