含碳掺氨燃料的研究进展

随着经济和社会的发展，国家对能源的需求量越来越大，这与化石能源短缺、环境污染、温室效应等问题相矛盾，因此寻找高效清洁的替代燃料势在必行。氨的体积能量密度较高、成本低且完全燃烧时产物的污染性小，具有成为新时代绿色能源的潜力。但它的燃烧性能较差，通常需要掺混煤、CH₄和合成气等燃料来改善。本文主要介绍了含碳掺氨的煤掺氨和甲烷掺氨混合燃料在基础燃烧特性和燃烧应用优化方面的研究进展。总结了不同燃烧策略及燃烧器设计中掺混氨燃料的燃烧特性和排放规律，为未来工业化应用研究提供一定的参考。但在实际应用氨燃料过程中仍存在不少挑战，未来可进一步对优化分级燃烧的策略、改善相关燃烧设备的结构、调整含氨燃料的喷射方式等方面进行研究，以实现高效低污染氨燃料的应用目标。     

不同空气分级模式下氨煤掺烧数值模拟

氨作为零碳燃料和良好的储氢介质，近年来引起广泛关注。未来在燃煤电厂掺烧零碳燃料是碳减排的重要途径。在空气深度分级模式下，对氨煤掺烧进行了数值模拟，讨论了煤燃烧区域不同过量空气系数α工况下炉内的温度场、组分浓度场及NO_x排放情况，而各工况总的过量空气系数均维持在1.2。模拟了4个燃烧工况(α=0.696、0.840、0.912、0.996)。对温度场的统计结果表明，随α降低，煤粉燃烧第1阶段的着火位置提前，但形成的高温火焰长度缩短，喷氨口附近的温度更低。在α=0.696工况下，可明显区分出煤粉火焰和氨燃烧火焰。随α提高，二者界限逐渐模糊。α降低有助于在氨燃料喷入上游形成一个较长的还原区，因此氨发生氧化反应的概率降低。但随α降低，炉内燃尽情况降低，CO排放浓度、飞灰含碳量及氨逃逸量提高。炉内NO_x浓度统计结果表明，随α降低，NO_x排放水平显著降低。进一步对炉内H₂浓度进行统计，发现α=0.696工况下，炉内最高H₂体积分数可达2%,这意味着该工况下氨的分解反应显著增强。由于氨的消耗...     

氨混合燃料体系的性能研究现状

氨不仅是一种成本低廉的化工原料,而且由于具有较高的能量密度、易于储运、燃烧不产生CO₂等优点被认为是一种有广泛应用前景的清洁燃料。氨燃料具有替代汽油、柴油等化石燃料的应用潜力,为解决环境污染和化石能源短缺等问题提供了新的途径。本文概述了氨燃料的理化特性、燃烧特性以及与多种材料的相容性,介绍了氨作为调合燃料的性能及应用研究进展,尤其对氨-汽油燃料、氨-柴油燃料、氨-正庚烷燃料等燃料体系的研究成果进行了总结。文章集中分析了氨作为发动机燃料的机遇和挑战,尤其指出了氨燃料的生产高能耗、毒性及腐蚀性、氨的燃烧缺陷等问题,并探讨了对应的解决方案。在碳达峰、碳中和的大背景下,氨燃料在我国的发展具有后发优势。     

介质阻挡放电辅助氨/空气预混旋流燃烧试验

氨是一种高效氢载体，有望成为下一代无碳燃料，但较窄的燃烧极限和较高的NO_x排放阻碍其使用。等离子体是一种高效、低能耗的助燃方法，得到广泛应用。设计搭建自制的耦合介质阻挡放电的氨/空气预混旋流燃烧台架，研究了燃烧极限、火焰形貌、O₂和NO_x含量的变化规律。未放电时，贫燃极限为0.75,富燃极限为1.1～1.2。当量比为0.9时，火焰传播速度最快，火焰最短；在贫/富燃极限附近时，火焰充满整个燃烧室。当量比在1.05～1.10时，NO含量保持在较低水平，未生成NO₂。当量比由1.05减小至0.75时，NO体积分数由97×10^-6(3.5%O₂)增至2 785×10^-6(3.5%O₂)。随当量比降低，少量NO会进一步被氧化为NO₂,当量比为0.75时，NO₂体积分数达171×10^-6(3.5%O₂)。介质阻挡放电明显增强燃烧反应，抑制...     

