燃煤电站锅炉氨燃烧研究进展及展望

　　摘要 针对电站锅炉中的氨燃烧应用，首先介绍氨的基本物理化学性质、纯氨燃烧及氨与气/液体燃料混合燃烧的基础研究;然后针对新兴的燃煤电站锅炉掺氨燃烧技术，分别从氨-煤混合燃烧的燃烧与火焰传播特性、火焰形态及辐射特性、NOx 生成与排放特性等方面介绍当前研究进展;最后对电站锅炉氨燃烧的未来研究方向进行了分析和展望.氨-煤混燃可大幅降低电站锅炉碳排放，而对炉内温度特性无显著改变，虽然燃料氮的增加带来NOx 排放风险，但可以通过燃烧分级、燃烧组织等方式有效调控.因此氨-煤混燃是一种可行的减碳路径.以氨作为可再生能源的载体，实现热力、电力、动力等不同应用领域中的碳减排，并缓解或解决对有限化石能源的依赖，具有巨大的发展潜力和利用前景.

　　关键词 氨;煤;锅炉;燃烧;碳减排

　　气候变化已成为人类共同面临的最紧迫的挑战之一.温室气体，特别是 CO2 的大规模、高强度排放被认为是造成这一全球挑战的重要原因.温室气体净零排放及碳减排、碳达峰、碳中和正逐步成为国际社会的热门议题和主流目标.中国是当前全球碳排放最大的国家，面临着巨大的碳减排压力.我国碳排放八大行业依次为电力、钢铁、水泥、冶金、石化与化工、煤化工、交通、建筑，占全国碳排放总量近 90%.

　　其中，电力和热力生产行业为 51.4%，工业生产为 27.9% (2018年)[1]，占比最高.在这些重点行业进行碳减排已刻不容缓.电力是国家经济和社会发展的基础，在国民生活中具有不可或缺的地位.如何在保障电力生产和供应的同时实现电力行业碳减排、碳中和是世界各国面临的普遍挑战.我国经济社会仍处于快速发展阶段，能源与电力需求大，碳减排、碳中和时间余度少，这就对电力行业碳减排提出了更为严苛的要求.

　　然而，由于我国资源禀赋条件的特点，电力供应长期以来高度依赖高碳排放的化石能源，导致煤电在我国电力结构中具有主体电源和基础电源的双重地位(2020 年中国燃煤发电量占发电总量的63.2%[2]).我国燃煤火电行业规模巨大，燃煤发电装机容量高达 10.4 亿千瓦，占全球煤电总装机的50%[3].同时，我国燃煤机组服役年限短，煤电机组平均运行年龄约为 12 年，运行年龄为 20 年以下的机组占比高达 85%(美国和欧盟只有约 10%和20%)，技术先进完备，仍具有巨大的利用价值[4].我国与发达国家在煤电低碳转型中面临着巨大差异，煤电与火电设施在保障电力供应、实现碳减排的同时还对大规模新能源电力起到缓冲器和消纳器的作用.

　　如何使煤电机组更高效、清洁、低碳和灵活，使煤电机组与可再生电力有机融合互补发展，已成为电力部门和电力行业的迫切需求.在当前风电/光电等大规模存储、CCUS 技术尚无法成熟应用的现状下，利用低碳/碳中性燃料替代高碳煤燃料是一种具有潜力的火力发电碳减排技术.直接低碳燃料掺烧既可大幅降低碳排放又能充分利用燃煤电厂既有设备，既适用于新建机组也适用于已有机组低碳化改造，对我国实现由高碳电力快速、平稳过渡至低碳及零碳电力具有重要意义.

　　1 氨能源特性及发展应用

　　1.1 氨能源特性氨(NH3)作为一种无碳富氢的化合物，可以直接燃烧，是一种类似氢气(H2)的新型零碳替代燃料[5-8].在理想情况下，氨燃料的完全燃烧产物是氮气和水，无 CO2 排放风险，具有突出的低碳优势.氨气的质量能量密度低于氢气，但体积能量密度高于氢气，液氨体积热值比液氢高 45%.同时，相比于氢气，氨气具有易存储运输、易检测、安全性高等优良特性.在 25 ℃下加压至 1.03 MPa 或常压下达到33.4℃便可以液化[5-6,9-10]，液化难度和能量消耗远低于 H2，这使得氨的储存和运输非常容易;同时，合成氨的产业链与技术成熟，氨的运输及储存技术已在工业上广泛应用，可实现远距离大规模运输和跨区域调配.

