实现碳达峰、碳中和是解决全球变暖的重要途径之一，也是推动经济高质量发展的内在要求，必将对我国的能源结构产生重大影响[1]．能源转型过程中，传统的火力发电将被以风能、太阳能为主的新能源发电逐步替代．风电、光电等新能源储量大、分布广，但电力供应稳定性较差，会造成调峰和并网困难[2]．利用新能源产生的冗余电力将水电解成氢气，是解决上述问题的有效途径．目前氢气仍然存在储存成本高、长距离运输难等弊端．氨相较于氢气，能量体积密度大，储能效果显著，且易于液化和储存运输；因此，将电解水产生的氢气进一步转化为氨，可有效消纳并储存新能源产生的多余电力[3]．同时，相较于氨的传统生产路线Haber-Bosch工艺(产生大量CO2)[4]，还可以实现氨的绿色无碳化生产．合成的氨主要用于生产氮肥、硝酸及工业炸药等．此外，液氨成本低、热力学效率高，还是重要的商业制冷剂．氨燃烧过程无碳清洁，还可以作为化石燃料的替代品应用于工业生产中．关于氨燃烧特性的研究涉及层流火焰速度[5]、点火延迟时间[6]及化学动力学[7]等．2014年东京燃气牵头策划了“SIP能源载体”计划，制定了有关氨能源价值链的战略意图[8]．日本东北大学在无添加剂或预裂解设备的燃气轮机中，成功实现了纯氨的燃烧[9]．以电力工业中央研究院为首的研究团队在卧式实验炉中实现了氨/煤的掺烧[10]．欧洲和美国等也在内燃机[11]和燃料电池[12]领域开展了氨燃料的相关研究．关于氨燃烧的研究十分丰富，但相关综述类文章较少，且缺乏对氨稳燃技术的详细探讨．本研究从氨的基础燃烧特性出发，总结了包括点火延迟时间、层流火焰速度及湍流特征等氨燃烧特性参数；整理了目前国内外已有的针对氨燃料的稳燃技术，包括燃料优化、热质传递优化、等离子辅助等技术；探究了不同应用场景下的稳燃技术对动力设备的辅助作用，并展望了未来氨燃烧的研究重点．1 燃烧特性氨气是一种无色有刺激性气味的可燃气体，可以700∶1的体积比溶于水中，形成氨水．常见气体燃料的特性对比如表1所示[13-14]．10.13245/j.hust.220704.T001表1常见气体燃料特性对比特性参数NH3H2CH4密度/(kg⋅m-3)0.730.080.67低位热值/(MJ⋅kg-1)18.8120.049.0能量密度/(MJ⋅L-1)11.54.89.7层流火焰速度/(m⋅s-1)0.072.800.54点火延迟时间/s1.3830.0510.072绝热火焰温度/℃1 8002 1101 950自燃温度/℃650520630根据表1可知：当氨气作为气体燃料燃烧时，体积能量密度较大，但层流火焰速度、自燃温度及绝热火焰温度均不及氢气和甲烷．氧化过程温和，燃烧不稳定且反应活性差是氨燃料的主要特征．1.1　火焰形态氨火焰的形态是氨燃烧最直观的表现形式，宏观火焰可反映燃料燃烧情况，纹影图像可计算火焰速度．不同氨火焰图像如图1所示．Hayakawa等[15]采用喷嘴燃烧器，对氨预混火焰进行了研究，火焰图像如图1(a)所示，一个光滑的火焰锋面及橙色化学发光现象，通过对火焰辐射光谱进行测量，指出橙色主要是由NH2-氨α波段与水蒸气光谱引起．Takizawa等[16]使用高速摄影机得到了如图1(b)所示的氨火焰纹影图像．通过纹影图像获得的火焰半径并结合传播时间，可计算出氨/空气混合物的燃烧速度．Zhu等[17]采用DSLR相机记录了逆流双火焰燃烧器的火焰平均宽频图像，如图1(c)所示．10.13245/j.hust.220704.F001图1不同形式氨火焰图像利用此图像绘制出的氨化学发光光谱图表明，甲烷火焰中OH自由基发光强度比氨火焰中的强90倍左右．氨火焰图像所能表征的信息非常丰富，是评估氨燃烧的重要手段之一．1.2　层流火焰速度层流火焰速度是基本的火焰特性指标之一，可有效反映燃料的燃烧强度．因便于从实验数据中计算得到，故该指标往往与数值模拟结果进行对比，从而验证和完善动力学模型．氨层流火焰速度较低，燃烧活性与稳定性较差，相较于甲烷、氢气等燃料燃烧更为困难，因此对燃烧器内湍流程度和预热温度等反应条件提出了更高的要求．氨层流火焰速度由纹影图像计算得到[18]，火焰传播速度为SN=drschdt，式中：rsch为纹影图像火焰半径；t为火焰传播时间．在球形火焰传播情况下，火焰拉伸率ε=1AdAdt=2rschdrschdt，式中A为球形火焰表面积．