工业用氨燃烧器的开发：燃烧测试、建模及原型机准备工作

摘要 

业界正在考虑将氨用作工业供热和蒸汽产生的燃料，将其视为减少工业温室气体排放的一种潜在方案，特别是在那些缺乏本土天然气和/或尚未确定_{二氧化碳封存} 孔隙空间的地区（例如日本、韩国）。 氨作为低碳燃料解决方案具有潜在吸引力，原因在于：i) 其能量密度较高，与氢气相比具有更强的运输能力；ii) 现有相关规程、标准和基础设施可助力氨的运输；以及 iii) 可能避免因将载体介质（氨/碳氢化合物）转化为燃料（氢气）而产生的额外设施建设和能源消耗。

由于氨的层流火焰速度相对较低、对流速应变敏感、可燃范围狭窄，且容易形成高浓度的氮氧化物（NOx），因此与气态烃类和氢基燃料相比，氨作为燃料存在一定挑战。 本文将介绍在2025年AFRC工业燃烧研讨会上测试并展示的燃烧器设计及相关计算流体力学（CFD）能力的进一步开发成果。基于这些后续开发与研究，本文将介绍一种基于Zeeco公司GLSFFREE JET 平台的独特燃烧器设计，该设计专门用于强制通风工业加热和蒸汽生成应用。 此外，本文还将介绍建模工具和分析方法的改进，这些改进有助于预测氨燃烧器在商业应用中的性能。

本文所述的研发工作是埃克森美孚资助的一项更大规模的氨燃烧计划的一部分，该计划包括麻省理工学院（MIT）和斯坦福大学开展的基础研究，旨在加深对氨燃烧机制的理解，从而提升氨燃烧器在商业应用中的性能。

本文将介绍Zeeco公司改进型GLSFFREE JET 燃烧器在强制通风工况下的测试数据，测试条件包括使用或不使用预热空气，以及不同比例的氨与氢气或天然气混合物，并在各种运行条件下进行测试，以此展示在开发一种能够产生稳定火焰、且NOx和氨排放量符合目标性能要求的燃烧器方面取得的进展。本文还将包含相应的CFD分析，并探讨如何利用CFD来预测燃烧性能。 本文将进一步强调，无论是燃烧试验还是CFD，对于开发新技术以及以合理的确定性预测商业应用中的性能而言，都是不可或缺的。

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INTRODUCTION

作为一种减少二氧化碳排放的手段，氨燃烧正日益受到关注，特别是在缺乏天然气资源或二氧化碳封存方案的地区。氨具有高能量密度、低碳强度以及成熟的全球基础设施，因此其储存和运输比氢气更为切实可行。此外，直接燃烧氨可以避免将氨裂解为氢气所需的能源和设备。

亚洲的燃煤电厂已开始率先采用这一技术，目前正在测试将氨作为掺烧燃料，以帮助降低二氧化碳排放。然而，这些系统仍依赖选择性催化还原（SCR）技术，以处理氨燃烧过程中产生的热源性及燃料源性氮氧化物。

This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NO_x emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.

燃烧器开发、测试计划及测试设施

开发与测试计划：

ZEECO FREE JET®燃烧器设计理念 被选定为开发商用氨燃料强制通风燃烧器的技术基础。在位于俄克拉荷马州塔尔萨附近的Zeeco全球技术中心，对经过改装的FREE JET 强制通风燃烧器（额定功率为4 MMBtu/hr）进行了初步测试和配置优化。 

计算流体力学（CFD）模型的开发也是该计划的核心内容之一。虽然烃类和氢气的燃烧建模已相当成熟，但氨的动力学及湍流与化学反应的相互作用仍处于早期开发阶段。CFD工作侧重于优化反应机理和湍流模型，以更准确地模拟氨的燃烧过程。其目的是开发可靠的CFD工具，以支持燃烧器设计，并帮助预测其在商业应用中的性能。

图1：标准强制通风型GLSFFREE JET 燃烧器。

FREE JET 图1所示为标准的GLSFFREE JET 燃烧器。此次测试的燃烧器经过改装，可用于燃烧氨气。所有燃气喷嘴（包括辅助喷嘴）均燃烧同一燃料。单点火器燃烧天然气，热释放量为90,000 Btu/hr。 GLSF 燃烧器设计操作简便，可实现从100%氨气到100%氢气再到100%天然气的燃料转换，以及其间的任何混合比例，同时保持火焰稳定。该系列燃烧器设计使用寿命为10至20年，同时满足用户对操作简便性和稳定性的要求。