　　1.2 氨能源技术的发展及应用氨的燃烧和能源化利用研究

　　最早起始于十九世纪，近年来在 CO2 减排和新能源开发利用的驱动下，氨能源受到越来越多的关注.美国(国防部、能源部、能源高级研究计划局、明尼苏达大学、耶鲁大学等)、日本(科学技术振兴机构、东北大学、大阪大学、北海道大学、IHI 公司等)、英国、澳大利亚、荷兰以及国际能源机构等先后对氨能源进行了研究.各国机构研究重点各有不同，研究方向包括内燃机、燃气轮机、电站和工业锅炉、燃料电池等多种形式的氨燃烧利用及氨电化学、光化学合成等[5,6,11-19].

　　美国国防部 DOD 早在 60 年代便围绕氨燃料开展了 Energy Depot 系列军用研究，研发了氨燃料火花点火发动机、压燃发动机、燃气轮机和火箭发动机;进入 21 世纪后，美国能源部 DOE 设立多项氨燃料研究项目，成立了氨燃料联盟，联合数十家单位促进氨燃料推广应用.2016 年，DOE 及能源研究计划署 ARPA-E 在 REFUEL 计划中，重点设置了多个围绕氨燃料的研究项目[20].

　　2021 年美国国会提出了 CLEAN Future Act 法案，拟将氨与氢气并列为合格低碳燃料[21].日本十分重视氨作为能量载体的潜力，作为其国家战略性创新创造方案(SIP)十个主题之一，实施 了 SIP Energy Carriers 项 目(2014~2018年)[22].SIP 项目的研究内容涵盖 NH3 燃烧机制等基础研究、各种 NH3 燃烧设备开发、在以燃气轮机为核心的天然气火电站和以蒸汽锅炉为核心的燃煤电站上开展氨-天然气和氨-煤混燃技术研究等.其中，IHI 公司已完成了中试规模(10 MW)氨煤混合燃烧技术实验，成功实现了热量比为20%的氨-煤掺混燃烧[23-25].

　　日本在 Chugoku 电力水岛发电厂 156 MW 燃煤机组上开展了氨-煤混燃(热量比为 0.6%~0.8%)发电的现场试验[26].该试验中，氨燃料可完全燃烧且 NOx 的排放量与单烧煤时无明显差别，初步证实了氨-煤混燃技术作为燃煤火电站 CO2 减排措施的可行性.目前，日本正规划在碧南火力发电厂 1 000 MW 燃煤机组上开展氨煤混燃试验，计划在2030 中期之前实现混燃 20%的氨[27].国际能源署(IEA)在《能源技术展望 2017-催化能源技术转型》[28]中，将氨列为一种能源载体，推动了将氨用作能量载体和潜在燃料的研究.

　　随后，在《The Future of Hydrogen》(2019)中将氨列为未来实现氢能源在交通、热力、钢铁、电力等领域广泛应用的重要路径[29].国际可再生能源署(IRENA)也高度重视低碳氨燃料在实现未来碳中和目标中的作用和重要性，将其列为实现碳中和的六条技术途径之一，并特别将其列为工业和交通等难以直接电能替代部门的重要解决方案[30].目前，氨的制取工艺已十分成熟，主要为哈伯-博施(H-B)法.但为获得零碳或低碳氨燃料，须将 H-B 工艺与碳捕集 CCS 技术相结合以降低氨合成过程碳排放[31].另外，也可由可再生能源制氨[12]和电化学还原氮制氨[32].

　　通过可再生电力电解水制氢，氢气与氮气合成制取零碳氨燃料，实现可再生能源的消纳和燃料化利用.近年来，我国日益重视氨能源的发展和利用.在《能源技术革命创新行动计划(2016–2030年)》中，将合成氨列为重要的氢气储运技术，并列入能源技术革命重点创新行动路线图中，推动发展以氨等为储氢介质的长距离、大规模氢的储运技术[33].

