随着经济持续快速发展，我国能源消耗总量逐年增长．根据《BP世界能源展望2021版》[1]显示，在后疫情时代经济复苏利好的驱动下，2020年中国的一次能源需求增长2.1%，同时我国碳排放连续第4年持续增长，增幅为0.6%，而碳排放强度降低1%．这得益于我国能源结构持续向绿色低碳转型，其中2020年中国可再生能源消费增幅达15%，占全球可再生能源消费增长的1/3．因此提高能源使用效率、优化能源结构，是实现国家能源安全及降低碳排放的关键所在．我国2020年发布的《新时代的中国能源发展》白皮书[2]中指出，开发利用非化石能源是推进能源绿色低碳转型的主要途径，中国要把非化石能源放在能源发展的优先位置，大力推进低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源．习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，2060年前实现碳中和．根据我国一次能源消费结构预测[3]，鉴于我国“富煤贫油少气”的资源禀赋特点，在“碳达峰，碳中和”的目标下，势必要降低煤炭在国家能源消费结构中的比例，燃煤电站将从过去的发电主力转型为新能源消纳的调峰电站，同时通过耦合生物质能、太阳能、新型零碳燃料等可再生能源，实现源头降碳，优化能源结构，保障能源安全．在过去的几十年内，氢能作为一种高效、清洁的能源载体，具有原料来源广泛、热值高、零碳排放等优点，得到了广泛的重视和深入的研究，并被誉为21世纪的能源．尤其是氢燃烧过程中零碳排放的特性，更令其在积极追求“碳减排”的今天得到了格外的关注．然而，氢气自身理化性质带来了一系列的安全、储存和运输难题[4]：a．氢气无色无味，且逸散速度极快，一旦发生泄漏很难察觉，环境温度下易燃；b．氢气体积能量密度低(12.1 MJ/m3)且火焰辐射微弱，导致氢气火焰很难被探测和控制[5]；c．氢气具有极宽的可燃范围和极大的层流火焰速度，在储运的过程中容易产生爆炸[6]．相比之下，作为H元素的高效载体的氨气则具有显著的优势[7]：a．NH3不含C元素，完全燃烧产物为N2和H2O，且可以利用可再生能源通过全周期无碳排放的工业过程合成氨气；b．NH3的大规模工业生产较为成熟，比如利用煤气化制取合成氨，或使用廉价的Haber-Bosch 法制氨工艺[8]，因为其只含有N和H元素，所以未来还有很大可能直接通过太阳能合成空气和水来制备[9]；c．NH3作为一种新型零碳燃料，可以直接通过燃烧释放存储的化学能，而无须经过释氢过程；d．NH3中氢的质量分数高达17.6%，能量密度为 22.5 MJ/kg，常温下冷凝压力为0.99 MPa，常压沸点为-33.4 ℃，易于存储和运输，且液氨的体积热值比液氢高45%，与汽油的单位体积能量密度基本相同，具有作为交通运输所需燃料的潜质[10]；e．NH3燃烧层流火焰速度低[11]、燃烧范围窄[9]、不易达到爆炸极限，在储运过程中具有更高的安全性；f．NH3具有刺激性气味，体积分数达到5×10-6即可被人类察觉[12]，对泄露起警示作用，且火焰辐射较强，易于探测．使用NH3作为替代燃料在过去十数年间被广泛调研[13-14]，以期在短期内降低碳排放．从技术层面来看，燃烧器结构复杂，重新设计NH3专用燃烧器的研发成本过高，所以研究的焦点在于维持燃烧设备主体结构不变，通过掺混其他燃料强化氨火焰的稳定性．20世纪的早期研究为现阶段的应用探索奠定了良好基础，NH3/H2[15-16]，NH3/CH4[17-18]，NH3/柴油[19-20]，NH3/二甲醚[21-22]，NH3/汽油[23]等混合物在压缩点火发动机、火花点火发动机和燃气轮机中都测试到了令人满意的结果，证明了在现有燃烧器中使用NH3掺混燃烧是行之有效的．国际海运协会更是预测NH3会在2050年取代25%的现有化石燃料成为海运主要燃料[24]，美国、日本、英国、澳大利亚等国家纷纷制定Ammonia-Fuel发展规划，大力发展这种新型零碳能源．目前对于NH3在不同工况下的燃烧特性，如点火延迟时间、火焰速度、燃烧极限、污染物生成特性等关键参数尚未完善，对于氨燃烧的反应动力学机理也仍处于不断验证改进阶段，NH3在能源行业的应用仍然面临各种挑战．本研究将从氨燃料的点火延迟时间、层流火焰速度、NOx排放特性及反应动力学机理方面对NH3燃烧进行阐述，并对氨燃料在工业化应用方面的尝试进行介绍，为后续的氨燃烧研究提供参考．1 纯氨火焰燃烧特性1.1　点火延迟时间点火延迟时间(ignition delay time，IDT)作为反映燃料燃烧特性的重要参数之一，是判定燃烧器点火与持焰稳定性的关键参数，也是验证化学反应动力学机理准确性的重要标准，在发动机设计、燃料促进剂评价和简化反应动力学机理等方面发挥重要作用．早期关于NH3点火延迟时间的研究[25-27]大多着眼于构建或验证氨气氧化的反应动力学机理，测量工况主要为高温低压工况(1 600 K，1.0 MPa)．但随着NH3作为一种新型零碳燃料受到关注，更接近实际燃烧环境的低温高压工况(1 100 K，2.0 MPa)下的NH3点火延迟时间的测量成为近年来研究的重点．Mathieu和Peterson[28]首先将测量范围向高压工况扩展，利用激波管分别测量了压力为0.14，1.1和3.0 MPa，温度范围为1 569~2 490 K，当量比为0.5，1.0和2.0的12组工况下的NH3/O2/Ar混合气的点火延迟时间，并采取光学诊断的方式监测OH自由基的自发荧光((307±10) nm)以更精确地测量点火延迟时间．通过对压力、当量比及氩气稀释比例等变量的控制，发现了一系列点火延迟时间随压力升高、当量比变化、稀释气比例的显著变化趋势，并指出点火延迟时间的对数和初始温度的倒数近似成线性关系．考虑到现代燃烧器系统的高压运行环境，Shu等[29]将测量范围扩展到高压(2.0，4.0 MPa)下的中温工况(1 100~1 600 K)，同样利用激波管测量了当量比为0.5，1.0和2.0的无稀释NH3/O2混合气的点火延迟时间．尽管所选取的稀释比例不同而导致Mathieu和Peterson[28]及Shu[29]的实验数据无法直接进行比较，但二者的实验结果都表现出了NH3点火延迟时间随压力升高而显著降低的变化趋势．