为有效应对全球气候变暖问题，我国提出2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的发展目标[1]．在传统化石燃料应用的场合，燃用替代燃料氨气(NH3)是一种有前景且可行性高的碳减排技术路径[2-4]．然而氨气燃烧存在两个关键的挑战：首先，氨气燃烧特性差，常规条件下着火和稳定燃烧非常困难；其次，由于自身含氮量高，因此氨气燃烧存在NO排放高的风险[5-8]．要实现氨气燃烧的工程应用必须充分了解氨气燃烧及NOx排放特性，并针对性地研究燃烧强化及NOx控制措施．近五年来，研究人员针对氨气燃烧开展了深入研究，试图探索出经济、简便且高效的氨气燃烧强化措施及NOx排放控制策略，取得了大量有价值的研究成果．氨气燃烧强化主要从燃料侧改进、氧化剂侧调整及燃烧条件改善等方面入手，强化措施主要包括掺烧、部分预分解燃烧、增氧燃烧、预热燃烧及强化混合．氨气燃烧NOx主要来源于燃料本身含有的氮，因此NOx控制策略主要从控制氨气的氧化条件入手，空气分级是最有效的方法之一．同时，氨气本身也是高效的NOx还原剂，充分利用这个特性，根据燃烧温度条件合理配置混合策略也有利于实现NOx的有效控制．本研究分析氨气的燃烧特性并总结了氨气燃烧强化主要措施；汇总氨气燃烧NOx生成特性并讨论了NOx控制策略．1 氨气燃烧特性图1展示了几种典型的氨/空气预混火焰形貌，火焰发出橙黄色的化学荧光，这主要来源于NH2自由基及水蒸气的光谱[9]．图1(a)为球形火焰，火焰受浮力影响非常严重，火焰的球形度较差，且火焰中心位置明显高于点火中心，体现了氨气燃烧特性差的特点[10-12]．10.13245/j.hust.220702.F001图1典型氨/空气预混火焰形貌具体而言，氨/空气预混气自着火温度很高，且着火延迟时间比掺烧CH4条件下的数值高至少1个数量级[13]；同时，氨/空气层流预混火焰传播速度很低，常温常压下最大值约为7 cm/s[14-15]，仅为CH4火焰传播速度的1/5[16]．除此之外，氨/空气火焰稳定性差，容易熄火，层流预混火焰吹熄应变率最大值约为100 s-1，仅为CH4的1/20[17]．另外，由于氨气燃烧的主要产物是氮气和水，因此火焰辐射特性也较差．文献[18]介绍了10 kW燃烧试验炉上开展的氨气和CH4在空气助燃条件下的燃烧实验，沿程测量了火焰的辐射热流强度，结果表明，氨气火焰沿程辐射热流强度最大值比CH4火焰低22%．尽管如此，氨气火焰相比于CH4受辐射热损失的影响却更为显著．文献[19]的研究表明：辐射热损失显著影响氨气火焰传播速度，即使在当量比接近1.0的条件下，辐射热损失也会造成火焰传播速度降低超过3%；而在当量比偏离1.0的条件下，辐射热损失造成的火焰传播速度的降幅甚至超过10%．由于氨气燃烧强度微弱，常规条件下几乎无法得到稳定的氨气火焰，因此要实现氨气稳定燃烧，必须采取燃烧强化手段．2 氨气燃烧强化措施2.1　掺烧其他气体燃料为了改善氨气的着火和燃烧特性，强化燃烧过程，掺烧着火和燃烧特性更好的燃料是一种易于实现的方法[20-26]．典型的掺烧燃料包括H2[27-31]，CH4[32-35]，CO[16]及合成气(H2和CO混合气)[36-39]．大量研究者利用多种测量方法获得了氨气掺烧H2[40-43]，CH4[44-47]及CO[16]下的火焰传播速度，以分析掺烧不同气体燃料对氨气燃烧特性的改善效果．氨气掺烧不同气体燃料时层流预混火焰传播速度随掺烧比变化情况如图2所示．