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为解决煤燃烧 CO2排放高及 NH3共燃时 NOx排放控制问题，研究人员开展 NH3与煤挥发分共燃研究。结果揭示 NOx排放先增后减机制，为控制排放提供依据，对煤燃烧低碳化意义重大。
在全球对清洁能源需求日益迫切的当下，煤炭作为主要能源之一，其燃烧带来的二氧化碳（CO
2）排放问题愈发严峻。数据显示，2021 年煤炭燃烧贡献了全球约 44.2% 的 CO
2排放，亚洲国家在 2023 年更是占据全球煤炭消耗的约 83%。为了有效减少 CO
2排放，探索低碳替代燃料成为关键。氨（NH
3）因其零碳特性受到广泛关注，与氢气（H
2）相比，它具有更高的体积能量密度、更适宜的沸点和点火温度，在储存和运输方面优势明显，被视为降低煤电厂 CO
2排放的可行方案。
然而，NH3在煤燃烧中的应用并非一帆风顺。它的燃烧特性与煤差异较大，完全替代煤会严重影响锅炉的燃烧和传热分布，降低锅炉效率和机组输出。目前采用的 NH3与煤共燃方式虽能解决部分问题，但又带来了新的挑战 —— 高氮含量的 NH3可能导致氮氧化物（NOx）排放大幅增加。许多实验观察到，随着 NH3共燃比（RNH3）的增加，NOx排放呈现先增后减的趋势，这一现象背后的机制却尚不明确。为了揭开这一谜题，推动 NH3在煤燃烧中的合理应用，研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Fuel Processing Technology》上。
研究人员为探究 NH3与煤共燃时 NOx排放先增后减的机制，采用了实验与模型相结合的研究方法。在实验方面，搭建了一维流动反应器实验系统，该系统由气体供应系统、电加热一维流动反应器和气体采样分析系统组成。通过精确控制气体流量和反应器温度，模拟不同的燃烧条件。在模型方面，利用 ANSYS Chemkin Pro 建立化学反应器网络（CRN）模型，该模型包含两个活塞流反应器（PFRs）和两个非反应性气体混合器（NRGMs），用于模拟实验中的燃烧过程，重点关注 RNH3对 NH3的 NO 生成和还原反应路径的影响。
实验结果
研究人员在一维流动反应器中进行 NH3与煤挥发分共燃实验，发现 NOx排放随 RNH3的增加呈现先增后减的趋势，在 RNH3 = 25% 时达到峰值。这一结果与之前 NH3 - 煤共燃实验中 NOx排放的趋势一致，表明该趋势主要归因于煤挥发分和 NH3的气态反应。尽管煤燃烧涉及气态（挥发分 - N 和 NH3）和焦炭表面的 NO 反应，但在 NH3共燃条件下，大部分燃料 - N 存在于气态物种中，气态含氮物种的 NO 反应在 NO 生成中起主导作用。
数值结果与讨论
- RNH3对 NOx排放的影响
- 对关键基元反应的影响：研究发现，NO 生成和还原反应的总生成速率（ROP）随 RNH3的增加呈现先增后减的趋势，与 NO 排放趋势一致。在所有基元 NO 生成反应中，R228（HNO + OH）、R233（N + OH）和 R229（HNO + H）的 ROP 显著高于其他反应，而 R231（N + NO）的 ROP 在 NO 还原反应中占主导地位。这些关键基元反应的 ROP 随 RNH3的变化趋势与 NOx排放趋势密切相关。
- 对关键物种浓度的影响：HNO/N 和 OH/H 自由基是 NO 生成反应 R228、R229 和 R233 的关键反应物。随着 RNH3的增加，HNO/N 浓度单调增加，而 OH/H 自由基浓度单调减少。这是因为较高的 RNH3增加了燃料 - N 的量，同时 NH3的脱氢反应消耗了更多的 OH/H 自由基，且挥发分含量减少导致 OH/H 自由基的供应也相应减少。在较低的 RNH3（<25%）下，HNO/N 浓度的增加对 NO 生成反应起主要促进作用；在较高的 RNH3（>25%）下，OH/H 自由基浓度的减少则抑制了 NO 生成反应。
- 当量比的影响：研究表明，当量比（?）与燃料燃烧气氛直接相关，对 NOx排放有显著影响。通过模拟不同 ? 值下的燃烧过程，发现 NO 排放随 ? 值的增加而显著降低。这是由于较高的 ? 值减少了进入主燃烧区的 O2量，抑制了 R131（H + O2 → OH + O）和 R132（H2 + O → OH + H）等基元反应，导致 OH/H 自由基浓度显著降低，进而抑制了 NO 生成反应路径。
研究结论与意义
研究人员通过实验和模型研究，成功揭示了 NH3与煤共燃时 NOx排放先增后减的内在机制。这一研究成果为控制 NH3与煤共燃过程中的 NOx排放提供了理论依据，有助于优化燃烧策略，提高煤燃烧的低碳化水平。然而，该研究是基于一维系统的实验和建模，与工业规模的燃煤锅炉相比，大型锅炉中复杂的流场、湍流混合和燃烧过程存在显著差异。未来仍需在更大规模的燃烧设施中进行测试，进一步了解 NH3共燃的燃烧行为和 NOx排放特性，以推动其在工业领域的广泛应用。