氨电氧化催化剂及其低温直接氨碱性膜燃料电池性能的研究进展

氨是一种无碳富氢的能源载体,体积能量密度高,易液化储存,是理想的储氢介质。以氨直接作为燃料,在低温碱性膜燃料电池中通过氨氧化反应实现化学能到电能的转化,是氨能源高效利用的理想路径之一。然而,低温氨氧化反应动力学缓慢、催化剂价格昂贵、易中毒等问题严重影响氨燃料电池性能,限制其大规模的商业化应用。因此,设计高效、廉价、稳定的催化剂是发展低温氨燃料电池技术的关键。本文首先综述了近些年研究者在氨氧化反应机理方面的探索,在深入理解反应体系的基础上,重点介绍了含贵金属和非贵金属催化剂设计制备及其在氨氧化反应中的进展,并总结了氨氧化催化剂在氨燃料电池中的性能。最后针对氨氧化催化剂目前存在的问题和未来的发展方向提出了建议,旨在为氨氧化催化剂的设计及低温氨燃料电池技术的发展提供研究思路。     

氨电氧化催化剂及其低温直接氨碱性膜燃料电池性能的研究进展

氨是一种无碳富氢的能源载体,体积能量密度高,易液化储存,是理想的储氢介质。以氨直接作为燃料,在低温碱性膜燃料电池中通过氨氧化反应实现化学能到电能的转化,是氨能源高效利用的理想路径之一。然而,低温氨氧化反应动力学缓慢、催化剂价格昂贵、易中毒等问题严重影响氨燃料电池性能,限制其大规模的商业化应用。因此,设计高效、廉价、稳定的催化剂是发展低温氨燃料电池技术的关键。本文首先综述了近些年研究者在氨氧化反应机理方面的探索,在深入理解反应体系的基础上,重点介绍了含贵金属和非贵金属催化剂设计制备及其在氨氧化反应中的进展,并总结了氨氧化催化剂在氨燃料电池中的性能。最后针对氨氧化催化剂目前存在的问题和未来的发展方向提出了建议,旨在为氨氧化催化剂的设计及低温氨燃料电池技术的发展提供研究思路。     

不同掺氨比天然气状态方程适应性分析

天然气混合氨气作燃料一方面可以改善氨气作燃料的燃烧反应性差、火焰极限窄、着火温度高等缺点,另一方面可降低天然气利用过程的碳排放强度,降本减排,同时保障燃气供应安全。采用多种模拟手段探究不同掺氨比天然气输送效率是当前研究的重点,而研究过程中状态方程的合理选择是结果可靠与否的关键。通过研究对比了不同工况下不同掺混比的天然气与氨气在物性计算中状态方程的优选过程。结果表明：在1～12 MPa的压力区间和5～30℃的温度区间内,综合对比分析后发现对于低量掺混氨气的天然气,BWRS状态方程是最优选择,而对于较高掺混比(掺10%(物质的量分数)氨气)的天然气,SRK方程是最优选择。     

CH4掺混H2的燃烧数值模拟及掺混比合理性分析

本工作针对天然气掺氢燃烧技术在燃气锅炉的最佳掺混比开展数值模拟研究,以小火焰燃烧器为研究对象,计算了在空气氛围、恒定过氧系数、不同甲烷掺混氢气比条件下,掺氢比对燃料燃烧温度、燃烧速率、主要污染物排放浓度的影响。其中燃烧机理采用GRI-MECH 3.0简化机理,该反应包含24个基元反应,涉及17种组分。计算结果表明,随掺氢比增加,燃烧温度上升、燃烧反应速率加快,炭烟和CO的浓度与排放总量均降低,NOx的浓度上升但排放总量先减小后增大。结合我国城镇燃气的燃料互换性规范及工业污染物排放标准,得出最佳掺氢比为23%。     

