一种改进的燃煤发电厂，该发电厂集成了碳捕获技术、卡诺电池（Carnot battery）以及溶剂储存系统，用于废热回收和灵活运行

《Energy》：An improved coal-fired power plant integrated with carbon capture process incorporating Carnot battery and solvent storage for waste heat upgrading and flexible operation

本文提出一种结合微混合阵列燃烧与富-贫 staging燃烧的低NOx方法，通过数值模拟确定最优初始富燃条件（Cr=0.4，Φ=1.3）和二次空气配置，使NOx低于200ppm，NH3逃逸近乎为零，为氨燃料燃气轮机设计提供理论依据。

　　

毛奇路|鲜琪朱|荣堂刘|振勋高|凯迪万|崇文江

宁波工业大学航空航天学院，北京航空航天大学，中国宁波315800

摘要

本文提出了一种低NO_x排放方法，该方法将氨（NH₃）裂解气体的微混合型阵列燃烧与富-贫分级燃烧相结合。通过数值研究确定了最佳的一次富燃条件和最有效的二次空气配置。结果表明，要在富-贫分级燃烧条件下实现NH₃裂解气体的高效燃烧，需要满足两个条件：（i）裂解比（Cr）不应超过0.4；（ii）适用于一次富燃条件的当量比（Φ）与Cr呈正相关。通过筛选操作条件，确定了一次富燃的最佳条件为Cr = 0.4和Φ = 1.3。选择这一条件是因为它能够利用富燃料区的固有优势，即减少未燃NH₃的排放，同时在富-贫分级燃烧配置下保持较低的NO_x生成。此外，通过协调整体当量比（Ф_{glob）和燃烧室长度，NOx降低到250 ppm以下（干基，15% O2），H2降低到40 ppm以下（干基，15% O2），NH3未燃量几乎为零。在此基础上，进一步优化了二次空气配置以降低NOx排放。结果表明，倾斜喷射可以轴向扩展富燃料区并产生较高的近壁轴向速度。采用这种配置后，NOx降低到200 ppm以下（干基，15% O2），而H2保持在25 ppm以下（干基，15% O2）。这些发现有望为NH3燃料燃气轮机燃烧器的设计和优化提供参考，从而有助于减少化石燃料消耗，进一步实现碳中和的目标。}

引言

生产电力衍生燃料（e-燃料）是大规模储存间歇性可再生能源（如风能和光伏能）的关键途径[1]。其中，NH₃作为一种有效的氢载体，由于其成熟的生产工艺、高体积能量密度以及易于液化储存的特点，已成为脱碳发电行业的一个有前景的选择[2]、[3]、[4]，有效解决了氢（H₂）长期储存和跨区域运输的经济挑战。然而，NH₃的火焰稳定性受到高自燃温度（>1000 K）、狭窄的燃限范围（Φ = 0.63–1.4）和低层流火焰速度（<0.1 m/s）[5]、[6]、[7]的限制，使其不如传统碳氢化合物火焰。与甲烷（CH₄）或H₂等活性燃料共燃是一种常见的改进NH₃燃烧的方法[8]、[9]、[10]，因为这可以加速氧化过程、扩大稳定范围并增强火焰稳定性。然而，共燃会引入碳排放，并受到H₂供应成本和物流的限制。借鉴早期用于CH₄重整的化学回收燃气轮机技术，在线分解NH₃以产生裂解气体（NH₃/H₂/N₂）提供了另一种提高反应性的途径[11]。尽管NH₃需要超过698 K的裂解温度才能在金属催化剂作用下实现接近99%的转化率（无催化剂时为773 K）[12]，但只需要部分裂解即可获得与天然气相当的燃烧性能——绝热火焰温度、层流火焰速度和沃贝指数[12]、[13]。另一方面，燃气轮机联合循环（GTCC）电厂已经在燃料系统中采用了集成换热器，以实现高循环效率和低热消耗[14]、[15]。因此，GTCC电厂可以在不进行重大机械改造或重新设计的情况下提供部分NH₃裂解所需的热量。