他们还通过模拟提出：富燃工况下，氨火焰存在同时满足尾气中不含NOx及未燃尽NH3的可能．基于氨燃料低温燃烧(low temperature combustion，LTC)的NOx排放特性的研究，Pochet等[30]利用快速压缩机(rapid compression machine，RCM)研究了高压(4.34，6.55 MPa)和低温(1 000~1 100K) 工况下的NH3点火延迟，测量了三组不同当量的贫燃NH3/O2/N2/Ar混合气的点火延迟时间，但并未发现点火延迟时间与当量比之间存在明显的依赖关系．通过模拟和敏感性分析，认为H2NO和N2Hx在NH3燃烧过程中起到关键作用．He等[31]进一步扩大了RCM测量LTC条件下的NH3点火延迟时间的测量范围，研究了压力为2.0，4.0和6.0 MPa，温度范围为950~1 150 K，当量比为0.5，1.0和1.5的Ar稀释70%的NH3/O2混合气的点火延迟时间．压力为2.0 MPa的各组工况均未发现点火现象，但其余数据表明：相同的温度和压力下，点火延迟时间随当量比减小而降低，这一结果与Mathieu和Peterson[28]的实验结论相一致．Dai等[32]同样选用RCM测量了LTC条件下的NH3点火延迟时间，并将压力范围扩大至2.0~7.0 MPa，当量比范围扩大至0.5~3.0时，得到了与He等[31]一致的结果与结论．1.2　层流火焰速度层流火焰速度(laminar burning velocity，LBV，SL)同样是重要的基础燃烧特性之一，与火焰传播过程中许多复杂现象(如火焰稳定性、火焰高度)息息相关．精确的层流火焰速度数据对构建和优化详细、全面的化学反应动力学模型，深入研究实际湍流燃烧模型至关重要．对NH3层流火焰速度的测量可以追溯至20世纪50年代[33-34]，但由于技术方法的限制，并未考虑到火焰面皱褶等因素，导致当时以本生灯法测得的NH3层流火焰速度显著大于后来值．20世纪70年代，随着球爆法的提出与完善，对于NH3/空气混合气的可燃范围及燃烧特性的研究进一步深入．Zakaznov等[35]，Ronney[36]，Pfahl等[37]，Jabbour和Clodic[38]先后利用球爆法测量了不同当量与不同燃料掺混的NH3层流火焰速度，并对常温常压下的NH3层流火焰速度与当量比的关系有了相对一致的结论．然而以上研究均未考虑实验测量过程中火焰拉伸现象对最终结果的影响．2000年，Law和Sung[39]提出火焰拉伸将导致火焰局部温度低于或高于绝热火焰温度(温度变高或变低与混合物的刘易斯数有关)，火焰内部反应速度会因此发生显著变化，导致测量值偏离实际层流火焰速度．而后来的层流火焰速度相关研究都考虑了火焰拉伸的影响，研究者们也积极探索消除或是修正火焰拉伸对层流火焰速度影响的方法．随着NH3作为清洁无碳燃料而受到各界关注，对高压条件下NH3的无拉伸层流火焰速度和马克斯坦长度等特性的研究也越发受到重视．近年来，Takizawa等[11]利用燃烧弹法对包含NH3在内的一系列含氮物质在常温常压工况下的层流火焰速度进行测量，并采用图像纹影法对所得数据进行了验证，测得NH3/空气火焰在当量比Φ=1.10处取到层流火焰速度最大值SL,max=7.2 cm/s．Hayakawa等[40]率先开始探究初始压力变化对NH3层流火焰速度的影响，采用定容燃烧弹法和高速纹影摄像法测量了压力为0.1~0.5 MPa，当量比为0.7~1.3工况下的NH3层流火焰速度．尽管早前实验并未考虑火焰拉伸的影响，但Hayakawa在0.1 MPa，295 K工况下测得的层流火焰速度与当量比关系曲线仍和文献数据[36-37]呈现良好的一致性．实验结果表明：NH3层流火焰速度随着初始压力的增大而降低的趋势与碳氢燃料对压力变化的响应相一致，0.5 MPa压力工况下在Φ=1.10处取到的层流火焰速度最大值仅为4.8 cm/s．NH3/空气混合气的马克斯坦长度也和氢气、甲烷火焰一样表现出随当量比的增大而增大的趋势，随压力升高，马克斯坦长度也有所降低，但在0.3和0.5 MPa工况下并没有明显差异．但氨气在空气中的层流火焰速度低，高压条件进一步降低了火焰速度，浮力的影响使点燃后的球形火焰不断向上方移动形成蘑菇状火焰，难以确定火焰半径，造成实验结果不稳定．Mei等[41]为了减弱浮力影响，选择采用富氧燃烧方式增大NH3层流火焰速度，在定容燃烧弹实验平台上开展了高压条件(0.1~0.5 MPa)，氧化剂中氧气摩尔分数为21%~45%工况的测量工作．图1给出了变压力条件下富氧/空气燃烧NH3层流火焰速度(SL)对比．随着氧气浓度的升高，NH3层流火焰速度显著增大，有效减弱了浮力影响．根据得到的变压力层流火焰速度计算出了富氧工况(35%)的压力指数与当量比的关系曲线．此外，还通过模拟研究分析了富氧强化燃烧的化学机理，提出其主导因素为：氧浓度的增大提高了绝热火焰温度，导致反应过程中如H，OH，NH2等重要中间自由基浓度增大，促进了火焰传播过程．10.13245/j.hust.220703.F001图1变压力条件下富氧/空气燃烧NH3层流火焰速度对比Liu等[42]利用燃烧弹法测量了NH3/O2火焰在0.03~0.16 MPa压力范围内的层流火焰速度，实验结果显示：在纯氧燃烧工况下，化学当量NH3火焰的常压层流火焰速度高达1.05 m/s，且随着初始压力进一步减小至0.05 MPa，NH3火焰的层流火焰速度可上升至1.09 m/s．层流火焰速度存在随着压力减小，先增大后减小的非单调变化趋势，对于不同当量工况，其转折点也有所不同．除了通过燃烧弹法研究NH3层流火焰速度外，Han等[43-44]也将热流量法运用到了研究当中，这一方法由于能够维持绝热无拉伸平面火焰而无须使用外插或其他分析手段直接获取层流火焰速度，具有更低的数据不确定性，这也导致热流量法的测量结果与其他方法的测量结果存在一定差距．通过对不同初始温度(298~448 K)的NH3层流火焰速度的测量及模拟分析，得到了0.1 MPa下的氨火焰的温度指数与当量比的关系曲线，并发现之前提出碳氢燃料的“over-rich”现象[45]同样出现在了氨火焰中，即Φ＞1.1时，氨火焰中NH2自由基的最大摩尔分数超过了H和OH自由基，并且在火焰锋面下游，H2O重新转化为H2和NO．