测试设施： 

Zeeco全球技术中心内现有的立式圆筒形（VC）单燃烧器试验炉

该炉经选定并进行了改造，以适应氨气燃烧。该炉的尺寸经过合理设计，适用于4

正在评估的MMBtu/hr燃烧器，包括一个高约17.33英尺的辐射箱，其

管壁间距为5.83英尺。炉膛底部的中央安装有一个燃烧器，并且

炉膛温度通过沿VC一侧布置的水冷管进行调节，这与

一款带多个燃烧器的商用立式圆柱形加热器的吸热特性

排列在一个工艺管环内。表1提供了关于所用试验炉的更多详细信息

在这项工作中。

表1：试验炉信息

为确保安全可靠的运行，增设或升级了氨专用燃料供应、气化、管道和计量系统。一项全面的安全审查证实，该设施的安全保障措施、操作规程和人员培训均足以应对与氨处理和燃烧相关的风险。操作规程中纳入了人员位置、环境条件、风速和风向等考虑因素，以及确保测试安全进行所需的其他必要因素。

要准确测量排放量，需要投入大量额外精力。当存在氨（NH₃）泄漏时，传统的基于化学发光原理的NOx分析仪会因分析仪内部的化学干扰而产生误导性结果。 此外，为了满足该计划的燃烧器开发目标，还必须对NH₃泄漏量和N₂O排放量进行定量分析。尽管NOx测量通常仅包括NO和NO₂，但并未将N₂O纳入考量——在燃烧烃类或氢燃料的系统中，N₂O的含量通常可以忽略不计，往往低于5 ppm。

然而，氨中含有大量来自燃料的氮，这可能导致一氧化二氮（N₂O）的生成量增加。过去，在探讨大气臭氧形成机制时，人们主要关注一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）。但一氧化二氮（N₂O）是一种温室气体，因此当氨作为温室气体排放量较低的燃料排放 替代其他燃料时，对其进行监测和控制就显得尤为重要。

为了测量排放物，在试验炉上安装了以下分析仪。其中包括：

• 一套用于测定NO、_NO₂、_N₂O、_NH₃、_O₂、_H₂O、_{CO₂和CO的} 傅里叶变换红外光谱（FTIR）系统
• 一种基于可调谐二极管激光器（TDL）的NO、_NH3和H2O测量系统
• 用于_测定NOx、_NO₂、干氧（_O₂）和CO的化学发光型和顺磁型分析仪

CFD方法论

CFD建模工作流程借鉴了本项目第一年开展的研究成果，当时的主要研究重点是自然通风燃烧器¹。鉴于锅炉似乎是氨燃烧器开发在短期内的主要市场机遇，我们在第二年将研究重点转向了强制通风燃烧器。强制通风燃烧器使用燃烧空气风机，因此需要电力、风管、控制系统及相关设备。 其运行时的压降较高，通常约为1至10英寸水柱或更高，但相应地，与自然通风燃烧器相比，它们能提供更好的混合效果、分级燃烧和火焰稳定性，从而实现更低的氮氧化物（NOx）排放。强制通风燃烧器广泛应用于锅炉以及那些需要高热释放量、燃烧率灵活性、极低排放、更宽的调节范围和更精确的空气/燃料控制的燃烧设备中。

为本项目开发的CFD方法旨在实现以下目标：

1. 1.) 利用商用软件的几何建模和网格划分功能，对实际燃烧器和炉膛的几何形状进行建模，

2. 2.) 使用详细的化学动力学机理，至少以简化形式呈现，

3. 3.) 能够快速、轻松地更改动力学模型，

4. 4.) 允许存在两个以上的独立反应流（燃料和氧化剂），

5. 5.) 模拟参与介质的热辐射效应，

6. 6.) 能够对因燃烧器和炉膛变化而产生的化学动力学效应进行建模，

7. 7.) 进行一次单燃烧器炉膛模拟测试，耗时约一天。

在该项目启动之初，Zeeco公司尚未具备满足这些要求的CFD能力；根据对现有文献的调研，整个燃烧器行业内也尚无此类能力。工业中常用的燃烧模型，如化学平衡模型、涡流破碎（EBU）模型以及基于微火焰的模型，若不进行进一步开发，将无法满足本项目的要求。 大学研究代码虽采用了复杂的化学模型以及大涡模拟（LES）模型，但并未针对详细的燃烧器和炉膛几何结构进行设计，尤其难以应对快速变化的燃烧器设计。尽管LES模型对于理解火焰稳定性或熄火等燃烧特性背后的机制至关重要，但其计算成本高昂，无法满足模型验证以及为燃烧器设计和测试提供输入所需的案例周转速度。

