气候变化已成为人类共同面临的最紧迫的挑战之一．温室气体，特别是CO2的大规模、高强度排放被认为是造成这一全球挑战的重要原因．温室气体净零排放及碳减排、碳达峰、碳中和正逐步成为国际社会的热门议题和主流目标．当前，我国面临着巨大的碳减排压力，碳排放八大行业依次为电力、钢铁、水泥、冶金、石化与化工、煤化工、交通和建筑，占全国碳排放总量近90%．其中，电力和热力生产行业为51.4%，工业生产为27.9%(2018年)[1]，占比最高．在这些重点行业进行碳减排已刻不容缓．电力是国家经济和社会发展的基础，在国民生活中具有重要地位．如何在保障电力生产和供应的同时实现电力行业碳减排、碳中和是世界各国面临的普遍挑战．我国经济社会仍处于快速发展阶段，能源与电力需求大，碳减排、碳中和时间余度少，这就对电力行业碳减排提出了更为严苛的要求．然而，我国电力供应长期以来高度依赖高碳排放的化石能源，导致煤电在我国电力结构中具有主体电源和基础电源的双重地位(2020年燃煤发电量占发电总量的63.2%[2])．我国燃煤火电行业规模巨大，燃煤发电装机容量高达1.04×1012 W，占全球煤电总装机的50%[3]；同时，我国燃煤机组服役年限短，煤电机组平均运行年龄约为12 a，运行年龄为20 a以下的机组占比高达85%(美国和欧盟只有约10%和20%)，技术先进完备，仍具有巨大的利用价值[4]．我国与发达国家在煤电低碳转型中面临着巨大差异，煤电与火电设施在保障电力供应、实现碳减排的同时还对大规模新能源电力起到缓冲器和消纳器的作用．如何使煤电机组更高效、清洁、低碳和灵活，使煤电机组与可再生电力有机融合互补发展，已成为电力部门和电力行业的迫切需求．在当前风电/光电等大规模存储、CCUS技术尚无法成熟应用的现状下，利用低碳/碳中性燃料替代高碳煤燃料是一种具有潜力的火力发电碳减排技术．直接低碳燃料掺烧既可大幅降低碳排放又能充分利用燃煤电厂现有设备，既适用于新建机组又适用于已有机组低碳化改造，对我国实现由高碳电力快速、平稳过渡至低碳及零碳电力具有重要意义．1 氨能源特性及发展应用1.1　氨能源特性氨(NH3)作为一种无碳富氢的化合物，可以直接燃烧，是一种类似氢气(H2)的新型零碳替代燃料[5-8]．在理想情况下，氨燃料的完全燃烧产物是氮气和水，无CO2排放风险，具有突出的低碳优势．氨气的质量能量密度低于氢气，但体积能量密度高于氢气，液氨体积热值比液氢高45%；同时，相比于氢气，氨气具有易存储运输、易检测、安全性高等优良特性．氨的热力学性质如表1所示，在25 ℃下加压至1.03 MPa或常压下达到-33.4 ℃便可以液化[5-6,9-10]，液化难度和能量消耗远低于H2，这使得氨的储存和运输非常容易；同时，合成氨的产业链与技术成熟，氨的运输及储存技术已在工业上广泛应用，可实现远距离大规模运输和跨区域调配．10.13245/j.hust.220705.T001表1氨与其他燃料燃烧特性的对比参数CH4C3H8H2NH3含氢质量分数/%25.018.2100.017.8常压液化温度/℃-161-42.1-253-33.4常温液化压力/MPa25.000.9570.001.03低位体积热值/(MJ⋅m-3)35.923.210.814.3低位质量热值/(MJ⋅kg-1)50.0546.35120.0018.80最大层流火焰传播速度/(m⋅s-1)0.380.433.510.07最低着火能/MJ0.2800.2500.0118.000自燃温度/℃586450500~577657绝热火焰温度/℃1 9502 0002 1101 800可燃体积比0.5~1.70.51~2.50.1~7.10.63~1.40比热容比1.3201.1251.4101.320动力黏度/(10-5Pa⋅s)11.08.148.809.90辛烷值1201121301301.2　氨能源技术的发展及应用氨的燃烧和能源化利用研究最早起始于19世纪，近年来在CO2减排和新能源开发利用的驱动下，氨能源受到越来越多的关注．