未拉伸火焰速度SS和火焰传播速度SN之间的差值可认为与火焰拉伸率成正比，SS-SN=Lbε，式中Lb为燃烧气体的马克斯坦长度．未拉伸火焰速度SS可以通过外推法确定．未拉伸层流火焰速度SL=ρbSS/ρu，式中：ρu为未燃混合物密度；ρb为已燃烧气体密度．20世纪50年代，Murray等[19]率先开展了氨燃烧火焰传播速度测量方面的实验研究．随后几十年层流火焰速度的相关研究及结论如表2所示．10.13245/j.hust.220704.T002表2层流火焰速度相关研究及结论作者燃烧体系实验参数结论Pfahl(2000)[20]H2-N2O-NH3-CH4-N2N2O体积分数0%~8%，氨体积分数12~26%随N2O体积分数增加，层流火焰速度增大Takizawa(2008)[16]NH3-空气当量比0.8~1.31.1当量比时火焰速度最大为7.2 cm/sHayakawa(2015)[18]NH3-空气当量比0.7~1.3，初始混合压力0.1~0.5 MPa层流火焰速度随压力增加而降低，马克斯坦长度随当量比增加而增加Wang(2020)[21]NH3-O2-N2当量比0.6~1.4，氧体积分数0.6~1.0层流火焰速度随着氧气含量和初始温度的增加而增加Lhuillier(2020)[22]NH3-H2-空气当量比0.8~1.4，氢体积分数0~0.6，初始温度298~473 K以往模型低估了低氢时的层流火焰速度，高估了高氢体积分数时的层流火焰速度Wang(2021)[23]NH3-H2-空气当量比0.7~1.4，初始环境压力0.1~0.5 MPa，氢体积分数0~20%氢体积分数增加，层流火焰速度增加Kanoshima(2022)[24]NH3-空气当量比0.8~1.2，初始混合压力0.1~0.5 MPa，初始混合温度400~500 K马克斯坦长度的大小随着初始混合温度和初始混合压力的增加而减小，在高温和高压条件下预热区的厚度减小Ji(2022)[25]NH3-H2-N2当量比0.6~2.0，氨分解度0~1层流火焰速度随着解离程度的增加而增加通过对现有常温常压实验中获得的氨层流火焰速度[16,18,20,23-27]进行整理和拟合，得出当量比与层流火焰速度之间的关系SL=237Ф4-1 053Ф3+1 684Ф2-1 143Ф+281(R2=0.785)，式中Ф为化学当量比(范围为0.7~1.5)．基于上式可知：氨层流火焰速度随当量比的增加先增加后减小，当量比为1.1时达到最大值7.2 cm/s．除常温常压下的规律外，表2显示了包括N2O、压力、温度等对层流火焰速度的影响，氨火焰速度随着N2O体积分数的增加、压力的减小、初始温度的增加而增加．1.3　点火延迟时间作为燃烧的另一基本特征，点火延迟时间是评估着火能力的重要参数．燃料点火过程包括一系列具有特征时间的物理和化学过程，特征时间结合形成系统点火延迟时间．点火延迟时间定义为从燃料注入氧化环境产生可燃混合物到快速反应阶段温度和压力开始上升之间的那段时间，该参数主要受初始温度、压力和反应物成分影响[28]．20世纪70年代Drummond等[29]对氨-氧-氩气系统进行了1 570~2 461 K的点火延迟实验，首次研究了氨的点火延迟特性．随后Mathieu等[30]在1 560~2 490 K条件下于不锈钢激波管中进行了氨点火延迟实验，研究不同当量比和压力对氨点火延迟的影响，指出点火延迟时间随着压力的增加而减少．在高压情况下，当量比为0.5时点火延迟明显低于当量比为1和2时；在低压情况下，当量比对点火延迟的影响较小．在前人基础上，科研人员进一步研究了其他燃料与氨掺混后点火延迟的变化，比较不同燃料对氨燃烧的促进作用．He等[31]研究了氨与氢气掺混后点火延迟的变化，指出氢气的加入可显著促进氨的着火，1%(体积分数)H2掺混下的点火延迟时间是纯氨燃烧的1/3，且随着氢气掺混量的增加，点火延迟时间逐渐缩短．值得关注的是1% H2掺混的氨燃料随着当量比的降低，点火延迟变短，而20% H2掺混的氨燃料则呈现出相反的趋势．Xiao等[32]在激波管中进行了60%氨/40%甲烷掺混的燃烧实验，并指出随着初始温度和压力的增加，点火延迟显著缩短．此外他们还通过数值计算研究了甲烷掺混比例对点火延迟的影响．Dai等[33]在快速压缩机中进行了氨/甲烷掺混点火延迟实验，甲烷的掺混比例为0%~50%．