强制通风燃烧器系统的CFD方法论验证

图2展示了一个简单模型无法捕捉的动力学效应的实例。热_脱硝反应 （也称为氨再燃烧或选择性非催化还原（SNCR））在图中清晰可见：_NO与NH3反应生成_N2。蓝色区域表示火焰富燃料侧的NO消除，而黄色区域表示火焰贫燃料侧的NO生成。 蓝色区域中显示的NO减少是氨燃烧的特征，在仅含烃类的燃烧中不会发生。这种_{脱硝行为的} 整体程度对燃烧器的几何特征非常敏感。对于不同的燃烧器配置，这种现象可能并不那么明显。

图2：NO生成速率为0.05^kg/m³·s（黄色）和NO分解速率为0.05^kg/m³·s（ 蓝色）的等值面图。

图3展示了一个模拟的可见火焰表面，该表面由1300 K等温面近似表示，同时给出了由离散坐标法/灰气加权和法（DO/WSGG）计算出的流向冷却管的辐射通量。DO/WSGG方法是工业燃烧模拟的主要方法之一，与当前的方法完全兼容。

图3：T = 1300K的等值面及计算得到的管内辐射热通量。

虽然单燃烧器设计可以通过实验进行评估，但计算流体力学（CFD）能为难以测量甚至无法测量的流动结构、混合过程以及局部反应路径提供更深入的见解。在第二年研究中，CFD既被用作预测工具，也作为诊断工具来解释实验观测结果。这项工作为未来应用建立了经过验证的基准，包括更复杂的燃烧器布置、多燃烧器炉以及涉及氨、氢和其他燃料的扩展燃料灵活性场景。

图4展示了反应区内部单个CFD单元内的反应路径分析。可以看出，导致氨消耗以及NO生成和破坏的复杂化学路径均处于活跃状态。这表明了这些模拟中包含的化学动力学细节。

图4：反应区中单个CFD单元的化学动力学路径分析。

图5显示了Rev 18燃烧器的模拟结果。这两个模型均采用了基于CRECK^{详细机理²的}简化机理。该简化机理是从第一年研究中使用的50组分模型扩展而来的，旨在提高对重要_{污染物NO₂和N₂O的}预测精度。CFD模型对NO的预测效果良好，在预测NH₃ 滑移现象的预测也相当合理，如图5所示。 CFD模型对_{N₂O和NO₂的}预测值偏高，但对这些污染物的趋势预测非常准确。

图5：氨气与天然气混合燃料强制通风燃烧器中，CFD计算结果与FTIR测量结果的对比。

本次CFD验证的结果表明，CFD能够以足够的精度捕捉湍流与化学动力学之间的相互作用，因此可作为一种预测工具，用于指导燃烧器的开发。

在完成了用于建模自然通风和强制通风燃烧器的CFD方法的开发和验证后，开展了CFD研究，以探索在各种运行条件和燃烧器几何形状修改下，排放 和火焰稳定性可能带来的益处。基于CFD模拟中显示的排放 和滑移减少的潜力，对若干燃烧器修改和运行条件优化（即提高空气预热（APH）温度）进行了测试。选定的结果将在下一节中呈现。

燃烧器测试结果

表2总结了在燃烧器开发项目期间收集的排放测量数据。对于每次试验修订，均列出了 关键运行参数——包括放热速率、燃烧空气温度和最大氨燃烧百分比——以及NH₃ 泄漏、NO和N₂O的原始排放数据。表2中列出的所有浓度均使用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测得。 

表2：排放测量结果汇总。

由于氨燃烧会带来独特的测量挑战，NH₃滑移值代表了在将滑移值控制在50 ppmv以下时所能达到的最高氨浓度。NO和N₂O的数值以原始干浓度形式报告。该数据集涵盖了广泛的操作条件，包括放热量的变化（3.4–5.0 MMBtu/hr）、燃烧‑空气温度（70–880°F），以及氨气燃烧比例（60–95%），从而能够评估燃烧器在整个设计工况范围内的性能。