近年来，研究重点集中在使用NH₃裂解气体在传统旋流燃烧器中的应用，特别是火焰结构和稳定性方面。Khateeb等人[16]比较了NH₃裂解气体和NH₃/H₂混合物在旋流火焰中的稳定性极限。结果显示，在固定雷诺数下，两种燃料的吹灭极限曲线非常相似，这一点得到了Shi等人[17]通过PIV + OH-PLIF光学测量的验证。Davies等人[18]通过实验研究了不同喷嘴设计的NH₃裂解气体火焰的结构差异。结果表明，低旋流数结合短喷嘴长度有利于延长富燃吹灭极限并形成稳定的V形火焰。Et al. [19]将H₂的优先扩散效应纳入LES-FGM模型，并进一步阐述了裂解比对旋流火焰结构的影响。然而，随着对燃料灵活性的需求增加，燃烧器设计正从单一燃料适应发展为能够容纳多种燃料（如NH₃、CH₄和H₂）。因此，火焰结构正从大规模预混旋流火焰向小规模微混合阵列转变[20]。一些研究人员探索了NH₃裂解气体的微混合阵列燃烧。Huang等人[21]实验研究了NH₃裂解气体在10 kW阵列微扩散燃烧器中的燃烧特性。研究表明，整体火焰高度与当量比呈正相关，但与裂解比之间存在非线性关系。此外，裂解比为30%的阵列火焰发生了贫燃吹灭，而裂解比为40–50%的火焰则出现了燃烧现象。Zhang等人[22]使用LES-PaSR模型对蒸汽稀释的NH₃裂解气体的多喷嘴直接喷射燃烧模式进行了数值研究。结果显示，在裂解比低于40%时，超过50%的流动区域处于旋流稳定模式，具有熄灭倾向；而在裂解比为60–80%时，超过80%的区域处于MILD燃烧状态。

与典型的碳氢化合物燃料相比，NH₃火焰产生的NO_x排放量高出数倍[6]、[23]。因此，减少NH₃/活性燃料混合物或NH₃裂解气体的排放是一个关键且紧迫的研究课题。遵循用于碳氢化合物的贫预混策略，Khateeb等人[9]、[16]报告称，贫NH₃/H₂/空气火焰（Φ < 0.7）可以实现低NO_x排放（<200 ppm）。相比之下，NH₃/CH₄/空气火焰在贫燃条件下不稳定，仅在富当量比下表现出有利的NO_x排放。然而，贫燃操作也会导致不可忽视的N₂O排放（N₂O的温室效应是CO₂的250倍）。因此，这种条件的实际适用性仍有争议。Okafor等人[23]实验表明，尽管实现了稳定的贫NH₃/CH₄火焰（Φ = 0.6），NO_x排放仍超过2000 ppm。此外，N₂O达到了120 ppm。同样，Mashruk等人[24]测量了贫燃（Φ = 0.65）NH₃/H₂/空气旋流火焰的排放。当NH₃比例从50%增加到90%时，NO_x从5000 ppm降至1000 ppm，NO₂从150 ppm降至50 ppm，而N₂O从50 ppm升至200 ppm。此外，也有研究利用过量的NH₃来减少NO_x。例如，Valera-Medina等人[25]报告称，在富NH₃/H₂旋流火焰中NO_x低于50 ppm。然而，当这种操作条件应用于标准布雷顿循环燃气轮机时，循环效率比使用CH₄的干低排放（DLE）模式低近10%。为了进一步平衡NO_x排放和燃烧现象，采用富-贫分级燃烧系统（即富-贫分级系统）受到了关注。Gubbi等人[26]使用化学反应器网络（CRN）模型研究了NH₃裂解气体的分级燃烧，并确定了燃气轮机相关条件下的理论最低NO_x排放。Mashruk等人[27]在另一项工作中评估了湿润氨基混合物在富-淬火-贫（RQL）系统中的性能。研究表明，湿润RQL技术可以应用于10 MW规模的燃烧器，并实现NO_x排放低于100 ppm。Lu等人[28]使用LES-FGM模拟研究了二次空气对NH₃/H₂旋流火焰排放特性的影响。他们发现，富-贫分级使NO_x排放保持在200 ppm以下，而未燃NH₃未超过700 ppm。Geng等人[29]评估了NH₃/CH₄双旋流轴流空气分级燃烧器。结果表明，一次区当量比为1.2，整体当量比为0.44时，实现了最佳的空气分级策略，NO_x排放为467.9 ppm，且未观察到显著的CO、CH₄、NH₃或H₂排放。Yamashita等人[30]实验测量了NH₃/CH₄和NH₃/H₂分级火焰的排放，并确定了不同NH₃混合比下的最佳富燃区当量比。Jin等人[31]提出了一种NH₃/H₂多孔燃烧的混合配置，包括一个富预混的内部H₂富集NH₃/空气火焰和一个贫预混的外部H₂/空气火焰。这种燃料分级方案将NO_x排放降低了96%（从7764 ppm降至310 ppm）。此外，动态压力幅度降低了大约两倍，显著抑制了非对称诱导的热声不稳定性。