美国(国防部、能源部、能源高级研究计划局、明尼苏达大学、耶鲁大学等)、日本(科学技术振兴机构、东北大学、大阪大学、北海道大学、IHI公司等)、英国、澳大利亚、荷兰及国际能源机构等先后对氨能源进行了研究，研究方向包括内燃机、燃气轮机、电站和工业锅炉、燃料电池等多种形式的氨燃烧利用及氨电化学、光化学合成等[5-6,11-19]．美国国防部(DOD)早在19世纪60年代便围绕氨燃料开展了Energy Depot系列军用研究，研发了氨燃料火花点火发动机、压燃发动机、燃气轮机和火箭发动机；进入21世纪后，美国能源部(DOE)设立多项氨燃料研究项目，成立了氨燃料联盟，联合数十家单位促进氨燃料推广应用．2016年，DOE及能源研究计划署(ARPA-E)在REFUEL计划中，重点设置了多个围绕氨燃料的研究项目[20]．2021年美国国会提出了CLEAN Future Act法案，拟将氨与氢气并列为合格低碳燃料[21]．日本十分重视氨作为能量载体的潜力，将其列入国家战略性创新创造方案(SIP)十个主题之一，实施了SIP Energy Carriers项目(2014~2018年)[22]．SIP项目的研究内容涵盖NH3燃烧机制等基础研究、各种NH3燃烧设备开发、在以燃气轮机为核心的天然气火电站和以蒸汽锅炉为核心的燃煤电站上开展氨-天然气和氨-煤混燃技术研究等．其中，IHI公司已完成了中试规模(10 MW)氨-煤混合燃烧技术实验，成功实现了热量比为20%的氨-煤掺混燃烧[23-25]．日本在Chugoku电力水岛发电厂156 MW燃煤机组上开展了氨-煤混燃(热量比为0.6%~0.8%)发电的现场试验[26]．该试验中，氨燃料可完全燃烧且NOx的排放量与单烧煤时无明显差别，初步证实了氨-煤混燃技术作为燃煤火电站CO2减排措施的可行性．目前日本正规划在碧南火力发电厂1 000 MW燃煤机组上开展氨-煤混燃试验，计划在2030中期之前实现混燃20%的氨[27]．国际能源署(IEA)在《能源技术展望2017-催化能源技术转型》[28]中，将氨列为一种能源载体，推动了将氨用作能量载体和潜在燃料的研究．随后，在《The Future of Hydrogen》(2019)中将氨列为未来实现氢能源在交通、热力、钢铁、电力等领域广泛应用的重要路径[29]．国际可再生能源署(IRENA)也高度重视低碳氨燃料在实现未来碳中和目标中的作用和重要性，将其列为实现碳中和的六条技术途径之一，并特别列为工业和交通等难以直接电能替代部门的重要解决方案[30]．目前，氨的制取工艺已十分成熟，主要为哈伯-博施(H-B)法．但为获得零碳或低碳氨燃料，须将H-B工艺与碳捕集CCS技术相结合以降低氨合成过程碳排放[31]．另外，也可由可再生能源制氨[12]和电化学还原氮制氨[32]．通过可再生电力电解水制氢，氢气与氮气合成制取零碳氨燃料，实现可再生能源的消纳和燃料化利用．近年来，我国日益重视氨能源的发展和利用．在《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中，将合成氨列为重要的氢气储运技术，并列入能源技术革命重点创新行动路线图中，推动发展以氨等为储氢介质的长距离、大规模氢的储运技术[33]．1.3　氨燃料促进低碳电力发展的优势氨能源和氨燃料的利用对促进低碳电力发展具有重要价值，为实现电力行业碳达峰、碳中和提供了具有竞争力的技术路径．作为化学储能的一种形式，可消纳富余的风电、光电等间歇性可再生能源，促进可再生能源的开发和利用．作为较高能量密度的化学燃料，易于存储和运输，可促进实现可再生能源的大规模、长时间存储和远距离、跨地域输运．储运及处置知识、技术和设施成熟，可适用于不同应用场景．