热力发电

天然气发电机组型号	平均装机容量
9F	390
9E	160
6F	115
6B	56

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项目	数值
价格/(元·m^–3)	4.007^[13]
热值/(kJ·m^–3)	34 000^[14]

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热值/(kJ·m^–3)	34 000^[14]

天然气掺氨燃烧研究进展

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张斌 ¹ , 王光磊 ¹ , 罗赛贝 ² , 潘亦璘 ² , 张海 ² , 高绪栋 ¹ , 范卫东 ²

热力发电 | 绿氨掺烧技术研究进展 2025,54(8): 13-26

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热力发电 | 绿氨掺烧技术研究进展 2025, 54(8): 13-26

天然气掺氨燃烧研究进展

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张斌¹, 王光磊¹, 罗赛贝², 潘亦璘², 张海², 高绪栋¹, 范卫东²

作者信息

^1.山东电力工程咨询院有限公司，山东　济南　250013

^2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海　200240

张斌（1970），男，教授级高级工程师，主要研究方向为燃煤高效清洁利用技术，zhangbin12@spic.com.cn。

通讯作者:

张海（1987），男，副教授，博士生导师，主要研究方向为燃料高效清洁低碳利用理论与技术，zhanghai@sjtu.edu.cn。

Research progress on ammonia-blended natural gas combustion

Bin ZHANG¹, Guanglei WANG¹, Saibei LUO², Yilin PAN², Hai ZHANG², Xudong GAO¹, Weidong FAN²

Affiliations

^1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd., Jinan 250013, China

^2.School of Mechanic Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China

出版时间: 2025-08-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202503055

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摘要

收起

天然气掺氨燃烧技术凭借在降低碳排放方面的巨大潜力，已成为全球研究焦点。氨在燃烧过程中存在着火困难、火焰传播速度缓慢以及易被吹熄等诸多问题，而天然气的掺入能够显著改善这些问题，也推动了氨燃料的广泛应用，为清洁能源的开发开辟了新途径。首先从技术可行性与经济可行性方面对天然气掺氨燃烧技术的应用潜力进行评估，分析其在能源转型进程中的积极意义。接着，借助反应动力学的研究成果，分析了氨与天然气掺混燃烧的化学反应机理。在此基础上，从实验研究、数值模拟以及低氮稳燃控制策略等方面，综述了国内外在该领域的最新研究动态，指出目前不同机理模型在模拟以及实验预测普适性方面仍存在显著差异，未来需结合跨尺度模拟发展能够兼顾精度与效率以及适应性更强的氨燃烧预测模型。最后，归纳了天然气掺氨燃烧技术在实际应用中遭遇的挑战，并指出未来的研究方向，旨在为这一技术的深入发展提供理论依据与实践指引。

关键词

天然气掺氨燃烧技术 / 反应机理 / 数值仿真 / 低氮稳燃控制

Abstract

收起

The technology of co-firing ammonia with natural gas has become a global research focus due to its significant potential in reducing carbon emissions. During the combustion process, ammonia faces challenges such as difficulty in ignition, slow flame propagation speed, and susceptibility to blow-off. The addition of natural gas can significantly improve these combustion characteristics, thereby promoting the widespread application of ammonia fuel and opening up new avenues for the development of clean energy. Firstly, the application potential of natural gas-ammonia co-firing technology is evaluated from the perspectives of technical and economic feasibility, and its positive significance in the energy transition process is analyzed. Then, drawing on research findings at the reaction kinetics level, the chemical reaction mechanisms of ammonia and natural gas co-firing are elucidated. On this basis, the latest domestic and international research progress in this field is reviewed, covering experimental studies, numerical simulations, and low-NO_x stable combustion control strategies. It is pointed out that significant discrepancies still exist among different mechanism models in terms of simulation accuracy and experimental prediction universality. Future research needs to combine multi-scale simulations to develop more adaptable ammonia combustion prediction models that can balance accuracy and efficiency. Finally, the challenges encountered in the practical application of natural gas-ammonia co-firing technology are summarized, and future research directions are proposed, aiming to provide a theoretical basis and practical guidance for the in-depth development of this technology.

