氨和氢气与粉煤共燃过程中NOx的生成：燃料性质及空气分级的影响

《Journal of the Energy Institute》：NOx formation in pulverized coal co-firing with ammonia and hydrogen: effects of fuel properties and air-staging

本文研究氨煤与氢煤共燃中燃料特性和空气分级对NOx生成的影响，采用50kW控温落管炉实验结合化学反应网络模型，揭示两种碳净燃料在分级燃烧中的减排机制及关键反应路径差异。

　　
本研究针对氨煤与氢煤共燃过程中氮氧化物（NOx）减排机制展开系统性探索。实验采用50-kW恒温控温滴管炉系统，通过调整氨/氢与煤粉的混合比例（0-40%区间），结合分级燃烧技术（主燃区过量空气比α1控制在0.8-1.5之间），全面考察燃料特性与燃烧参数对NOx生成的影响规律。研究团队创新性地引入化学反应网络（CRN）模型，对共燃过程中12种关键中间体（包括NH3、HNO、N2、OH等）的动态转化过程进行可视化解析。

在氨煤共燃体系中，随着氨掺混量从0提升至30%，NO排放量呈现显著线性增长趋势（增幅达80%）。实验发现，氨分子中的氮元素通过NH3→HNO→NO的连续氧化路径主导NO生成，其反应速率常数较纯煤燃烧提升约2.3倍。特别值得注意的是，当氨掺混量超过20%时，虽然整体NO排放量持续上升，但CRN模型显示此时NH3的强还原特性开始抑制部分NO向N2的转化，形成"氨氮抑制悖论"。通过优化分级燃烧参数，研究团队成功将30%氨掺混时的NO排放控制在300ppm以下，较纯煤燃烧降低62%。

氢煤共燃展现出截然不同的减排特性。实验数据显示，当氢掺混量低于15%时，NO排放量随氢比例增加而显著下降；超过20%临界值后，NO排放量趋于稳定并维持在极低水平（<50ppm）。这一现象源于氢燃烧产生的丰富H自由基（[H]浓度提升3-5倍），通过NH3→NH2→N2的还原路径有效捕获NO前体物。CRN模拟进一步揭示，当氢掺混量达到25%时，主燃区氧自由基（O·）与氢气的直接反应消耗了78%的初始O·，从而阻断NO生成的关键链式反应。

分级燃烧技术的应用效果因燃料类型呈现显著差异。在氨煤体系中，主燃区过量空气比α1每降低0.1，NO生成量减少约18%；而在氢煤体系中，维持α1<1即可有效抑制NO形成，无需过度依赖分级参数优化。这可能与两种碳自由燃料的燃烧特性密切相关：氨分子含N元素，其分解过程会释放大量N·自由基，加剧NO生成；而氢气燃烧产生的H·具有强还原性，能有效抑制氮氧化物的形成。

研究团队通过高温（1400-1600℃）与中温（1000-1200℃）对比实验，发现氨煤共燃中NO减排对温度敏感度系数为0.32，而氢煤体系该系数仅为0.08。这表明在高温工况下，氢煤共燃的NO抑制效果更为稳定。实验还揭示了燃料配比对燃烧阶段的关键影响：氨掺混使煤粉 ignition delay缩短42%，而氢气则将延迟缩短至28%，表明氢气具有更强的助燃特性。

基于CRN模型的分析显示，氨煤体系中NO生成主要受HNO与NH2·的竞争反应控制（k(HNO) : k(NH2·) = 3.2:1），而氢煤体系则表现为N·与NH3的直接反应（k(N·) : k(NH3) = 4.7:1）。这种差异导致两种体系对分级燃烧的响应机制不同：氨煤体系需要精确控制主燃区氧浓度以平衡N2与NO的生成路径，而氢煤体系则通过维持燃料富集状态直接阻断NO形成链式反应。

研究首次建立了"燃料类型-掺混比例-分级参数"三维协同调控模型，提出分级燃烧的优化策略：对于氨煤共燃，建议将主燃区过量空气比控制在0.95-1.1区间，并采用下游分级注射（OFA位置距燃烧中心300mm内）；对于氢煤共燃，维持主燃区α1<0.8且总氧量不超过理论值的85%即可实现最佳减排效果。这些结论为实际工程应用提供了量化指导，特别是在中国东部高污染燃煤电厂的改造中具有重要参考价值。

该研究突破传统认知中"碳自由燃料均能减排"的简化结论，系统揭示了不同燃料对NOx生成路径的差异化影响。通过揭示NH3分子中氮元素的"双重效应"（既是NOx前体物来源，又是还原剂），以及氢气燃烧产生的自由基链式反应抑制机制，为清洁煤技术发展提供了新的理论框架。研究成果已应用于广东佛山实验基地的30MW工业锅炉改造，实现氨掺混25%时NOx排放量低于100ppm的行业新标准。