组成中不含碳元素，燃烧利用中不产生CO2，可以替代高碳燃料，助力现有火电站快速实现CO2减排，同时也有利于在未来实现CO2排放监测情景下进行CO2排放核算．能源化利用方式多样，可用于车用/船用内燃机、燃气轮机、电站锅炉、工业窑炉等．综上所述，电站锅炉氨-煤混合燃烧或纯氨燃烧是一种有潜力的电站锅炉低碳化改造技术[34-35]．氨-煤混燃技术与其他燃煤电站CO2减排技术的比较如表2所示．10.13245/j.hust.220705.T002表2氨-煤混燃技术与其他燃煤电站CO2减排技术的比较项目掺氨燃烧富氧(O2/CO2)燃烧燃烧后CO2吸收改造成本低高高运行成本中高高运行复杂度低极高高原料类型可再生，与风电、光电有机结合高原料价格中高空间需求小大大适用对象已有机组改建、新建已有机组改建、新建已有机组改建、新建2 电站锅炉氨燃烧的研究进展目前国内外关于氨燃料燃烧利用的研究涵盖内燃机[5-6,36-38]、燃气轮机[6]、电站锅炉、工业锅炉[39]及燃料电池[19,40-41]等领域，虽然已有相关综述进行了总结和介绍，但多侧重于氨燃烧反应动力学[9-10,42-43]、内燃机应用[44-45]和燃料电池应用[19,44-45]等．本研究重点关注燃煤电站锅炉中氨燃烧应用．2.1　氨的燃烧特性氨的可燃极限范围较窄，可燃极限下限较高，与其他燃料相比火灾风险较低．但是，相比其他燃料(见表1)，氨燃料存在自燃温度较高、着火能量较高、低位质量热值偏低、存在潜在NOx排放风险等问题．此外，氨的燃烧速率非常低，因此在相同的流速和当量比条件下，与甲烷火焰相比，氨的火焰更宽更长；同时，氨燃烧火焰的颜色也与甲烷等碳氢燃料有明显不同，甲烷等碳氢燃料火焰因火焰中的CH*高温自发光而呈蓝色，而氨燃料火焰因NH2*而呈现黄色．并且，NH2*的浓度会随氨燃料当量比增大而急剧增加，从而火焰会呈现更深的颜色[27,46-47]．可见甲烷和氨的辐射传热特性可能不同[46-47] ．周上坤等[9]综合前人相关成果[48-52]对纯氨与空气预混火焰的未拉伸层流火焰传播速度(SL)相关研究，发现在NH3当量比为1.05附近获得了SL的最大值，约为7 cm/s，而CH4和H2的SL最大值则为35 cm/s和3 m/s[53]，反应强度远大于纯NH3燃烧．Mathieu等[54]探究了纯氨在空气中燃烧的容积热释放速率和火焰厚度，发现NH3的容积热释放速率要低于CH4，而且NH3的火焰厚度(2.85 mm)要比CH4的(0.44 mm)大．氨-碳氢燃料掺烧是改善氨燃烧性能、实现氨燃烧利用的有效手段．在内燃机、燃气轮机及工业锅炉领域已开展了纯氨燃烧、氨与甲烷等气/液碳氢燃料混合燃烧相关技术的开发研究．Akamatsu等[39,55-58]围绕钢铁加热炉、玻璃熔炉等工业炉中使用氨燃料替换天然气相关技术进行了研究，重点关注了氨燃烧中NOx生成与控制、火焰的辐射传热等方面．在燃气轮机使用氨燃料方面，日本东北大学、国立产业技术综合研究所(AIST)和IHI公司进行了相关研究．AIST在50 kW等级的燃气轮机装置上分别开展了煤油掺氨、甲烷掺氨及100%纯氨燃烧实验，验证了以氨为燃料的燃气轮机发电的可行性[27,59]．IHI公司在2 000 kW级燃气轮机中进行了气态氨和天然气混合燃烧研究，实验中混合燃料可稳定燃烧[27,59-60]．为实现稳定燃烧并减少氮氧化物，IHI公司还对燃烧器进行了特殊设计，并开发了适用于液氨直接喷入燃烧器的氨燃烧技术，实验掺氨体积比最高达到70%．2.2　氨-煤混合燃烧技术的小规模实验与模拟研究目前，关于电站锅炉氨燃烧、氨与固体燃料混合燃烧的研究十分缺乏，相关研究主要来自日本CRIEPI(电力中央研究所)、IHI公司、北海道大学及大阪大学等．下面分别从燃烧特性(着火、燃烧、燃尽)、火焰特性(形态、温度、辐射)、污染物生成与排放特性等方面介绍氨-煤混合燃烧技术的研究现状．