氨燃料強(qiáng)化燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

張 嶼, 趙義軍, *, 曾 光, 張文達(dá), 張林瑤, 孫紹增

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001;2. 中電投東北能源科技有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110181)

0 引 言

截止2022年,世界能源結(jié)構(gòu)仍以煤、石油、天然氣等碳基化石能源為主,占總能源消費(fèi)的81.79%[1]。我國(guó)化石能源消費(fèi)占比(81.45%)與世界平均水平相持平,其中煤炭能源仍達(dá)到55.46%[1],由高碳化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)造成的碳排放問(wèn)題十分嚴(yán)峻[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年世界CO2排放量已達(dá)38.6 Gt,其中我國(guó)排放占比達(dá)到31.3%[4],因此亟需大力發(fā)展零碳能源技術(shù)。

2022年國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局印發(fā)了《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見(jiàn)》,對(duì)基于零碳能源技術(shù)的綠色發(fā)電能源體系發(fā)展提出了明確要求。可再生能源制氫是一種清潔高效的零碳能源技術(shù),但氫氣難液化(常溫下液化壓力為70 MPa)、易燃易爆以及容易發(fā)生氫脆效應(yīng),導(dǎo)致其儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)難度大、成本高[5]。將氫以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存到氫能載體——氨中,利用氨作為燃料,其理想燃燒產(chǎn)物為N2和H2O,可實(shí)現(xiàn)零碳排放;且氨具有能量密度和儲(chǔ)氫密度較高,儲(chǔ)運(yùn)難度小(常溫下液化壓力僅為1.03 MPa,以氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)在全生命周期內(nèi)總儲(chǔ)能效率可達(dá)40%以上[6]),辛烷值高(抗爆性能好)等優(yōu)點(diǎn),見(jiàn)表1。基于氨的一系列優(yōu)點(diǎn),氨燃料有望在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、電站鍋爐和堿性燃料電池等方面得到廣泛應(yīng)用[7]。

表1 氫氣及其常見(jiàn)載體的燃料性質(zhì)[8-10]Table 1 Fuel properties of hydrogen and its carriers[8-10]

氨燃燒存在一些缺點(diǎn)包括:燃燒熱和層流火焰速度小、可燃性范圍較窄、點(diǎn)火溫度較高(可燃性較低)、輻射傳熱較差、氨轉(zhuǎn)化率有限、氮氧化物排放等問(wèn)題,限制了氨燃料的清潔高效利用。其中較小的層流火焰速度是決定燃燒溫度、穩(wěn)燃范圍、火焰形態(tài)結(jié)構(gòu)以及NOx排放的關(guān)鍵因素,極大的影響了氨燃燒效率[11],針對(duì)氨的燃燒惰性問(wèn)題,亟需發(fā)展強(qiáng)化燃燒技術(shù)。目前,氨強(qiáng)化燃燒的方法主要有摻混燃燒[9]、輔助燃燒[12-13]、富氧燃燒[14]、參數(shù)調(diào)控強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞[15-16]等,如圖1所示。

圖1 氨燃燒強(qiáng)化技術(shù)策略Fig. 1 Ammonia combustion enhancement technology

1 摻混燃燒

1.1 氫氣摻混燃燒

圖2 氨/氫/空氣、氨/甲烷/空氣、氨/合成氣/空氣、氨/DME/空氣、氨/甲醇/空氣和氨/乙醇/空氣的預(yù)混火焰層流火焰速度分布Fig. 2 Premixed laminar flame speeds of ammonia/hydrogen/air, ammonia/methane/air,ammonia/syngas/air,ammonia/DME/air, ammonia/CH3OH/air and ammonia/C2H5OH/air

在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用方面,氨/氫燃料多采用以催化預(yù)裂解-摻混燃燒相結(jié)合的應(yīng)用模式[29, 37-38],以LESMANA等[35]提出的一種使用氨/氫混合物燃料的火花式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為例,如圖3所示,該系統(tǒng)需要氨催化預(yù)裂解單元提供氫源,液態(tài)氨儲(chǔ)存在環(huán)境溫度的加壓燃料箱中。來(lái)自壓縮空氣的熱量可以用來(lái)協(xié)助氣化第一個(gè)熱交換器中的液態(tài)氨,渦輪增壓器排出的廢氣被用來(lái)為氨催化預(yù)裂解裝置提供熱量,直接燃料噴射系統(tǒng)可以精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃料/空氣比,從而降低燃料消耗,提高輸出功率和熱效率。由于氨不含碳且辛烷值高,該系統(tǒng)避免了渦輪增壓火花式發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震問(wèn)題和積碳現(xiàn)象。

圖3 使用氨/氫燃料的火花式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)[39]Fig. 3 Spark engine system for ammonia/hydrogen fuel[39]

在燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用方面,VALERA MEDINA等[28, 40-41]氨/氫燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)(如圖4所示)研究表明,70%氨和30%氫的混合燃料可以作為燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定燃燒運(yùn)行的燃料。在高入口溫度條件下,火焰收縮明顯,提高了燃燒效率,并導(dǎo)致火焰邊界的組分消耗增加。富氨可以使未燃燒的氨與現(xiàn)有的NOx進(jìn)一步反應(yīng),將NOx排放量降低到相對(duì)較低的水平。但采用這種燃料的標(biāo)準(zhǔn)布雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行效率較低,無(wú)法與目前的DLN(干式低NOx)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng),需要進(jìn)一步研究以優(yōu)化氨/氫燃燒的工況參數(shù),探究實(shí)現(xiàn)低NOx和更高循環(huán)效率的燃燒組織方式。

圖4 使用氨/氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī)[40]Fig. 4 Gas turbine using ammonia/hydrogen fuel[40]

1.2 碳基氣體摻混燃燒

天然氣作為我國(guó)第三大能源,其燃料主體為甲烷,被廣泛用作工業(yè)燃?xì)狻⒊鞘腥細(xì)庖约鞍l(fā)動(dòng)機(jī)燃料等,氨/甲烷摻混燃燒可與發(fā)展成熟的天然氣燃燒系統(tǒng)進(jìn)行良好的兼容。甲烷作為一種活性燃料,常壓空氣中的燃燒速度可達(dá)40 cm/s[42],氨/甲烷/空氣火焰的層流火焰速度幾乎隨甲烷摻混比的增加而線性增加。在化學(xué)計(jì)量條件下隨著摻混比從0.1增加至0.9,層流火焰速度增加約22.3 cm/s,最大層流火焰速度對(duì)應(yīng)當(dāng)量比向右遷移[18, 43],如圖2(b)所示。SHU等[33]發(fā)現(xiàn)氨/甲烷層流火焰速度可采用同等當(dāng)量比下甲烷/空氣和氨/空氣混合物的層流火焰速度的加權(quán)平均值進(jìn)行表征。在貧燃條件、較寬的壓力和甲烷體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi),許多研究發(fā)現(xiàn)氨/甲烷預(yù)混層流火焰速度與H和OH自由基濃度之間存在線性關(guān)系[44],一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)層流火焰速度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性與O自由基濃度也具有較大聯(lián)系[45],這表明通過(guò)影響H/O/OH自由基濃度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)層流火焰速度的控制。HAN等[18]發(fā)現(xiàn)氨/甲烷混合燃燒過(guò)程中NH3和CH4的氧化可視為平行過(guò)程,它們共享H/O自由基池,而C和N相互作用對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和燃燒特性的影響是有限的。由此可見(jiàn),甲烷摻混會(huì)改變氨預(yù)混火焰的H/O自由基池從而影響燃料的C/N反應(yīng)路徑,氨/甲烷預(yù)混燃燒的火焰結(jié)構(gòu)、燃燒及排放特性則由熱-質(zhì)傳遞以及熱化學(xué)反應(yīng)路徑共同控制。

除了甲烷,合成氣(CO/H2)也是一種來(lái)源廣泛的摻混燃料,其由煤、生物質(zhì)通過(guò)氣化、熱解或重整過(guò)程產(chǎn)生[46],在許多燃燒過(guò)程中被證明具有低排放和高能效,如綜合氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)[47]。如圖2(c)所示,氨/合成氣/空氣火焰的層流火焰速度隨合成氣(90%CO,10%H2)摻混比增加而提高,在化學(xué)計(jì)量條件下,隨著摻混比從0.2增加至0.6,層流火焰速度增加約22.5 cm/s,最大層流火焰速度對(duì)應(yīng)當(dāng)量比向1.2遷移,可見(jiàn)合成氣對(duì)燃燒速度的強(qiáng)化能力大于甲烷。在常壓條件下大范圍工況內(nèi),氨/合成氣/空氣混合物的層流火焰速度均超過(guò)25 cm/s,與相同壓力下甲烷/空氣混合物相近[48]。合成氣對(duì)氨火焰?zhèn)鞑サ挠绊懼饕譃榛瘜W(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng),其中化學(xué)效應(yīng)的貢獻(xiàn)較大。在合成氣中,氫氣對(duì)提高氨/空氣火焰層流火焰速度和釋熱率的作用最大,一氧化碳對(duì)提高氨/空氣絕熱火焰溫度的作用最顯著[49]。ZHOU等[50]發(fā)現(xiàn)氨/氫/空氣、氨/一氧化碳/空氣、氨/甲烷/空氣的層流火焰速度與摻混比的函數(shù)關(guān)系并不相同,其中氨/氫/空氣火焰近似指數(shù)關(guān)系,氨/一氧化碳/空氣火焰近似非線性關(guān)系,氨/甲烷/空氣火焰近似線性關(guān)系。氫氣、一氧化碳能促進(jìn)活性自由基(H/O/OH)的產(chǎn)生,特別是H自由基對(duì)氨/氫/空氣和氨/一氧化碳/空氣火焰燃燒速度的影響比純氨火焰更大。在氨/氫/空氣、氨/一氧化碳/空氣的富燃火焰中,由NH2和NH生成的N2H2和N2H3分別主導(dǎo)層流火焰速度傳播的促進(jìn)和抑制作用。隨著合成氣中H2含量的增加,H2子機(jī)制對(duì)氨火焰?zhèn)鞑テ鹬匾淖饔?脫氫反應(yīng)和NHi結(jié)合反應(yīng)是影響氨氧化過(guò)程中氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵反應(yīng)[51]。除此之外,研究表明摻混合成氣能加速氨的分解速率,促進(jìn)H和NH2自由基的生成,同時(shí)降低氨/空氣火焰的流體力學(xué)不穩(wěn)定性、熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性以及火焰胞狀不穩(wěn)定性[49]。

