二氧化碳气氛下氨煤共燃的点火与火焰传播：实验与动力学研究

《Journal of the Energy Institute》：Ignition and flame propagation of ammonia-coal co-combustion in a CO2 atmosphere: Experimental and kinetic investigation

　　李向|陈平|乔龙祥|顾明燕|罗坤|胡勋
安徽工业大学能源与环境学院，中国安徽省马鞍山市243002

**摘要**
燃煤电厂脱碳的重要方法之一是煤氨共燃。富氧燃烧（O2/CO2燃烧）显著改善了煤粉的点火和火焰传播特性。然而，当O2/CO2燃烧应用于氨与煤的共燃时，其对共燃系统的点火模式、火焰结构分布和火焰传播机制的影响尚不清楚。因此，本研究采用平焰燃烧器结合Chemkin机制，探讨了在O2/N2气氛和O2/CO2气氛下氨煤共燃的火焰高度、点火延迟时间（IDT）和点火模式的变化规律及其影响机制。实验结果表明，随着氨掺混比的增加，IDT呈单调递减趋势。CO2气氛下的整体火焰传播速度低于N2气氛。CO2浓度的增加降低了火焰温度，从而降低了火焰速度并延长了IDT。Chemkin机制计算显示，在CO2气氛中，物理效应和直接化学效应在氨煤共燃中起主导作用。主要的物理效应是CO2稀释和热效应，CO2气氛下的整体温度低于N2气氛。H/O/OH自由基是影响氨煤火焰温度和火焰速度的关键因素。敏感性分析表明，在CO2气氛下，反应R(106) HCO + M<=>H + CO + M和R(107) O2+HCO<=>HO2+CO进行得更剧烈。此外，反应R(49) H + CO2≤>OH + CO得到促进，消耗了大量H自由基，从而降低了火焰速度。氨的加入促进了反应R(531) NH + NO<=>N2O + H、R(539) NH2+O<=>NH + OH和R(540) NH2+O<=>HNO + H的发生，生成了大量的H和OH自由基，进一步提高了火焰速度。本研究揭示的CO2抑制机制为优化富氧燃烧锅炉的燃烧稳定性提供了理论基础。

**引言**
向低碳能源结构的转型是一个不可避免的范式转变，主要是由全球追求碳峰值和净零排放所驱动的。作为中国的主要能源供应方式，燃煤发电由于燃烧过程中产生的大量CO2排放，仍然是限制碳减排努力的关键瓶颈。在有效减少碳排放的同时确保能源供应的稳定性和安全性已成为燃煤电力行业面临的紧迫挑战[[1], [2], [3]]。短期内完全淘汰煤炭资源是难以实现的。因此，一种有效的方法是引入低碳或零碳燃料与煤共燃，同时保持现有燃煤电厂建设的基本稳定性。
NH3是一种非常有前景的零碳燃料，具有多种优点，包括易于液化、储存和运输，并且在燃烧过程中不产生CO2[[4]]。将可再生能源驱动的水电解与氨合成相结合，可以实现整个燃料价值链的完全碳中和[[5]]。其在能源领域的应用已成为全球研究热点，吸引了国内外学者的广泛关注[[6], [7], [8]]。基于此，氨与煤的共燃可以减少煤燃烧过程中的CO2排放[[9]]。然而，氨煤共燃仍面临重大挑战，主要包括：（1）氨本身富含氮，在高温高压条件下燃烧时会释放大量NOx；（2）氨和煤粉的点火和火焰传播特性差异显著，氨火焰稳定性的降低主要归因于其延迟点火特性和较差的传播动力学。已有大量学术研究致力于了解氨煤共燃过程中氮氧化物的生成机制和缓解策略[[10], [11], [12], [13], [14]]。Xie等人[[15]]发现，当氨掺混比为15%且OFA速率为10%时，NOx排放浓度约为600 ppm；当OFA速率增加到20%和30%时，NOx排放浓度分别降至约350 ppm和200 ppm。Hu等人[[16]]在200 kW沉降炉上进行的研究表明，纯煤粉燃烧时的NOx排放浓度为283.34 ppm；当氨含量为10%时，NOx排放浓度达到最大值349.05 ppm；进一步将氨含量增加到20%后，NOx排放浓度降至约320 ppm。Xu等人[[17]]利用DFT计算分析了空气分级技术与氨煤混合燃烧结合的方式，通过将理论量子化学计算与高温炉测试相结合，揭示了氨-N和煤-N在分子尺度上的转化路径和耦合动力学[[18,19]]。我们阐明了不同气氛下富氧区域中氮的氧化机制[[20]]，以及缺氧区域中残留氨和炭产生的NO的还原途径[[21,22]]。
鉴于氨与煤粉在燃烧点火和火焰传播特性上的显著差异，许多学者通过实验和模拟进行了广泛研究[[23], [24], [25], [26]]。Cui等人[[27]]观察到火焰在四个不同区域发展，氧气富集和强旋流缩短了点火延迟；当旋流数超过0.19时，可以抵消氨掺混对IDT的不利影响。Zhou等人[[28]]表明，氨的引入导致固体炭与挥发性火焰分离，产生两种不同的点火模式：GI（S）（分离的均匀点火）和GI-HI（S）（分离的均匀-非均匀组合点火）。Li等人[[29]]揭示了氨煤耦合反应的机制，通过数值模拟表明，在低O2条件下增加氨掺混比会逐渐延长点火延迟时间。