提高热效,降低污染的催化燃烧法

传统的火焰燃烧法热利用率不高，且伴随着产生相当数量的ＮＯＸ。催化助燃烧技术利用催化剂点燃和保持气相反应，确保燃料完全燃烧，提高热效率；又因稳定地调节火焰温度，减少ＮＯＸ的排放量，减少了空气污染，具有相当实用价值。研究活性组分和优质载体是实现催化燃烧的关键因素。     

玻璃熔窑中天然气/氢气混合燃料的燃烧过程仿真研究

推动硅酸盐材料制造过程的低碳排放对于实现碳达峰、碳中和总体战略目标意义重大。本工作以平板玻璃窑炉为基础，采用数值模拟方法开展氢能在玻璃窑炉中应用的基础研究。分析采用天然气/氢气混合燃料对玻璃窑炉燃烧空间温度场/速度场分布、燃烧生成烟气成分的影响，预测氢能在玻璃窑炉中应用的可行性。结果表明，采用天然气/氢气混合燃料为玻璃液熔化提供能量，可以保证玻璃窑炉温度制度稳定。采用天然气/氢气混合燃料供能，燃料燃烧速率加快，释放热量集中，掺氢体积比为20%及以上时，燃烧形成的火焰长度会明显缩短，而热烟气在窑炉内停留时间延长。对比基础窑炉，采用掺氢比例40%的燃料，窑炉总烟气排放质量减少了4.13%,CO₂排放质量减少了12.50%，烟气中NO_x浓度由1 093 mg·Nm^–3 (干燥，8%O₂条件下)增加至1 282 mg·Nm^–3 (干燥，8%O₂条件下)。为推动氢能在硅酸盐制造领域的应用还需开展燃烧系统设计、耐火材料侵蚀等方面研究，以解决氢能在大型窑炉中应用存在的问...     

“双碳”目标下的氨能技术与经济性研究进展

由于氨的高能量密度和零碳特性，其作为氢能和可再生能源载体具有良好的未来市场。氨比氢更易储运且本质安全性强，有望成为推动能源革命、社会进步和国家发展的零碳能源发展路线之一。本文从氨能的全产业链角度出发，介绍了合成氨产业发展趋势以及各类合成氨技术的最新进展和成本经济性；列举了目前氨的主要储运方式、效率、成本和安全性特征；综述了氨的新能源燃料应用，包括氨燃料电池、氨内燃机、氨燃气轮机等技术体系发展现状和燃料成本经济性，以及氨分解制氢效率和生产成本优势。通过上述技术和经济性分析，探讨了氨能在能源系统中的重要作用，进一步梳理了氨能技术发展方向。     

谈谈燃气陶瓷窑炉设计中的安全措施

陶瓷窑炉常用的气体燃料有高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气和天燃气（含液化石油气）等。气体燃料有许多优点，如燃烧过程（包括温度、气氛、火焰长度等）容易控制，易于实现自动调节，本身可以预热，即用低发热量的煤气可以获得较高的燃烧温度，以适应产品烧成的工艺要求，或利用余热加热煤气，节约燃料。     

铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴着火燃烧特性

采用液滴悬挂法研究了正庚烷液滴、油酸/正庚烷混合燃料液滴、含20wt%纳米铝粉的铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴在不同温度下(600~800℃)的着火燃烧特性。用高速摄像机观测液滴进入管式电阻炉后的着火燃烧过程，使用热电偶记录液滴周围的气相温度变化，同时通过对应的温度曲线计算液滴的着火延迟时间。结果表明，纳米铝粉和油酸的添加均能降低正庚烷液滴的着火延迟时间。随温度升高，正庚烷、油酸/正庚烷混合燃料、铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴的着火延迟时间显著降低，但变化趋势逐渐趋于平缓。铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴的着火延迟时间与环境温度满足阿累尼乌斯方程。与纯正庚烷、油酸/正庚烷混合液滴的燃烧过程相比，铝–油酸/正庚烷基浆体燃料液滴的燃烧过程有显著差异，其燃烧经历3个阶段：正庚烷稳定燃烧阶段、正庚烷微爆炸阶段和表面活性剂微爆炸阶段。铝–油酸/正庚烷基浆体燃料液滴燃烧时间延长，火焰熄灭后又复燃，且燃烧过程中发生剧烈的火焰形变和铝颗粒溅射现象，大部分铝以团聚体形式在第三阶段完成氧化还原反应。     