结果表明点火延迟时间随着甲烷掺混比例的增加而减少．5%的甲烷掺混使点火延迟时间缩短为纯氨的1/5，但当甲烷掺混比例为10%时，进一步增加当量比对点火延迟影响较小．点火延迟作为基础燃烧参数之一，反映燃料的自燃特性，结合敏感性分析，可识别燃料体系中的关键基元反应，对氨化学反应动力学模型的建立具有重要指导意义．1.4　化学反应动力学氨是固体燃料脱挥发分过程中的重要中间体，涉及燃料燃烧中NOx的生成，且作为还原剂大量应用在选择性非催化还原SNCR中．相关化学反应动力学研究起步较早，具有广泛的研究基础．氨氧化动力学机制的详细描述最早是由Miller等[34]提出，在各种燃烧器中对氨/氢/氧火焰进行研究，建立了一个由22种物质和98步反应组成的氨氧化详细动力学模型．该模型指出：在贫燃火焰下，氨主要与OH反应生成NHi(i=0，1，2)并通过中间体HNO生成NO，该路径在氨生成NO的反应中占据主导地位；在富燃火焰下，由于当量比增加，O/H自由基浓度下降，NHi氧化为NO的强度被削弱，NHi+NHi===N2路径得到增强．该路径首先由NH2自由基与NHi反应生成N2H2自由基，随后与H自由基反应生成中间产物NNH，最后NNH通过解离反应生成N2，该路径是富燃料情况下的主导反应．Miller模型[34]在贫燃和轻度富燃的情况下，可较好预测物种生成及燃烧速度，但当重度富燃时，该模型无法给出准确的预测信息，这可能是由于现阶段对氨热解机理的认识还不完善．之后Stagni等[5,35-37]在不同压力温度范围下及其他氨燃料掺混系统中进行了反应动力学机制的探索和优化．对前人提出模型的优缺点进行了总结对比，如表3所示．可以看出：研究人员进行的工作主要集中模型普适性的优化及不同燃料掺混系统的开发．模型的全局预测精度仍有待进一步提升，且氨与其他燃料的混合体系仍需要大量的研究工作进行补充和修正．10.13245/j.hust.220704.T003表3反应动力学模型对比动力学模型物种数反应步数掺混系统优点缺点Miller[34]2298氨/氢/氧气实现了贫燃及轻度富燃的较好预测无法预测富燃情况且缺乏氨裂解机理Stagni[35]31203氨/氧/氦气完善了高氧浓度、中低温临界条件下的模型对NO的生成预测存在偏差Mei[36]38265氨/氧/氮气完善了高压富氧条件下的模型0.5 MPa高压下高估了层流火焰速度Han[5]20130氨/合成气/空气补充了氨/合成气掺混体系的燃烧模型在贫燃侧和化学当量比处高估了层流火焰速度Gotama[37]26119氨/氢/空气优化了富燃高压条件下的氨/氢系统模型，开发了氨/氢耦合回收机制高估了稀燃条件下的氨/空气层流火焰速度1.5　排放特性NOx排放是氨燃料应用的主要挑战之一，污染物主要由NO，N2O和NO2组成．NOx的生成主要通过热力型NOx，快速型NOx及燃料型NOx三种机制实现．热力型NOx是由空气中的氮在高温下氧化形成的，也称为Zeldovich机制．该机制反应路径如下[38]：O+N2→NO+N；(1)N+O2→NO+O；(2)N+OH===NO+O．(3)反应(1)具有较高活化能，是热力型NOx生成的限速反应，一旦N2与O反应生成N，N将迅速与O2或者OH反应形成NO．温度对热力型NOx的生成影响最大，尤其当温度达到1 623 K以上时[39]．CHn自由基与N2反应生成的NOx称为快速型NOx，该机制主要发生在富燃低温(1 373 K)条件下，保持火焰稀薄燃烧或避免局部CHn过量将有效抑制该机制的发生．CHn由燃料分解产生，与N2反应生成HCN，NH等中间产物，再在燃烧过程中被氧化为NO[40]化学反应路线如下：CH+N2===HCN+N；N+O2===NO+O；HCN+OH===CN+H2O；CN+O2===NO+CO．燃料型NOx则主要是由燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解与氧化生成[41]．Chai等[42]对比了氨与甲烷最大放热率处的燃烧排放特性，指出NO是氨燃烧过程中的主要污染物．在稀薄燃烧下，氨/空气火焰的NO摩尔分数远高于甲烷/空气火焰，主要由于NO通过燃料型NOx路径生成，使NO在反应区迅速增加．NO摩尔分数随着当量比的增加先升后降，在当量比0.9附近达到峰值．随着当量比的进一步升高，富燃状态下NO摩尔分数迅速下降而未燃氨上升，该现象归因于过量氨对NOx的还原作用．