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主办单位：煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
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“氨合成与利用”专题

来源：洁净煤技术

专题来自于《洁净煤技术》2024年05期，共8篇研究成果。

行业视野

煤化工

类别

38个

关键词

42位

专家

8篇

论文

3088IP

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1426次

下载量
  • 化学链合成氨研究进展与展望

    作者(Author)： 王润泽, 冯圣, 王雅维, 高文波, 郭建平, 陈萍

    摘要：氨主要被用作生产氮肥的原料,近年来被认为是一种具有重要应用前景的能源载体。目前工业合成氨主要采用Haber-Bosch工艺,该过程严重依赖化石能源,是高能耗、高碳排放过程,为生态环境带来巨大压力。因此,开发温和条件下可再生能源驱动的绿色合成氨过程具有重要的实用意义和社会价值。化学链合成氨过程是将合成氨反应解耦为两步或多步反应,具有规避催化中普遍存在的Scalingrelations关系、避免氮气和氢气竞争吸附、可常压操作等特点,被认为是一种具有应用前景的合成氨技术。此外,该过程适合于分布式、小型化的生产模式,便于与可再生能源利用过程相耦合。因此,近年来化学链合成氨受到广泛关注。本综述首先简述了化学链过程的定义及其在化石能源转化领域的研究概况,随后重点介绍化学链合成氨的发展历史、载氮体分类及近期研究进展,最后对载氮体材料的设计思路及化学链合成氨过程的前景进行展望。根据载氮体不同,分别介绍了二元金属氮化物、多元金属氮化物、亚氨基化物及氮氧化物等载氮体材料在分别以N2-H2和N2-H2O为原料的化学链合成氨过程中材料种类、反应热力学及动力学、合成氨速率等方面研究成果。此外,由于近期外场驱动合成氨取得了较好进展,根据外场驱动力不同,分别介绍了以电、光、等离子体、微波等为外加能量形式的化学链合成氨过程。并从热力学及动力学两方面分别介绍了载氮体材料的改进策略。最后,对化学链合成氨技术存在的问题及外来研究方向进行展望。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    563
    211
  • 铬掺杂铝基载氮体的化学链合成氨特性及机理

    作者(Author)： 吴锦, 纪镇岗, 吴烨, 刘冬

    摘要：铝基载氮体化学链合成氨是一种具有良好发展潜力的新型合成氨技术,在高效合成氨的同时实现煤炭等碳基能源的清洁利用。然而,在氮化反应温度下铝基载氮体不可避免会转化为活性较低的α-Al2O3,降低氨合成效率。为解决这一问题,利用共沉淀法制备了一系列Cr掺杂的CA-x%(x=0、2.5、5.0、7.5、10.0)载氮体样品用于化学链合成氨反应特性研究。XRD、XPS表明,Cr原子均匀掺杂进入Al2O3晶格内部并提高了其氧活性。将5种载氮体样品用于氮化-氨化反应试验,结果表明CA-5%载氮体的合成氨性能最佳,其NH3收集量约为未掺杂时的3倍,Cr掺杂同时促进了氮化和氨化反应的进行。利用MaterialStudio软件建立载氮体的氮化反应模型,DFT计算结果表明Cr原子的掺杂可显著降低氮化反应过程中CO的生成以及N2解离吸附过程的能垒,Cr掺杂后Al2O3的晶格氧稳定性降低,氧原子更易从载氮体表面解离且更易与N2反应生成氮化铝。最后选用CA-5%载氮体进行10次氮化-氨化反应试验验证了Cr掺杂铝基载氮体的循环稳定性。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    283
    143
  • 风光互补发电制氢耦合合成氨系统的配置分析

    作者(Author)： 龚思琦, 杨洋, 李初福, 白祝洽, 孙浩哲, 张晓方, 许明

    摘要：将可再生能源制氢与传统化工过程结合实现电-氢-化耦合,不仅可提高可再生能源的利用消纳,还有利于化工过程的绿色低碳转型。针对电-氢-化耦合系统中存在的可再生能源波动性与化工过程稳定性需求的矛盾,建立了大规模风光互补发电制氢-储氢-合成氨系统的配置模型,基于西北地区典型风光发电曲线研究风光配比、制氢容量、制氢最小负荷和氢气储罐体积等关键参数对系统运行的影响规律,并分析系统的全年运行特性。计算结果表明:当风光配比为8∶3且制氢容量与风光平均输出功率接近时,可在较小储罐体积工况下降低网电补充。制氢最小负荷降低和储罐体积增加有利于降低网电补充,有望实现系统纯绿电运行。当系统参数配置为风光配比8∶3、制氢容量400MW、制氢最小负荷20%和氢气储罐体积100000m3时,全年平均网电补充比例在5%左右。对系统8760h的模拟结果表明,制氢装置的负荷调节可减缓系统受风光发电波动的影响,通过储氢装置的进一步缓冲,可实现合成氨装置在50%~110%负荷的连续运转。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    445
    213
  • 氨燃料在燃烧设备中的应用及展望