除了甲烷和合成氣,采用醚燃料作為活性燃料摻混也是強(qiáng)化氨燃燒的有效措施之一[52],如二甲醚(DME)[53]、二乙醚(DEE)[54-55]和二甲氧基甲烷(DMM)[56]。其中DME是最簡(jiǎn)單的醚燃料,其在常溫常壓下為氣態(tài),由于其極性可以與氨混溶,氨/DME混合物具有優(yōu)良的穩(wěn)定性[57]。如圖2(d)所示,氨/DME/空氣火焰的層流火焰速度與DME摻混比呈類線性關(guān)系,在化學(xué)計(jì)量條件下隨著摻混比從0.2增加至0.8,層流火焰速度增加約20 cm/s,最大層流火焰速度對(duì)應(yīng)當(dāng)量向1.2遷移,可見(jiàn)DME的強(qiáng)化能力弱于合成氣但略強(qiáng)于甲烷。ISSAYEV等[58]發(fā)現(xiàn)添加40%～50%DME的低溫著火行為與純DME的低溫著火行為幾乎相同,這表明氨/DME雙燃料可以顯著提高氨反應(yīng)性和降低氨自燃阻力,縮短氨氧化的著火延遲時(shí)間。CAI等[35]定量分析了DME在氨/DME/空氣火焰中產(chǎn)生的熱效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)DME化學(xué)效應(yīng)可能是主導(dǎo)火焰?zhèn)鞑サ闹匾蛩?其主要通過(guò)提高H/O/OH濃度和絕熱火焰溫度強(qiáng)化氨燃燒。隨著摻混比增加,火焰溫度增加但熱擴(kuò)散系數(shù)降低,主導(dǎo)OH生成的關(guān)鍵反應(yīng)雖然改變但其反應(yīng)速率皆有所提高。YIN等[59]發(fā)現(xiàn)在DME摻混比為50%時(shí),貧燃和富燃條件下氨/DME/空氣火焰的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相似,這表明DME摻混比對(duì)化學(xué)效應(yīng)的作用相較于當(dāng)量比更強(qiáng)。

目前氨/碳基氣體燃料摻混應(yīng)用研究多集中于燃?xì)廨啓C(jī)[60-61],日本東北大學(xué)和日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所AIST在2015年研制出了適合氨/甲烷和氨/煤油雙燃料供應(yīng)的千瓦級(jí)燃燒發(fā)電系統(tǒng),如圖5所示,在30%甲烷摻混比條件下,該氨/甲烷燃?xì)廨啓C(jī)可產(chǎn)生41.8 kW的電力,尾氣中NOx濃度超過(guò)600 ppm,但通過(guò)SCR系統(tǒng)可將NOx濃度降低到10 ppm以下[61]。IHI公司采用2 MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)氨(20%摻混比)/天然氣共燃的NOx排放特性和效率進(jìn)行了研究,如圖6所示,通過(guò)分級(jí)燃燒可以使煙氣中NOx排放降低至230 ppm,煙氣經(jīng)由脫硝裝置后其中NOx可以降低至7 ppm以下,且燃燒效率均達(dá)到99.85%以上。除此之外,由于氨的熱值比天然氣低,在氨/甲烷雙燃料中增加摻氨比可以增加燃料氣體的流速,進(jìn)而提高發(fā)電效率[62-63]。

圖5 采用雙燃料供應(yīng)的千瓦級(jí)燃燒發(fā)電系統(tǒng)[61]Fig. 5 KW-class combustion power generation system with bi-fuel supply[61]

圖6 MW級(jí)氨/天然氣燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)[62]Fig. 6 MW-class ammonia/natural gas gas turbine system[62]

1.3 碳基液體摻混燃燒

常見(jiàn)的碳基液體燃料主要包括汽油、柴油、煤油,常用于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等,目前氨/油摻混燃燒研究主要集中于內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。HAPUTHANTHRI等[64]發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨/汽油混合物可以用作復(fù)合燃料,為現(xiàn)有的火花式內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力,氨的摻混會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率輸出增加,在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下更加明顯。摻氨能有效抑制火花壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)爆震,提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率,在LIU等[65]的研究中,氨/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的最大增幅分別為2.46%和0.2 MPa。在爆震限制范圍內(nèi),摻氨條件下的火焰?zhèn)鞑r(shí)間縮短,與純汽油條件相比,其自燃能力減弱。NADIMI等[66]發(fā)現(xiàn)隨著氨質(zhì)量流量的增加,氨/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)熱效率和缸內(nèi)溫度略有降低,且由于氨具有較高的抗自燃性和較低的燃燒速度,著火延遲時(shí)間增加,氨/柴油雙燃料燃燒模式的熱效率降低[67]。然而,氨/柴油的燃燒時(shí)間比生物柴油滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)減少了19 CAD(曲柄角度),因?yàn)榇蟛糠譄崃吭陬A(yù)混燃燒階段釋放。MUSTAFA等[68]研究了氨/煤油混合燃料在空氣和純氧條件下在模型燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室中的湍流渦流燃燒特性,發(fā)現(xiàn)與純煤油相比,氨/煤油混合燃料的燃燒速度較低,隨著摻氨比提高,其火焰位置會(huì)進(jìn)一步移動(dòng),在總熱流量相同條件下,燃燒室溫度并沒(méi)有隨著摻氨比的提高而改變太多,證明了氨可以作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料且不會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒性能。氨/煤油雙燃料千瓦級(jí)燃燒發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)表明,摻氨可以減少38%的煤油供應(yīng)量,在摻氨比為50%條件下可以實(shí)現(xiàn)17 kW發(fā)電功率[61]。