因此在NO排放与未燃氨排放之间存在折中，即当量比为1.1左右时，两者总排放量最少，因此微富燃条件是减少NO和未燃氨排放总量的有效方法．Pugh等[43]在预混旋流燃烧器中进行了0.105~0.184 MPa范围内的实验，指出NOx的排放随着压力的升高降低了一个数量级左右，且预计压力进一步增加可持续降低NOx的排放量，同时压力的升高会增加未燃氨的排放．Choe[44]及Tang[45]等则考虑了等离子辅助的方式对氨燃烧排放的影响，利用高能等离子体的辅助作用，NOx排放实现了从2.6×10-3到1.7×10-3的降低氨燃烧产生的NOx及未燃氨排放是氨应用受到限制的原因之一，因此下面将结合稳燃技术和具体应用，介绍NOx的减排措施．2 稳燃技术氨燃烧过程具有点火困难、层流火焰速度低、稳定性差等缺陷，不仅导致燃料燃烧效率低，还会产生大量的NOx及未燃氨逃逸[14]．针对上述燃烧缺陷所提出的稳燃技术较多，目前主要有调整燃料组成、传热传质过程优化及外部辅助等手段．2.1　燃料优化氨燃烧反应活性差，火焰不稳定，若能与反应性较高的燃料混合，则将有望提高氨的燃烧性能．层流火焰速度可以从侧面反映燃料燃烧性能的好坏，由表1可知：氢气、甲烷的层流火焰速度远高于氨，将氨气与这些燃料掺混实现稳燃是一条可行的路径．Lee等[46]考虑了层流预混情况下，向氨/空气系统中添加氢气来提高氨燃烧性能，研究对比了不同掺氢比例的层流火焰速度，指出氢气的加入使层流火焰速度增加，且当量比越大，效果越明显．关于排放特性，该研究指出随着含氢量的增加，NOx和N2O排放增多，但在富燃料情况下，即使含氢量较高，NOx和N2O的排放也是低于低当量比下纯氨火焰，因此在富燃情况下添氢不仅可提高燃烧性能，且能够实现降低排放的目的．Li等[47]采用已有动力学模型对氨/氢火焰进行了数值模拟，指出氢气的加入提高了燃烧速度并缩短了点火延迟时间，这归因于氢气高迁移率引起的传质效应及活化能降低引起的化学效应．O+H2===OH+H，H+O2===OH+O，H2+OH===H2O+H三个基元反应可显著增加H，O，OH自由基的浓度，是H2增强作用的主要原因．除氢气外，甲烷与氨掺混燃烧的研究也十分丰富．Xiao等[48]采用改进后的Konnov模型[49]通过数值模拟对氨/甲烷混燃进行了研究，结果显示：甲烷火焰在掺入氨后，点火延迟时间明显增长，且随着氨掺入比例的增加，层流火焰速度有所下降．排放特性显示：氨在低含量与高含量情况下可具有相同的NOx排放水平，验证了氨/甲烷掺混燃料中氨作为主燃料的可行性．Ku等[50]进行了氨/甲烷/空气混合物火焰传播特性的实验研究，指出由于氨的加入使CO2排放降低，但火焰厚度会增加且传播速度变慢．当氨代替比例为20%~40%时，火焰燃烧强度可满足直接应用要求且能实现25%的碳排放降低．Han等[51]在常压下对比了氢气、CO、甲烷分别和氨混燃后的层流火焰速度，指出在增强氨燃烧速度方面，添加氢气加强作用最为显著，甲烷最弱．随着添加量的增多，氢气掺混比例和层流火焰速度近似呈指数关系，而甲烷则呈现出线性关系．值得注意的是层流火焰速度随着CO掺混量的增加先升后降，这意味着一定比例的氨掺混可以强化CO的燃烧．Dai等[52]在高压条件下向氨中掺入二甲醚，指出在恒定点火延迟时间下，掺混比例为2%的二甲醚可使点火温度降低150 K左右，而当掺混比例增加至5%时，点火温度进一步降低了100 K．这表明二甲醚的加入极大优化了氨的点火特性，其作为氨增强燃烧的添加剂具有巨大潜力．总结了当量比为1的情况下氨与氢、甲烷、一氧化碳等燃料的掺混系统层流火焰速度，如图2所示，图中xH2，xCH4，xCO分别为H2，CH4和CO辅助燃料在掺混系统中的摩尔分数．10.13245/j.hust.220704.F002图2不同掺混系统层流火焰速度从图2可知：随着氢气摩尔分数的增加，氨/氢系统的层流火焰速度呈现出近似于指数形式的增长方式，最大可达到接近2 m/s的速度；氨/甲烷系统火焰速度变化则主要呈线性分布，速度从70 mm/s增至350 mm/s；氨/CO系统出现了不同的规律，随着CO摩尔分数的增加，层流火焰速度先增后降，微量氨的加入甚至能够提高CO 的火焰速度．由于氨本身反应活性极低，因此大部分碳氢燃料的添加均会增强氨的燃烧性能，其中氢气可直接由氨裂解产生，燃烧强化效果最为突出且同为无碳燃料，故氨/氢混燃系统具有巨大的应用潜力．