Key words

ammonia-blended natural gas combustion technology / reaction mechanism / numerical simulation / low-nitrogen stable combustion control

引用本文

张斌, 王光磊, 罗赛贝, 潘亦璘, 张海, 高绪栋, 范卫东. 天然气掺氨燃烧研究进展. 热力发电, 2025 , 54 (8) : 13 -26 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202503055

Bin ZHANG, Guanglei WANG, Saibei LUO, Yilin PAN, Hai ZHANG, Xudong GAO, Weidong FAN. Research progress on ammonia-blended natural gas combustion[J]. Thermal Power Generation, 2025 , 54 (8) : 13 -26 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202503055

正文

收起

我国是一次能源消耗大国，也是世界最大的二氧化碳（CO₂）排放国，为实现“碳达峰、碳中和”目标，发展替代化石燃料的新型低碳、零碳燃料及其燃烧技术变得十分迫切。基于新型低碳、零碳燃料的高效清洁燃烧可有效解决化石能源短缺以及温室效应等环境问题，对社会可持续发展具有重要意义。

氨作为氢的高效载体，在燃烧方面具有独特优势。氨不含碳元素，完全燃烧产物为无污染的氮气与水；而且能量密度高，与汽油的单位体积能量密度相当，具备成为绿色零碳燃料的潜力^[1]。同时，氨的大规模工业化制备工艺成熟，成本低，如工业中常用的Haber-Bosch工艺路线^[2]，未来也有可能直接通过太阳能、风能等绿电合成氨^[3]。然而，氨燃烧仍存在一些挑战，如着火困难、火焰传播速度慢、易吹熄等问题^[4-5]。为优化氨燃料的燃烧性能，国内外研究者提出了与优质燃料氢、甲烷、煤等的掺混燃烧。相比较而言，氨与天然气掺混燃烧是一项较有发展前景的技术。一方面，天然气作为一种优质、高效、清洁的气体燃料已被世界各国广泛关注。据国际能源署预测^[6]，我国天然气消费量将在未来20年逐步上升，于2040年达到5.1×1 011 m³。清华大学气候变化与可持续发展研究院发布的《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》^[7]中预测我国天然气消费量将在近年逐步上升，于2030年前后达到峰值。另一方面，氨与天然气掺混燃烧可产生强烈的点火增强效应，有效解决纯氨燃烧的着火困难、火焰稳定性差等问题。鉴于此，本文将针对当前国内外研究趋势，围绕氨的应用场景、天然气掺氨机理等展开详细讨论，并辅以政策、资源等层面的可行性分析，为天然气掺氨燃烧大规模工业化应用提供依据和参考。

1　天然气掺氨可行性分析

收起

1.1　经济可行性分析

为定量分析使用部分氨燃料代替天然气的经济效益，选用天然气发电的9E型号机组作为研究对象（表1^[8]），该机组年等效发电时间2 600 h。天然气价格及热值见表2。

根据原料中氢气的碳足迹，合成氨被分为灰氨、蓝氨、绿氨3类^[9]。灰氨中的氢来源于天然气或者煤炭，由传统的Haber-Bosch工艺制备。蓝氨相较于灰氨的主要区别在于将灰氨生产过程中的CO₂进行捕集处理。绿氨则利用可再生能源，以水为原料制备绿氢，后与氮气通过热催化或电催化合成^[10]。灰氨成本主要由原料成本、用电成本、人工成本、设备折旧成本等构成，一般受到煤单价影响较大，近似成本计算公式为^[11]：

P H = 1.5 P m + 700

(1)

式中：P_H为灰氨价格，P_m为煤单价，单位均为元/t。而制备绿氨所需成本主要包括电解水制氢时所需电能成本以及装置成本，成本受到用电价格变化影响明显。根据国能经济技术责任研究院的相关估算，绿氨成本近似计算公式^[12]为：

P L = 12 880 P D + 987

(2)