由于氨是一種極化分子,而輕油是具有長(zhǎng)碳鏈的非極化分子,油類與氨的相溶度較差,需要使用乳化劑或分子中具有非極化和極化部分的交聯(lián)劑來(lái)提高氨的溶解度。醇類可以利用生物質(zhì)或合成氣生成[69],是提高氨在油類中溶解度的常見(jiàn)交聯(lián)劑,因此氨/醇混合燃料是開(kāi)發(fā)碳中性能源的重要選擇。如圖2(e)和(f)所示,氨/甲醇/空氣和氨/乙醇/空氣火焰的層流火焰速度隨摻醇比增加而提高。在化學(xué)計(jì)量條件下,隨著摻醇比從0.2增加至1,氨/甲醇/空氣和氨/乙醇/空氣火焰層流火焰速度分別增加約30 cm/s和24 cm/s,因此甲醇對(duì)氨燃燒速度的強(qiáng)化能力略大于乙醇,研究發(fā)現(xiàn)摻混20%甲醇的混合燃料相較于純氨的層流火焰速度峰值提高了60%[70]。WANG等[36]發(fā)現(xiàn)在氨火焰中摻混醇類對(duì)層流火焰速度的影響與氫氣和甲烷摻混相似,含C和含N物質(zhì)之間的相互作用對(duì)層流火焰速度的影響不顯著。隨著摻醇比的增加,H/O自由基池濃度增加,并促進(jìn)氨的分解消耗,導(dǎo)致氨/醇混合物的反應(yīng)性增強(qiáng),著火溫度降低。在40 bar條件下,與純氨燃料相比,混合燃料中甲醇比例為1%時(shí),著火溫度降低了100 K左右[71]。

1.4 碳基固體摻混燃燒

截止2022年,中國(guó)燃煤發(fā)電量占發(fā)電總量的62.56%,燃煤發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)10.4億kW[1],燃煤發(fā)電是碳排放的主要來(lái)源之一,氨/煤摻混燃燒是強(qiáng)化氨燃燒并降低碳排放的重要手段。氨/煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣韧ǔ８哂诿悍蹎为?dú)燃燒[72-73]。對(duì)于低階煤種,由于其揮發(fā)分較高,氨/煤粉火焰速度可達(dá)純氨燃燒的2倍、煤粉燃燒的3倍。而高階煤種,氨/煤粉混合燃燒火焰速度與純氨燃燒相近,甚至可能小于純氨燃燒。在氨/煤粉共燃過(guò)程中,針對(duì)不同氨當(dāng)量比,氨/煤粉強(qiáng)化燃燒能力也不相同,XIA等[72]提出了氨/煤粉強(qiáng)化燃燒機(jī)理,如圖7所示。在氨貧燃條件下,氨燃料主要在反應(yīng)區(qū)前沿的薄區(qū)域內(nèi)完全燃燒,煤粉受熱釋放出的揮發(fā)分導(dǎo)致氨/煤粉燃燒局部當(dāng)量比增大,促進(jìn)了預(yù)熱區(qū)內(nèi)未燃反應(yīng)物獲得更多的輻射熱流,導(dǎo)致氨/煤粉火焰反應(yīng)區(qū)鋒面的傳播速度大于純氨燃燒,從而加速了氨/煤火焰?zhèn)鞑?在氨富燃條件下,大部分氧氣與氨和揮發(fā)性物質(zhì)在整個(gè)反應(yīng)區(qū)內(nèi)逐漸被消耗,由于煤粉熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分難以及時(shí)氧化放熱,熱流密度降低,甚至可能使氨/煤粉火焰反應(yīng)區(qū)鋒面的傳播速度低于純氨燃燒,導(dǎo)致氨/煤混合燃燒火焰速度小于純氨燃燒[74]。在氨化學(xué)計(jì)量燃燒時(shí),氨/煤粉火焰反應(yīng)區(qū)鋒面的傳播速度與純氨燃燒幾乎相同。

圖7 煤粉/氨強(qiáng)化燃燒機(jī)理Fig. 7 Mechanism of pulverized coal/ammonia enhanced co-combustion