10.13245/j.hust.220702.F002图2氨气掺烧不同气体燃料时层流预混火焰传播速度随掺烧比变化情况掺烧H2获得的火焰传播速度的增幅最大，NH3/H2混合燃气的火焰传播速度随掺烧比呈指数型增长，掺烧比接近50%的条件下，火焰传播速度达到纯烧CH4的水平．掺烧CH4的条件下，火焰传播速度随掺烧比近乎呈线性增长，当掺烧比较高时，获得的增益是三种掺烧燃料中最低的．掺烧CO引起火焰传播速度随掺烧比增加呈非单调变化，纯烧氨气或CO的火焰传播速度都较低，火焰传播速度在掺烧比约为0.85处达到峰值，体现了高CO掺比条件下氨气与CO燃烧的协同作用．另外，掺烧合成气时，火焰传播速度的增益效果介于掺烧H2和掺烧CO之间，两种燃料组分对氨气燃烧的强化作用都有所体现，最终强化效果由合成气组成，即H2和CO的配比决定[39]．正是由于掺烧H2对氨气燃烧的显著强化作用，NH3/H2掺烧才被认为是非常理想的氨气强化燃烧策略[48-51]．掺烧H2不仅对火焰传播具有显著强化效果，而且能够大幅缩短着火延迟时间[52-53]，增大吹熄极限[54-55]，拓宽可燃范围[56-57]．然而，掺烧H2时也必须考虑安全问题．相关研究表明：在预混燃烧模式下，H2掺烧比过高将导致火焰出现强烈的回火倾向[56]．2.2　氨气预分解燃烧氨气本身就是一种优良的H2载体，含氢率高达17.8%[5]，因此通过氨气自身分解产氢，即可获得显著的燃烧强化效果，而无须增加额外的氢源[58]．不同于掺氢燃烧，氨气分解不仅产生H2，而且引入了N2，从而带来一定的稀释效果．尽管如此，氨气部分分解获得NH3/H2/N2混合气仍然能够显著改善燃烧特性[59-61]．研究表明氨气部分分解策略几乎能够达到和掺氢相同的燃烧强化效果[60]；同时，氨气部分分解也有利于拓宽可燃范围．相关研究表明，氨气分解程度达到25%，混合气可燃范围增大76.6%[61]．然而，氨气分解过程须消耗大量能量，每生产1 mol H2，消耗30.6 kJ能量，约占氨气自身低位发热量的14.5%[5]．同时，氨气分解反应所需的条件也比较苛刻．氨气热分解反应的入口温度在1 200 K以上，在1 s量级的停留时间内，氨气完全分解需要的温度条件高达1 700 K[62]．尽管有研究表明利用特殊的催化剂可将氨气分解反应所需的温度条件降低到723 K以下[63-65]，但是该反应的高能耗仍然是不可避免的难题．2.3　增氧燃烧强化氨气的燃烧除了从燃料侧入手，采用掺烧的策略之外，也可以从氧化剂侧入手，提高氧气浓度，采用增氧燃烧策略[35,45]．大量研究者通过实验测量[66-67]或模拟计算[68-69]增氧条件下氨气层流火焰传播速度，验证了增氧策略对氨气燃烧的显著强化作用．图3展示了不同当量比下氧气体积分数对氨球形火焰形貌及层流火焰传播速度的影响．在常规空气条件下，氨气燃烧强度低，火焰受浮力影响显著，球形度不高，且火焰位置有所抬升；当氧化剂中氧气体积分数提高到35%甚至更高时，火焰呈现规整的球形，且火焰位置基本不发生改变，说明氨气燃烧强度明显提升．NH3/O2/N2层流预混火焰传播速度随氧气体积分数提升近似呈线性增长，且在不同当量比条件下趋势相同．氧气体积分数为35%~40%时，火焰传播速度达到CH4/空气燃烧的水平．对于NH3/O2/N2湍流火焰，提高氧气体积分数同样能够显著强化火焰的传播，当氧气体积分数提高到40%时，湍流火焰传播速度相比于空气燃烧几乎翻倍，达到接近1 m/s的水平[70-71]．