内蒙古电力（集团）有限责任公司高正平高级工程师和东南大学段伦博教授等结合国内外氨燃烧技术研究成果，在近日网络首发的的《面向零碳电力的氨燃烧技术研究进展》一文中，综述了氨燃料的物化特性和化学反应动力学研究成果，梳理了氨燃料在燃气轮机、内燃机、燃料电池以及锅炉等应用背景下的研究进展。
这篇文章也是《洁净煤技术》2022年第3期“‘燃煤+’耦合低碳发电及综合利用技术”专题的特约稿件。
相较于传统氢气、甲烷等燃料，氨层流火焰速度低，反应活性较弱为燃烧器优化设计带来了挑战。
针对不同掺混系统，学者已建立丰富的氨化学反应动力学模型，可为氨燃烧应用打下基础。氨燃料燃气轮机已完成纯氨燃烧试验，并结合SCR装置可实现较低NOx排放，温和燃烧与液氨喷射等技术进一步优化了氨在燃烧器内的燃烧性能。
一、研究背景
在全球碳减排大背景下，无碳燃料产业发展面临巨大机遇和挑战。氨能源具有生产技术工业化成熟、储存运输难度小以及燃烧零碳环保等优势，是化石替代能源的有力竞争者。氨燃料的研究与应用将有助于改善我国传统能源结构，实现碳减排目标。但氨作为燃料存在燃烧不稳定、层流火焰速度低以及NOx排放高等问题，氨燃烧技术研究亟待推进。
二、研究内容
综述了氨燃料的物化特性和化学反应动力学研究，梳理了氨燃料在燃气轮机、内燃机、燃料电池以及锅炉等应用背景下的研究进展。氨能源作为有望替代氢气的新一代能源载体，其燃烧应用可大幅降低动力设备运行过程中的碳排放量。
在基础燃烧方面，学者为揭示氨氧化过程机理，进行了大量的氨燃烧试验及并建立了相关动力学模型。在应用领域，燃气轮机燃烧室设计有效促进了氨的燃烧，相关研究已进入商业化应用的初期阶段。内燃机在双燃料燃烧策略下，已成功验证氨掺混燃烧内燃机的可行性。
三、研究结论
（1）对氨燃烧基本特征的理解仍需进行大量研究。优化普适性氨燃烧动力模型，建立针对不同掺混体系的特定氨燃烧动力模型。
（2）燃烧策略中，氢氨掺混燃烧系统亟待开发研究。该系统布置简单，不仅燃烧无碳，且可通过裂解氨原位产生氢气，稳定氨燃烧过程，是未来研究的重点之一。
（3）针对尾气排放问题，不同动力设备需采用不同的尾气处理策略进行应对。如燃气轮机中采用加湿燃烧等先进燃烧技术以及优化燃烧器设计等；内燃机中采用喷射策略优化和尾气后处理装置应用等。
（4）氨煤掺烧锅炉试验亟待进行。氨与煤混烧时涉及的非均相燃烧过程有待进一步探索，氨在不同燃煤设备中的燃烧特性试验也需重点研究。
四、重要图表
表1 不同燃料燃烧特性对比
图1 氨层流火焰速度变化曲线
图2 氨氧化机制Miller模型
图3 氨燃燃气轮机试验装置示意
图4 固体氧化物燃料电池原理示意
图5 氨燃料电池汽车SOFC系统示意
图6 卧式试验炉掺氨燃烧示意
引用格式：高正平,涂安琪,李天新,等.面向零碳电力的氨燃烧技术研究进展[J/OL].洁净煤技术:1-14 [2022-03-15].DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.CC22011901.
作者简介
高正平，内蒙古电力科学研究院高级工程师，工学博士，国家二级安全评价师，中电联环境保护技术标委会委员。主要从事燃煤电站锅炉燃烧优化技术、灵活性改造技术、CO2捕集技术研究，参加多项国家级、省部级及内蒙古电力公司项目，发表学术论文10余篇，主编专著2部，授权国家发明专利2项，获得内蒙古自治区科学技术进步二等奖1项，中电联科技创新成果一等奖1项、内蒙古电力公司科技进步一等奖2项等多项科技奖励。入选中组部第12批“西部之光”访问学者。
通讯作者
段伦博，东南大学能源与环境学院教授/博士生导师，长期从事节能减排和碳中和技术的研发工作。国家自然科学基金优秀青年基金获得者、入选国家第四批“万人计划”青年拔尖人才。2018年和2014年分别获得教育部自然科学奖二等奖（排名第1和排名第4）。2018年获得首届中国能源研究会“优秀青年能源科技工作者奖”。主持国家自然科学基金4项，国家重点研发计划课题1项，任务2项，973子课题1项，并获多项包括美国能源部、韩国科技部在内的外资项目。在PECS、C&F、PCI、ES&T、CEJ等国际权威刊物上发表论文140余篇，其中SCI收录论文110余篇，论文引用超过3900次，个人H因子35。担任《Cleaner Chemical Engineering》副主编、《燃烧科学与技术》编委、《洁净煤技术》青年编委、《动力工程学报》青年编委、中国工程院院刊《Engineering》青年通讯专家。担任国际燃烧学会会刊《Proceedings of the Combustion Institute》等11个期刊的杰出审稿人。以第1发明人申报发明专利23项，目前授权17项，公开6项。