　　1.3 氨燃料促进低碳电力发展的优势氨能源和氨燃料的利用对促进低碳电力发展具有重要价值，为实现电力行业碳达峰、碳中和提供了具有竞争力的技术路径.作为化学储能的一种形式，可消纳富余的风电、光电等间歇性可再生能源，促进可再生能源的开发和利用.作为较高能量密度的化学燃料，易于存储和运输，可促进实现可再生能源的大规模、长时间存储和远距离、跨地域输运.储运及处置知识、技术和设施成熟，可适用于不同应用场景.

　　组成中不含碳元素，燃烧利用中不产生 CO2，可以替代高碳燃料，助力现有火电站快速实现 CO2 减排，同时也有利于在未来实现 CO2 排放监测情景下进行 CO2 排放核算.能源化利用方式多样，可用于车用/船用内燃机、燃气轮机、电站锅炉、工业窑炉等.综上所述，电站锅炉氨-煤混合燃烧或纯氨燃烧是一种有潜力的电站锅炉低碳化改造技术[34-35].

　　2 电站锅炉氨燃烧的研究进展

　　目前国内外关于氨燃料燃烧利用的研究涵盖内燃机[5,6,36-38]、燃气轮机[6]、电站锅炉、工业锅炉[39]、燃料电池[19,40-41]等领域，虽然已有相关综述进行了总结和介绍，但多侧重于氨燃烧反应动力学[9,10,42-43]、内燃机应用[44-45]、燃料电池应用[19,44-45]等.本研究重点关注燃煤电站锅炉中氨燃烧应用.

　　2.1 氨的燃烧特性氨的可燃极限范围较窄，可燃极限下限较高，与其他燃料相比火灾风险较低.但是，相比其他燃料，氨燃料存在自燃温度较高、着火能量较高、低位质量热值偏低、存在潜在 NOx 排放风险等问题.

　　此外，氨的燃烧速率非常低，因此在相同的流速和当量比条件下，与甲烷火焰相比，氨的火焰更宽更长.同时，氨燃烧火焰的颜色也与甲烷等碳氢燃料有明显不同，甲烷等碳氢燃料火焰因火焰中的 CH*高温自发光而呈蓝色，而氨燃料火焰因NH2*而呈现黄色.并且，NH2*的浓度会随氨燃料当量比增大而急剧增加，从而火焰会呈现更深的颜色[27,46-47].可见甲烷和氨的辐射传热特性可能不同[46-47].周上坤等[9]综合前人[48-52]对纯氨与空气预混火焰的未拉伸层流火焰传播速度 SL 相关研究，发现在 NH3当量比为 1.05 附近时获得了 SL的最大值，约为 7 cm/s，而 CH4 和 H2 的 SL 最大值则在 35cm/s 和 3 m/s 左右[53]，反应强度远大于纯 NH3 燃烧.Mathieu 等[54]探究了纯氨在空气中燃烧的容积热释放速率和火焰厚度，发现 NH3 的容积热释放速率要低于 CH4，而且 NH3 的火焰厚度(2.85 mm)要比 CH4的(0.44 mm)大.

　　氨-碳氢燃料掺烧是改善氨燃烧性能、实现氨燃烧利用的有效手段，在内燃机、燃气轮机及工业锅炉领域已开展了纯氨燃烧、氨与甲烷等气/液碳氢燃料混合燃烧相关技术的开发研究.Akamatsu等[39,55-57]围绕钢铁加热炉、玻璃熔炉等工业炉中使用氨燃料替换天然气相关技术进行了研究，重点关注了氨燃烧中 NOx 生成与控制、火焰的辐射传热等方面.

　　在燃气轮机使用氨燃料方面，日本东北大学、国立产业技术综合研究所(AIST)和 IHI 公司进行了相关研究.AIST 在 50kW 等级的燃气轮机装置上分别开展了煤油掺氨、甲烷掺氨以及 100%纯氨燃烧实验，验证了以氨为燃料的燃气轮机发电的可行性[27,59].IHI 公司在 2000 kW 级燃气轮机中进行了气态氨和天然气混合燃烧研究，实验中混合燃料可稳定燃烧[27,59-60].为实现稳定燃烧并减少氮氧化物，IHI 公司还对燃烧器进行了特殊设计，并开发了适用于液氨直接喷入燃烧器的氨燃烧技术，实验掺氨体积比最高达到约 70%.