10.13245/j.hust.220702.F003图3不同当量比下氧气体积分数对NH3/O2/N2层流预混火焰形貌及传播速度的影响(常温，常压)2.4　预热燃烧提高燃料和氧化剂的初始温度是改善燃料着火和燃烧特性常用的方法之一[22,72]．大量实验及模拟研究结果验证了提高初始温度能够大幅增加氨气燃烧或与其他燃料掺烧条件下的火焰传播速度[20,36,41,73-74]．初始温度对层流预混火焰传播速度影响呈幂函数关系[36]，为S1/S10=Tu/Tu0α，式中：Sl和S10分别为预热和标准温度条件下的火焰传播速度；Tu和Tu0分别为预热温度及标准温度；α为温度系数．图4展示了初始温度从298 K增大到448 K过程中，典型当量比条件下氨/空气层流预混火焰传播速度的变化情况[73]．随着初始温度的提高，火焰传播速度有明显提升，初始温度提高150 K则火焰传播速度增大一倍多．无量纲层流火焰传播速度Sl/S10和无量纲初始温度Tu/Tu0近似呈平方关系，当量比为0.85~1.25时，温度系数为1.86~2.56．10.13245/j.hust.220702.F004图4典型当量比条件下氨/空气层流预混火焰传播速度的变化情况除此之外，提高初始温度也使氨气燃烧稳定性大幅提升，预热能够显著增大非预混火焰的吹熄极限．对于掺氢量仅有1%的NH3/H2/空气非预混对冲火焰，初始温度提高147 K，吹熄应变率增大一倍多[55]．随着掺氢量的增大，提高初始温度则吹熄应变率的增幅进一步增加．2.5　强化混合及湍流强化混合也是一种常见的燃烧强化策略，通过合理的气流组织加强高温、高活性的燃烧热烟气与低温反应物的混合，从而显著改善反应物的着火和燃烧特性，保证稳燃并强化燃烧．诸多学者利用旋流燃烧器开展研究，成功实现了氨气的稳燃[34,48,51,56,75-77]特性．流场测量及模拟结果[78-79]都表明：燃烧器出口存在两大主要的回流区，一个位于燃烧器下游火焰中心位置，另一个位于燃烧器出口四周靠近燃烧室壁面的位置．正是由于这两个回流区的存在，火焰内部大量高温、高活性气体得以回流至上游与燃料和空气充分混合，从而改善其着火和燃烧条件，加之回流引起停留时间的延长，使得火焰稳定在燃烧器出口处．除了通过流场组织形成回流区之外，湍流同样能够起到强化混合的作用，从而加速火焰传播[70-71,80-81]．氨气燃烧湍流火焰传播速度显著高于层流条件下的火焰传播速度(如图5所示)，并且随湍动程度的增加火焰传播加快．湍流还使得火焰发生明显褶皱，火焰面积显著增加，从而加速火焰的传播．10.13245/j.hust.220702.F005图5NH3/O2/N2湍流火焰传播速度与层流拉伸火焰传播速度(氧化剂为40%O2/60%N2(体积分数))3 氨气燃烧NOx排放特性及控制策略3.1　氨气燃烧NOx排放特性氨气燃烧面临的另一个挑战是高NOx排放风险，这主要归因于氨气本身的高含氮量[35,40,79]．图6展示了氨/空气层流预混平面火焰尾气中NO，NH3及H2摩尔分数(@6%O2(氧浓度基准))随当量比变化情况[11]．当量比对氨/空气预混燃烧NOx排放具有决定性的作用，尾气中NO浓度随当量比减小而逐渐增加．在贫燃条件下NO浓度达到1×10-3量级，显著高于常规碳氢燃烧燃烧的排放水平[11-12,82]；而在富燃条件下，NO浓度很低，尤其是在当量比超过1.1之后，NO排放接近零．10.13245/j.hust.220702.F006图6氨/空气层流预混平面火焰尾气中NO，NH3及H2浓度随当量比变化情况(300 K，0.1 MPa)氨气燃烧过程中NOx的生成与O/H自由基池强度密切相关[32,37,77]．