最佳测试结果

图6展示了燃烧器Rev 25B的排放测量结果，该燃烧器获得了最佳结果。 

图6：Rev 25B的排放测量结果，该版本取得了最佳结果。

结果与讨论

在一系列傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量中，在热释放量恒定为3.40 MMBtu/hr的条件下，将燃料组分从100%氢气逐渐调整至100%氨气。该测试序列旨在表征在其他操作条件保持不变的情况下，氨含量逐级增加如何影响排放行为——特别是NH₃滑逸、NO和N₂O的生成。 结果显示出清晰且有规律的趋势，反映了氢-氨混合物的底层燃烧化学机制。

氨气泄漏

在所有混合物中，NH₃滑移率始终微乎其微，直到氨成为主导燃料成分为止。 对于氨含量不超过95%的混合物，泄漏值极低（0–9 ppm），表明在这些条件下燃烧充分且混合充分。然而，当氨含量达到100%时，泄漏值急剧上升至1207 ppm，这表明在没有氢气来提高火焰速度和反应速率的情况下，实现完全转化是一项挑战。这种行为突显了氢气添加在氨燃烧中的稳定作用。_{NH₃排放量的}最高值为9 ppmv，当测试燃料混合物为_{95% NH₃和5%H₂时，NH₃}滑移量小于50 ppmv。若对96%_{NH₃和4%H₂}、97%_NH₃和3%_H₂以及98%_NH₃和2%_{H₂的混合物}进行测试，将有助于绘制曲线，从而确定NH₃ 泄漏量实际突破50 ppmv阈值的具体位置。

零排放

NO排放量表现出对氨浓度的强烈依赖性。在100%氢气条件下，测得的NO浓度为107 ppm，这反映了典型的热‑NO的生成。随着氨含量的增加，NO浓度显著上升，在60% NH₃ 混合物中达到644 ppm。这一增长与燃料‑结合的氮，该氮在高温下易被氧化为NO‑条件下，会迅速被氧化为NO。

有趣的是，随着氨分率升高，NO浓度反而下降，在90% NH₃时降至197 ppm，在100% NH₃时降至96 ppm。这一下降表明，当氨成为主要燃料时，尽管氮含量较高，但较低的火焰温度和较慢的反应速率抑制了NO的形成。结果是……‑单调的NO变化趋势：随着初始NH₃ 添加量增加时上升，随后随着火焰向氨‑主导状态时逐渐下降。

_当NH3滑移量小于50 ppmv时，NO排放量为143 ppmv的最佳值出现在_NH3占95%、_H2占5%的混合比下。

一氧化二氮的形成

对于氨（NH₃）含量不超过60%的混合物，一氧化二氮（N₂O）排放量始终接近于零，这与N₂O在高温火焰中迅速分解的现象一致。随着氨浓度的进一步增加，N₂O排放量开始上升，在氨含量为90%至95%的混合物中达到10–18 ppm，而在100%氨混合物中则达到38 ppm。这一趋势反映了燃烧过程向温度较低、速度较慢的方向转变‑反应的氨火焰，其中中间氮‑氧化物中间体（如N₂O等氮氧化物中间体则更为稳定。N₂O的最高排放浓度为18 ppmv_，NH₃泄漏量低于50 ppmv，其中95%_为NH₃，5%_为H₂。

NO和N₂O的综合行为体现了氨燃烧中的经典权衡：

• 更热，氢‑富氢火焰 → 高NO，微量N₂O含量微乎其微

• 冷却器，氨‑富氨火焰 → NO 更低，N 更高₂O

总体解读

燃料‑混合比扫描揭示了火焰温度、反应动力学与氮‑转化途径之间的复杂相互作用，这些过程发生在氢–氨燃烧中的火焰温度、反应动力学与氮‑转化路径之间的复杂相互作用：

• 氢‑富氢混合气会产生高温火焰，从而导致高浓度的NO，而N₂O含量极低，且氨能完全燃烧殆尽。

• 中等配比的混合物（40%–60% NH₃）表现出最高的NO排放量，这既受热效应影响，也受燃料影响‑结合氮机制共同驱动。

• 氨‑富氮混合气可减少NO的生成，但会增加N₂O和NH₃ 的逸出量。

• Pu氨是最大的挑战，尽管氮含量相对较低，但其滑移率较高且一氧化二氮（N₂O）排放量较高O。

这些结果凸显了燃料的重要性‑混合优化、燃烧器设计以及温度‑管理策略在平衡NO、N₂O 以及 NH₃ 排放量，以在从氢能‑富环境向氨‑占主导地位的燃烧模式时，温度会出现偏差。