**结论**
以往的研究深入探讨了氨煤共燃过程中NO的生成及其对火焰传播特性的影响。重要的是，采用氧燃料（O2/CO2）气氛显著减少了与煤粉燃烧相关的二氧化碳排放[[30,31]]，从而提高了燃烧效率并降低了NOx排放。Sui等人[[32]]通过模拟计算发现，CO2气氛下氨煤共燃时层流燃烧速度的降低主要源于其稀释效应。Yang等人[[33]]发现，CO2的引入不仅提高了局部火焰应变率，还改变了火焰前沿的温度梯度，这是由于其独特的热性质（如高比热容）。这些热尺度效应共同促进了湍流到层流的火焰传播比（ST/SL），从而提高了火焰的稳定性和空气动力学稳定性。Zhao等人[[34]]的最新化学反应网络分析表明，CO2在氨火焰中的稀释作用从根本上抑制了关键的活性自由基（H/O/OH自由基）。这种自由基的抑制不仅决定了中间氮化合物（如N2O和NO的生成途径），还严重降低了整体反应性，除非通过极端热激活来抵消。Chen等人[[35]]通过实验和模拟发现，CO2气氛下的煤燃烧NO排放量显著低于N2气氛。他们得出结论，CO2主要通过减少NH2向HNO的转化和促进NCO对NO的还原来降低NO排放。Lei等人[[36]]利用实验和计算方法证实，在O2/CO2气氛下运行时NO排放量减少。Wu等人[[37]]在CO2气氛下的加热管式炉中进行分离和耦合燃烧实验，发现燃料在CO2气氛下的热解过程中总NO排放量减少。上述研究表明，富氧燃烧显著影响了煤粉的点火和NOx排放。以往的研究主要集中在O2/CO2气氛下纯煤粉和纯氨的燃烧条件上，但氨燃料和煤粉的燃烧特性不同，O2/CO2气氛下氨煤共燃的点火和火焰传播特性尚未报道。CO2在不同氨掺混比下对煤点火特性的影响机制仍不清楚。
基于此，本研究探讨了富氧条件下氨煤共燃的点火行为和火焰传播动力学。为此，使用了平焰燃烧器装置来实证比较O2/N2和O2/CO2环境下的燃烧性能。研究深入分析了N2和CO2气氛下氨煤火焰的火焰高度、IDT和点火模式的变化规律，并结合Chemkin机制计算系统分析了CO2气氛下氨煤共燃过程中不同自由基对火焰传播特性的影响机制。这些发现尚未在以往研究中报道。此外，结合反应动力学计算，揭示了CO2气氛下氨煤活性自由基的分布及其对火焰传播速度的抑制机制，填补了O2/CO2条件下氨煤点火和燃烧机制的空白。研究结果可为氨煤燃烧理论的发展和稳定燃烧的改进提供理论支持。

**实验系统**
本实验采用Hencken平焰燃烧器系统。如图1所示，实验装置包括气体分配系统、振动辅助螺旋给料器、图像采集系统和平焰燃烧器。其中，平焰燃烧器的功能是提供煤粉燃烧所需的高温烟气背景环境。蜂窝出口处的总截面积为50 × 50 mm。在该区域内，有数百个小气体通道。

**模拟方法和模型验证**
本文采用Chemkin软件中的层流预混火焰（PREMIX）模型来模拟氨和煤的共燃过程。通常使用约1300个网格点获得最终解（GRAD = 0.01, CURV = 0.01）。鉴于气固相互作用的独特性和复杂性，当前数值框架结合了Hashemi等人[[50]]的煤粉燃烧机制和Ma等人[[49]]建立的动力学模型。

**结论**
CO2气氛显著影响了氨煤共燃的火焰传播特性。然而，现有关于O2/CO2煤燃烧的文献主要集中在NOx生成和火焰传播特性上。O2/CO2气氛下氨煤共燃的火焰传播特性及其潜在机制仍不甚明了。通过将平焰燃烧器诊断与基于Chemkin的数值模拟相结合，本研究...

**作者贡献声明**
李向：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、概念化。
陈平：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、研究、概念化。
乔龙祥：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、概念化。
顾明燕：验证、项目管理、方法论、研究、概念化。
罗坤：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。
胡勋：撰写——