式中：P_L为绿氨价格，元/t；P_D为不含税电价，元/(kW·h)。

下面以9E燃气机组评估天然气掺氨经济可行性，该机组年工作2 600 h，总发电量4.16×10⁸ kW·h。若单使用天然气作为燃料，需天然气4.405×10⁷ m³，燃料成本1.765亿元。氨热值为18 603 kJ/kg，运输成本约为270元/t^[12]。若采用绿氨替代30%天然气，为达到相同发热量，所需氨燃料2.415×10⁷ kg，氨燃料成本0.536亿元，对应减少天然气燃料成本为0.530亿元。同时年可减少26 738 t CO₂排放。按照2023年全年碳排放交易均价为68.15元/t计算^[15]，碳减排收益0.018亿元，且这部分收益会随着我国碳排放交易价格增加而增加。天然气掺氨发电经济效益与绿氨成本和碳税直接相关，而绿氨成本与电价又存在近似线性关系。图1直观定性描述了不同电价和碳排放交易价情况下天然气掺氨发电收益情况。当电价与碳排放交易价对应点位于红色区域时会带来正向经济效益，且随着未来碳排放价格上升及电价下降逐渐增加，效益可观。

1.2　技术可行性分析

政策层面，2022年，国务院在“十四五”节能减排综合工作方案中明确提出，发电等行业需要实施清洁电力和天然气替代。天然气发电正逐步大规模替代传统火力发电成为我国电力低碳转型的主力军。与此同时，上海、重庆、四川等省市也针对性地出台了相关政策给予天然气产业发展空间。而在绿氨方面，我国各级政府大力鼓励绿氨的生产与利用。国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》中明确指出合成氨技术应由高排放的灰氨向低排放的绿氨转型。由此可见，我国对天然气、氨气相关研究给予了高度支持。

资源层面，我国有丰富的天然气与氨气资源，也有成熟的生产、储运、利用产业链。根据我国“十四五”能源规划，预计到2025年底，天然气发电装机容量将超过1.5亿千瓦^[16]，有望成为我国能源结构的重要组成部分。根据《中国天然气发展报告（2023）》^[17]，我国液化天然气进口总量同比下降19.5%，在国际天然气总产量降低、价格震荡等复杂情况下，表现了我国天然气产业发展的灵活性。中国海油集团^[18]指出与其他燃料相比，我国天然气产量稳定，可实现大规模供应，是替代煤炭实现部分减碳的理想选择。国家石油天然气管网集团有限公司预测^[19]，到2025年底，我国天然气管道将形成“四大进口通道”与“五纵五横”格局，全国天然气网具有高度整体性，天然气基础设施规模庞大。

技术层面，李续等^[20]通过对现有天然气电厂管道结构分析，认为在不进行重大设备改造的前提下可以实现天然气掺氨燃烧发电。林元书^[21]指出天然气掺氨具有改造成本低、系统简单便于维护等的优点，并通过实验证实了其有较好的应用前景。Ariemma等人^[22]指出相较于纯氨，氨与天然气掺混燃烧在工作温度和当量比方面大大拓宽了系统的稳定运行范围。虽然天然气掺氨会存在增加污染物NO_x排放等的风险，但这一问题可以通过温和低氧稀释（moderate and intense low-oxygen dilution, MILD）燃烧^[22]、局部富燃^[23]、分级燃烧^[24]等技术有效控制。

综上所述，我国天然气储备量大，相关基础设施完善，政策扶持力度大。此外，氨气作为一种理想的零碳燃料，其生产、储运已形成完整的工业体系^[11]。天然气掺氨燃烧发电具备经济以及技术可行性，只需对现有天然气燃烧设施进行小规模改造，具有广阔应用前景，是现阶段我国安全且环境友好的电力行业低碳发展路径。

2　天然气掺氨燃烧机理研究

收起

氨燃烧机理开发对稳燃性能、火焰特征、污染物排放等至关重要。近年来，大量学者致力于研究掺氨燃料燃烧的详细化学反应机理，并在此基础上开发了特定工况与特定关注目标的简化反应机理，这些机理对于理解掺氨燃料燃烧及其氮氧化物生成机理具有重要的参考价值。