总体来看，对于氨火焰的点火延迟时间和层流火焰速度已经有了相对丰富的实验数据，氨火焰的燃烧特性的变化规律也与常见碳氢燃料如甲烷等的燃烧特性有着极高的相似性，一定程度上说明其作为替代燃料的潜力．但氨火焰反应活性低，具体体现在其过大的点火延迟时间与过小的层流火焰速度，限制了氨气在现有燃烧器中的应用．2 氨气掺混氢气燃烧特性合理掺混其他低碳燃料以强化燃烧是最简单的一种氨燃料利用手段．氢气具有点火时间小、燃烧速度大、扩散性好等特点，能够强化氨火焰的同时保持零碳排放．2.1　点火延迟时间He等[31]在测量了NH3点火延迟时间的同时，也测量了2.0和4.0 MPa压力下的NH3/H2点火延迟时间，图2给出了化学当量不同掺混比例NH3/H2点火延迟时间(τ)，图中：T为温度；XH2为H2掺混比．掺混氢气对NH3点火有显著的强化效果，对于纯氨无法自点火的2.0 MPa的工况，仅少量掺混5%H2便可实现点火，且此时的点火延迟时间与相同点火温度，压力提高至6.0 MPa工况的NH3接近．实验结果显示：随着H2掺混量升高，掺混火焰的点火延迟时间显著降低，且点火延迟时间与当量比的相对关系也从点火延迟时间随当量比减小而降低逐渐转变为点火延迟时间随当量比减小而升高．10.13245/j.hust.220703.F002图2化学当量不同掺混比例NH3/H2点火延迟时间Dai等[32]的实验结果进一步验证了He实验[31]的准确性，并对固定点火温度为1 080 K时，不同掺混H2比例的NH3/H2点火延迟时间与压力的相对关系进行了阐述．2.2　层流火焰速度近年来，NH3掺氢条件下的层流火焰速度得到了广泛关注．为了探索掺混氢气对氨火焰的影响，Kumar等[46]采用本生灯法对不同H2掺混比例的化学当量附近及贫燃侧的NH3/H2火焰的层流火焰速度进行了测量，结果表明：当Φ＜1.1时，所有比例的NH3/H2火焰的层流火焰速度均随当量比增大单调增大，但20%和80%H2掺混的混合气在Φ=0.9~1.0内，火焰速度存在不连贯的显著增大现象．而Li等[47]同样运用本生灯法研究了不同当量比和初始H2掺混比例对NH3/H2火焰的层流火焰速度和NOx排放特性的影响，却未发现这一现象．并且通过对燃烧产物的采样分析，发现包括富燃工况在内的所有工况的NH3/H2火焰的尾气中都没有未燃尽NH3残留．Han等[43]用热流量法获得了更精准的不同掺混比例NH3/H2火焰的层流火焰速度，同样未发现火焰速度在化学当量附近的突变现象．实验结果显示：随H2掺混比例的提高，最大层流火焰速度对应当量比由Φ=1.05逐渐向富燃侧转移，与Li等[47]获得的变化趋势相一致．为了研究掺混H2对压力条件下NH3火焰的影响，Ichikawa等[48]在0.5 MPa的压力下对NH3/H2火焰展开了实验和数值研究．结果表明：掺混火焰的无拉伸层流火焰速度随初始压力的增大而减小，随掺混H2比例增大而非线性增大，火焰的马克斯坦长度则是随掺混H2比例增大而先减小后增大，与压力的相对关系则和Hayakawa等[40]对纯氨火焰的实验结果一致．Wang等[49]也在搭建的高压平台中使用热流量法测量了0.1~0.5 MPa范围内的NH3/H2火焰的层流火焰速度，并通过计算得到压力指数β随掺混H2比例增大先减后增的关系曲线．Lhuillier等[50]对变温工况下的NH3/H2火焰做了充分研究，计算得到的纯氨火焰温度指数与Han等[44]的结果相当符合．而NH3/H2火焰实验结果显示：随着掺混H2比例提高，各当量比对应的温度指数均有所降低，火焰速度对初始温度的敏感性有所减弱．Shrestha等[51]则采用燃烧弹法研究对比了高温高压工况下掺混H2和富氧强化燃烧对NH3火焰的层流火焰速度的提升效果．比较发现：0.1 MPa，298 K，Φ=1.0工况下，氧化剂中氧气摩尔分数提升至30%和燃料中掺混30%H2对NH3火焰的层流火焰速度的提升效果分别为约190%和180%，可以近似认为氧气比例升高至30%的强化效果与30%H2掺混的强化效果相当．考虑到NH3分解制备氢气的成熟工艺，Lesmana等[52]、Mei等[53]和Ji等[54]先后对NH3预裂解成N2和H2以强化NH3火焰的可行性展开了研究，将预混气的组成由NH3+0.75(O2+3.76N2)/Φ改变为(1-γ)∙NH3+1.5γH2+0.75[O2+(3.76+2γΦ/3)N2)]/Φ，其中γ为预裂解NH3占总NH3的比例．三项研究得到了一致的预混火焰层流火焰速度随γ增大而非线性增大的规律，当γ=0.4时，预混火焰的层流火焰速度便已提升至40 cm/s左右，与同工况的甲烷火焰相接近．值得注意的是，Lesmana等[52]和Ji等[54]的工作中将氨气预解程度定义为γ*=XH2+XN2*XNH3+XH2+XN2* ，(1)式中：XN2*为氨气裂解生成N2的摩尔分数；XNH3为NH3掺混比．须经换算得到γ．Mei等[53]还在模拟工作中将NH3预裂解生成的N2替换为不参与反应的FN2，从热效应的角度分析了预裂解对NH3火焰的影响．上述研究表明：无论是直接向氨中添加适量氢气还是将部分氨气裂解制氢都可以显著降低其点火延迟时间和增大其层流火焰速度，掺混氢气有效拓展了氨燃料的可燃范围，增强了火焰稳定性，但考虑氢气制备和储运的成本，部分裂解氨气在短期内可能是更合适的选择．3 氨气掺混合成气燃烧特性合成气也是一种含有H2的优质混合燃料，通过对合成气中H2摩尔分数的控制，能够灵活控制合成气的燃烧特性，且随着煤制合成气及生物合成气技术的快速发展，其应用范围也逐渐拓展，但目前对与氨气掺混合成气燃烧领域的研究仍相对有限．文献[43]分别测量了NH3掺混H2和CO火焰的层流火焰速度，发现NH3/CO火焰同样存在与NH3/H2火焰类似的最大层流火焰速度对应当量比随掺混比例增大而向富燃侧移动的趋势．但不同于NH3/H2火焰的火焰速度随掺混氢气比例增大非线性单调增大的规律，NH3/CO火焰的层流火焰速度随掺混CO比例增大先增后减，其峰值在掺混CO比例达到85%时达到，这一现象意味着NH3与CO存在相互强化燃烧的效果．在这一工作的基础上，他们继续开展了对NH3掺混两种不同构成合成气(SYN_A：H2(φH2=5%)+CO(φCO=5%)；SYN_B：H2(φH2=50%)+CO(φCO=50%)，φi为气体i的质量分数)的研究[55]．