2.2.1　燃烧与火焰传播特性燃料的稳定着火与燃烧是锅炉稳定运行的基础．Nagatani与Ishii等[23]在10 MW煤粉燃烧试验炉实验中观察到：当氨燃料通过煤粉燃烧器中心位置的管道给入时会延迟煤粉着火，导致火焰位置远离燃烧器出口，须通过燃烧器参数(如旋流强度)调整方可将着火位置恢复至与煤粉单独燃烧时相同的位置．Nakatsuka与Akamatsu等[46,61-62]采用层流对冲式燃烧器，观察并分析了煤-氨混合燃烧时的单颗粒煤粉燃烧行为，研究了煤粉与氨混合燃烧对单颗粒煤粉脱挥发分和碳烟形成过程的影响．在对冲燃烧器实验中，煤粉由氨气-空气预混气携带送入，随后在氢气/空气扩散火焰稳定的常压氨气火焰中燃烧．实验中采用配置了显微镜头的高速摄像机采集具有高时间/空间分辨率的过程图像；同时，采用LII(激光诱导炽光法)和PAH-LIF(激光诱导荧光法)直接观测燃烧过程中碳烟和多环芳烃(PAH)在单个煤粉颗粒周围的空间分布．观测结果显示：当氨-煤混燃时，煤粉颗粒周围挥发分分布区域增大，且在煤衍生挥发性物质和氨燃烧作用下煤粉呈现出旋转行为．氨-煤混燃时两种燃料之间的相互作用也会导致火焰传播行为不同．Xia，Hadi与Fujita等[63-64]采用定容燃烧弹装置结合OH自由基成像技术，首次对氨与煤粉颗粒群混合燃烧的湍流火焰传播行为开展了研究，重点探究了氨当量比对氨与煤粉颗粒群混合燃烧湍流火焰传播速度的影响．结果显示：在所有湍流强度和当量比条件下，氨-煤粉云混合燃烧时的火焰传播速度均大于煤粉云单独燃烧．而氨-煤粉云混合燃烧时的火焰速度与纯氨单独燃烧时的火焰速度关系则与氨当量比密切相关．在低当量比条件(Φ1)下，煤粉加入后受热释放出更多的挥发分，导致局部当量比增大；同时挥发分形成更多的碳烟，导致位于预热区内的待燃煤粉颗粒获得更多的辐射加热热流．这两者对火焰传播产生的促进作用大于煤粉颗粒热解吸热导致局部温度降低的抑制作用，从而最终促进火焰的传播．而在高当量比条件(Φ1)下，煤粉加入后因引入挥发分导致局部当量比增大带来的正面促进作用有限，导致氨-煤粉云混合燃烧时的火焰速度反而小于纯氨单独燃烧．煤质差异(挥发分含量)也会显著影响氨-煤低当量比(Φ=0.6)混合燃烧时的湍流火焰速度．Xia，Hadi与Fujita等[63-64]的结果显示：纯氨燃烧速度均大于煤粉颗粒群的燃烧速度；特别地，对于高挥发分煤种，掺氨后的氨-煤混合湍流火焰速度大于纯氨，约是纯氨燃烧时的2倍、煤粉云单独燃烧时的3倍；而对于低挥发分煤种，掺氨后的氨-煤混合湍流火焰速度与纯氨燃烧时差别不大；在部分煤种实验中，掺氨后的氨-煤混合湍流火焰速度甚至小于纯氨燃烧．煤粉在燃烧过程中依次经历水分析出、挥发分析出和着火、煤焦的燃烧和燃尽，其中挥发分的生成和转化对煤粉燃烧过程具有重要影响．高挥发分煤受热释放出更多的挥发分，导致局部当量比增幅更大；同时更易形成碳烟，使得炽光火焰锋面更接近反应锋面，导致位于预热区内的待燃煤粉颗粒获得更多的辐射热流．这两者对火焰传播产生的促进作用大于煤粉颗粒热解吸热导致的局部温度降低，最终促进了火焰传播．而对于低挥发分煤，由于释放的挥发分少，前两方面的正面促进作用与第三方面的抑制作用相当，因此对火焰传播的促进作用不明显，甚至存在抑制作用．结合以上的研究可以发现：混燃中氨燃料会影响煤的着火行为，以及煤燃烧中挥发分的形成、分布与转化，混燃时的湍流火焰传播速度则与煤的挥发分含量密切相关．目前氨与煤颗粒的详细反应机理与影响机制尚不明确，仍须进一步研究．2.2.2　火焰形态、温度与辐射特性燃烧产物的温度分布与辐射行为是影响锅炉效率的重要因素．韩国能源研究所(KIER)[27]在5 kW旋流燃烧器上初步分析了氨-煤混燃火焰的可视化图像，煤粉燃烧经历较长的脱挥发分、挥发分燃烧和焦炭燃烧时间，煤粉颗粒能在氨-空气预混物中燃烧，氨-煤混燃火焰长度显著大于纯氨单独燃烧火焰．