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1.氨气作为氢能载体的背景
为了实现2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标，14家能源电力央企在“十四五”期间规划的新能源装机数据已超6亿kW。当风电或光电等可再生能源大量接入电网时，其不稳定性会对电网的安全性和供电可靠性产生威胁，造成电网弃风、弃光。将这部分弃电利用电解水制氢技术可以将电网规模的能量存储起来，以克服可再生能源发电间歇性的问题，增强电网的调峰能力。然而，氢气在常温下的液化压力需要70MPa，其压缩、储存和运输极其耗能，难以实现长距离运输。氨气在常温下的液化压力仅需1.03MPa，通过电化学方法直接将可再生能源存储进氨气中，有望实现可再生能源的全球输运。
2.各国的研究兴趣
目前，氨燃烧技术发展较快的国家和地区主要是资源匮乏的国家(日本)、可再生能源丰富的国家(澳大利亚)以及可再生能源利用率高的地区(欧洲)。通过发展氨燃烧技术，日本能够降低对化石燃料的依赖以及实现能源进口的多样化，提高能源安全；澳大利亚通过电化学合成氨工艺的进步能够帮助其实现可再生能源的大规模出口，使其成为新能源大国；欧洲则积极推进碳排放交易市场的建立，通过碳排放交易市场能够促进无碳燃料的规模应用。值得一提的是，日本经济产业省已经将发展氨燃料产业的中长期目标发布在了《绿色增长战略》之中，确定了日本到2050年实现“碳中和”的目标。
3.论文重点内容
（1）氨燃烧火焰传播特性
层流燃烧速度是反应燃料燃烧特性的重要参数，在验证燃烧化学反应动力学模型和确定湍流火焰传播速度等方面发挥着重要作用。氨气/空气预混火焰的未拉伸层流火焰速度变化目前已经得到了广泛地研究，本文将目前的研究结果汇总于图1，并将这些结果经过光滑和三阶多项式拟合处理后得到了氨气层流燃烧速度随当量比的变化规律。由图1可知，氨气/空气预混火焰的最大层流火焰速度接近7cm/s，在当量比为1.05附近时达到峰值。与此同时，甲烷的最大层流火焰速度约为35cm/s，氢气的这一数值则在3m/s左右，这说明了氨气的火焰传播要明显慢于甲烷和氢气，实际的燃烧过程中需要通过与碳氢燃料等反应性高的燃料掺混、富氧、提高进气温度等方法来实现火焰传播的增强。
图1 氨气/空气的层流火焰速度随当量比变化
（2）氨燃烧化学反应动力学
氨燃烧化学反应动力学根据当量比差异可以分为贫燃反应动力学和富燃反应动力学。图2是MEI等人在富氧工况下得到的氨气贫燃和富燃时的(rate of production，ROP)分析。氨气氧化的子反应机理主要包括了以下四个部分：1）NHi(i = 1, 2, 3)的脱氢反应；2）NHi(i = 0, 1, 2)的氧化反应；3）NHi+NHj(i, j = 0, 1, 2)的聚合反应；4）NO的还原过程。图中可以发现这四部分子反应机理在贫燃火焰和富燃火焰中差异明显。
通过构建氨燃烧化学反应动力学可以得到NOx、逃逸氨气等污染物的生成机理及其排放控制策略。选择性非催化还原反应(selective non-catalytic reduction，SNCR)的原理是NH2+NO= N2+H2O(R1)或NNH+OH(R2)。SNCR反应的维持与a=k1/(k1+k2)有关，其中k1和k2分别为R1和R2的速率常数。当a越小时，链终止反应H+O2+M=HO2+M与H+O2=O+OH反应的竞争越剧烈，阻止O/H自由基产生的趋势越增加，这种趋势的增加会抑制NH3向NH2的转化，最终抑制NO的还原；a较大时会促进O/H自由基显著增加，有可能会使NH2自由基氧化为NO，而不是还原NO。温度对a的影响巨大，所以SNCR需要一个合适的温度区间。研究表明，SNCR的温度区间为1100~1400K，对应的a为0.3~0.4。