实验和模拟结果显示：随着少量H2的加入，火焰速度与掺混比例的非单调关系依然存在，但峰值后移至掺混比例为90%工况，且只有当掺混合成气SYN_A比例大于0.7之后H2对层流火焰速度的增大才有所体现；当H2在合成气中占比提升至50%时，同一掺混合成气比例的火焰速度显著提升，火焰速度与掺混比例的非单调关系消失，H2对掺混火焰的影响重新回到主导地位．Wang等[49]采用热流量法对0.1~0.5 MPa压力下的NH3/H2，NH3/CO和NH3/合成气掺混火焰进行了研究，发现NH3/H2火焰的火焰速度随压力增大或掺混比例降低而减小的数值显著大于NH3/CO火焰，而NH3/合成气火焰介于两者之间．但计算得到的三种掺混火焰的压力指数却十分接近，均表现为随掺混比例先减后增，在掺混比例为0.4左右取到最小值．Mei等[56]也利用燃烧弹法研究了压力对NH3/合成气火焰的影响，指出合成气的加入同样能够显著减弱浮力的影响，且NH3/合成气火焰相对于纯氨火焰具有更强的压力依赖性．最近，Zhou等[57]测量了升温工况下的NH3/合成气与NH3/生物合成气掺混火焰的层流火焰速度，发现提高初始温度同样对火焰速度有着明显的增大效果，但NH3/合成气火焰的火焰速度随温度升高而增大的趋势弱于氨火焰．总体来看，掺混合成气对氨的层流火焰速度同样有着提升效果，但效果强弱与合成气组成有着密切联系；同时，对于氨气和合成气掺混燃料的点火延迟时间的测量亟待补充．4 氨气掺混甲烷燃烧特性尽管可再生能源的消费比例逐年增加，但化石燃料仍将是现在和未来一段时间内的主要能源．甲烷与氨具有相似的密度、黏度、比热容等物理特性，这意味二者的混合燃烧是一个可探索方向，对向无碳社会逐渐过渡具有一定参考价值．4.1　点火延迟时间Xiao等[58]在激波管中测量了压力为0.2和0.5 MPa、温度范围为1 369~1 894 K工况下的两种不同掺混比例的NH3/CH4混合气的点火延迟时间．CH4的加入有效降低了氨火焰的点火延迟时间，且与氨火焰相同，NH3/CH4的点火延迟时间具有随压力增大而降低、随温度升高而降低及随当量比减小而降低的变化规律．随着CH4掺混增多，点火延迟时间快速降低，但随着CH4摩尔分数进一步升高，点火延迟时间的降低趋势显著减弱．Dai等[59]则是在RCM中对高压低温条件下氩气稀释的NH3/CH4混合气进行了研究，在这一实验工况下，CH4表现出更为显著的强化点火效果．实验结果显示：当量比Φ=0.5时，掺混CH4(φCH4=5%)的混合气的点火延迟时间仅为纯氨的1/5，掺混CH4(φCH4=10%)对点火的强化效果就已等效于相同点火工况下将NH3点火当量比Φ从0.5提高至2.0．同样观察到这一强化点火效果随着掺混CH4比例的增大逐渐减弱的现象．此外，Shu等[60]也利用RCM测量了不同掺混比例的NH3/CH4混合气，取得了一系列与文献相符合的实验结果．但不同的是，他们对于4 MPa压力下20%CH4掺混的NH3/CH4点火延迟时间的测量结果并未体现出明显的与Φ间的依赖关系．4.2　层流火焰速度Okafor等[61]采用燃烧弹法测量了以CH4为主要成分的NH3/CH4的层流火焰速度，发现随着混合燃料中NH3比例的提高，火焰速度非线性降低；之后在0.5 MPa的高压下对NH3/CH4火焰进行了实验和数值模拟[62]，实验结果显示：高压工况下，贫燃侧的马克斯坦长度随混合气中NH3浓度提高而降低，在富燃侧的变化规律则相反．Han等[43]将NH3掺混比例从30%提升至100%，采用热流量法测量了更全面的常压下NH3/CH4火焰层流火焰速度，发现不同于H2，CO等燃料，NH3/CH4火焰的层流火焰速度与掺混的CH4比例近似成线性关系．值得注意的是，将Okafor等[61]的实验结果从能量分数换算成摩尔分数后也得到了与其一致的线性关系．不同于前人把N2和H2O视作NH3完全燃烧的产物，Liu等[63]将NO和H2O作为NH3燃烧的最终产物，在计算当量比的过程中已经增大预混气中氧浓度的基础上，进一步改变氧化剂的组成，运用对冲火焰法研究了富氧燃烧及氧化剂中CO2的加入对NH3/CH4火焰的影响．不同掺混比例、当量、氧浓度及二氧化碳浓度工况的测量结果显示：NH3/CH4火焰的层流火焰速度与氧化剂中氧气和二氧化碳的摩尔分数及燃料中NH3和CH4的摩尔比都近似成线性关系，且前两者的斜率与当量比独立，因此认为二氧化碳的加入使NH3/CH4层流火焰速度降低主要是由CO2物理特性不同于N2导致的，而非CO2对燃烧过程中的化学反应造成干扰．关于压力变化对NH3/CH4火焰速度影响的研究也已经有所进展，Wang等[64]对高压工况下NH3/CH4火焰的层流火焰速度的测量和计算结果显示：随掺混CH4比例提高，压力指数逐渐减小，掺混CH4比例大于90%(摩尔分数)后，压力指数又随掺混比例增大而略有增大；同时，随掺混CH4比例提高，压力指数随当量比增大单调增大的变化规律逐渐转变为在富燃侧先减后增的非单调规律．通过模拟和敏感性分析，指出这一现象是由CH3和N2Hi相关反应间的竞争导致的．上述研究肯定了甲烷对氨火焰的强化效果，但由于甲烷等碳氢燃料的层流火焰速度远小于氢气，掺混甲烷带来的强化效果相对有限，因此想要在现有燃烧装置中使用NH3/CH4混合燃料，其中氨气的掺混比例将十分有限．5 氨气掺混其他燃料燃烧特性Han等[43]提出：NH3/CH4的层流火焰速度与掺混CH4比例线性相关，动力学机理中是否包含C-N相互反应也几乎不影响对NH3/合成气的层流火焰速度的准确预测[55]．许多研究也验证了这两个观点，让越来越多的学者开始好奇C-N反应在氨气与含碳燃料掺混燃烧过程中的意义及影响，先后开展了对氨气掺混其他分子量相对更大、分子含碳原子数更多的燃料燃烧特性的相关研究．正庚烷和异辛烷与甲烷同属于饱和烷烃，且作为柴油和汽油的表征燃料被广泛应用于研究柴油和汽油的燃烧特性，具有良好的研究基础．Yu等[65]在RCM中测量了低温工况下NH3/正庚烷的点火延迟时间，结果表明：混合燃料仍保留有高含碳烷烃两阶段点火的特性，随着混合燃料中NH3比例的增大，第一阶段点火延迟时间和总点火延迟时间都显著增大，但第一阶段点火延迟时间占比随之减小，这意味氨气的掺混对正庚烷第二阶段点火延迟时间影响更大．