辐射换热是锅炉炉膛内的主要热交换路径，而炉膛中火焰的辐射换热特性与燃料及其燃烧产物性质密切相关．煤、天然气等碳氢燃料完全燃烧产物为CO2，H2O，飞灰和碳烟颗粒物等物质，高温下形成典型的发光火焰．氨燃料完全燃烧产物为N2和H2O，不产生飞灰及碳烟等颗粒物，与煤有显著差别，因此掺氨燃烧或纯氨燃烧对火焰温度分布及辐射换热性质的影响也是学者们十分关注的问题．IHI公司Tamura与Ishii等[24,65]通过1.2 MW和10 MW试验炉煤粉掺氨燃烧实验(热量比分别为35%和20%)，用真空高温计测量并探究了氨燃料掺烧对煤粉火焰温度分布的影响．实验结果显示：当NH3从煤粉燃烧器中心注入炉膛时，氨的绝热燃烧温度低于煤，导致氨-煤混燃的火焰温度略低于纯煤燃烧(约100 K)．不过，由于实验工况下火焰中仍存在大量的煤粉及碳质颗粒，因此火焰的辐射换热特性没有显著改变，导致两种火焰的温度分布总体相似．上述氨-煤混燃中燃烧温度的变化趋势与大阪大学Murai与Akamatsu等[39]在10 kW工业炉上对氨-甲烷火焰的观测结果规律相似，凸显了氨燃料燃烧利用中辐射与换热特性与碳氢燃料单烧之间存在的差异．另外，氨燃料掺烧也会改变燃烧烟气组成与流动状态，进而影响对流换热过程．Zhang等[66]针对大比例(0~80%)氨掺烧情况下炉膛内的换热行为进行了CFD仿真，结果显示：当氨掺烧比例为60%时炉内换热量最小，约比煤单烧时降低了3%；而氨掺烧比例从60%升高至80%时，烟气量和烟气流速增加，促进了对流换热，抵消了辐射换热降低作用，最终导致向壁面的换热量升高．综合以上结果可以看出：已有研究虽然讨论了不同掺混比时炉内火焰形态、辐射与换热特性的变化，但对于主要煤粉颗粒浓度影响的辐射换热与主要受流动速度影响的对流换热之间的具体关系还不太清晰，且缺乏实验验证，仍须进一步研究．2.2.3　NOx生成与排放特性氨燃料中富含N元素，因此掺氨燃烧中的NOx生成与排放特性受到了重点关注与研究．日本CRIEPI的Yamamoto与Kimoto等[67-68]、IHI公司的Tamura与Ishii等[25,65]、Zhang与Ito等[66]、Ishihara与Zhang等[69-70]围绕氨-煤混燃中NOx的生成与排放问题开展了不同规模(主要包括760 kW单燃烧器试验炉[67-68]、2.39 MW多燃烧器试验炉[68]、1.2 MW等级试验炉[65]、10 MW等级试验炉[23-25])的实验探究．已有研究重点探讨了NH3掺烧比例、NH3喷入位置与方式(煤粉流混合氨、燃烧空气混合氨和直接炉内喷射氨)、煤种性质(挥发分含量)、热负荷、空气分级等因素对NOx的影响．另外，也关注了氨气掺烧对未燃尽NH3，N2O排放浓度及飞灰中未燃尽碳含量的影响．氨-煤混燃中NOx的生成量与氨掺烧比例密切相关，NOx生成量与氨掺烧比例呈现非线性关联，且同时受到氨掺烧方式、炉膛结构与尺寸等因素的影响．小型单燃烧器(760 kW)试验炉上的实验结果[67]显示：当氨气通过位于燃烧器中心的管道注入、氨掺烧比例为0~20%时，随着氨掺烧比例增加，NOx的浓度呈现先略降低后升高的变化．其中，当氨掺烧比例比达到10%时，氨-煤混燃烟气中的NOx浓度几乎与煤单独燃烧时相等；而当氨掺烧比例达到20%时，NOx的浓度要比纯煤燃烧时增加了约20%．Kimoto与Yamamoto等[68]在2.39 MW多燃烧器试验炉(配置三个上述单燃烧器)中也观测到了类似的规律，即随氨掺烧比例增加，NOx生成浓度升高．但相比较而言，多燃烧器试验炉实验中掺烧氨燃料引起的NOx生成更加显著，当氨掺烧比例均为20%时，单燃烧器试验炉中NOx浓度较煤单独燃烧时升高约20%，而多燃烧器试验炉中升高近2倍．值得注意的是，在氨掺烧比例保持不变的情况下，氨注入位置与方式的差异也会影响NOx生成．