    作者(Author)： 张瑞方, 张扬, 张海

    摘要：在碳中和战略背景下,氨(NH3)作为一种无碳燃料受到广泛关注,近年来在全面开展氨燃料燃烧基础研究的同时,也在多种工业设备上开展应用研究和工程示范。介绍多种应用场景氨燃料经济性的最新进展,综述了氨燃料在燃煤锅炉等燃烧设备中的应用研究进展,重点关注各类应用研究在克服氨燃烧性质较差、NOx排放高两大技术挑战上采取的措施,展望了氨燃料燃烧技术发展前景。工业应用研究表明,氨燃料可通过与原有燃料或H2、甲烷等高活性燃料掺混燃烧提高燃烧强度,甚至可通过预热、催化分解及富氧等措施实现单独燃烧;在各类燃烧设备中降低NOx最普遍有效方法是空气分级燃烧。内燃机中NH3较易稳定燃烧,但NOx排放偏高,控制NOx排放是未来工作重点。NH3燃料在燃气轮机的应用研究主要集中在数值模拟和少量小型燃机试验,实现NH3稳定、低NOx燃烧,但缺乏大型燃机工业研究。NH3燃料在锅炉上应用研究集中在煤粉锅炉中氨煤混燃,我国近期在300MW煤粉锅炉上开展最大掺NH3热值比为35%的工业试验。发展更高掺NH3比燃烧技术是该应用方向发展的重点。循环流化床(CFB)锅炉NH3燃烧技术具有独特优势,建议重点关注。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    472
    193
  • 煤粉掺氨空气分级燃烧排放特性及炉内过程烟气特性试验

    作者(Author)： 汪鑫, 韦耿, 王勇, 李维成, 陈钧, 范卫东

    摘要：以往针对氨煤掺烧研究多集中在数值模拟及小型试验炉,大型试验炉上多为技术可行性的点工况试验。在一台50kW自持燃烧下行试验炉中在不同工况下针对燃煤掺氨燃烧产物的排放和过程分布特性展开研究,重点分析了不同掺氨比例、燃尽风率及运行氧量的影响。为充分了解氨与煤燃烧过程中对NO生成的贡献,针对纯氨燃烧进行一系列试验。试验结果表明,空气分级燃烧可大幅降低燃煤掺氨燃烧NO的排放,掺氨比例为10%~90%时NO排放质量浓度在170~215mg/m3,同纯煤燃烧NO排放质量浓度处于同一水平;最佳燃尽风比率维持在38%附近,继续增大燃尽风比率不会进一步降低NO排放,反而会导致燃烧不充分等负面影响。纯氨燃烧利用空气分级技术可以很好地控制出口NO浓度,但纯氨燃烧稳定性远不及氨煤掺混燃烧,运行氧浓度较低时易出现氨逃逸现象。燃煤掺混氨燃烧既可解决氨燃烧困难、出口NO排放浓度过高的问题,又可减少燃煤CO2排放,是一项极具潜力的技术路线。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    414
    193
  • 典型高碱煤灰对氨煤混燃中氨氧化反应特性的影响