Miller与Bowman等人^[25]在1989年提出了氨燃烧过程中NO_x的生成及消耗路径，指出了NH、NH₂自由基在NO_x生成过程中起到的重要作用。1994年，Lindstedt等人^[26]对氨燃烧进行了大量的敏感性研究，识别了对NO生产与耗散的关键基元反应，明确了不同掺混条件下NO的生成机制，并构建了一套完整的燃烧机理模型。Konnova等人^[27]在原有燃烧机理模型上进行了改进，补充了N₂H₂的生成路径，详细刻画了氨燃料燃烧过程中NO_x生成的相关反应。Mathieu与Petersen等人^[28-29]进一步提出了H₂/O₂子反应机理，该机理能够很好地预测高温高压工况下NH₃/空气点火燃烧中NO_x的组分分布。Glarborg等人^[30]深入探讨了氨燃烧过程中热力型NO、快速型NO以及燃料型NO的具体生成机理，总结形成了Glarborg机理。相较于Miller与Bowman机理，Glarborg机理能在更宽工况范围内给出更精确的反应组分分布预测。Shrestha等人^[31]认为在氨燃烧反应过程中NH2+H==NH+H₂是关键速控步骤，并在此基础上进行了归纳总结，得到了Shrestha机理。Li等人^[32]则对Shrestha机理中的NH₃子机理进行了优化，并将之应用CFD软件模拟，误差在可接受范围内，同时计算时间缩短了约80%。Okafor等人^[33-34]认为含C组分与含N组分之间的相互作用对于模拟氨燃料火焰的特性并无显著影响，因此将与C-N组分相互作用相关的反应剔除，总结归纳得到了Okafor机理，这很大程度上优化了氨燃料燃烧反应机理计算流程。

上述氨燃烧各重要反应机理时间轴如图2所示，各机理在提出过程中均有相关实验或仿真结果作为支撑，能很好反映相关机理在特定工况下对氨燃料燃烧过程特定组分的分布预测。但不同机理侧重点及研究内容往往不同，导致中间体及基元反应数量差异较大，具体实际应用应按照研究需要灵活选用机理。

另外，近年来也有诸多学者进行了氨混燃工况下的反应机理研究。如Chen等人^[35]研究了氨煤共燃条件下不同阶段NO生成特性和燃料氮转化机制，发现在1 400 ℃和10%掺氨比例下，NO主要生成路径是：1）VOL→HCN→NCO→NO；2）CHAR→NO；3）NH₂→HNO→NO。与纯煤燃烧相比，NH₂→NH→NO反应路径比例降低，而NH₂→N₂、NCN→NCO→N₂和NH₂→NNH→N₂反应路径比例增加。Li等人^[32]汇编了一个包含128种物质和957个反应的氨/氢/甲烷混合燃烧详细化学机制并结合敏感性分析方法，得到了包含51种物质的简化机理模型。同时，针对简化后的模型在封闭均相反应器中进行了1 500 K条件下的反应路径分析，结果如图3^[32]所示。同时，通过反应通量分析表明，在混燃工况下形成NO₂的最重要反应是NO+HO₂=NO₂+H。

Liu等人^[36]通过如图4所示的敏感性分析和生产速率分析，详细研究了交叉反应对NH₃/C₃H₈的IDTs（点火延迟时间）、LFSs（层流火焰速度）和SPs（组分浓度分布）的影响。研究表明H自由基的抽提反应C₂H₄+NH₂=C₂H₃+NH₃促进了点火和NH₃的消耗，而歧化反应C₂H₃+NH₂=C₂H₂+NH₃和HCO+NH₂=CO+NH₃由于是自由基终止反应而抑制了火焰的传播。同时，另一组新加入的歧化反应C₃H₅-A+NO=C₃H₄-A+HNO以及析氢反应C₃H₆+NH₂=C₃H₅-A+NH₃则抑制了燃烧过程NH₃的消耗。

