太阳能驱动氨分解提升氨燃料联合循环系统的热效率与燃烧性能研究

为解决氨直接燃烧效率低的问题，研究人员创新性地将氨燃料燃气轮机与聚光太阳能电站协同整合，利用太阳能热化学分解氨制取富氢燃料。研究表明该方案可使热效率提升3.5%，富氢混合气（NH3 /H2 =1:3）火焰速度达20-30 cm/s，为碳中和能源系统提供新路径。

　　

在全球碳中和目标推动下，氨（NH₃
）作为零碳燃料备受关注，但其在燃气轮机中直接燃烧存在火焰速度低（仅约5 cm/s）、燃烧不稳定等问题。与此同时，聚光太阳能（CSP）技术虽能提供高温热源，却面临间歇性供电的挑战。如何通过技术协同突破这两大能源系统的瓶颈，成为当前研究的关键。

研究人员提出了一种革命性方案：利用CSP产生的800-1200°C高温驱动氨热化学分解（ATT），将NH₃
转化为含75%H₂
的富氢燃料（2NH₃
→N₂
+3H₂
，ΔH=46.19 kJ/mol）。通过Aspen HYSYS热力学模拟验证，该团队发现当采用1:3的NH₃
/H₂
混合燃料时，系统呈现三大突破性特征：一是热效率提升3.5%，二是火焰速度跃升至20-30 cm/s（接近天然气水平），三是燃料当量比在0.8以下时NO_x
排放优于甲烷。

关键技术包括：1）基于固定氮研究实验室（F.N.R.L）数据的氨分解平衡计算验证；2）对压力（1-30 bar）、温度（400-800°C）等多参数的热力学分析；3）采用CHEMKIN-Pro模拟不同当量比（0.6-1.2）下的燃烧特性。

【概念】部分阐明，传统NH₃
/CH₄
混合方案虽能提升功率（如40%NG+30%H₂
+30%NH₃
组合），但成本居高不下。而太阳能驱动分解可避免额外氢源成本，Alikulov等研究的22%NH₃
/78%H₂
混合效率达44.6%，为本研究提供重要参照。

【验证】环节显示，在600°C、10 bar条件下，模拟结果与实验数据误差<5%。特别值得注意的是，当初始温度从400°C升至800°C时，残余氨浓度从18.7%骤降至0.3%，证实太阳能高温供给的高效性。

【结论】指出，该集成系统通过"太阳能制氢-现场燃烧"的闭环设计，既解决CSP的间歇性问题（氨作为储能介质），又突破纯氨燃烧的技术壁垒。研究首次量化了富氢气体组分对商用燃气轮机的适用性，为现有天然气基础设施改造提供明确参数指导。

讨论部分强调，相比Aalrebei等提出的电加热分解方案，太阳能驱动使全生命周期碳排放降低92%。但需注意，当燃料当量比>0.75时，NO_x
排放会急剧上升，这要求燃烧室必须配备分级燃烧系统。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为第三代太阳能-化学能混合系统奠定理论基础。