综述：固定床和流化床反应器中的氨燃烧：概念、知识基础与挑战

这篇综述深入探讨了氨（NH3）作为零碳燃料在大型发电中的潜力，系统分析了其热物理性质（如高自燃温度、低火焰速度）和燃烧特性，提出流化床（Fluidised-bed）技术可解决传统燃烧系统的难点（如NOX排放），并对比了固定床（Fixed-bed）作为研究工具的优势。文章为碳约束下的能源转型提供了创新解决方案。

　　

氨作为燃料的潜力与挑战

氨（NH₃）因其零碳特性（燃烧仅释放N₂和H₂O）成为能源转型的热点。然而，其热物理性质带来显著挑战：自燃温度高达930 K，最小点火能量20 mJ，层流火焰速度仅6.5 cm/s，远低于甲烷（38 cm/s）和氢气（300 cm/s）。更棘手的是其高下限可燃浓度（15%–28%），导致传统燃烧器中火焰稳定性差。此外，低热值（LHV）与高热值（HHV）比值仅0.83，意味着能量利用率较低。

流化床燃烧的技术优势

流化床反应器通过固体床材料（如石英、氧化铝）的蓄热效应，显著改善NH₃燃烧性能。床材料的高热容和高效传质环境可将反应温度降低至1000–1300 K，同时提升燃烧速率。例如，在流化床中，甲烷的火焰速度可提高3倍，而NH₃的NO_X排放因床材料的催化作用减少50%以上。气泡流化床（Bubbling fluidised-bed）因操作稳定更适合初期研究，而循环流化床（Circulating fluidised-bed）则适合大规模应用。

固定床反应器的研究价值

固定床作为流化床的特殊形态（低气速下），是研究床材料影响的理想工具。实验表明，石英固定床中NH₃氧化的起始温度比流动反应器低20%（1050 K vs. 1300 K），且NO_X生成量减少90%。这种差异可能源于床材料促进NH₃解离为H₂和N₂，或表面化学反应抑制NO_X路径。

NO_X控制策略

NH₃燃烧的主要排放物为燃料型NO_X（通过HNO中间体生成）。流化床中，空气分级（Air staging）和二次NH₃注入可将NO_X降低60%–85%。若需进一步净化，选择性非催化还原（SNCR）和选择性催化还原（SCR）技术可分别实现70%和90%的NO_X去除率，其中SCR催化剂（如Fe-ZSM-5）在473–673 K下效果最佳。

未来研究方向

需深入探究床材料对NH₃解离和NO_X还原的微观机制，开发抗腐蚀反应器材料（如陶瓷涂层钢管），并优化流化床-蒸汽轮机联合系统的设计。跨学科合作将加速这一零碳技术的商业化，助力全球能源结构转型。