日本煤炭燃燒研究機(jī)構(gòu)之一的電力工業(yè)中央研究所(CRIEPI)在一個(gè)760 kW的單燃燒器臥式試驗(yàn)爐上進(jìn)行氨-煤粉混燃實(shí)驗(yàn),如圖8所示,探究了氨氣從不同位置注入爐膛對(duì)NOx排放和燃料燃盡效果的影響,發(fā)現(xiàn)摻氨比≤10%時(shí)NOx排放量與純煤燃燒相當(dāng),超過(guò)10%后NOx排放量隨摻氨比提高而增加;在離煤粉燃燒器0.6 m或1.0 m處注入氨氣時(shí),NOx排放比直接向燃燒器中注入氨氣時(shí)有所降低;氨氣的注入使得飛灰中未燃碳含量略有增加,但未燃氨濃度顯著降低[75]。中國(guó)電力株式會(huì)社在日本水島電廠2號(hào)機(jī)組(發(fā)電量156 MW)嘗試了一個(gè)煤氨聯(lián)用電廠,其系統(tǒng)如圖9所示,由于氨蒸發(fā)器的容量限制,共燃率為0.6%～0.8%。在調(diào)試后發(fā)現(xiàn)CO2排放降低,氨完全燃燒,符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)證明氨/煤共燃技術(shù)作為一種減排措施,可以將其應(yīng)用于商業(yè)電廠[76]。日本發(fā)電公司JERA計(jì)劃到2030年關(guān)閉所有低效率的燃煤電廠,并在2040年將氨/煤共燃技術(shù)引入燃煤電廠,其與IHI合作了1 000 MW級(jí)氨(≤20%)/煤共燃電廠示范項(xiàng)目,旨在大容量商業(yè)電廠基礎(chǔ)上驗(yàn)證和建設(shè)氨/煤共燃技術(shù),評(píng)估鍋爐熱效率以及煙氣排放等重要指標(biāo)[45]。

圖8 CRIEPI的臥式氨/煤粉爐[75]Fig. 8 Horizontal ammonia/pulverized coal furnace in CRIEPI[75]

圖9 水島電站氨/煤粉共燃系統(tǒng)[76]Fig. 9 Ammonia/ pulverized coal co-combustion system in mizushima power station[76]

2 富氧燃燒

近年來(lái),隨著氨燃料在工業(yè)中應(yīng)用的不斷探索,氨富氧/純氧燃燒作為一種強(qiáng)化燃燒技術(shù)逐漸應(yīng)用于鍋爐、內(nèi)燃機(jī)等領(lǐng)域。2015年,TAKEISHI等[77]發(fā)現(xiàn)25%以上氧化劑氧含量可以有效拓展火焰的燃燒極限,提高火焰穩(wěn)定性。氨的層流火焰速度和火焰溫度隨著氧氣濃度的增加而增加,層流火焰速度在氧化劑氧含量為35%且當(dāng)量比為1.1條件下可達(dá)36.1 cm/s,同時(shí)溫度在氧化劑氧含量為30%(當(dāng)量比為1)條件下可達(dá)2 167 K,如圖10所示。MEI等[78]發(fā)現(xiàn)在化學(xué)計(jì)量比條件下,氧化劑氧含量與層流火焰速度呈線性增加關(guān)系,隨著氧化劑氧含量增加至45%,氨的層流火焰速度達(dá)到41.7 cm/s,40%氧化劑氧含量的層流火焰速度是氨/空氣層流火焰速度的4.9倍,與甲烷/空氣層流火焰速度的水平相當(dāng)[79]。對(duì)富氧和純氧的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)[80-81],如圖10所示,氧化劑氧含量對(duì)層流火焰速度的影響比當(dāng)量比更大,富氧燃燒是改善氨層流火焰速度低的顯著手段,但NOx排放會(huì)顯著增加[82]。在當(dāng)前富氧燃燒研究中,氧濃度范圍通常在40%以下,純氧燃燒研究不足。WANG等[81]發(fā)現(xiàn)氨純氧燃燒在當(dāng)量比為0.8時(shí)層流火焰速度最大,可達(dá)1.25 m/s,他們還發(fā)現(xiàn)富氧燃燒除了可以提高氨燃燒的溫度和熱值等,還能夠提高H/O自由基池濃度,然而水在高溫下分解導(dǎo)致NH3/O2燃燒效率顯著下降[80]。

圖10 不同氧化劑氧含量條件下氨/氧/氮預(yù)混火焰層流火焰速度分布[80-81]Fig. 10 Laminar flame speeds of ammonia/oxygen/nitrogen premixed flame at varying oxygen contents[80-81]

2016年,日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)和日本大阪大學(xué)在10 kW工業(yè)爐上進(jìn)行了氨富氧燃燒實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化劑中氧含量為30%時(shí),氨燃燒溫度高于甲烷/空氣非預(yù)混燃燒溫度,其總輻射熱流密度為甲烷燃燒的1.4倍,通過(guò)二次空氣噴射引入可以使NOx排放濃度小于100 ppm[60, 83]。在內(nèi)燃機(jī)方面,GRANNELL等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化劑中氧含量達(dá)到33%時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)(壓縮比為6.0,節(jié)氣門全開(kāi))的輸出功率與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相同。