    作者(Author)： 朱生刚, 姚鑫, 崔立明, 李明, 张素, 蒋禾青, 牛涛, 谭厚章, 王学斌

    摘要：氨能作为一种零碳燃料,取代部分煤炭混燃可有效降低电厂原有污染物排放,促进燃煤电厂向煤氨混燃电厂的转型。但由于氨能中含氮量过高,导致NOx排放问题备受关注。在复杂的氨煤混燃过程中,有必要探索NOx排放与煤灰之间存在的关联性。燃煤电厂中高碱煤作为一类开发应用前景广阔的煤种,其中高含量的金属氧化物对氨氧化反应的排放特性却鲜有研究。为探讨氨煤混燃过程中不同种类高碱煤灰对氨氧化反应排放特性的影响,通过搭建立式管式炉氨氧化反应试验平台进行变工况分析,对比不同温度下各类煤灰表面NH3转化率及NO生成率两大指标,从试验结果和反应机理2个层面阐述了煤灰中各类金属氧化物对氨氧化反应排放特性的影响。结果表明:煤灰中主要金属氧化物CaO、MgO及Al2O3可促进氨煤混燃过程中煤灰表面气固氨氧化反应的进行,提高NH3转化率。400~600℃,煤灰对NH3转化率的促进作用依次为:HM-2>HM-1>CJ>AKS>EERDS,与煤灰中CaO含量由高到低的排列顺序对应,与MgO排序基本吻合。且这3类金属氧化物均可促进NH3向NO定向转化,以CaO催化效果最显著,其中,Ca含量最高的HM-2对NO生成的选择性相较于空白组而言可提高67.86%。CaO和MgO可促进NH3和NO在催化剂表面氧化,有利于N2O快速产生,使N2O生成温度提前,而Na2O和Fe2O3的存在则抑制NH3氧化,促进NH3还原NO。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    297
    177
  • 分级空气高速射流对煤掺氨燃烧中氨预分解与NOx生成影响

    作者(Author)： 余荣浩, 徐义书, 王华坤, 韩金克, 谢智成, 张凯, 刘小伟

    摘要：氨作为零碳清洁燃料,对碳减排有重要作用,但其燃烧过程中NOx生成倾向大。针对煤掺氨燃烧NOx生成控制问题,以某50kW一维试验炉系统所用旋流燃烧器为原型,提出一种内置高速空气射流阵列结构的新型煤掺氨旋流燃烧器结构,以实现炉内氨预分解后燃烧和分级燃烧。进一步用CFD燃烧数值模拟探究空气分级比、过量空气系数及氨燃料喷口尺寸对氨煤掺烧火焰结构及NOx排放影响,优化新型燃烧器结构及运行参数。结果表明,相比于原型燃烧器,采用空间分散高速三次风射流会导致燃烧区域滞后,加深空气分级,减小主燃烧区域局部过量空气系数,抑制氨过度氧化形成NOx,也降低火焰温度峰值,利于抑制热力型NOx产生。同时通过调控总过量空气系数使氨热解发生区域沿炉膛轴向逐渐延伸,火焰前部高温欠氧区增大,促进氨受热预分解为N2和H2,进一步减少氨中燃料氮直接转化形成NOx。空气分级比20∶22∶58时,NOx生成体积分数由原燃烧器的3309×10-6降至新型燃烧器的1069×10-6,降幅达67.69%。增大过量空气系数,或过量空气系数不变、控制一次风率不变而增大三次风率将促进上述效应,进一步减少NO生成。氨管内径变化范围仅考虑5~9mm,氨喷射速度和分散高速三次风带来的协同效应有待进一步研究。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    313
    161
  • 空气射流特征对纯氨旋流燃烧火焰影响规律

    作者(Author)： 谢智成, 徐义书, 张凯, 余荣浩, 韩金克, 刘小伟

    摘要：氨是理想能源,为更好利用纯氨燃料,开发适用纯氨燃料的燃烧器,通过数值模拟对某10kWth天然气旋流燃烧器进行三维建模,并对其纯氨燃烧和氮氧化物排放性能进行计算及仿真分析,探讨空气射流特性对火焰形态、温度分布、NO生成及排放的影响规律,以优化燃烧器纯氨燃烧能力。燃烧早期,旋流对燃料和空气混合影响大,而燃烧后期湍流强度对该过程影响大。发现通过增大空气射流孔面积(由12.8mm2增至19.2mm2)、增加空气射流角度(由15°增至30°)均可增强旋流强度,促进燃料和空气混合,促进氨燃料快速着火和稳定燃烧,缩短着火距离。但过大的射流角度可能导致空气和燃料出现短暂分离,推迟混合过程,延长着火距离。此外,减小射流孔面积、增大射流角度还将增强燃烧器喷嘴附近湍流强度,促进氨燃料和空气混合燃耗,产生局部高温区,导致NO生成浓度升高。经对比优化,空气射流孔面积19.2mm2、射流角度15°、射流速度19.83m/s时纯氨燃烧器实现稳定低NO燃烧,着火距离0.024m、火焰长度0.446m,NO生成峰值浓度和排放浓度分别降至443×10-6和37.7×10-6。
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    洁净煤技术
    2024年第05期
    301
    135
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