Lubrano等[66]对比了掺混甲烷、正庚烷、异辛烷对氨火焰的影响，结果表明：三种烷烃的掺混对NH3火焰层流火焰速度都有提升效果；掺混相同摩尔分数时，甲烷的强化效果明显弱于正庚烷和异辛烷，且混合燃料的层流火焰速度随掺混多碳烷烃比例增大非线性增大；掺混相同质量分数时，三种烷烃都满足层流火焰速度与掺混烷烃比例近似成线性关系，但甲烷的强化效果仍然弱于正庚烷和异辛烷．通过模拟分析，他们发现：NH3与正庚烷和异辛烷掺混燃烧过程中，H2的最大摩尔分数相较于纯烷烃火焰有显著提升，这可能是正庚烷和异辛烷强化效果优于甲烷的主要原因．除了碳氢燃料外，甲醇、乙醇等含氧燃料也是一个重要的研究方向．Wang等[67]采用热流量法测量了298~448 K范围内不同掺混比例NH3/CH3OH和NH3/C2H5OH的层流火焰速度，并计算得到了不同工况下的温度指数．为了更好地衡量不同燃料掺混对氨火焰层流火焰速度的强化效果，提出了一个归一化火焰速度增量ξ，定义为ξ=（SL-SL，NH3）/（SL，M-SL，NH3），式中下标M为所掺混燃料．结果表明：当掺混相同摩尔分数时，NH3/CH3OH和NH3/C2H5OH的层流火焰速度大于NH3/CH4，但NH3/C2H5OH的ξ显著大于NH3/CH3OH 和NH3/CH4，与C2H5OH摩尔分数成非线性相关，后两者的ξ十分接近，都与掺混摩尔分数近似成线性相关．值得注意的是：他们发现将混合燃料中两种燃料的比例从摩尔分数转换为掺入燃料热值占燃料总热值比例EM后，上述三种混合燃料和NH3/H2具有极为相似的ξ随EM的变化趋势，且近似满足关系ξM=EM2，这对于简单推导或验证其他碳氢燃料和NH3的混合物层流火焰速度的实验结果具有重要意义．二甲醚、二乙醚等醚类在过去几十年间被视为具有发展前景的替代燃料而受到广泛研究，最近也有学者开始探索它们作为氨燃烧促进剂的效果和可能性．Dai等[68]在RCM中测量了高压低温工况下不同掺混比例NH3/DME的点火延迟时间，发现Φ=0.5，压力为6 MPa，NH3的点火延迟时间为40 ms时，所需环境温度约为1 080 K，掺混10%(质量分数)H2可将所需温度降低约100 K，掺混50%(质量分数)CH4可将所需温度降低约125 K，而仅掺混5%(质量分数)DME便可将所需温度降低约250 K．少量DME(2%~5%)的加入就可以显著降低NH3的点火延迟时间或是降低点火所需环境温度，但随掺混DME比例升高，点火强化效果有所减弱．Elbaz和Issayve等[69-71]先后研究了二甲氧基甲烷(dimethoxymethane，DMM)、二乙醚(Diethyl ether，DEE)和DME对氨火焰的影响，结果表明：三者的掺混对NH3的点火和层流火焰速度都有显著强化作用，而且对马克斯坦长度具有较大影响．随着混合燃料中DMM或DME浓度的增大，马克斯坦长度从随当量比增大而增大逐渐转变为随当量比增大而减小，从而形成贫燃侧马克斯坦长度随DMM或DME浓度增大而增大，富燃侧随浓度增大而减小的变化规律．氨与多种碳氢燃料的掺混燃烧都能够弥补氨燃料在点火延迟时间和层流火焰速度等燃烧特性方面的不足，且具有相对较低的碳排放量．还须深入研究C-N相互反应，进而掌握混合燃烧的反应机理，发现更为合理的燃料掺混组合及比例．6 氨燃料的NOx排放特性在理想条件下，氨气完全燃烧的产物仅有氮气和水，这也是其被视为具有发展潜力的新型零碳燃料的一大依据．然而，在实际燃烧过程中，氨火焰中将会形成并释放相当可观的氮氧化物，而NOx自身极可能引发的光化学烟雾、雾霾、酸雨等现象对人体及环境造成巨大危害，这也是氨燃料推广所面对的巨大挑战．与氢气及碳氢燃料燃烧过程中形成的NOx相比，燃料型NOx才是氨气燃烧所生成氮氧化物的主要来源，而由于氨火焰温度较低及CH基团匮乏，热力型NOx和快速性NOx几乎可以忽略不计．然而，为了强化氨火焰的稳定与传播，将氨气与其他燃料掺混燃烧，一方面将减少燃料中氮元素所占比例，另一方面又势必会提高火焰温度并引入大量OH和CH基团，再加上NH3自身与NOx之间可能发生的SNCR反应等因素，意味着氨燃料的NOx排放将呈现出更为复杂的变化规律．Tang等[72]通过对烟气的采样分析，获得了在旋流燃烧器中空气流量固定为50 SLM时贫燃工况下氨火焰的NOx排放曲线，发现：NOx的主要成分NO和NO2排放量具有极为相似的随当量比增大先增后减的变化趋势，其中NOx的排放峰值在Φ=0.8附近，NO排放峰值约为1.5×10-3，而NO2浓度比NO浓度小一个数量级．这与CH4/空气火焰的NO排放最大值一般在化学当量附近达到约1.00×10-4有显著差距[73]．此外，他们还利用OH-PLIF技术对燃烧器中OH自由基的分布进行了测量，发现OH信号强度随当量比分布与NOx排放曲线有着相似的变化规律，佐证了Somarathne等[73]提出的在不同当量下，局部NO生成与当地OH自由基浓度之间存在线性相关的观点．为了研究掺混其他燃料对氨燃料NOx排放影响，Khateeb等[74-75]先后对旋流燃烧器中不同当量的NH3/CH4和NH3/H2混合燃料的NOx排放进行测量．实验结果表明：甲烷的加入并未改变NOx随当量比增大先增后减的变化趋势，但显著增大了贫燃工况下NOx的排放量．在贫燃工况下，随着掺混CH4比例的增大NOx的排放量也快速上升，在CH4占总燃料体积分数约50%后趋于平缓．而在富燃工况下，过量NH3与NOx发生还原反应使得NOx排放显著减少的转折当量也随掺混甲烷比例的增大向富燃侧偏移．H2的加入所导致的影响与CH4存在相当高的相似性，但从NOx排放增量来判断，掺混CH4对氨燃料NOx排放具有更强的影响效果，Li等[47]的旋流实验结果和Zhang等[76]的模拟结果也呈现出一致规律．上述研究结果表明：氨燃料的NOx排放水平远高于H2及部分传统碳氢燃料，强化氨燃烧的掺混其他燃料方法也可能引起NOx排放量的进一步增大．但除当量比及燃料组成外，压力、燃烧器结构、停留时间等因素也对燃料燃烧的NOx排放有着显著影响[75,77-78]．在上述实验中，由富燃工况下氨燃料极低的NOx排放结果，说明通过合理的燃烧方法，能够有效缓解这一问题，Kurata等[79]在分级燃烧等技术方面的实验结果进一步验证了氨燃料能平衡碳排放、NOx排放及残氨的合理性．但对于其效率及效果也需要更深层次的实验及模拟验证．