2.2　热质传递强化改变反应过程的温度和氧浓度是最常见的强化热质传递手段[53-56]．Choi等[57]在逆流非预混燃烧火焰下研究了空气温度对氨/空气火焰结构和吹熄极限的影响，实验装置如图3所示．10.13245/j.hust.220704.F003图3Choi等[57]实验装置示意图研究对比了348~495 K空气温度下的火焰熄灭应变率，指出随着空气温度的升高，熄火应变率增加，火焰吹熄极限变宽，且火焰最高温度得到提升．随后在Miller模型[34]基础上进行了火焰结构模拟，指出随着空气温度升高，火焰厚度增加，且火焰位置向着燃料侧出现偏移，O，H，OH自由基浓度升高，随着火焰温度的升高，NO排放增多，但N2O和NO2排放有所降低．Chen等[58]在同轴燃烧器中进行了氨火焰实验，通过预热处理探究燃料初始温度对火焰特性的影响．该研究给出了氨在不同预热温度下的火焰图像(如图4所示)．排放性分析指出：由于火焰温度升高导致化学反应和传热传质效果增强，NOx和未燃氨的排放大大减少．结合数值模拟结果分析发现，OH，N和H自由基在预热燃烧中起到重要作用．随着氨预热温度的升高，N和NO形成N2的反应速率和灵敏性均得到提高，从而解释了NO浓度的降低．10.13245/j.hust.220704.F004图4氨在不同预热温度下的火焰图像除调整温度外，富氧燃烧技术对火焰也有促进作用．Mei等[36]结合实验数据与理论分析，对不同氧浓度下的氨火焰进行了研究，指出无论是贫燃还是富燃，随着氧浓度的增高，层流火焰速度均会提升，这表明氧浓度在全局下对火焰有增强作用．通过反应路径分析指出：在富氧条件下，H与氨发生的吸氢反应对氨分解的贡献是空气条件下的3倍之多，而OH对氨的吸氢作用则随着氧浓度的升高而降低．结合绝热火焰温度指出，富氧主要引起了热效应及H，OH等自由基浓度的升高，增强了混合物的反应性从而表现为层流火焰速度加快．Shrestha等[59]通过球形不锈钢燃烧室实验，研究了不同氧含量下火焰的层流火焰速度的变化．实验结果表明：层流火焰速度随着氧含量的增加而增加，且与氧化剂中的氧含量几乎呈线性关系．Shrestha等[59]还与掺氢后的层流火焰速度进行了对比，结果显示9%氧含量的增加可以达到30%H2掺混的效果．Wu等[60]采用数值模拟的方法，提出了采用过氧化氢部分替代空气作为氧化剂来实现富氧燃烧，模拟结果显示：采用过氧化氢后的净放热率比氨/空气火焰高出3个数量级，层流燃烧速度和绝热温度均随着过氧化氢的增加而增加，且最大火焰速度出现位置也向着当量比低的方向移动．高温和高压虽然可以带来火焰燃烧特性和稳定性的提升，但同时也会给燃烧器耐热性和密封性提出更高的要求，因此相关技术的使用须结合实际应用场景进行选择．2.3　等离子体助燃在过去十年中，通过先进诊断、燃烧化学、火焰理论和动力学建模等方面的协同努力，等离子体辅助燃烧技术取得重大进展，该技术被认为是增强燃烧、减少排放和改善燃料重整的新兴技术之一[61]．等离子辅助燃烧技术主要通过四个路径对燃烧进行增强：温度升高带来的热效应；电子振动激发分子和活性自由基产生等离子体的动力学效应；燃料分解和低温氧化带来的扩散增强效应；离子风或库仑力和洛伦兹力引起的流动增强效应[62]．Shioyoke等[63]利用CHEMKIN研究了非平衡等离子体对氨燃烧火焰的影响，模拟结果显示随着施加电场时间的增加，未燃烧气体中氨的分解量增加，层流燃烧速度变快；并将等离子辅助燃烧与预热燃烧进行了质量通量对比，指出等离子辅助下单位时间内可输入更多的氨，提供更多的能量．Faingold等[64]采用ZDPlaskin放电求解器和CHEMKIN燃烧化学求解器进行耦合，建立了等离子体放电下氨/氧/氦混合物氧化动力学模型．研究指出：脉冲重复频率越高，在点火时刻前可积攒更多的脉冲，这些额外的脉冲会促进点火加快．中频情况下点火延迟时间可缩短40%~60%，在1 MHz脉冲重复频率下，点火延迟可缩短90%．Choe等[44]搭建了由高压脉冲发生器和预混旋流燃烧器组成的实验台．实验对比了有无等离子体辅助情况下的稀薄燃烧当量比极限及NOx排放指标，结果表明：在等离子辅助作用下，稀薄燃烧当量比极限成功从0.7扩展到0.45左右．