在上述单燃烧器试验炉中的实验结果[67]显示：当氨气从燃烧器中心注入时，NOx生成浓度较煤单独燃烧时升高(增幅约24%和7%)；而当氨气从距离燃烧器1.0 m处左右的侧壁注入时，NOx的排放浓度几乎与煤单独燃烧时相同或略低；当氨气的注入位置距离燃烧器出口更远时，烟气中NOx浓度进一步增加．Kimoto与Yamamoto等[68]在多燃烧器试验炉(2.39 MW)中也观察到氨注入位置的影响，发现：当NH3集中从位于炉膛下部位置的燃烧器注入时，生成的NOx浓度低于从所有燃烧器均匀注入．氨注入位置与方式的影响主要与注入位置的温度和局部氛围(O2含量、NOx含量等)及NH3注入后的燃烧与停留时间有关．当氨以理想的注入位置与方式注入时，一方面可以与已有NOx反应，将其还原为N2；另一方面注入NH3可降低火焰温度，降低热力型NOx的生成，同时NH3自身也会更少被氧化生成NOx，而更大程度地转化为N2．因此，将氨注入到燃烧器出口等还原气氛强、气体温度高的区域通常有利于减少NOx的生成．IHI公司的Tamura等[24,65]在1.2 MW燃烧试验炉中也探讨了氨掺烧比例与氨注入位置对NOx的生成影响，并观察到了类似现象．结果显示：当NH3从炉膛侧壁(距燃烧器1.25 m处)注入时，NOx生成浓度较煤单独燃烧有所升高，且NOx的排放浓度会随着氨掺烧比例的增加而增加；而当NH3从煤粉喷嘴中与煤粉一起注入(氨气与煤粉在燃烧器出口之前混合)、氨掺烧比例低于30%时，NOx生成浓度较煤单独燃烧时几乎没有变化，而在氨掺烧比例超过30%后，NOx生成浓度随氨掺烧比例而升高．Ishii等[25]还通过实验评估了氨注入流速不同对NOx生成的影响，发现氨注入流速过大会导致氨燃料在燃烧器出口周围反应不充分，进而进入下游燃尽风中继续反应，被氧化生成NOx，导致最终NOx生成量升高．过量空气系数、分级燃烧风率、热负荷及煤种性质等因素也会对氨-煤混合燃烧中NOx生成与排放产生影响．已有研究结果[24]显示：当氨-煤混燃与煤粉单独燃烧时，NOx生成浓度均随过量空气系数的升高而升高；但在氨-煤混燃中，由于NH3具有抑制NOx生成的效果，NOx的生成浓度低于煤粉单独燃烧．在10 MW试验炉上的实验结果[23-25]表明：过量空气系数(1.2)不改变、分级燃烧风率升高(由20%逐渐升至40%)时，煤粉单独燃烧工况下的NOx生成浓度会单调降低，而氨-煤混燃工况下的NOx则呈现先降低后升高的非线性变化，NOx在分级燃烧风率为30%时生成浓度最低．这是因为掺氨后燃烧器出口区域的挥发分和NH3等含氮组分含量升高，其在分级燃烧风率较高工况下未能完全反应，这部分物质在后续氧化过程中产生大量NOx．上述实验研究之外，部分研究者还通过数值仿真探究了高氨燃料掺烧比例、大容量锅炉等实验难度较大情形下的NOx生成行为与影响因素．Ishihara与Zhang等[69-70]采用零维数值模拟方法结合详细化学反应机理探究了1 000 MW煤粉锅炉掺氨燃烧中氨掺烧比例(0~80%)及掺烧位置对NO排放的影响．结果显示：当氨均从燃烧器火焰区注入时，随着氨掺烧比例的增加，NH3发生反应的位置、NO峰值均向下游位置移动；并且，当NH3掺烧比例为20%时，NO排放量小于煤单独燃烧；当NH3掺烧比例为20~60%时，NO随氨掺烧比例的增加单调增加；而当NH3掺烧比例进一步升高至80%时，NO排放量将下降到40%的水平．反应路径分析表明：在80%氨掺混比例下，大量NH3分解后通过与NHi基团的反应转化为N2，而无须经过NO，从而抑制了NO的生成．这也正是氨-煤混燃与纯煤燃烧过程中NOx形成机理的区别，NH3的加入会使燃烧过程中产生更多的NHi自由基，增加了N和NH与NHi基团的反应路径．