低温干馏煤气/富氧大当量比燃烧实验及数值模拟研究

在内热式低温煤干馏中,引入富氧燃烧,同时提高煤气当量比,是在维持炉内温度分布基本不变的前提下提高煤气质量的有效途径。通过不同富氧比及不同尺寸烧嘴下的大当量比煤气/富氧燃烧实验结合数值模拟分析,探究了富氧低温干馏中的内热火焰温度分布特性及其受工艺条件和烧嘴尺寸的影响。结果表明:增大富氧比的同时增大燃料当量比可以维持平均火焰温度与空气助燃工况基本一致,但火焰锋面温度受局部当量比及流动条件影响;减小燃料及氧化剂射流的初始速度差,可以减缓组分混合、延长火焰并降低火焰锋面温度;煤气中三种气体按参与反应的速率快慢排序依次为氢气、一氧化碳、甲烷,随着燃烧反应进入湍流混合速率控制模式,组分间的选择性燃烧特征相对减弱。     

含AP包覆硼的富燃推进剂燃烧机理研究

通过微热电偶测温和火焰单幅照相技术测试了含硼富燃料推进剂燃烧波温度分布及燃烧火焰结构;用扫描电镜对熄火表面形貌进行了观察,并通过能谱仪进行局部元素分析;对DSC曲线进行积分,得到推进剂的凝相放热量;测量推进剂燃烧的爆热和低压燃速,获得了其低压燃烧特性和一次燃烧放热情况。结果表明,含AP包覆硼的推进剂燃烧更剧烈,推进剂的绝热火焰温度更高,AP包覆硼提高了含硼富燃料推进剂的凝相放热、爆热和低压燃速。初步确定了该类推进剂的燃烧过程,为建立含硼富燃料推进剂燃烧物理模型提供了依据。     

固体回收燃料掺烧对污泥燃烧特性的影响

为了掌握固体回收燃料(Solid Recovered Fuel, SRF)掺烧对污泥焚烧处置的热反应特性及烟气环境特性的影响，通过使用德国耐驰公司生产的热综合分析仪、SEM、XRD和GA-21plus烟气分析仪着重解析了不同掺烧比例时SRF与污泥混燃过程的热重规律、综合燃尽特征指数、结渣特性和烟气中NO_x排放特性。结果表明：混烧过程存在明显的多峰失重现象，主要集中在192.3～645.3℃;SRF掺烧提高了燃料的失重速率，掺混比11%时，最大失重速率达0.14%/min,显著高于污泥单独焚烧的失重速率。随着SRF掺烧比提高，燃料的着火温度和燃尽温度降低，充分燃烧阶段向低温区域偏移。SRF掺混比为11%时，稳定燃烧性能指数和综合燃烧性能指数分别提升了1.38倍和1.17倍，改善了污泥单独焚烧时的着火特性。另外，SRF掺混后燃料灰熔融温度升高，灰分黏附程度降低，颗粒聚团强度降低，从而减弱了污泥单独焚烧时结渣情况，然而掺混燃烧导致烟气中NO_x排放量增加。     