3 參數(shù)調(diào)控強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞

METGHALCHI和KECK[84]通過(guò)測(cè)量異辛烷/空氣混合物的火焰速度,證實(shí)了預(yù)混層流火焰速度與初始?jí)毫皖A(yù)熱溫度具有指數(shù)型相關(guān)性:

式中,SL——層流燃燒速度,m·s-1;

α——溫度指數(shù),無(wú)量綱;

β——壓力指數(shù),無(wú)量綱;

Φ——當(dāng)量比,無(wú)量綱;

Tu——預(yù)熱溫度,K;

P——燃燒壓力,Pa;

SL0——參考條件下的層流火焰速度,m·s-1;

T0——參考條件下的預(yù)熱溫度,K;

P0——參考條件下的壓力,Pa。

湍流強(qiáng)化了燃料和氧化劑的混合,導(dǎo)致火焰鋒面褶皺和拉伸,從而增加了湍流火焰表面密度和火焰速度,有利于擴(kuò)展氨穩(wěn)燃極限[60]。如圖11(c)所示,常壓條件下氨/氧/氮預(yù)混火焰湍流燃燒速度隨湍流強(qiáng)度的增大而增大,其最大燃燒速度對(duì)應(yīng)當(dāng)量比與層流火焰速度相同,在氧化劑氧含量為40%和化學(xué)計(jì)量條件下,隨著湍流強(qiáng)度從0提升至1.29 m/s,湍流燃燒速度提升了10 cm/s。HAYAKAWA等[90]發(fā)現(xiàn)盡管氨/空氣層流火焰速度很小,但通過(guò)采用旋流燃燒方式提高湍流強(qiáng)度,則可以在不添加活性燃料來(lái)強(qiáng)化氨燃燒的條件下使氨/空氣預(yù)混火焰穩(wěn)定在較寬的當(dāng)量比和出口氣速范圍內(nèi)。

ROHDE等[91-92]發(fā)現(xiàn)湍流氨/空氣預(yù)混火焰可以體現(xiàn)出非常高的Karlovitz數(shù),并且更傾向于處于Peters圖中的破碎反應(yīng)區(qū),這表明湍流可以有效強(qiáng)化氨燃燒并拓寬穩(wěn)燃邊界。隨著湍流強(qiáng)度的增加,在相同的Karlovitz數(shù)下,貧燃情況下湍流渦和熱擴(kuò)散不穩(wěn)定效應(yīng)導(dǎo)致湍流燃燒速度較富燃更高,這表明熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和湍流強(qiáng)度對(duì)氨強(qiáng)化燃燒具有重要影響[79]。WANG等[93]還發(fā)現(xiàn)在相同雷諾數(shù)下,氨湍流火焰速度與層流火焰速度之比比甲烷大,且氨/氧/氮?dú)馔牧骰鹧嫠俣扰c層流火焰速度之比隨氧化劑氧含量的增加而減小,表明在此條件下層流火焰速度的增加快于湍流燃燒速度,原因可能是隨著氨濃度的增加,湍流火焰面積和火焰表面密度減小,分形內(nèi)截點(diǎn)增大[94]。因此,隨著摻氨比提高,提高湍流強(qiáng)度可以有效改善預(yù)混火焰燃燒速度。

4 輔助燃燒

輔助燃燒技術(shù)是改善氨燃燒性能、提高氨燃燒速度的重要手段。目前已有的輔助氨燃燒手段主要包括等離子體輔助燃燒[59]、催化輔助燃燒[12]、多孔介質(zhì)燃燒等[95-96]。等離子體輔助燃燒是一種常用的火焰穩(wěn)定方法,通過(guò)等離子體輔助燃燒可以提高氨層流火焰速度并降低點(diǎn)火延遲[97-98],同時(shí)促進(jìn)火焰穩(wěn)定(拓寬熄滅極限)[99]并降低NOx的產(chǎn)生[59]。催化輔助在氨燃燒中的主要作用是降低氨裂解的活化能,通過(guò)促進(jìn)氨部分預(yù)裂解形成氨/氫混合物[12, 29],進(jìn)而提高氨的火焰?zhèn)鞑ニ俣?同時(shí)催化劑還能夠輔助煙氣脫硝,減少NOx排放[12]。多孔介質(zhì)燃燒器采用陶瓷基固體多孔材料通過(guò)熱傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)行熱量傳遞,當(dāng)火焰在多孔介質(zhì)中穩(wěn)定時(shí)形成駐定燃燒層,駐定燃燒層產(chǎn)生的燃燒熱再循環(huán)可對(duì)未燃?xì)怏w進(jìn)行預(yù)熱,提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒏纳苹鹧娣€(wěn)定性并擴(kuò)大可燃極限,從而強(qiáng)化氨燃燒性能[95-96]。采用輔助燃燒技術(shù)可以針對(duì)氨燃燒的不同工況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活調(diào)整并實(shí)現(xiàn)燃燒的精準(zhǔn)強(qiáng)化。