压力也是控制NOX生成的重要因素。H+OH+M=H2O+M和H+O2+M=H=O+M这2个三体反应受压力影响较为明显，前者为链终止反应，后者则与H+O2=OH+O反应存在竞争，压力的升高会促进这2个三体反应消耗O/H自由基池，从而减少NO的产生。压力的升高还会提高NHi+NHj聚合反应的反应速率，导致更少的NHi发生氧化反应，使得NO的生成减少。
总之，将反应的温度尽量控制在SNCR的温度区间内，并尽可能地提高压力是控制氨燃烧NOX生成的两种常规技术手段。控制温度在锅炉中能更好地实现，尤其是无焰燃烧的温度区间与SNCR的温度区间存在一定的重合，提高压力则在燃气轮机和内燃机中具有更好的实现条件。
图2 氨气在贫燃和富燃时的ROP分析
（3）氨燃料在燃气轮机、锅炉、内燃机等设备中的应用
常规的内燃机燃用氨燃料仅需进行很小的改动，例如改变压缩比和更换避免腐蚀的燃料管线材料即可。当氨气与具有较低自燃温度的燃料(例如柴油，生物柴油或二甲醚)在双燃料发动机中运行时，以压缩点火的方式是更理想的方法。由于氨气中燃料氮含量过高以及余隙容积的影响，掺氨双燃料发动机的乏气中普遍存在相对较高的未燃尽氨气和NOX。因此，选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)后处理系统十分必要。
氨气在燃气轮机中应用的研究最为广泛，包括了氨气纯燃、氨气与氢气混燃以及氨气与甲烷的混燃。目前，在微型燃气轮机中最好的排放表现是通过加压、分级燃烧技术实现了100mg/Nm3的NOX，2.5mg/Nm3的CO和近零的N2O、HCN和NH3排放，燃烧效率也达到了99.8％。通过总结前人的研究结果，我们认为未来开发新型氨燃料低氮燃气轮机可能有以下4个技术运用方向：1）分级燃烧或浓淡燃烧；2）空气预热；3）更高的压力；4）烟气再循环以及分级烟气再循环。将这四种技术应用在燃气轮机中，有望在不安装SCR装置的情况下实现燃烧室出口排放达标。
在电站锅炉中氨气通常需要与煤进行混燃，从图3和图4中可知，当氨气全部由侧墙注入，并且侧墙注入的位置与燃烧器存在一定合理的距离时，出口烟气中NOX排放与单独燃用煤粉时的排放相当，这也验证了在燃煤锅炉中直接燃用氨气的可行性。目前实验室中试掺混氨气的燃煤锅炉的规模已经达到了1.2MW，并且氨气的掺混比例接近50%，基本接近于工业应用级别。在燃气锅炉中通过无焰燃烧技术纯燃氨气时也取得了最低205 mg/Nm3 NOX和76mg/Nm3 NH3的排放表现，通过加装低温SCR装置也有望实现达标排放。
图3 卧式煤粉炉示意图
图4 出口NOX排放随氨气注入位置的变化
4结论
（1）氨气作为无碳燃料，同时也是优良的氢载体。通过电化学方法合成氨气可以实现可再生能源的大规模储存，氨气经过液化可以通过天然气管道或远洋船舶实现可再生能源的全球运输。
（2）将氨气直接燃烧可以减少裂解为氢气过程中的能量损耗，但氨气直接燃烧还存在火焰燃烧速度低、NOX排放高的挑战。将氨气与碳氢燃料掺混、富氧燃烧以及提高进气温度均可以明显提高火焰的燃烧速度。特定的温度区间(1100~1400K)和高压环境均有利于实现NOX排放的降低。
（3）受余隙容积影响，氨气在内燃机中的排放表现还不够理想；微型燃气轮机中利用加压、分级燃烧技术已经实现了100mg/Nm3的NOx，2.5mg/Nm3的CO和近零的N2O、HCN和NH3排放，并且燃烧效率达到了99.8％。在锅炉中，将NH3从煤粉燃烧器下游火焰喷入炉膛其排放表现几乎不会变化，表明氨气具有替代煤粉减少CO2排放的潜力。无焰燃烧在燃用氨气时也具有明显的技术潜力。
（4）分级燃烧、烟气再循环等低氮燃烧技术减少氨燃烧排放的技术潜力还需进一步挖掘，建议在氨燃烧的设备中加装低温SCR装置以同时降低NOX排放和解决氨逃逸问题。
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