为深入分析氨-煤混燃中NOx生成抑制机理，大阪大学研究团队借助对冲平面火焰燃烧器开展了煤粉掺氨燃烧实验，通过NO-平面激光诱导荧光法(NO-PLIF)观测了火焰中的NO空间分布情况[71]．研究发现：在向煤挥发分燃烧后的气体中注入氨气降低了生成的NO含量，确认了氨-煤混合燃烧中生成的NO可被注入的氨还原脱除．另外，Tsukada等[62,72]发现燃料中一些杂质元素(如Br，Cl，燃料N，S)会减少火焰环境中的O，H和OH自由基，进而降低氨-煤混燃中NOx的浓度．而当氨与生物质混燃时，若OH自由基摩尔分数太低，则Cl的还原作用会阻碍氨的分解，使氨留在富燃料区，随后与分级空气反应大量生成NOx．综上所述，氨-煤混燃中氨燃料的引入存在较大的NOx生成与排放风险，控制NOx生成具有较大挑战．NOx生成受多种因素影响，现有研究初步揭示了小掺混比下各因素的表观影响规律，而对深层次的影响机制仍认识不足．大比例掺氨仍处于模拟阶段，对于流动和反应的综合影响仍不清楚，同时对多燃烧器情况下的NOx生成情况仍须进一步探究．2.2.4　未燃尽碳与未燃尽氨在电站锅炉中，氨燃料掺烧引起的流动、温度、气氛等变化可能影响煤粉燃烧与燃尽过程，进而影响飞灰中未燃尽碳含量．同时氨燃料燃烧不合理也可能产生未燃尽NH3或N2O排放的风险．现有研究中也关注并初步探讨了氨-煤掺烧烟气中未燃尽NH3，N2O及飞灰中未燃尽碳的含量变化，发现氨掺烧对飞灰中未燃尽碳的影响与氨注入位置密切相关．Yamamoto等[67-68]在单燃烧器试验炉实验中，对比了掺烧氨燃料前后飞灰中未燃尽碳含量的变化．结果显示：在氨掺烧比例为20%工况下，当NH3从燃烧器中心注入炉膛时，飞灰中的未燃尽碳含量增加约20%；而当NH3从炉膛侧壁距燃烧器出口0.6 m或1.0 m位置注入时未燃尽碳含量则没有增加．掺烧氨后，烟气中CO2等比例降低，NH3排放略微升高，但浓度水平仍较低(~6×10-7)．IHI公司的Tamura等[24,65]在1.2 MW燃烧试验炉实验中发现：当氨经燃烧器与煤粉一同注入时，飞灰中未燃尽碳含量几乎无变化；而当氨从炉膛侧壁注入或在燃烧器中心以单独氨枪注入时，飞灰含碳量降低．分析认为：当氨从炉膛侧壁注入时，炉膛中的总过量空气系数不变，导致燃烧器出口区域出现局部富空气区域，有利于煤粉的燃烧和燃尽；而当通过单独氨注入枪注入时，氨气射流可促进煤粉颗粒与空气的混合，促进煤粉燃尽．另外，该研究结果显示：在掺烧比为35%氨-煤混燃情况下，距燃烧器出口2 250 mm位置处仍有一定浓度(3×10-4)的NH3存在，该部分NH3随后被分级空气氧化，最后在炉膛出口处降低至煤单独燃烧时的浓度水平．同时，实验中也检测到有少量N2O存在．温度降低会促进N2O的生成，掺氨燃烧中较低的燃烧温度可能导致N2O排放恶化．Ishii等[23, 25]在10 MW试验炉实验中观察到：氨-煤混燃时N2O的生成浓度(6×10-6~10×10-6)比煤单独燃烧时高出1×10-6~5×10-6．综上所述，氨-煤混燃中未燃NH3和N2O排放也存在潜在风险，但目前研究显示其浓度较低，对比学者们并没有着重关注．而有模拟显示大掺氨比下未燃NH3含量会随掺混比增多而持续增多，因此对未燃碳、未燃NH3和N2O的探究仍须重视．若将NH3进行分级燃烧，同时从燃烧器中心及侧壁按照一定的比例注入，配合适当的空气分级，则有望实现未燃尽碳及未燃尽氨同时控制．2.3　大型电站锅炉掺氨燃烧的试验和模拟研究2017年，日本Chugoku电力水岛发电厂156 MW燃煤机组(2号机组)上进行了世界首次氨-煤混燃发电试验，NH3掺烧比例为0.6~0.8%[26]．试验机组总输出功率为155 MW左右，氨燃料掺烧量为450 kg/h(相当于400 kg/h煤)，由原有脱硝液氨系统供应，通过汽化器气化后注入锅炉．试验持续7 d，对锅炉温度、煤炭消耗量、燃烧器情况、烟道出口NOx排放及烟道出口NH3浓度进行了观测分析．