基于热解与燃烧反应重构的低NO x 解耦燃烧原理与技术

解耦燃烧原理最早于1995年被用于烟煤的低氮无烟燃烧,其通过分离燃料热解与半焦燃烧,打破两反应在传统燃烧方式中的耦合作用,并通过重构热解挥发分与半焦的燃烧反应,实现挥发分完全燃烧的同时有效还原燃烧生成的NO _x。基于此方法的燃烧技术在1997年被定义为“解耦燃烧”。本文围绕固体燃料解耦燃烧高效低氮化原理、燃烧过程反应重构原则和反应过程定向调控关键要素,综合总结近三十年在煤炭与生物质解耦燃烧基础研究、技术开发、民用及工业燃烧典型应用及其实现的燃烧强化效果等方面取得的主要进展。解耦燃烧耦合其他诸如燃料再燃、燃料或空气分级燃烧、流态重构燃烧等先进燃烧技术可以进一步提高燃烧效率,降低空气污染物排放。解耦燃烧技术特别适合高含水燃料,对创新低阶煤和有机废弃物等的高效低氮燃烧新技术具有重要的科学意义和应用价值。     

基于热解与燃烧反应重构的低NO x 解耦燃烧原理与技术

解耦燃烧原理最早于1995年被用于烟煤的低氮无烟燃烧,其通过分离燃料热解与半焦燃烧,打破两反应在传统燃烧方式中的耦合作用,并通过重构热解挥发分与半焦的燃烧反应,实现挥发分完全燃烧的同时有效还原燃烧生成的NO _x。基于此方法的燃烧技术在1997年被定义为“解耦燃烧”。本文围绕固体燃料解耦燃烧高效低氮化原理、燃烧过程反应重构原则和反应过程定向调控关键要素,综合总结近三十年在煤炭与生物质解耦燃烧基础研究、技术开发、民用及工业燃烧典型应用及其实现的燃烧强化效果等方面取得的主要进展。解耦燃烧耦合其他诸如燃料再燃、燃料或空气分级燃烧、流态重构燃烧等先进燃烧技术可以进一步提高燃烧效率,降低空气污染物排放。解耦燃烧技术特别适合高含水燃料,对创新低阶煤和有机废弃物等的高效低氮燃烧新技术具有重要的科学意义和应用价值。     

含氨燃料预混火焰的层流火焰速度及NO排放特性

将甲烷或氢气与氨气共燃可以克服NH₃火焰的点火能量高、燃烧速度慢的缺点。为了解NH₃作为燃料的燃烧特性,对含NH₃燃料进行一维层流预混火焰数值模拟,研究其层流火焰速度及NO排放特性。采用文献中5个简化反应机理进行数值计算,发现Okafor机理模拟NH₃/CH₄/air火焰精度更高;Xiao机理模拟NH₃/H₂/air、NH₃/air精度适中,计算时间较短。此外,开展了当量比、燃料混合物组分比例、压力等参数对含NH₃燃料燃烧时烟气中NO浓度影响的研究。研究发现：含NH₃燃料燃烧时NO主要通过OH、H、O自由基和O₂分子的消耗而生成,主要通过与NH_i（i=0, 1, 2）自由基反应消耗;含NH₃燃料在富燃状态下燃烧可有效减少NO排放,但富燃燃烧效率低,可采用富燃-贫燃分级燃烧技术来提高燃烧效率,同时保持NO的低排放;掺有较多NH₃的含NH₃燃料在中高压下燃烧时可有效减少NO排放。     

以甲醇为辅助燃料的超临界水热燃烧反应器数值模拟研究

对容积式超临界水热燃烧反应器内的燃料与氧化剂的混合与燃烧反应的物理化学过程进行模拟研究,揭示了反应参数、燃料特性及反应器喷嘴尺寸对反应器内温度场、浓度场和燃烧反应速率场的影响规律。研究结果表明,同轴喷射的非预混水热火焰发生化学反应的区域是狭窄的,并且反应器内的最高温度出现在以轴线上出现化学当量的轴向距离定义的火焰长度位置处。初始燃料浓度的增加会使反应器内的火焰温度升高、火焰长度延长;氧化系数的增大,不仅降低了火焰温度,并且可以缩短水热火焰长度;随着入射速度的增加,反应器内开始出现最高温度的位置远离反应器入口,火焰位置延迟。