　　2.2 氨-煤混合燃烧技术的小规模实验与模拟研究目前，关于电站锅炉氨燃烧、氨与固体燃料混合燃烧的研究十分缺乏，相关研究主要来自日本CRIEPI(电力中央研究所)、IHI 公司、北海道大学、大阪大学等.下面分别从燃烧特性(着火、燃烧、燃尽)、火焰特性(形态、温度、辐射)、污染物生成与排放特性等方面介绍氨-煤混合燃烧技术的研究现状.

　　2.2.1 燃烧与火焰传播特性燃料的稳定着火与燃烧是锅炉稳定运行的基础，Nagatani 与 Ishii 等[23]在 10 MW 煤粉燃烧试验炉实验中观察到：

　　当氨燃料通过煤粉燃烧器中心位置的管道给入时会延迟煤粉着火，导致火焰位置远离燃烧器出口，须通过燃烧器参数(如旋流强度)调整方可将着火位置恢复至与煤粉单独燃烧时相同的位置.Nakatsuka 与 Akamatsu 等[46,61-62]采用层流对冲式燃烧器，详细观察分析了煤-氨混合燃烧时的单颗粒煤粉燃烧行为，研究了煤粉与氨混合燃烧对单颗粒煤粉脱挥发分和碳烟形成过程的影响.在对冲燃烧器实验中，煤粉由氨气-空气预混气携带送入，随后在氢气/空气扩散火焰稳定的常压氨气火焰中燃烧.实验中采用配置了显微镜头的高速摄像机采集具有高时间/空间分辨率的过程图像.

　　同时，采用 LII(激光诱导炽光法)和 PAH-LIF(激光诱导荧光法)直接观测燃烧过程中碳烟和多环芳烃(PAH)在单个煤粉颗粒周围的空间分布.观测结果显示：当氨-煤混燃时，煤粉颗粒周围挥发分分布区域增大，且在煤衍生挥发性物质和氨燃烧作用下煤粉呈现出旋转行为.氨-煤混燃时两种燃料之间的相互作用也会导致火焰传播行为的不同.

　　Xia，Hadi 与 Fujita 等[63-64]采用定容燃烧弹装置结合 OH 自由基成像技术，首次对氨与煤粉颗粒群混合燃烧的湍流火焰传播行为开展了研究，重点探究了氨当量比对氨与煤粉颗粒群混合燃烧湍流火焰传播速度的影响.

　　结果显示：在所有湍流强度和当量比条件下，氨-煤粉云混合燃烧时的火焰传播速度均大于煤粉云单独燃烧.而氨-煤粉云混合燃烧时的火焰速度与纯氨单独燃烧时的火焰速度关系则与氨当量比密切相关.在低当量比条件(Φ<1)下，煤粉加入后受热释放出更多的挥发分，导致局部当量比增大;同时挥发分形成更多的碳烟，导致位于预热区内的待燃煤粉颗粒获得更多的辐射加热热流.

　　这两者对火焰传播产生的促进作用大于煤粉颗粒热解吸热导致局部温度降低的抑制作用，从而最终促进火焰的传播.而在高当量比条件(Φ>1)下，煤粉加入后因引入挥发分导致局部当量比增大带来的正面促进作用有限，导致氨煤粉云混合燃烧时的火焰速度反而小于纯氨单独燃烧时.

　　煤质差异(挥发分含量)也会显著影响氨-煤低当量比(Φ=0.6)混合燃烧时的湍流火焰速度.Xia，Hadi 与 Fujita 等[63-64]的结果显示：纯氨燃烧速度均大于煤粉颗粒群的燃烧速度;特别地，对于高挥发分煤种，掺氨后的氨-煤混合湍流火焰速度大于纯氨，约是纯氨燃烧时的 2 倍、煤粉云单独燃烧时的3 倍。

　　而对于低挥发分煤种，掺氨后的氨-煤混合湍流火焰速度与纯氨燃烧时差别不大;在部分煤种实验中，掺氨后的氨-煤混合湍流火焰速度甚至小于纯氨燃烧.煤粉在燃烧过程中依次经历水分析出、挥发分析出和着火、煤焦的燃烧和燃尽，其中挥发分的生成和转化对煤粉燃烧过程具有重要影响.高挥发分煤受热释放出更多的挥发分，导致局部当量比增幅更大;同时更易形成碳烟，使得炽光火焰锋面更接近反应锋面，导致位于预热区内的待燃煤粉颗粒获得更多的辐射热流.