图7展示了氨气燃烧产物中NO浓度对各基元反应的敏感程度，O/H自由基池发展的关键链分支反应H+O2===OH+O占有最高的敏感性系数．NH3/H2掺烧旋流火焰中NO和OH分布的实验测量结果也表明：两种组分的生成密切相关，沿半径方向，两者浓度分布高度一致，OH浓度峰值与NO浓度梯度最大值对应；同时，提高H2掺比则OH峰值浓度显著提高，相应地，NO浓度也出现大幅增长．10.13245/j.hust.220702.F007图7氨/空气燃烧产物中NO浓度对各基元反应的敏感程度(当量比为1.0)采用掺烧[28,30,48,50,57,83]、部分分解[60]、增氧[68-69,84-85]及预热[86-87]等策略强化氨气燃烧的同时将导致NOx生成加剧．在氨气中掺入少量H2或CH4会使得贫燃条件下NOx排放成倍增长，NOx排放量随掺烧比增大而快速增加．另外，氨/空气燃气轮机非预混燃烧实验结果表明，烟气中NO浓度随入口温度的提高近似呈线性增长[87]．机理研究结果表明：在高温有氧条件下氨气更倾向于生成NO，而非N2[88-89]，强化燃烧的策略促进了O/H自由基池的发展并引起火焰温度的升高，从而加剧NOx的生成．在燃烧产生的高温环境下，混合对NOx生成影响显著[90-91]．文献[91]介绍了模型燃气轮机燃烧室内当量比为1.0情况下氨/空气预混及非预混燃烧的NO生成及排放情况，非预混燃烧获得了比预混燃烧更低的NOx排放浓度．在预混燃烧模式下，NO在火焰内的高温区中大量生成，分布相对均匀；而在非预混模式下，燃烧器四周的外回流区内生成高浓度NO，而在燃烧器后部的内回流区内，由于当地氨气浓度较高，因此NO的生成得到很好的抑制．混合过程通过调节局部当量比而影响NOx的生成，相关机理研究结果表明，在特殊的混合模式下，氨气高温氧化可以实现极低的NOx排放[92]．3.2　氨气燃烧NOx控制策略尽管氨气燃烧的NOx排放问题可以通过烟气脱硝技术SCR得到解决[93]，但是高NOx排放水平意味着脱硝设备负荷显著提高，带来投资及运行成本增加．为实现氨气燃烧的工程应用，必须研究出经济、有效且切实可行的NOx控制策略．为此，研究者针对氨气燃烧或掺烧其他气体燃料的情形提出了分段燃烧[32-34,78,90,94-98]、掺氢贫燃预混燃烧[51,56,77]及MILD燃烧[99-100]等策略．根据氨气燃烧NOx排放特性可知富燃料燃烧能够有效控制NOx排放，当量比大于1.1时NO排放接近零．然而，整体富燃的条件意味着燃料无法完全燃尽，NO得到有效控制的同时，出现氨气未燃尽现象，且随着当量比进一步提高，未燃尽氨气显著增加．在实际工程中，以导致氨逃逸为代价来控制NOx是不能接受的，一方面造成效率下降，另一方面逃逸的氨气将对环境造成严重危害．文献[95]研究了模型燃气轮机燃烧室内当量比为1.25的氨/空气旋流预混火焰的内部结构．在富燃条件下火焰内NO的生成得到有效的抑制，同时氨气也基本被消耗完全，燃料的未燃尽则体现在火焰内生成了浓度超过6%的H2．正是由于氨气燃烧会产生中间产物H2，因此在富燃条件下选取特定的当量比可以同时保证NO和氨气的低排放，但残余有大量未燃尽的H2．基于此，有研究者提出氨气的两段燃烧的概念[95]，即燃烧分两个阶段进行：第一阶段的燃烧控制在富燃条件下进行，抑制NOx生成，同时保证氨气完全转化；第二阶段供入额外的空气，使得整体处于贫燃条件以保证第一阶段燃烧产生的H2得以燃尽．该策略实质上采用了空气分级的理念，两个燃烧阶段当量比变化显著，故又被称为富燃-贫燃燃烧[97-98]．