7 氨燃烧的反应动力学机理在过去的很长一段时间里，包含NH3组分的反应动力学机理研究并不是为了验证和模拟NH3燃烧，而只是作为其他燃料高温燃烧反应过程中生成氮氧化物的机理的一部分，得到了污染物控制领域的关注．最早详尽的NH3燃烧反应机理是1989年由Miller和Bowman[80]提出的，包含22种组分和98条基元反应，他们给出了NOx的形成及消耗路径，并提出NHi(i=0，1，2)自由基在NO的生成反应中起到关键性作用．21世纪初，Konnov等也提出了一个燃烧机理模型[81]，补充了NHi聚合得到N2Hx的反应路径，较为全面地描述了氨的分解、燃烧过程及火焰结构，通过对H/N/O子机理的不断升级更新，实现了对NOx排放地准确预测[82]．随着氮氧化物生成机理的深入研究，NH3因其零碳燃料的潜质而受到能源领域的广泛关注，以NH3燃烧过程为标的对象的机理不断增多．表1给出了2015—2021年期间发表的含有NH3组分的燃烧反应动力学机理．10.13245/j.hust.220703.T001表12015—2021年期间发表的含有NH3组分的燃烧反应动力学机理机理提出者发布时间模型应用对象机理体量Mathieu和Petersen[28]2015NH3点火35种组分，159条基元反应Song等[83]2016高压NH3氧化32种组分，204条基元反应Nakamura等[84]2017低温NH3点火Zhang等[85]2017NH3/H2/合成气火焰NO生成Otomo等[86]2018NH3及NH3/H2燃烧32种组分，222条基元反应Okafor等[61]2018NH3/CH4燃烧，NO生成59种组分，356条基元反应Shrestha等[87]2018NH3及NH3/H2燃烧、点火34种组分，264条基元反应Glarborg等[88]2018NH3/H2/C1-C2火焰NO生成151种组分，1395条基元反应Mei等[41]2019富氧NH3燃烧、点火38种组分，265条基元反应Li等[89]2019NH3/H2/CH4燃烧、点火128种组分，957条基元反应Stagni等[90]2020低温NH3燃烧31种组分，203条基元反应Han等[55]2020NH3/H2/合成气燃烧35种组分，174条基元反应Wang等[67]2021NH3/CH3OH/C2H5OH燃烧91种组分，444条基元反应Mathieu和Petersen[28]基于Dagaut模型[91]中的NH3子机理，更新了H2/O2[92]，N2O[93]和NO2[94]等子反应机理，该机理能够很好地预测高温高压工况下的NH3/空气点火延迟时间，以及中温高压工况下的NO或NO2添加氢气火焰中的组分分布．但对于最近开展的低温高压工况NH3/空气点火延迟时间模拟预测[31-32]，Mathieu机理并未取得良好效果．在Klippenstein等机理[95]的基础上，Song等[83]通过采纳文献数据或是运用从头计算法对前者机理中的大量反应的速率常数进行了更新，提出了一个用于预测高压低温工况下NH3氧化的机理模型，强调了NH2+NO===NNH+OH和NH2+HO2===H2NO+OH作为主要OH自由基生成反应，NH2+NO===N2+H2O和NH2+NO2===N2O+H2O作为链终止反应的重要性．Nakaruma等[84]以Miller和Bowman[80]的机理为基础，吸纳了Mathieu和Petersen[28]及Konnov[82]机理中的H2/NHx/N2O/NO2/NNH和N2Hx子机理，并对热力学参数和反应速率常数进行了广泛更新．该机理能够很好地预测火焰场中NH3，O2和H2O的摩尔浓度分布，及火焰反应区下游NO和N2O的最终摩尔浓度，对NH3点火延迟时间的预测也和Mathieu等[28]的实验结果相当一致，但还是一定程度上高估了火焰场中的NO和N2O摩尔浓度．针对Mathieu和Petersen机理[28]无法很好地预测出低压工况下NO浓度随温度升高而降低的表现，Zhang等[85]更新了H2/syngas，HOCO，N/O，H/N/O和NH3五部分子机理，增加了描述热力型NOx形成的Zeldovich机理[96]中三条关于NO生成的基元反应，通过与大量实验数据在点火延迟时间、层流火焰速度及组分分布等方面的对比，验证了新机理的准确性．对导致Mathieu机理无法准确预测的原因做出了合理推断：低压条件下，基元反应HON+H===OH+NH和HNO+H===NO+H2之间的竞争关系并未在Mathieu机理中得以呈现．Otomo等[86]基于Song机理[83]提出的UT-LCS模型能够很好地再现大量不同压力和当量比工况下NH3的层流火焰速度和点火延迟时间的实验结果．通过对层流火焰速度、压力依赖关系等模拟结果的敏感性分析，更新并优化了包含NH2，HNO和N2H2等关键自由基的基元反应的速率常数，使得UT-LCS模型对NH3/H2火焰的层流火焰速度也有良好的预测效果．利用该机理模型，发现在NH3/H2火焰燃烧过程中存在一定程度的NH3分解生成H2现象，这些结果为今后研究NH3/H2/空气的高效燃烧提供了参考依据．Okafor等[61]发现Tian机理[97]误判了HCO转化CO路径中反应HCO===CO+O的重要性，从而导致对含碳燃料的模拟结果低估了层流火焰速度．吸取前人经验后，他们在GRI-Mech 3.0[98]和Tian机理[97]的基础上发展出了详细的NH3/CH4机理，指出对于NH3/CH4火焰，基元反应NO+NH2===NNH+OH，NH2+O===HNO+H和HNO+H===NO+H2通过对火焰场中OH和H自由基浓度的影响，极大地影响了混合燃料的层流火焰速度．在后续的工作中，Okafor等[62]进一步简化了机理，并对NO分布的模拟结果与NO机理和O/H自由基的影响关系展开深入讨论．Shrestha等[87]首先提出了一个由H2/CO，NH3/NOx和C1/NOx三部分子机理组成的用于模拟NH3/H2掺混火焰的机理模型，其中NH3/NOx子机理考虑到了NOx的生成与还原过程．在验证机理过程中，发现在燃料中掺混NO2可能会通过反应NO2+HO2===HONO+O2强化H2点火，或是通过反应NO2+OH===NO+HO2抑制H2的氧化，因此HO2的浓度对其反应路径起到决定性作用．