　　这两者对火焰传播产生的促进作用大于煤粉颗粒热解吸热导致的局部温度降低，最终促进了火焰传播.而对于低挥发分煤，由于释放的挥发分少，前两方面的正面促进作用与第三方面的抑制作用相当，导致对火焰传播的促进作用不明显，甚至存在抑制作用.结合以上的研究可以发现：混燃中氨燃料会影响煤的着火行为，以及煤燃烧中挥发分的形成、分布与转化，混燃时的湍流火焰传播速度则与煤的挥发分含量密切相关.但目前氨与煤颗粒的详细反应机理与影响机制尚不明确，仍须进一步研究.

　　上述实验研究之外，部分研究者还通过数值仿真探究了高氨燃料掺烧比例、大容量锅炉等实验难度 较 大 情 形 下 的 NOx 生 成 行 为 与 影 响 因素.Ishihara 与 Zhang 等[69-70]采用零维数值模拟方法结合详细化学反应机理探究了 1000 MW 煤粉锅炉掺氨燃烧中氨掺烧比例(0~80%)及掺烧位置对NO 排放的影响.

　　结果显示：当氨均从燃烧器火焰区注入时，随着氨掺烧比例的增加，NH3 发生反应的位置、NO 峰值均向下游位置移动;并且，当NH3 掺烧比例在 20%时，NO 排放量小于煤单独燃烧时;20%~60%时，NO 随氨掺烧比例的增加单调增加;而当 NH3 掺烧比例进一步升高至 80%时NO 排放量将下降到 40%的水平.反应路径分析表明：

　　在 80%氨掺混比例下，大量 NH3 分解后通过与 NHi基团的反应转化为 N2，而不需经过 NO，从而抑制了 NO 的生成.这也正是氨-煤混燃与纯煤燃烧过程中 NOx形成机理的区别，NH3的加入会使燃烧过程中产生更多的 NHi 自由基，增加了 N 和NH 与 NHi基团的反应路径.为深入分析氨-煤混燃中 NOx 生成抑制机理，大阪大学研究团队借助对冲平面火焰燃烧器开展了煤粉掺氨燃烧实验，通过 NO-平面激光诱导荧光法(NO-PLIF)观 测 了 火 焰 中 的 NO 空间分布情况[71].

　　研究发现：在向煤挥发分燃烧后的气体中注入氨气后降低了生成的 NO 含量，确认了氨-煤混合燃烧中生成的 NO 可被注入的氨还原脱除.另外，Tsukada 等[62,72]发现燃料中一些杂质元素(如 Br，Cl，燃料 N，S)会减少火焰环境中的 O，H 和 OH 自由基，进而降低氨-煤混燃中 NOx 的浓度.而在氨与生物质混燃时，若 OH 自由基摩尔分数太低，则Cl 的还原作用会阻碍氨的分解，使氨留在富燃料区，随后与分级空气反应大量生成 NOx.

　　综上所述，氨-煤混燃中氨燃料的引入存在较大的 NOx 生成与排放风险，控制 NOx 生成具有较大挑战.NOx 生成受多种因素影响，现有研究初步揭示了小掺混比时各因素的表观影响规律，而对深层次的影响机制仍认识不足.大比例掺氨仍处于模拟阶段，对于流动和反应的综合影响仍不清楚，同时对多燃烧器情况下的 NOx 生成情况仍须进一步探究.

　　2.3 大型电站锅炉掺氨燃烧的试验和模拟研究2017 年 ， 日 本 Chugoku 电 力 水 岛 发 电 厂156MW 燃煤机组(2 号机组)上进行了世界首次氨煤混燃发电试验，NH3掺烧比例为 0.6~0.8wt%[26].试验机组总输出功率为 155 MW 左右，氨燃料掺烧量为 450kg/h(相当于 400kg/h 煤)，由原有脱硝液氨系统供应，通过汽化器气化后注入锅炉.