Tang等[45]提出了一种采用交流电供电的滑动电弧放电来增强氨/空气火焰燃烧的技术，该技术将稀薄燃烧极限降低到0.3~0.4，并指出在较高的当量比(如Φ0.75)下，交流滑动电弧对氨/空气火焰NOx的排放影响较小．但随着当量比持续降低，滑动电弧放电显著增加了NH2的化学发光，促进了NH2与NO的还原反应．同时增强火焰强度并减少NOx排放的特点使等离子体放电辅助氨燃烧技术成为未来值得重点关注的研究方向．3 不同燃烧场景下的稳燃氨燃料的应用涉及燃气轮机、内燃机及锅炉等动力设备，但燃烧稳定性差及NOx排放高是应用中的两大共性难题．将不同稳燃技术与特定应用场景相结合有望取得更好的氨燃烧效果．3.1　内燃机氨在内燃机中的使用历史悠久，Gurney爵士在1882年开发了用于小型机车的氨动力发动机[65]．20世纪40年代氨燃料内燃机迅速发展，二战期间石油库存不足，氨燃料成为了可选的替代品．Kroch在1943年首次利用液氨作为公共汽车燃料[66]．二战结束后，由于能源供应得到恢复，且氨作为燃料燃烧又存在不稳定性等特点，因此相关研究趋于减少．直到近期，氨燃烧机理逐渐被完善及稳燃技术的发展，氨内燃机的研究才重新受到重视．由于纯氨燃料点火燃烧困难，因此只有极少数的文献研究了纯氨燃料内燃机[67]．大部分氨内燃机均采用双燃料系统进行燃料优化，通过调整燃料系统组成，利用其他反应活性强的燃料进行辅助，实现燃烧室内氨的稳定燃烧．Reiter等[68]对压燃式发动机进行了改造，将氨引入进气歧管，并将柴油或生物柴油直接注入气缸以提供点火能量，防止发动机失火．研究指出在确保发动机成功运行的前提下，氨的最大掺混比例可以达到95%，且该比例在40%~80%之间可以获得较为合理的燃油经济性．在排放特性分析中，当氨比例小于60%时，内燃机的NOx排放能够控制在8×10-4以下，并且氨的加入导致燃烧温度降低，碳氢化合物排放量有所升高．Grannell等[69]在爆震试验机中进行了氨/汽油掺烧实验，通过改变压缩比与氨掺混比例，研究内燃机中平稳燃烧的掺混范围．结果显示：在400 kPa的平均有效指示压力下，火花点火发动机中的大部分汽油可以被氨替代；氨的加入可有效缓解爆震现象，实现压缩比的升高．Haputhanthri等[70]在汽油中掺入乙醇作为乳化剂来提高氨在汽油中的溶解度，从而实现氨/汽油掺烧．研究指出：最佳混合比例是掺混20%(质量分数)乙醇和12.9%氨的汽油，该混合比例可以在不改变电控单元与发动机构造的情况下，实现最大的峰值扭矩增益．除了和传统汽柴油进行混合，氨与其他气态燃料的混合也能够促进燃烧反应的进行．Mørch等[71]进行了氨/氢燃料内燃机的相关实验，测试结果表明：氨/氢混合物非常适合作为火花点火发动机的燃料，氢气掺混比例为10%，效率和平均有效压力均达到最大值，但过高的含氢量会导致热损失升高．Ryu等[72]提出通过氨裂解产生氢气强化燃烧的方案，在氨注入前加装氨催化裂解装置，选择氧化铝球上负载2%的金属钌作为催化剂，氨裂解后直接喷射入气缸．氢气的加入使气缸峰值压力和燃烧效率均得到了提升，且NOx，CO，逃逸氨和碳氢化合物的排放量均显著降低．同时当氨流量过大时，催化剂转化效率的提升将是该系统的难点．Lhuillier等[73]在一台现代新型四冲程内燃机中进行了氨/氢系统性能实验，并结合Mathieu模型[30]进行了数值计算，指出氢气对燃烧的加强作用主要体现在燃烧早期阶段，且高氢含量下壁热损失效应将不可忽视．除研究碳氢燃料掺混对氨内燃机的稳燃影响外，由于电控喷嘴的存在，喷射策略成为内燃机应用中专属的调节燃烧手段．喷射时机的选取将改变燃烧室温度及气氛，从而对传热传质过程造成影响．传统的氨燃料内燃机普遍采用在进气歧管中加入气态氨的方式进行性能测试，Ryu等[74]在直喷式发动机的启发下开发了气态氨直接喷射系统，研究指出：在优化喷射策略后可实现1.5~2.7 kW的发动机总功率，但直接喷氨系统会使排气中的氨逃逸与NOx增多．近期Frost等[75]舍弃了原有气态氨喷射方式，采用喷射器将氨水吸入进气歧管并采用柴油直接喷射策略实现了氨水/柴油双燃料系统设计，并成功实现了点火燃烧．实验指出：氨水在400 kPa平均有效指示压力下实现了对发动机总负荷25%的贡献，但点火延迟时间延长且CO排放出现线性增长．经过数十年的氨内燃机研究发展，第一款以氨燃料为动力的赛车在2013年问世．