4.1 等離子體輔助燃燒

等離子體輔助強(qiáng)化燃燒的途徑主要有四種:通過(guò)溫升產(chǎn)生的熱效應(yīng)、通過(guò)電離和振動(dòng)激發(fā)分子和活性自由基產(chǎn)生等離子體的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、通過(guò)燃料分解和低溫氧化產(chǎn)生的擴(kuò)散輸運(yùn)增強(qiáng)效應(yīng)、通過(guò)等離子體產(chǎn)生的離子風(fēng)/流體力學(xué)不穩(wěn)定性以及庫(kù)侖力和洛倫茲力引起的流體運(yùn)動(dòng)對(duì)流輸運(yùn)的增強(qiáng)[100]。SHIOYOKE等[97]發(fā)現(xiàn)等離子體可以顯著提高氨層流火焰速度,且非平衡等離子體輔助燃燒的質(zhì)量通量和火焰厚度下降速率均高于預(yù)熱燃燒。隨著電場(chǎng)施加時(shí)間的增加,氨分解速率和層流火焰速度顯著提高,原因可能是非平衡等離子體放電加速H的生成并由此促進(jìn)OH生成,OH通過(guò)促進(jìn)鏈分支反應(yīng)加速氨的分解。ZHAO等[101]進(jìn)一步驗(yàn)證了SHIOYOKE等[97]的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)采用滑動(dòng)弧等離子體放電能有效促進(jìn)NH3分解生成H,且當(dāng)量比增加會(huì)促進(jìn)H和O的消耗和NH含量提高。CHOE等[99]發(fā)現(xiàn)放電功率與反應(yīng)物溫度和等離子體產(chǎn)生的反應(yīng)物數(shù)量的增加成正比。在等離子輔助作用下,氨/空氣火焰的貧燃極限從0.7擴(kuò)展到0.45左右,這是因?yàn)榛鹧娓咳紵粡?qiáng)化,促進(jìn)了火焰自維持并駐定在燃燒器出口從而防止了火焰吹熄,如圖12所示。TANG等[102]采用交流滑動(dòng)弧放電將氨/空氣旋流火焰的貧燃吹熄極限從0.7～0.8擴(kuò)展到0.3～0.4,發(fā)現(xiàn)等離子體促進(jìn)H/O自由基池的生成和積累并加速鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而促進(jìn)氨的著火并改善氨的穩(wěn)燃范圍。FAINGOLD等[98]還發(fā)現(xiàn)高脈沖重復(fù)頻率可以在點(diǎn)火前積累更多脈沖,導(dǎo)致點(diǎn)火延遲時(shí)間減少高達(dá)90%(在1 MHz脈沖頻率下)。與相同數(shù)量的低頻脈沖相比,高頻產(chǎn)生脈沖的點(diǎn)火延遲時(shí)間更短,這也是因?yàn)榈入x子體放電促進(jìn)H/O自由基池的生成和積累。

圖12 等離子體輔助氨/空氣火焰實(shí)驗(yàn)裝置和可見(jiàn)光圖像[99]Fig. 12 Plasma-assisted ammonia/air flame experimental setup and visible images[99]

4.2 催化輔助燃燒

與傳統(tǒng)的非催化燃燒相比,催化輔助燃燒可以降低燃燒溫度、提高熱轉(zhuǎn)化效率并減少氮氧化物排放。HINOKUMA等[12]將氨燃燒催化劑分為了金屬氧化物催化劑、CuOx基催化劑、負(fù)載型二元催化劑和蜂窩型催化劑。在金屬氧化物催化劑中,與其他金屬氧化物相比,CuO(CuOx)具有較高的催化活性和氮?dú)猱a(chǎn)物選擇性(有利于降低NOx排放)[12]。CHAKRABORTY等[103]設(shè)計(jì)了一種新型的高性能二元核殼型RuCu納米顆粒催化劑,可以在較低的燃燒溫度條件下促進(jìn)氨燃料向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化。RenCat公司[104]正在研究通過(guò)催化技術(shù)利用氨燃燒熱促進(jìn)氨部分分解為氨/氫混合燃料,再利用選擇性催化氧化(SAO)技術(shù)將氨/氫混合燃料進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化,如圖13所示。

圖13 催化輔助氨預(yù)裂解和高效氧化技術(shù)示意圖[104]Fig. 13 Schematic diagram of catalytic assisted ammonia pre-cracking and high-efficiency oxidation technology[104]