　　试验持续 7 天，对锅炉温度、煤炭消耗量、燃烧器情况、烟道出口 NOx 排放以及烟道出口 NH3 浓度进行了观测分析.试验结果所示：机组负荷 155MW 时，氨-煤混燃与纯煤燃烧时的 NOx 排放差值为-8×10-6~7×10-6，平均约为 0;机组负荷改为 120MW 时，两者差值为-1.4×10-5， 可 见 煤 燃 烧 中 掺 烧0.6%~0.8%的氨燃料不但不会增加 NOx 的生成反而可能有助于减少 NOx 排放，满足排放要求.

　　3 电站锅炉氨燃烧研究总结及展望

　　分别从燃烧与火焰传播、火焰形态、燃烧温度与辐射、NOx 生成与排放及未燃尽碳与未燃尽氨排放等角度对电站锅炉掺氨燃烧研究现状进行了总结与分析.可以看到：氨-煤混燃可大幅降低电站锅炉碳排放，而对炉内温度特性无显著改变，虽然燃料氮的增加带来 NOx 排放风险，但可以通过燃烧分级、燃烧组织等方式有效调控.因此氨-煤混燃是一种可行的减碳路径.

　　以氨作为可再生能源的载体，实现热力、电力、动力等不同应用领域中的碳减排，并缓解或解决对有限化石能源的依赖，具有巨大的发展潜力和利用前景.但是目前电站锅炉掺氨燃烧研究刚刚起步，在煤氨燃烧基础理论、燃烧技术及工程应用工艺方面仍十分薄弱，需要在以下方面进行深入研究：

　　3.1 燃烧基础理论燃烧基础理论是进行锅炉设计与优化的理论基础.目前，对氨-碳氢燃料混合燃烧的燃烧基础理论研究大多集中于氨与小分子气体燃料的混合燃烧方面，如 NH3-H2，NH3-CH4，NH3-合成气等燃料体系.而对于氨与煤、生物质等固体大分子碳氢燃料的混合燃烧行为认识尚十分缺乏.尤其在氨-煤混燃情况下，研究多在兆瓦级别的燃烧装置上开展，对于煤粉着火延迟、着火模式、挥发分燃烧及焦炭燃烧等燃烧特性缺乏深入理解.

　　3.2 污染物排放与控制污染物的生成、控制与排放是锅炉设计和运行中必须考虑的重要方面.掺氨燃烧中，NOx 是最受关注的污染物，现有研究大多围绕着 NOx 生成与排放，少量关注了 NH3，N2O 等污染物，但氨与煤等掺烧中煤中 N，S，Cl 等元素迁移和转化行为以及 HCN、含氮 PAH 等高毒性气态污染物的生成与排放行为尚未探究，有待研究确认.另外，煤中普遍存在矿物杂质，氨掺烧后带来的燃烧环境变化对矿物质转化及沉积行为、矿物颗粒物、碳烟颗粒物等有何影响，也有待研究.

　　3.3 模型开发、验证及模拟预测数值模拟计算是进行燃煤锅炉掺氨燃烧改造设计、评价和优化的重要手段.在模拟仿真过程中，锅炉、燃烧器等装置结构以及供风配风的运行参数需更加精细、准确，更接近现实，尽可能模拟出真实情形，并从多个角度验证模拟结果的准确性与正确性.流动、换热及反应模型是实现可靠仿真的基础，现有反应机理模型对大比例氨掺烧条件的适用性尚需评估.

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　　3.4 技术系统开发、优化及工业示范燃煤火电机组进行掺氨改造，须全面考虑锅炉燃烧设备、烟气处理等大量装置的匹配和优化.目前，针对高浓度、大比例掺氨情形的低污染物掺氨-煤粉燃烧器设计及炉膛燃烧策略仍缺少探究.另外，现有研究更多关注的是掺氨后污染物排放量的变化，对于锅炉尾部污染物控制设备(SCR，ESP，FGD 等)调整的研究仍缺乏.现有研究大多为小规模实验室研究，将氨大规模实现在现役锅炉上仍须进一步的工业示范.同时，系统开发中还须关注NH3的腐蚀性等问题，进行针对性设计.

　　参考文献

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　　作者：徐静颖 a朱鸿玮 a徐义书 a于敦喜 b