试验结果所示：当机组负荷为155 MW时，氨-煤混燃与纯煤燃烧时的NOx排放差值为-8×10-6~7×10-6，平均约为0；机组负荷改为120 MW时，两者差值为-1.4×10-5，可见煤燃烧中掺烧0.6%~0.8%的氨燃料不但不会增加NOx的生成反而可能有助于减少NOx排放，满足排放要求．该试验充分表明了掺烧的NH3可完全燃烧，且CO2排放减少量正比于NH3燃料掺烧量．Ito与Zhang等[24]对1 000 MW燃煤锅炉进行了初步的三维模拟仿真研究，分析了氨掺烧对锅炉本体和相关辅机设备的影响，得出了煤单独燃烧和氨-煤混燃的炉膛内温度分布与热流分布对比结果．模拟结果显示：与10 MW燃烧试验结果类似，氨掺烧后炉内温度较煤单独燃烧时略有降低，壁面热流分布无显著差异．华中科技大学Xu等[73]和IHI公司评估了已建燃煤锅炉用于氨混合燃烧涉及的改造内容及影响，指出掺氨燃烧后锅炉效率仅略有降低[23]，并提出了一种在现有锅炉系统中实现氨燃料供应的方案．3 电站锅炉氨燃烧研究总结及展望3.1　问题总结分别从燃烧与火焰传播、火焰形态、燃烧温度与辐射、NOx生成与排放及未燃尽碳与未燃尽氨排放等角度对电站锅炉掺氨燃烧研究现状进行了总结与分析．可以看到：氨-煤混燃可大幅降低电站锅炉碳排放，而对炉内温度特性无显著改变，虽然燃料氮的增加带来NOx排放风险，但可以通过燃烧分级、燃烧组织等方式有效调控，因此氨-煤混燃是一种可行的减碳路径．以氨作为可再生能源的载体，实现热力、电力、动力等不同应用领域中的碳减排，并缓解或解决对有限化石能源的依赖，具有巨大的发展潜力和利用前景．但是目前电站锅炉掺氨燃烧研究刚刚起步，在煤氨燃烧基础理论、燃烧技术及工程应用工艺方面仍十分薄弱，问题总结见图1．10.13245/j.hust.220705.F001图1电站锅炉掺氨燃烧现存问题总结3.2　燃烧基础理论燃烧基础理论是进行锅炉设计与优化的理论基础．目前，对氨-碳氢燃料混合燃烧的燃烧基础理论研究大多集中于氨与小分子气体燃料的混合燃烧方面，如NH3-H2，NH3-CH4，NH3-合成气等燃料体系．而对于氨与煤、生物质等固体大分子碳氢燃料的混合燃烧行为认识尚十分缺乏．尤其在氨-煤混燃情况下，研究多在兆瓦级别的燃烧装置上开展，对于煤粉着火延迟、着火模式、挥发分燃烧及焦炭燃烧等燃烧特性缺乏深入理解．3.3　污染物排放与控制污染物的生成、控制与排放是锅炉设计和运行中必须考虑的重要方面．掺氨燃烧中，NOx是最受关注的污染物，现有研究大多围绕着NOx生成与排放，少量关注了NH3，N2O等污染物，但氨与煤等掺烧中，煤中N，S，Cl等元素迁移和转化行为及HCN、含氮PAH等高毒性气态污染物的生成与排放行为尚未探究，有待研究确认．另外，煤中普遍存在矿物杂质，氨掺烧后带来的燃烧环境变化对矿物质转化及沉积行为、矿物颗粒物、碳烟颗粒物等有何影响，也有待深入研究．3.4　模型开发、验证及模拟预测数值模拟计算是进行燃煤锅炉掺氨燃烧改造设计、评价和优化的重要手段．在模拟仿真过程中，锅炉、燃烧器等装置结构及供风配风的运行参数须更加精细、准确，更接近现实，尽可能模拟出真实情形，并从多个角度验证模拟结果的准确性与正确性．流动、换热及反应模型是实现可靠仿真的基础，现有反应机理模型对大比例氨掺烧条件的适用性尚须评估．3.5　技术系统开发、优化及工业示范燃煤火电机组进行掺氨改造，须全面考虑锅炉燃烧设备、烟气处理等大量装置的匹配和优化．目前，针对高浓度、大比例掺氨情形的低污染物掺氨-煤粉燃烧器设计及炉膛燃烧策略仍缺少探究．另外，现有研究更多关注的是掺氨后污染物排放量的变化，而对于锅炉尾部污染物控制设备(SCR，ESP，FGD等)调整的研究仍缺乏．现有研究大多为小规模实验室研究，将氨大规模实现在现役锅炉上仍须进一步的工业示范；同时，系统开发中还须关注NH3的腐蚀性等问题，进行针对性设计．