该车采用双燃料供应，并配有可容纳30 L氨水的油箱，具有180 km的续航距离[76]．韩国能源研究所在2014年展示了他们开发的氨动力汽车AmVeh，该车采用氨/汽油双燃料且比例固定在70∶30，成功实现了车辆的平稳运行与CO2排放的降低[77]．氨作为燃料在内燃机中使用时，不仅可以通过燃料优化稳燃手段进行氨燃烧强化，且内燃机电控燃料喷射装置使点火正时与喷射策略的调节成为弥补氨点火困难和燃烧性差的专用技术手段．但在排放特性方面，传统内燃机燃烧排放物就已包括CO、碳氢化合物及NOx等，氨的加入又引入了逃逸氨污染．污染物种类繁多且控制条件相互制约，导致氨在内燃机中的使用很难达到国内排放标准，须对稳燃强化技术进行优化并增设适当的尾气后处理装置．3.2　燃气轮机20世纪60年代已有报道研究氨在燃气轮机中的可行性[78]，但随着氨燃烧弊端的显露，相关研究逐渐减少，直到近期日本重新开始重视氨能源的发展．日本东北大学团队从燃烧器设计入手，进行了大量的氨燃气轮机实验，试图通过优化燃烧器稳定燃烧．Kurata等[9]在50 kW级微型燃气轮机系统中完成了世界上第一个以纯氨/空气为燃料的燃气轮机实验，燃烧过程无任何添加剂与预裂解设备，实现了8×104 r/min转速下44.4 kW的稳定功率输出，氨燃烧效率保持在89%~96%．对排放特性进行分析表明：氨燃气轮机NOx排放大于1.1×10-3，经过SCR处理可以达到1×10-5以下．在主燃烧区中，低温富氨导致未燃氨生成，高温贫氨则促进了NO产生，随着氨比例的增加，NO先升高后被未燃氨还原而下降．Kurata等[9]的实验为日本东北大学提供了大量宝贵的实验数据．在此基础上，该研究团队进一步研究了旋流燃烧器与二次空气喷射手段对氨燃气轮机稳定燃烧的影响．Hayakawa等[79]进行了旋流燃烧器模型的氨/空气预混火焰稳定性与排放特性研究，探究改变燃烧器几何形状和旋流数对火焰稳定性的影响，指出采用旋流燃烧器可实现无添加剂下氨火焰的增强与稳定，且旋流数大的燃烧器稳定区域窄．Somarathne等[80]使用大涡模拟和有限速率化学技术对高压下氨/空气预混旋流系统进行了数值计算，研究了压力对燃烧的影响，发现：在富氨情况下，压力效应对于减少未燃氨及NO排放效果显著．当压力从0.1 MPa升高到0.5 MPa时，NO排放几乎消失而未燃氨也从7×10-4下降到2×10-4，且在高操作压力下，OH+H+M===H2O+M反应对OH自由基浓度及NO浓度的降低起到关键作用．随后Kurata等[81]在50 kW燃气轮机实验基础上，制造了一个采用富稀两级燃烧技术的低氮氧化物燃烧器，该系统不仅使功率与转速范围扩大到10~40 kW和7.5×104~8.0×104 r/min，同时实现了3.37×10-4的NOx排放，为原系统的1/3．英国卡迪夫大学则利用燃料优化手段，将重心从纯氨燃料转移到氨/甲烷掺混燃气轮机系统的研究上．Valera-Medina等[82]在通用预混旋流燃烧器中进行了氨/甲烷的燃烧实验，采用1.05旋流数模拟燃气轮机中的燃烧情况．结果显示：当量比为1.15~1.25之间时总排放量达到最低水平，但CO的排放量较高，且模拟结果针对未燃氨的预测存在明显偏差．此外在燃气轮机中，加湿技术通过增加涡轮机质量流量，可有效提升比功率输出与热效率，实现燃烧优化[83]．Božo等[84]探索了氨/氢混合物的富燃与加湿喷射策略相结合的技术在燃气轮机中的应用．结果表明：燃烧过程中蒸汽掺入比例(蒸汽与燃料的质量比)最高可达0.72．当掺混比为0.4时，系统提供了与加湿天然气系统相当的效率，并且加湿后火焰较为稳定，火焰底部与核心的波动较小．因此加湿策略有助于氨/氢燃气轮机系统的燃烧优化，但仍须对不同蒸汽注入条件进行评估，实现排放的进一步降低．随后该研究团队又将加湿技术与富-急-稀燃烧技术结合，并充分利用氨作为冷却流体、动力燃料及加热气体这一特点，设计了三联产循环系统[85]，实现了59%的系统总效率．不同的氨燃气轮机改进燃烧策略如表4所示．