4.3 多孔介質(zhì)燃燒

通過(guò)熱量在火焰上的再循環(huán),多孔介質(zhì)燃燒火焰的最高溫度可以超過(guò)反應(yīng)物混合物的絕熱火焰溫度,從而實(shí)現(xiàn)超焓燃燒[105],這意味著即使增加少量過(guò)剩焓也會(huì)導(dǎo)致火焰速度和穩(wěn)定性的顯著提高和改善[96, 106-107]。除了熱再循環(huán)外,由多孔介質(zhì)造成或促進(jìn)的火焰面褶皺和其他孔級(jí)效應(yīng)也能進(jìn)一步提高燃料的體積消耗率[108-109]。NOZARI等[110]發(fā)現(xiàn)與甲烷相比,氨/氫混合物(即使摻氨比達(dá)到90%)在SiC多孔介質(zhì)燃燒器中的功率密度更高。燃燒器中未反應(yīng)燃料會(huì)與下游的空氣發(fā)生反應(yīng),進(jìn)而防止熄滅/吹熄并拓寬了穩(wěn)燃范圍。與相同直徑的突擴(kuò)燃燒器相比,多孔介質(zhì)燃燒器的火焰自維持能力提高了40%,減小燃燒器直徑會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)燃范圍變窄,因?yàn)榛旌蠚庠谌紵鲀?nèi)的停留時(shí)間縮短,但這也使小型燃燒器的輸出功率密度高于大型燃燒器[111]。ROCHA等[112]使用氧化鋁-氧化鋯多孔介質(zhì)燃燒器表征燃料成分對(duì)氨/氫/空氣和氨/甲烷/空氣火焰污染物排放和溫度分布的影響,發(fā)現(xiàn)由于氫氣的高燃料活性和煙氣的低輻射熱損失,氨/氫/空氣火焰鋒面位置相較于氨/甲烷/空氣火焰距燃料進(jìn)口位置更近且峰值溫度更高,這表明摻氫是提高多孔介質(zhì)燃燒燃料流量和熱功率的有效手段。NI等[113]通過(guò)模擬評(píng)估了入口速度、多孔材料類型和孔隙度對(duì)多孔介質(zhì)燃燒NOx減排和溫度分布的影響,發(fā)現(xiàn)隨著多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加,NO排放量降低,同時(shí)燃燒室外壁溫度均勻性提高。因此,采用合適的多孔介質(zhì)可以有效降低NOx排放,并同時(shí)提高燃燒室的熱性能。CHEN等[114]考察了多孔介質(zhì)參數(shù)、摻氫比和當(dāng)量比對(duì)氨火焰特性、溫度分布和NO生成特性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙度的增大,氨火焰的峰值溫度降低,火焰位置向燃料上游移動(dòng)。HASHEMI等[115]對(duì)氨/氫多孔介質(zhì)燃燒器的穩(wěn)定性和排放性能進(jìn)行了數(shù)值研究,并基于此開(kāi)發(fā)了一種基于有限體積法的二維求解器以模擬多孔介質(zhì)中的反應(yīng)流動(dòng)和傳熱,發(fā)現(xiàn)隨著多孔介質(zhì)平均孔徑的增大,穩(wěn)燃極限也隨之增大。VIGNAT等[105]發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)燃燒可以通過(guò)內(nèi)部熱循環(huán)對(duì)氨/氫/空氣反應(yīng)物進(jìn)行預(yù)熱,從而提高火焰速度并拓寬穩(wěn)燃極限。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)合氧化釔-氧化鋯-氧化鋁(YZA)和碳化硅材料的多孔燃燒器結(jié)構(gòu),并對(duì)該燃燒器的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征,在摻氫比高達(dá)30%且降壓比為15∶1的條件下,熱功率密度高達(dá)62 MW·m-3[116],如圖14所示。

圖14 氨/氫/空氣多孔燃燒器結(jié)構(gòu)和火焰[105]Fig. 14 Structure of ammonia/hydrogen/air porous burner and flame image[105]

5 結(jié)論與展望

摻混燃燒可以顯著改善氨燃燒速度,傳統(tǒng)燃料如煤、油、天然氣等碳基燃料摻混是實(shí)現(xiàn)零碳燃燒過(guò)程的重要過(guò)渡,其與現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)具有良好的兼容性。但氨/碳基燃料摻混燃燒依然存在大量的碳氧化合物排放,其難以從根本上完全解決CO2的排放問(wèn)題,且目前尚缺乏進(jìn)一步的工業(yè)示范。氫氣是高活性的摻混燃料,相較于碳基燃料,可以在實(shí)現(xiàn)均相燃燒和零碳排放的條件下有效強(qiáng)化氨燃燒,但目前無(wú)論是預(yù)混前儲(chǔ)氫還是原位催化制氫都會(huì)增加燃燒成本,需要進(jìn)一步考慮氨/氫燃燒的低成本策略。

富氧燃燒可以顯著提升氨燃燒速度且不會(huì)產(chǎn)生碳排放,與現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)亦具有良好的兼容性,但富氧燃燒火焰溫度和NOx排放相對(duì)較高,氧氣成本較高,需要開(kāi)發(fā)分級(jí)燃燒、濕式燃燒等組織方式協(xié)同調(diào)控火焰溫度和NOx排放。

在未來(lái)氨燃料強(qiáng)化燃燒技術(shù)發(fā)展中,針對(duì)改善燃料活性,可以調(diào)整燃料摻混、噴射策略;針對(duì)強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過(guò)程,可以優(yōu)化設(shè)計(jì)燃燒器結(jié)構(gòu)、燃燒組織方式和調(diào)控燃燒參數(shù)。此外,可以結(jié)合新興的輔助燃燒技術(shù)共同強(qiáng)化氨燃燒并拓寬穩(wěn)燃邊界,在強(qiáng)化燃燒的同時(shí)結(jié)合NOx排放控制技術(shù),這是實(shí)現(xiàn)氨清潔高效燃燒的重要途徑。