內蒙古電力（集團）有限責任公司高正平高級工程師和東南大學段倫博教授等結合國內外氨燃燒技術研究成果，綜述了氨燃料的物化特性和化學反應動力學研究成果，梳理了氨燃料在燃氣輪機、內燃機、燃料電池以及鍋爐等應用背景下的研究進展。相較于傳統(tǒng)氫氣、甲烷等燃料，氨層流火焰速度低，反應活性較弱為燃燒器優(yōu)化設計帶來了挑戰(zhàn)。針對不同摻混系統(tǒng)，學者已建立豐富的氨化學反應動力學模型，可為氨燃燒應用打下基礎。氨燃料燃氣輪機已完成純氨燃燒試驗，并結合SCR裝置可實現較低NOx排放，溫和燃燒與液氨噴射等技術進一步優(yōu)化了氨在燃燒器內的燃燒性能。

面向零碳電力的氨燃燒技術研究進展

高正平1，涂安琪1，李天新2，段倫博2

1.內蒙古電力（集團）有限責任公司 內蒙古電力科學研究院分公司

2.東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室

研究背景

在全球碳減排大背景下，無碳燃料產業(yè)發(fā)展面臨巨大機遇和挑戰(zhàn)。氨能源具有生產技術工業(yè)化成熟、儲存運輸難度小以及燃燒零碳環(huán)保等優(yōu)勢，是化石替代能源的有力競爭者。氨燃料的研究與應用將有助于改善我國傳統(tǒng)能源結構，實現碳減排目標。但氨作為燃料存在燃燒不穩(wěn)定、層流火焰速度低以及NOx排放高等問題，氨燃燒技術研究亟待推進。

研究內容

綜述了氨燃料的物化特性和化學反應動力學研究，梳理了氨燃料在燃氣輪機、內燃機、燃料電池以及鍋爐等應用背景下的研究進展。氨能源作為有望替代氫氣的新一代能源載體，其燃燒應用可大幅降低動力設備運行過程中的碳排放量。在基礎燃燒方面，學者為揭示氨氧化過程機理，進行了大量的氨燃燒試驗及并建立了相關動力學模型。在應用領域，燃氣輪機燃燒室設計有效促進了氨的燃燒，相關研究已進入商業(yè)化應用的初期階段。內燃機在雙燃料燃燒策略下，已成功驗證氨摻混燃燒內燃機的可行性。

研究結論

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

2）燃燒策略中，氫氨摻混燃燒系統(tǒng)亟待開發(fā)研究。該系統(tǒng)布置簡單，不僅燃燒無碳，且可通過裂解氨原位產生氫氣，穩(wěn)定氨燃燒過程，是未來研究的重點之一。

3）針對尾氣排放問題，不同動力設備需采用不同的尾氣處理策略進行應對。如燃氣輪機中采用加濕燃燒等先進燃燒技術以及優(yōu)化燃燒器設計等；內燃機中采用噴射策略優(yōu)化和尾氣后處理裝置應用等。

4）氨煤摻燒鍋爐試驗亟待進行。氨與煤混燒時涉及的非均相燃燒過程有待進一步探索，氨在不同燃煤設備中的燃燒特性試驗也需重點研究。

重要圖表

表1 不同燃料燃燒特性對比

圖1 氨層流火焰速度變化曲線

圖2 氨氧化機制Miller模型

圖3 氨燃燃氣輪機試驗裝置示意

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研究進展[J/OL].潔凈煤技術: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.

作者簡介

高正平，內蒙古電力科學研究院高級工程師，工學博士，國家二級安全評價師，中電聯(lián)環(huán)境保護技術標委會委員。主要從事燃煤電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術、靈活性改造技術、CO2捕集技術研究，參加多項國家級、省部級及內蒙古電力公司項目，發(fā)表學術論文10余篇，主編專著2部，授權國家發(fā)明專利2項，獲得內蒙古自治區(qū)科學技術進步二等獎1項，中電聯(lián)科技創(chuàng)新成果一等獎1項、內蒙古電力公司科技進步一等獎2項等多項科技獎勵。入選中組部第12批“西部之光”訪問學者。

通訊作者

段倫博，東南大學能源與環(huán)境學院教授/博士生導師，長期從事節(jié)能減排和碳中和技術的研發(fā)工作。國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金獲得者、入選國家第四批“萬人計劃”青年拔尖人才。2018年和2014年分別獲得教育部自然科學獎二等獎（排名第1和排名第4）。2018年獲得首屆中國能源研究會“優(yōu)秀青年能源科技工作者獎”。主持國家自然科學基金4項，國家重點研發(fā)計劃課題1項，任務2項，973子課題1項，并獲多項包括美國能源部、韓國科技部在內的外資項目。在PECS、C&F、PCI、ES&T、CEJ等國際權威刊物上發(fā)表論文140余篇，其中SCI收錄論文110余篇，論文引用超過3900次，個人H因子35。擔任《Cleaner Chemical Engineering》副主編、《燃燒科學與技術》編委、《潔凈煤技術》青年編委、《動力工程學報》青年編委、中國工程院院刊《Engineering》青年通訊專家。擔任國際燃燒學會會刊《Proceedings of the Combustion Institute》等11個期刊的杰出審稿人。以第1發(fā)明人申報發(fā)明專利23項，目前授權17項，公開6項。