10.13245/j.hust.220704.T004表4氨燃气轮机改进燃烧策略技术功率/kW掺混系统排放旋流燃烧器[79]13.2氨/空气稀薄状态，NO体积分数2.0×10-3富急稀分级燃烧[86]31.4氨/空气当量比0.4，NOx体积分数4.2×10-5MILD温和低氧稀释燃烧[87]10.0氨/空气NOx体积分数3×10-6加湿燃气轮机[84]39.3氨/氢NOx体积分数1×10-3降低到1×10-5以下DLE干式低排放燃烧[88]31.5氨/氢当量比低至0.43，NOx体积分数1×10-3氨燃气轮机由于燃烧器的多样性及特殊的加湿手段等可有效弥补氨在燃烧方面的不稳定性及较弱的反应活性，但未燃氨及NOx排放的控制仍是亟待解决的问题．目前研究主要集中在实验室燃烧器所提供的数据，缺乏大功率燃气轮机及工业级示范项目的支持，距离商业化应用仍有一定距离．3.3　燃煤锅炉传统锅炉发电技术历史悠久，生产方法成熟，燃烧强化手段丰富．在新型能源革命和降碳减排背景下，氨/煤混燃锅炉在我国具有巨大的发展潜力和应用价值．Yamamoto等[10]在AIChE年会中展示了氨/煤混燃实验的最新研究成果．实验采用760 kW卧式实验炉，氨燃料与煤粉一起从燃烧器中心喷入或通过侧壁开口单独喷射方式送入炉内．对比了不同氨掺混比例下的NOx浓度，当混燃比例小于10%时，NOx排放量与纯煤燃烧持平．氨掺混比例继续增加，NOx出现升高趋势，且在20%的掺混比下，NOx排放高出纯煤燃烧20%，达到2×10-4以上．接着对比了20%氨掺混比例不同侧壁注入位置下的NOx排放性能，当氨从距离燃烧器1 m位置喷入，NOx排放相比纯煤燃烧无明显升高，随着距离不断增加，NOx排放不断上升．研究认为：在1 m处喷入的氨对煤粉火焰中产生的NOx发生了还原反应，降低了NOx排放．其他排放物如飞灰中的未燃碳、未燃烧的氨及N2O排放与纯煤燃烧相比无显著升高，因此在燃煤热电厂中掺混20%氨是可行的．Tamura等[89]使用1.2 MW的台式炉进行了煤粉燃烧炉掺氨实验，研究了包括氨掺混比例、注入位置及喷嘴结构等对氨/煤混烧的影响，指出随着氨掺混比例的增加，二氧化碳排放逐渐降低．接着对比了不同氨燃料注入位置对排放特性的影响．当氨与煤粉混合从喷嘴注入时，氨掺混比30%以下对NOx无明显促进作用，保持在1.2×10-4(@6%O2(氧基准浓度))左右．侧壁喷射注入方式会导致NOx排放随着氨掺混比例的增高而增高，当氨掺混比例为35%时，NOx排放可达3×10-4以上．采用不同的氨枪喷嘴进行了对比实验，得出开口角度为40°，孔径为6.4 mm的喷嘴设计最优，该喷嘴在35%氨掺混比例下，实现了与纯煤燃烧相当的NOx排放，且未燃碳占比有所降低．针对流化床锅炉，在炉内加入活性床料辅助燃烧，有望促进炉内氨的裂解转化过程．Song等[90]在流化床反应器中研究了活性床料对燃料中氮转移的影响，并指出煤在热解过程中产生的氨在镍基氧载体的催化作用下被氧化为氮气，且燃烧器出口未检测到氨，表明燃烧器中的氨实现了完全转化．Normann等[91]研究了三种活性组分Fe2O3，Mn3O4及NiO对化学链燃烧过程中氨转化的影响．在流化床中通入氨气后，Mn3O4使氨大量转化为NO，而镍基材料在氨通入后未检测到NO的生成，铁基材料则表现出随着氧化价态的降低NO形成减少的趋势．目前氨/煤掺烧锅炉研究较为匮乏，且多为常规掺烧实验．针对炉内氨的不稳定燃烧问题，高压、高氧浓度反应及催化床等实验亟待展开．4 结语从氨燃料的基础燃烧特性入手，对不同稳燃技术和应用场景进行了全面的总结和分析．结合目前的研究进展，未来氨能源利用仍面临挑战，下一步研究重点将集中在以下几个方面．a．结合不同应用场景，采用不同稳燃技术，优化氨燃烧过程．内燃机重点在双燃料系统设计及燃料喷射策略的调整，配合尾气处理装置，实现低排放氨掺混燃烧．燃气轮机通过燃烧器优化，结合分级燃烧和加湿等技术，有望实现氨燃气轮机的稳定燃烧与应用．锅炉领域目前对氨燃料研究相对匮乏，高压、高氧浓度及活性床料辅助等相关研究亟待开展．b．氨/氢燃料掺混燃烧系统发展前景巨大，亟待研究开发．氢气燃烧清洁无碳，与氨掺烧符合碳减排碳中和理念．氢燃烧反应活性强，可有效优化氨的燃烧过程，且可通过氨原位分解产生，简化燃料系统布置，是未来研究的重点之一．c．氨/固体燃料混烧试验数据较少，可开发领域众多．氨/煤掺烧处于起步阶段，基于我国能源结构，该研究的开展将有望为我国能源转型提供有利路径．除此以外，与生物质、固废等燃料的掺烧也将成为研究的重点．d．开发新兴辅助燃烧技术，为氨燃料应用服务．目前已有的等离子体辅助燃烧技术通过改变火焰自由基浓度实现氨的稳定燃烧，多孔介质燃烧器对火焰温度分布的改善也将为氨稳燃技术提供新思路．