氨在单颗粒生物质共燃辐射特性中的环境依赖性双重作用

《Fuel》：Environment-dependent dual role of ammonia on the radiative characteristics of single-pellet biomass co-firing

氨与生物质共燃对火焰辐射特性的动态影响研究。采用原位光谱成像技术，发现氨在700℃时增强辐射强度和Exergy，800-900℃时抑制辐射，并改变碱金属和NH2*自由基释放特性，揭示了环境温度与氨浓度耦合作用机制。

　　

孙岑|刘慧欣|于学武|王春波

华北电力大学燕赵电力实验室，中国河北省保定市071003

摘要

将氨（NH₃）与生物质共燃是一种有前景的脱碳策略，但其对关键辐射传热特性的影响仍知之甚少。为了解决这一问题，本研究使用原位耦合光谱成像诊断技术，在不同温度和氧气浓度下，研究了NH₃添加对单个稻壳颗粒火焰特性的动态影响。结果表明，NH₃的添加缩短了点火延迟时间，但在主燃烧阶段显著降低了火焰温度、尺寸和辐射强度。研究发现NH₃在辐射特性上具有“双重作用”，这种作用依赖于环境温度：在较低温度（700 ℃）下，NH₃增强了光谱辐射强度和有效能；而在较高温度（800 – 900 ℃）下，则产生了显著的抑制作用。此外，NH₃浓度的增加会单调抑制碱金属（K*、Na*）的特征原子发射，而NH₂*自由基的化学发光仅在高温、缺氧条件下（900 ℃，10 vol-% O₂）被观察到。这些发现揭示了NH₃对生物质燃烧的复杂耦合影响，为NH₃/生物质共燃技术的优化提供了重要的理论基础。

引言

生物质燃料中高含量的碱金属是导致锅炉加热表面严重结渣、积垢和腐蚀的主要原因[1,2]，这阻碍了其作为碳中性能源的广泛应用。除了直接燃烧外，还正在开发先进的热化学转化技术（如气化）来从生物质中生产高价值产品[3]。将氨（NH₃）与固体燃料（如生物质）共燃为深度脱碳提供了非常有前景的技术途径[4]。

迄今为止，关于氨共燃的研究主要集中在粉煤锅炉上，工业规模的示范已经验证了其在减少CO₂排放方面的有效性[5]。然而，现有研究表明，NH₃的添加引发了一系列新的热物理问题。例如，Pu等人在4 MW锅炉中的研究表明，氨的引入显著减弱了炉内辐射，导致火焰温度下降。Zhang等人[7]通过数值模拟研究了煤-氨共燃在炉内的燃烧和传热特性，发现氨的掺混比例在0–60%范围内会增加炉内热负荷。这些由NH₃引起的燃烧环境变化对生物质的影响尚不清楚，因为生物质的燃烧特性与煤不同，且其碱金属的行为更为复杂。简单地将煤-氨共燃的宏观结论外推到生物质系统可能会严重低估其对传热效率和运行安全性的潜在不利影响（即结渣风险）。碱金属的释放对温度变化非常敏感[8,9]。

辐射传热是锅炉炉内主要的传热方式[10]。在传统的无氨气氛中，生物质燃烧特性已得到广泛研究。Yao等人的研究表明[11,12]，生物质的辐射特性和发射率与其独特的两阶段（挥发物和炭）燃烧过程密切相关，表现出显著的时空动态特性。从光热能级联利用的角度出发，Shan参数化了温度、压力、颗粒大小和密度等因素对辐射分布的影响[13,14]。Zhou等人研究了不同气氛（O₂/N₂和O₂/CO₂）下半焦火焰的光谱辐射特性及其在光热能级联利用系统中的潜在应用，发现波长低于3 μm的光谱辐射占很大比例，并具有更高的能量质量[14]。然而，迄今为止，尚未报道氨存在下生物质燃烧过程的辐射特性。同时，NH₃/生物质共燃系统的一个核心科学挑战是理解NH₃的添加如何同时影响这两个关键过程。通过改变燃烧的化学动力学和热力学平衡，NH₃不可避免地重塑了火焰温度场。这种变化产生了双重级联效应：一方面，它直接调节了火焰辐射——锅炉中的主要传热方式[15]；另一方面，它深刻影响了碱金属的释放，这是设备运行安全性的关键决定因素[6]。生物质燃烧过程及其辐射特性的这种内在复杂性表明，NH₃的影响机制可能比相对均匀的粉煤燃烧更为复杂。

为了填补上述知识空白，本研究采用了单颗粒水平的原位耦合光谱成像诊断技术。系统研究了NH₃添加对稻壳燃烧关键物理化学过程的影响，包括光谱辐射能量和有效能，以及关键化学物种（碱金属、NH₂*）的释放动力学。理解氨在生物质共燃中作用的核心挑战在于揭示它如何对燃烧场内的多个关键过程产生耦合调节。氨的添加不是孤立地影响某个过程，而是通过改变核心化学动力学（例如分解产生高活性H自由基并与燃料竞争氧化剂），从而调节火焰的热力学温度场。这种热力学状态的变化又决定了其他关键物理过程（如辐射传热的强度和质量）和化学过程（如高温度敏感碱金属的释放动力学）。本研究旨在通过原位诊断技术，在机制层面阐明NH₃的调节机制及其对燃烧环境（环境温度和氨浓度）的依赖性，从而为该技术的优化和应用提供重要的理论基础。本工作的整体概念框架如图1所示。

实验系统与条件

实验系统的示意图如图2所示。该系统主要由一个电加热的垂直管式炉子、一个带有插入机制的陶瓷样品托盘、一个气体供应系统以及一个耦合光谱成像诊断系统组成。炉子由高温元件（如内部缠绕的电阻丝）加热，其温度由高精度PID控制器精确调节。一个与内部石英管对齐的光学观察窗口

NH₃添加对火焰形态和温度的影响

图3展示了在不同NH₃浓度下单个稻壳颗粒燃烧过程中火焰形态的时空演变。根据记录图像的视觉证据，挥发物燃烧的开始定义为可见火焰首次出现并包裹颗粒的时刻；炭燃烧的开始定义为大的明亮挥发物火焰熄灭的时刻，只剩下发光的颗粒本身

结论

为了填补上述知识空白，本研究采用了单颗粒水平的原位耦合光谱成像诊断技术。系统研究了NH₃添加对稻壳燃烧关键物理化学过程的影响，包括光谱辐射能量和有效能，以及关键化学物种（碱金属、NH₂*）的释放动力学。主要结论如下：

(1)

NH₃在燃烧过程中表现出明显的双重作用

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52406134）和“中央高校基本科研业务费”（2024MS152）的支持。