第一阶段燃烧当量比(初级当量比)不大时，增大初级当量比对该阶段NOx生成有更显著的抑制效果，出口NO浓度随之降低，进一步增大初级当量比将导致第一阶段燃烧产物中出现大量未燃尽氨气；第二阶段助燃空气供入时，未燃尽的氨气在整体贫燃的条件下燃尽，并引起NOx的再次生成，导致出口NO浓度升高．因此，利用两段燃烧策略控制NOx的关键在于选取合适的初级当量比(或空气分级策略)，在保证第一阶段燃烧NOx被有效抑制的同时，确保不存在氨气的残余，氨气完全转化成H2，并在第二阶段完成H2的燃尽．另外，尽管贫燃条件下氨气燃烧NOx排放浓度高，但是随着当量比的进一步减小，大量助燃空气引入的稀释效果对NOx控制将起到显著的正向作用．氨气本身燃烧特性差，高度贫燃条件下着火及燃烧基本无法实现，因此须通过掺氢来拓宽可燃范围，强化氨气的燃烧，进而利用贫燃预混策略来控制NOx排放．掺烧少量的H2(10%~30%)可以有效拓宽混合燃气的可燃范围，掺烧30%的H2可在当量比小于0.55的条件下获得稳定的火焰，并且将NO排放浓度控制在1×10-4(@6%O2(氧浓度基准))以下[56]．同样利用稀释的理念，有研究者利用MILD燃烧方式实现了氨气的高效燃烧及低NOx排放．采用MILD燃烧方式能够显著降低NOx排放[11,99]，当量比1.0条件下MILD燃烧获得的NOx排放水平比常规燃烧小一个数量级．尽管如此，当前氨气的MILD燃烧相关研究仅限于实验室级别的小型燃烧试验装置，在实际工程中实现氨气MILD燃烧的可行性及NOx控制效果还有待进一步验证[101]．另外，氨气本身就是NOx的高效还原剂而常被用于常规碳氢燃料燃烧NOx的脱除[102-103]，故在氨气燃烧过程中，其本身的脱硝作用更值得关注．本团队关于NH3/NO/O2高温反应特性的研究[89,92,104]结果表明：在有氧条件下，随着温度升高氨气被氧化生成NOx的倾向增大．然而，在O2浓度极低甚至为零的条件下，高温将强化氨气对NO的还原，使高效脱硝得以在极短的时间内完成．所以，在氨气燃烧产生的高温条件下，混合对NH3/NO/O2体系反应的选择将产生重要影响．根据笔者团队[89,104]的研究结果可知，采用特殊的混合模式能够获得区别于常规SNCR温度窗的另一个高效脱硝的高温窗条件．充分利用高温条件并提供合适的混合模式，有望实现氨气燃烧NOx的有效控制．4 总结与展望氨气燃烧特性差，火焰传播速度极低，受热损失影响显著，常规条件下几乎无法获得稳定的氨/空气火焰．通过掺烧、预分解燃烧、增氧燃烧、预热燃烧及强化混合等措施能够显著改善氨气的燃烧特性，强化氨气的燃烧．同时，氨气自身含氮量高，燃烧存在NOx排放高的风险．氨气燃烧NOx排放受当量比影响最为显著，贫燃条件下NOx排放比常规碳氢燃料高一个数量级；而富燃条件下NOx排放极低，但存在氨逃逸的风险．空气分级是控制氨气燃烧NOx排放最为有效的方法之一，掺氢贫燃预混燃烧及MILD燃烧也能实现低NOx排放．基于氨气自身对NOx的强还原性，在燃烧高温条件下，充分利用混合过程调节局部当量比能够实现氨气燃烧NOx的有效控制．尽管当前相关研究在氨气燃烧强化及NOx控制方面获得了大量有价值的成果，但要真正实现氨气燃烧的工程应用还须综合考虑燃烧稳定性、可实现性及成本等多方面因素．燃烧强化可采用多种措施并举的方法，综合协调各措施的优势．在此基础上，充分调和燃烧强化与NOx控制之间的矛盾，利用氨气本身对NOx的高效还原能力，通过合理的燃烧组织，有望实现氨气高效燃烧与低NOx排放的统一．