基于实验与模拟的流化床内高效清洁氨燃烧实现：一个展望

《Energy》：Realizing efficient and clean ammonia combustion in fluidized beds: a perspective based on experiment and simulation

　　

摘要：以循环流化床（Circulating Fluidized Bed, CFB）锅炉中掺烧氨作为无碳替代燃料是实现现有机组电网稳定与深度脱碳的有前景途径，但NO排放控制仍是关键挑战。本研究通过在鼓泡流化床（Bubbling Fluidized Bed, BFB）燃烧器中进行氨燃烧特性实验，并结合计算颗粒流体动力学（Computational Particle Fluid Dynamics, CPFD）模拟，综合分析气?固两相流动对氨转化及NO选择性的影响。实验结果表明，所有工况下氨均完全燃尽，NH3逃逸低于2 ppm，而NO浓度随过量空气系数增大而升高。模拟结果与实验吻合良好，揭示氨转化主要发生在床层内部。气泡相与乳化相中氨转化及NO选择性存在显著差异：在床层底部附近（Z = 0.002 m），较高颗粒体积分数导致局地温度升高，从而强化氨氧化反应，使乳化相中NH3转化率显著更高。在Z = 0.02 m处，乳化相中NO还原反应速率高于NO生成速率，而气泡相中相反，因此乳化相NO排放及NO选择性明显低于气泡相。最后提出了实现高效清洁氨燃烧的展望，为流化床氨燃烧技术的发展提供参考。

本文解读的论文《Realizing efficient and clean ammonia combustion in fluidized beds: a perspective based on experiment and simulation》由Yulian Huang、Haotian Ma、Dongfang Li、Alar Konist、Tae?young Mun、Zhouhang Li、Chung?hwan Jeon、Tao Zhu、Xing Zhu及Hua Wang合作完成，发表于《Energy》。

研究背景与意义

化石能源燃烧引发大量温室气体排放，电力行业是主要碳排放源，我国燃煤电厂供电占比超60％且碳排放超总量40％，深度脱碳势在必行。可再生能源（风能、光伏）快速发展但具间歇性与低惯性，大规模并网威胁电网稳定，需配套大规模化学储能。氨（NH₃）作为零碳载体，较氢具更高体积能密度（11.5 MJ/L）、更低液化压力（常温1.03 MPa）及更经济的储运成本（IEA估算远洋运输约2–4 USD/GJ），被视为在现役燃煤机组中掺烧以实现降碳的重要技术路线。我国《煤电低碳化改造建设行动方案（2024–2027）》要求2027年前改造机组具备掺烧10％以上绿氨能力。然而氨含氮元素高，燃烧过程易生成燃料型NO_x（主要为NO），且氨层流火焰速度低（≈7 cm/s）、可燃极限窄、自燃温度高、绝热火焰温度低，存在着火困难与燃烧不稳定问题。循环流化床（Circulating Fluidized Bed, CFB）燃烧温度通常为800–900 ℃，有利于低可燃性燃料高效燃尽并可借助炉内均匀温度分布与大量炽热床料克服氨点燃难题，同时CFB在无额外脱硝装置下可实现超低NO_x排放（＜50 mg/Nm³），但目前CFB掺氨时NO排放仍显著升高，且现有文献对气?固流动（气泡相／乳化相）影响氨转化与NO选择性机理认识不足。为阐明复杂多相流作用下氨在流化床内的燃烧与污染物生成机制，研究人员认为应先从纯氨在鼓泡流化床（Bubbling Fluidized Bed, BFB）内的燃烧特征入手，故采用实验与CPFD（Computational Particle Fluid Dynamics，计算颗粒流体动力学）模拟相结合方法展开研究。

主要关键技术方法

研究人员搭建内径0.025 m、总高1.0 m的不锈钢实验室规模鼓泡流化床（BFB）反应器，以石英砂为床料，在过量空气系数1.00–1.20范围内进行纯氨稳态燃烧实验，检测出口NH₃逃逸与NO浓度。同步建立三维CPFD数值模型，采用详细氨反应动力学机理，设置相应边界条件与网格，模拟床内气?固两相流动、温度场及反应场，对比分析气泡相与乳化相中氨氧化与NO生成／还原速率分布，并通过实验数据验证模型可靠性。

研究结果

Experimental results（实验结果）

研究人员在过量空气系数1.00–1.20范围内开展BFB纯氨燃烧实验，发现所有工况下NH₃均完全燃尽（NH₃逃逸＜2 ppm），NO浓度随过量空气系数增大而显著升高——过量空气系数为1.00时NO最低，升至1.20时NO明显增加，表明富氧条件促进氨氧化生成NO。

Numerical（数值模拟结果）

经CPFD模拟并与实验校核吻合后，研究人员获得以下结论：①氨转化主要发生于床层密相区内部而非自由空域。②气泡相与乳化相中氨转化及NO选择性差异明显：在床层底部近区（Z＝0.002 m），乳化相处颗粒体积分数高→局部温度高→氨氧化速率大→NH₃在乳化相中转化率显著高于气泡相。③在Z＝0.02 m高度，乳化相中NO被还原（还原反应速率＞生成速率），气泡相则相反（生成＞还原），致使乳化相NO排放量与NO选择性均低于气泡相。④过量空气系数增大会提高整体O₂浓度，强化气泡相中NO生成，与实验趋势一致。

讨论与结论总结

研究人员通过BFB实验与CPFD模拟相结合，证实纯氨在流化床内可完全燃尽且NH₃逃逸极低，但NO生成受过量空气系数与床内气?固流动结构共同调控。模拟揭示氨主要在床层密相区转化，乳化相因颗粒浓集、温度偏高促进氨氧化但亦形成局部还原氛围使NO被消耗，气泡相因贫颗粒而利于NO生成且难还原。据此提出实现高效清洁氨燃烧应关注：合理控制过量空气系数、优化氨喷入密相区以利用乳化相还原作用、调控床料粒度与流化状态以改善气?固接触与局部氧浓度分布。该研究明确了纯氨在流化床内燃烧与NO生成的微观多相反演机制，为后续CFB掺氨低NO_x燃烧技术与炉型改造提供了理论基础与设计依据。