后续根据NH3掺混不同燃料的实验结果相继添加了C1/C2子机理[99-100]和DMM/DME子机理[101]，极大地丰富了可模拟工况类型．但在一些研究中[32,59]，该机理在高压工况下并未像验证过程中一样表现出良好的预测效果．Glarborg等在关于燃烧过程中的氮化学综述文章[88]中提出了一个包含NH3组分的详尽机理模型．基于最早可追溯至20世纪80年代的庞大工作[102]，该机理涵盖了C1-C2碳氢燃料[103-105]、胺类[95]和氰化物[91]的氧化燃烧及C-N相互反应[106-108]等诸多子机理，对NHx，NOx及CHx等关键自由基的热力学参数也进行了更新，并经过了大量在激波管、预混火焰和射流搅拌反应器中的实验数据的验证．作为一种全面的、未简化的机理，Glarborg机理能够准确地预测多数工况反应场中的组分分布，但由于机理的主要目标为追踪NO分布，导致其对于部分工况下含NH3燃料的点火延迟时间的模拟结果欠佳[109]．考虑到压力等环境因素对反应速率的影响，Mei等[41]提出了一个专用于模拟高压工况下氨火焰传播过程的机理模型，其中H2子机理以Hashemi机理[110]为基础，结合Burke和Klippenstein[111]强调的四条影响H2层流火焰速度预测的三元反应，NH3子机理以Shrestha机理[87]中的NH3/NOx子机理为基础，NH2+H===NH+H2，N2H2+H===NNH+H2及N2H2+M===NNH+H+M等重要基元反应的速率常数也都进行了更新．模拟和实验结果显示：NH3及其主要分解产物NH2，NH等在不同当量比工况下的反应路径有所变化，例如在贫燃工况下，它们更倾向于与OH自由基等发生脱氢反应或是与NO，O2反应生成HNO，N2O，NO等产物；而在富燃工况下，OH自由基相对浓度降低，与H自由基的反应及分解产物间相互反应生成N2Hx的比重显著提升．在后续研究中，Mei等[41]还增加了CO子机理[56]，并针对高压工况进行了进一步的速率常数优化[53]．Li等[89]基于Shrestha机理[87]中的NH3子机理、AramcoMech 2.0[112]中的H2/C1-C2子机理及Tian机理[97]中的NH3/C1子机理，建立了一个包含128种组分和957条基元反应的氨燃烧反应动力学机理．为了将这一机理应用于MILD燃烧等氨燃烧方式的CFD模拟，运用直接关系图法简化得到了28组分和213基元反应的NH3/H2机理与51组分和420基元反应的NH3/H2/CH4机理．对于NH3/H2火焰，详尽机理和简化机理无论是点火延迟时间还是层流火焰速度都等取得良好的模拟效果，但对于NH3/H2/CH4火焰，详尽机理和简化机理均会一定程度上高估层流火焰速度．Stagni等[90]选取Metcafle等[113]的H2/O2机理和Song机理[83]中的NH3/NOx子机理，采用从头计算法重新推导了NH3析氢反应的速率常数，并针对低温工况下包含H2NO和HNO的敏感反应进行了速率常数优化[88]，有效提高了该机理对高压低温工况模拟的准确性．同时模拟结果显示，高压低温工况下，H2NO自由基对点火延迟时间有着重要影响．最近，Han等[43,55]基于热流量法测量NH3掺混H2/CO/CH4及不同组分合成气的层流火焰速度的工作提出了一个由合成气子机理和NH3子机理构成的轻量化NH3/合成气机理．合成气子机理来自Varga等提出的ELTE-syngas机理[114]，NH3子机理则是从已有的含NH3机理和有关基元反应研究的文献中收集含N反应，经过不断比较评估选取得到．在之前的工作[43]中取得了和Okafor等[61]一致的结论，即含C组分与含N组分之间的相互作用对于模拟NH3火焰的准确性并无显著影响，因此将所有C-N相互作用的反应全部剔除，使得整个NH3子机理具有仅仅20种组分、130条基元反应的体量．模拟和实验结果显示：是否考虑HONO，HNOH，HON，HNO2，HONO2，NO3等组分的基元反应同样不会影响该机理对NH3，NH3/H2，NH3/CO和NH3/合成气混合物层流火焰速度和点火延迟时间的准确预测，但在含有大量NO，N2O和NO2未燃物的情况下对火焰场中含N组分分布预测具有较大影响．在后续的研究中，Wang等[67]在Han机理[55]的基础上，添加了由San Diego机理[115]中碳氢燃料反应部分和最新的Konnov机理[116]中部分C-N反应构成的含有71种组分和314条反应的C1-C4子机理，并对其中CH3OH和C2H5OH分解反应的速率常数进行了更新[117-118]，最终提出了CEU-NH3机理．通过模拟与敏感性分析，发现尽管机理是否包含C，N组分之间的相互反应对层流火焰速度的模拟精度并无影响，但部分相互反应仍对NH3/CH4点火延迟时间的预测起到了关键作用．上述机理在提出时都经过大量实验数据验证其准确性，能够在特定工况下较为准确地预测氨火焰的层流火焰速度、点火延迟时间、组分分布等特性．常压常温下，不同含NH3组分动力学机理的NH3层流火焰速度模拟对比如图3所示．可以看出：现有机理的模拟结果仍存在较大差别，这种差异性与氨火焰实验研究的巨大相对误差结合后更具迷惑性，使研究者难以界定哪种机理能够更好地模拟实际燃烧过程．氨燃烧过程中仅有少数反应的敏感性较高，而根据目前反应动力学发展水平，氨气相关的大量反应及其实验或量子化学计算得到的反应常数存在数量级误差，不同来源的反应常数的巨大差异增大了动力学机理验证优化的难度．因此，氨燃烧化学反应动力学机理的发展还须进行更全面的深入研究，尤其是关键基元反应的速率常数还需更精确的实验验证．10.13245/j.hust.220703.F003图3不同含NH3组分动力学机理的NH3层流火焰速度模拟对比(常压常温)8 氨燃烧的工业应用探索尽管目前对于氨燃烧的机理尚未完全明晰，与其他燃料的掺混燃烧也都处于实验室研究反应机理阶段，但也有部分研究者选择直接在现有燃烧器中加入氨气，使NH3替代部分原本使用的燃料直接参与燃烧，从热效率、烟气组成等宏观角度探究NH3在现有工业燃烧装置中应用的可能．8.1　燃气轮机燃气轮机凭借自身快速的启停能力和极广的功率范围，在能源动力领域有着广泛的应用．日本国家先进工业科学和技术研究所(AIST)的Norihiko团队通过对丰田公司的微型燃气轮机燃烧室进行改造，开发了一台额定载荷50 kW适用于双燃料供应的微型燃气轮机机组[119]．