低氮氧化物（Low-NOx）策略应用于氨裂解气微混合型燃烧，采用富燃-贫燃分段燃烧技术

《Energy》：Low-NO x approach for ammonia cracked gas micro-mixing type combustion using rich–lean staging

氨裂解气微混合阵列燃烧耦合富-贫分级燃烧数值研究表明，当裂解比Cr=0.4和初始富燃比Φ=1.3时，可实现NOx<200ppm（干基，15%O2）和氢气排放<25ppm，氨逃逸近乎为零。

　　

毛奇路|许倩琦|刘荣堂|高振勋|万凯迪|姜崇文

中国宁波工程学院、北航大学航空与推进实验室，宁波 315800

摘要

本文提出了一种低NO_x排放的方法，该方法将氨（NH₃）裂解气体的微混合型阵列燃烧与富燃-贫燃分级燃烧相结合。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。研究结果表明，要实现NH₃裂解气体的高效燃烧，需要满足两个条件：（i）裂解率（Cr）不应超过0.4；（ii）适用于一次富燃燃烧条件的当量比（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充分利用富燃区的优势，即减少未燃烧的NH₃，同时在富燃-贫燃分级燃烧配置下降低NO_x的生成。此外，通过协调全局当量比（Ф_{glob）和燃烧室长度，NOx降低到250 ppm（干基，15% O2）以下，H2降低到40 ppm（干基，15% O2以下），NH3未燃烧量几乎降至零。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，倾斜喷嘴能够轴向扩展富燃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（干基，15% O2以下），而H2保持在25 ppm以下。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，推进碳中和目标。}

引言

生产电力衍生燃料（e-fuels）是大规模储存间歇性可再生能源（如风能和光伏发电）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，成为实现发电行业脱碳的有希望的选择[[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）、狭窄的燃爆范围（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方法，可以加速氧化过程，扩大燃爆范围并增强火焰稳定性[[8], [9], [10]]。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）为另一种提高反应性的方法[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（或无催化剂时需773 K）[12]，但仅需部分裂解即可获得与天然气相当的燃烧特性——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）电站已经在燃料系统中采用了集成热交换器，以实现高循环效率和低热消耗[14,15]。因此，GTCC电站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，研究重点在于将NH₃裂解气体应用于传统旋流燃烧器，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，两种燃料的熄火极限曲线非常相似，这一点通过Shi等人的光学测量（PIV + OH-PLIF）得到了验证[17]。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，较低的旋流数结合较短的喷嘴长度有助于延长富燃熄火极限并形成稳定的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，燃烧器设计正在从单一燃料适应发展到能够容纳多种燃料（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]在10 kW的微扩散燃烧器中实验研究了NH₃裂解气体的燃烧特性。研究表明，整体火焰高度与当量比呈正相关，但与裂解比呈非线性关系。此外，裂解比为30%的阵列火焰出现贫燃熄火现象，而裂解比为40–50%的火焰则出现稳定燃烧。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。结果表明，在裂解比低于40%时，超过50%的流动区域处于旋流稳定模式，具有熄火倾向；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燃预混策略，Khateeb等人[9,16]报告称，贫燃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，仅在富燃当量比下表现出良好的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，这种条件的实际应用性仍有争议。Okafor等人[23]实验表明，尽管实现了稳定的贫燃NH₃/CH₄火焰（Φ = 0.6），但NO_x排放仍超过2000 ppm，N₂O达到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，还有一些研究致力于使用过量的NH₃来减少NO_x。例如，Valera-Medina等人[25]报告在富燃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）模式低约10%。为了进一步平衡NO_x排放和熄火现象，采用富燃-贫燃分级燃烧（即富燃-贫燃分级系统）的两级燃烧系统受到了关注。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，并在燃气轮机相关条件下确定了理论上的最低NO_x排放。Mashruk等人[27]在另一项工作中评估了富燃-淬火-贫燃（RQL）系统中的加湿氨基混合物。研究表明，该技术可以应用于10 MW规模的燃烧器，并使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，富燃-贫燃分级燃烧可将NO_x排放控制在200 ppm以下，同时未燃烧的NH₃不超过700 ppm。Geng等人[29]评估了一种NH₃/CH₄双旋流轴流分级燃烧器。结果表明，一次区当量比为1.2、全局当量比为0.44时，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，并确定了宽范围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，包括一个富燃预混内火焰（H₂富集的NH₃/空气）和一个贫燃预混外火焰（H₂/空气）。这种燃料分级方案使NO_x排放相对于均匀混合基线降低了96%（从7764 ppm降至310 ppm）。此外，动态压力幅度减少了大约两倍，显著抑制了非对称诱导的热声不稳定性。

通过旋流稳定的富燃-贫燃分级燃烧，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与活性燃料的预混和非预混共燃以及NH₃裂解气体的燃烧。然而，对于使用NH₃裂解气体的先进燃气轮机，微混合型燃烧的研究仍较为有限。特别是，低NO_x微混合型燃烧的富燃-贫燃分级设计尚未得到充分探索。因此，本研究旨在设计和优化使用NH₃裂解气体的微混合型火焰的富燃-贫燃分级过程，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宜操作条件；（3）设计和优化实现低NO_x排放和高燃烧效率的富燃-贫燃分级装置。这项工作支持了NH₃在先进燃气轮机系统中的有效利用，有助于减少化石燃料消耗并推进碳中和目标。

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、旋流等效应

结果与讨论

本研究重点研究了NH₃裂解率、二次空气喷射位置、燃烧室高度和二次空气配置对熄火和污染物生成的影响。为了专注于分析这些宏观燃烧控制参数，假设燃烧器上游的燃料-空气完全预混。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。为了实现高熄火率和低排放，开发了一种富燃-贫燃分级燃烧方法，并确定了最佳的一次富燃条件。在此基础上，通过优化二次空气配置，实现了低NO_x排放

CRediT作者贡献声明

毛奇路：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，研究，资金获取，正式分析，概念化。许倩琦：可视化，验证。刘荣堂：软件，正式分析。高振勋：监督，方法论。万凯迪：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取，正式分析，概念化。姜崇文：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究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委会（Z241100005424001）的共同支持。第一作者万凯迪获得了中国科学技术协会的青年精英科学家资助计划（YESS20230005）和宁波市甬江人才引进计划（2021A-044-G）的资助。