通过旋流稳定的富-贫分级燃烧，在控制NO_x排放方面取得了显著进展。这种方法已应用于NH₃与活性燃料的共燃以及NH₃裂解气体的燃烧，无论是预混还是非预混配置。然而，对于由NH₃裂解气体驱动的先进燃气轮机，微混合型燃烧的研究仍然有限。特别是，低NO_x微混合型燃烧的富-贫分级设计尚未得到充分探索。因此，本研究旨在设计和优化由NH₃裂解气体驱动的微混合型火焰的富-贫分级过程，以最小化NO_x排放。进行了数值研究，重点关注三个关键目标：（1）开发使用NH₃裂解气体的微混合型阵列燃烧器的应用方法；（2）确定微混合型阵列燃烧的适用操作条件；（3）设计和优化实现低NO_x排放和高燃烧效率的富-贫分级装置。这项工作支持了NH₃在先进燃气轮机系统中的有效利用，从而有助于减少化石燃料消耗并推进碳中和的目标。

计算模型和化学机制

数值模拟使用了商业软件ANSYS Fluent 2023R1进行。非反应性和反应性流动的数值模拟采用了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法，并假设气体为不可压缩的理想气体[32]。湍流场通过雷诺应力模型（RSM）进行求解。与基于布辛涅斯克假设的二元方程模型不同，RSM更严格地考虑了流动曲率、旋流等因素的影响

结果与讨论

本研究重点关注NH₃裂解比、二次空气喷射位置、燃烧室高度和二次空气配置对燃烧终止和污染物生成的影响。为了集中分析这些宏观燃烧控制参数，假设燃烧室上游的燃料和空气已经完全预混。这种简化消除了混合物不均匀性对燃烧稳定性和污染物生成的干扰。NH₃裂解气体是NH₃/H₂/N₂

结论

本研究对24喷嘴微混合型阵列燃烧器中NH₃裂解气体的燃烧进行了数值研究，并为其全面应用建立了标准。为了实现高燃烧终止和低排放，开发了一种富-贫分级燃烧方法，并确定了最佳的一次富燃条件。在此基础上，通过优化二次空气的分配，实现了低NO_x运行

CRediT作者贡献声明

崇文江：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。荣堂刘：软件开发，正式分析。鲜琪朱：可视化，验证。毛奇路：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，方法论，研究，资金获取，正式分析，概念构思。凯迪万：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取，正式分析，概念构思。振勋高：

未引用参考文献

[42]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52076008）、中国博士后科学基金（2024M754074）以及北京市科学技术委员会和中关村科技园区管理委员会（Z241100005424001）的共同支持。第一作者凯迪万获得了CAST的青年精英科学家资助计划（YESS20230005）和宁波永江人才引进计划（2021A-044-G）的资助。模拟