图7：FREE JET 燃烧器，热输出为3.4 MM Btu/hr；APH燃烧器，燃烧温度为885F，燃烧100%氨。

图8：FREE JET ，热负荷为3.4 MM Btu/hr，平均烟气温度（APH）为885F，燃烧混合物含95%氨和5%氢。

空气预热的影响

图9展示了Rev 25A和Rev 25B在不同APH温度下的排放范围：

图9：Rev 25A&B在不同APH温度下的排放范围。

结果与讨论

在恒定热释放率为3.4 MMBtu/hr的条件下，采用90%氨和10%氢气的燃料混合物进行了排放测试，同时将APH温度从约500°F 至 885°F之间变化。在第25A和25B次试验期间采集的傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量数据表明，APH温度与NH₃ 、NO和N₂O的生成之间存在明确且一致的关系。

氨的滑移行为

NH₃滑移量与APH温度呈现出明显的反比关系。在测试的最低温度（508°F）下，NH₃滑移量极高（超过7000 ppm），表明在较低的燃烧条件下燃料转化不完全。 随着APH温度升高，NH₃滑移量急剧下降，在784°F时降至23 ppm，在885°F时降至1 ppm。这一趋势反映了高温下反应动力学的改善以及未反应氨的燃烧效率提高。结果表明，保持足够高的燃烧‑空气温度对于在高温条件下将氨滑逸降至最低‑NH₃ 燃烧工艺中，将氨逸散降至最低。

零排放

NO排放量随APH温度的升高而稳步增加，这与温度‑燃料转化‑结合态氮的转化。在508°F时，测得的NO浓度为34 ppm，在784°F时升至99 ppm，在885°F时达到197 ppm。这种单调上升的趋势表明，随着空气‑预热温度能促进氨的更充分氧化‑衍生的氮化合物更充分地氧化，从而导致NO生成量增加。这一趋势与已确立的氨‑燃烧化学理论，其中热量和燃料‑结合氮的反应路径会随温度升高而增强。

一氧化二氮的形成

一氧化二氮（N₂O）排放量如预期般达到峰值‑且‑呈下降趋势，这正是氨燃烧的典型特征。在最低的APH温度（508°F）下，N₂O的浓度相对较高，达到96 ppm，这反映了中间体氮‑氧化物中间体的形成。随着温度升高，N₂O浓度显著下降，在784°F时降至32 ppm，在885F时降至32 ppm，在885°F时降至10 ppm。这种现象与N₂O在较高温度下的热分解行为，此时反应路径会向NO的生成方向转变。

NO₂ 排放量

所有测试点处的NO₂浓度均维持在接近零的水平，这表明几乎所有的氧化氮都以NO或N₂O的形式存在。这是高‑燃料‑富氨燃烧环境中的典型现象，在该环境中，NO₂ 的生成受到动力学抑制。

整体业绩趋势

综合结果表明，温度对氨燃烧具有相互抵消的影响：

• 较低的平均过热温度会导致氨（NH₃）滑移率较高、氮氧化物（NO）较低以及一氧化二氮（N₂O）升高。

• I中等温度既能减少滑移和一氧化二氮（N₂O）的生成，又能增加一氧化氮（NO）的生成。

• Hig高温可最大限度地减少滑移并降低一氧化二氮（N₂O）的生成，但会产生最高的氮氧化物（NO）浓度。

APH温度升高会导致：

• 一氧化氮（NO）生成量增加。

• 还原态NH₃ 排放量。

• R还原态N₂O排放量。

这些研究结果凸显了优化燃烧器设计和运行条件的重要性，以在氨燃烧殆尽、NO生成和N₂O减排之间取得平衡。这些数据为进一步完善策略、分级燃烧概念和温度‑控制方法，以满足该计划’的排放目标。

CONCLUSION

该研发与测试项目证明，当与专门针对氨独特燃烧特性设计的燃烧器配合使用时，氨可成功用作燃料，从而在工业加热应用中减少二氧化碳排放。通过迭代设计改进、广泛测试以及计算流体动力学（CFD）建模技术的进步，改进型GLSFFREE JET 燃烧器在各种氨-氢混合比和空气预热条件下均实现了稳定运行。 测试结果表明，通过合理的燃烧器设计和温度管理，在优化条件下，该项目针对NH₃滑移、_NOx和N₂O排放的目标性能参数均可达到。

实验与建模工作的综合结果证实，物理测试和计算流体动力学（CFD）都是预测氨燃烧性能的必备工具。通过持续优化燃烧器几何结构、燃料分级和运行策略，有助于推动氨燃烧器从原型机向商业化产品过渡，从而为显著减少工业二氧化碳排放铺平道路。

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