为了验证该系统能否保持与现有发电系统的兼容性并尽量减少氮氧化物的排放，Norihiko和Kurata等[120-121]先后在该系统上测试了NH3/煤油、NH3/甲烷和纯氨等燃料，实现了在18.4~44.4 kW功率和70 000~80 000 r/min转速范围内的稳定运行，其中燃烧效率最高可达96%，燃烧室排气中检测到的NO体积分数约为5×10-4~1.5×10-3，经SCR系统脱除后可降低至1×10-5以下．通过对不同工况的采样测量，发现燃烧室入口温度对SCR系统上游烟气中NO和未燃尽NH3浓度有着决定性影响：随着燃烧室入口温度的提升，烟气中NO浓度近似线性增大，而未燃尽NH3则迅速减少至近零水平．基于分级燃烧能够利用未燃烧的NH3与NO产生选择性非催化还原(SNCR)减少NOx排放的原理．以双燃料旋流燃烧器为基础开发了一款浓淡分级燃烧器，新系统能够在更广的功率范围(10~40 kW)下稳定运行，并且实现以NH3为燃料时，SCR系统上游NO浓度最低降至3.37×10-4，约为上代机组的1/3[79]．这一结果充分证明了NH3直接作为燃料在燃气轮机中应用的潜力．最近，Okafor等[122]也开展了在这一浓淡分级燃烧器中直接喷入液氨燃烧的研究．IHI株式会社的Shintaro团队[123]也在一台额定载荷2 MW的中型燃气轮机机组中评估了NH3与天然气混烧的NOx排放特性和发电效率．为了实现低NOx排放的要求，首先设计了图4所示的NH3/天然气旋流燃烧器，NH3从喷嘴2和3中进入燃烧器．经过预实验，发现随着从喷嘴3进入燃烧器的NH3比例增大，燃烧器内生成NOx显著降低．在2 MW机组中的运行结果表明：NH3掺混比例为0~20%(氨占燃料总热值比例)工况下，机组能够稳定运行．尽管随着NH3的加入，燃烧器中生成NOx浓度显著提升，但经SCR系统脱除后可将排气中NOx维持在1×10-5以下，同时全机组发电效率也能够保持稳定．此外，IHI株式会社还宣称近日已实现了该机组中添加70%(氨占燃料总热值比例)液氨的低NOx排放运行[124]．10.13245/j.hust.220703.F004图4NH3/天然气旋流燃烧器结构三菱电力于2021年3月宣布开始开发40 MW级大型氨气燃气轮机，计划在现有H-25系列燃气轮机基础上加装新型氨燃烧室和SCR系统，实现低NOx排放[125]．通用电气(GE)和IHI株式会社也携手签署合作协议，致力于现有燃气轮机对氨燃料的适应化改造[126]．8.2　燃煤锅炉据BP公司统计，2020年全球燃煤发电量占总发电量的35%以上[1]，与其他发电方式相比，燃煤锅炉产生的碳排放量更多．即便只是少量掺混NH3替代煤炭也能减少极为可观的碳排放量，因此不少团队开展了NH3与煤粉在锅炉中的混燃研究．日本电力中央研究所(CRIEPI)的Yamamoto团队[127]在一台带有单燃烧器的卧式试验炉中进行了氨和煤粉的掺烧实验，试验炉侧壁上排布有多组喷嘴可用于喷入氨气和空气．在热负荷760 kW，掺混NH3占燃料总热值比例为20%的工况下，试验炉炉膛出口处的NOx浓度分别随侧壁喷入NH3占总NH3的比例增大及喷嘴距燃烧器位置减小而降低，当全部NH3都从距燃烧器1 m处的喷嘴喷入试验炉时，出口处的NOx浓度与仅燃烧煤粉工况相等．这一结果说明了NH3在燃煤锅炉中作为替代燃料与煤粉掺混燃烧的可行性．IHI株式会社的Zhang团队[128]为了探究更高掺混氨气比例下氨和煤粉在燃煤锅炉中的掺烧效果，利用CFD方法模拟了一台8.5 MW机组中NH3和煤粉掺烧的过程，并通过对比纯煤燃烧和一组混烧工况的模拟值和实验值验证了模拟的准确性．结果显示：当NH3占燃料总热值比例约为10%时，炉膛尾部烟气中不含未燃尽NH3，且飞灰中含碳率达到最低，约为3.7%，但NO浓度达到最大值，约为2×10-4．随掺氨比例升高，由于未燃烧NH3在下游的SNCR反应，NO浓度快速降低，而飞灰中含碳率则持续增大．当NH3占燃料总热值比例超过40%后，为了维持输入热值能不断提升的给氨速度，将使射入的氨气完全穿透火焰回流区，火焰形状由正常的旋流火焰转变为细长火焰，对炉膛壁面热流分布存在显著影响，同时炉膛尾部烟气中开始出现未燃尽NH3．当掺氨比例达到80%时，炉膛内辐射传热量已有明显降低，但对流传热显著增强，基本可维持总传热量稳定，而飞灰含碳量上升至约6.8%，尾部烟气中未燃尽NH3浓度达到1.5×10-4(@6%O2(氧浓度基准))，NO浓度降低至约2.5×10-5．结果说明：提高掺氨比例虽然能够降低碳排放和NO排放，但会导致锅炉燃烧效率的降低，如何平衡两方面的需求是今后氨燃烧应用中必须考虑的重要因素．此外，日本JERA株式会社与IHI株式会社也宣称将对日本碧南电厂四号机组进行改造，计划对机组内48组燃烧器进行氨适应化改造，并于2025年实现1000 MW级20%氨煤混烧技术示范性项目运行[129]．总的来说，上述项目的试验性运行结果直接验证了NH3具有替代碳氢燃料，减少CO2排放的潜力，在合理的SCR或SNCR系统的辅助下也能够实现氨燃料的低NOx排放．但从效益角度出发，对于氨燃料在燃气轮机和锅炉中的应用，仍须深入研究分级燃烧、烟气再循环等燃烧技术的影响，优化脱氮技术，实现降低碳排放的同时维持低NOx排放及高燃烧效率的稳定工作条件．9 结语随着传统化石能源的日益枯竭和社会对于环境保护的日益重视，人类迫切需要一种新型的清洁替代能源．NH3作为无碳燃料，同时也是氢能的优质载体，具有良好的工业生产和输运基础．将NH3直接燃烧供能可以有效减少裂解制氢过程中的能量损耗，相较于氢能具备一定的效率优势，发展前景十分广阔．目前，国内外学者对氨的燃烧过程和燃烧特性展开了广泛的研究，在氨火焰的点火延迟时间、层流火焰速度、火焰结构、排放特性等方面都积累了大量的研究数据，也构建了多个包含NH3组分的化学反应动力学机理，能够实现对部分已验证工况的参数的预测，为氨燃料的应用奠定了坚实的基础．现有燃烧器中氨燃烧或氨掺混燃烧的实验结果也证明了氨燃料兼顾低NOx排放和燃烧效率的潜力．但氨燃料燃烧的反应机理仍未完全明晰，已有机理几乎都无法同时准确预测不同工况下的多项燃烧特性，导致对氨燃料的高效清洁燃烧仍处于实验尝试阶段．因此，对氨燃烧的化学反应动力学机理和高效氨燃烧器设计还有待更深入研究．