Szanthoffer等人^[37]对18个最新发布的详细反应机理的性能进行了评估，发现模型性能差异显著，并对模拟表现最佳的机理的动力学和热力学参数进行了局部敏感性分析，发现在没有CO参与反应的情况下，模拟结果对氢氧化的链分支步骤H+O₂=OH+O以及氢氧化的链终止反应H+O₂+M=HO₂+M较为敏感。

Diao等人^[38]通过反应力场分子动力学模拟和密度泛函理论计算，详细模拟了DME（二甲醚）/氨气混合物的燃烧机制。研究结果表明，在二甲醚和氨的初始反应过程中，C₂H₆O→CH₃O+CH₃是二甲醚的主要反应，而氨则主要通过氧化反应NH₃+HO₂→NH₂+H₂O₂和NH₃+O₂→NH₂+H₂O被消耗。

Zhao等人^[39]研究了在N₂、CO₂和H₂O稀释条件下甲烷/氨燃料混合物的MILD燃烧特性及NO_x排放，揭示了在MILD-氧条件下NO_x的生成机制。研究发现在MILD-CO₂燃烧工况下，NH₃主要通过途径NH₃→NH₂→HNO→NO和NH₃→NH₂→NH→HNO→NO转化为NO。而在MILD-H₂O燃烧工况下，途径NH₃→NH₂→NH→N→NO在NO生成中的重要性则大大增强。Zhu等人^[40]开发了一个详细的NH₃/CH₄/H₂/CO动力学机理，包含146种物质和1 099个反应，并通过3种简化方法将详细机理简化为包含53种物质和353个反应的模型。动力学分析表明，H₂、CO和CH₄的化学和传输效应是增强氨气燃烧的主要因素，且随着初始温度的升高和氨气混合比的降低而增加。Khade等人^[41]开发了一套包含总共50种物质的天然气掺氨反应机理，该机理对NO_x预测相较与其他机理更接近实验数据。

总的来说，现有的大量基于反应动力学的氨燃烧研究主要聚焦于揭示NO_x生成路径与关键中间体（如NH_x自由基）的作用机制，同时关注温度、压力、混合燃料组分等因素对氨燃烧特性的影响，以及燃烧产物的生成规律。但受制于不同机理构建的侧重点差异、基元反应数量的不同以及目标工况的多样性，模拟预测结果在特定场景下虽显精准，但普适性与一致性仍有差异。因此未来需要结合多尺度模拟与实验验证，发展兼顾精度与效率、适应性更强的氨燃烧预测模型，特别是在多燃料耦合及极端工况下的应用。

3　天然气掺氨燃烧研究现状

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3.1　实验研究工作

目前针对天然气与氨的掺混燃烧实验研究主要集中在燃烧特性、污染物排放等方面。Khateeb等人^[42]在如图5的涡流燃烧器中对预混氨-甲烷-空气混合物燃烧火焰稳定性极限进行了测量，并与甲烷-空气混合物的数据进行了对比。结果表明，增加氨的掺混量可以提高贫喷极限时的当量比，但会降低火焰的回流倾向。而当氨的体积分数超过临界值时，在固定体积速度下提高等效比不会产生回火，反而会出现富喷，这大大拓宽了稳定火焰的当量比范围。Wang等人^[43]则采用了双层碳化硅陶瓷泡沫燃烧系统探究了氨/甲烷在稀薄燃烧条件下的掺混燃烧性能。结果显示，随当量比增加，尤其是甲烷比例升高，燃烧型NO排放显著降低。当量比为0.9时，排放NO体积分数可低至843×10^–6，而当量比为1.3时排放低于150×10^–6。Masoumi等人^[44]利用预混燃烧平台分别探究了不同当量比（0.7~1.6）、初始温度（300~600 K）以及压力范围（100~500 kPa）条件下NH₃-CH₄和NH₃-H₂层流传播火焰的稳定性。结果表明，不同于NH₃-H₂混燃工况在部分当量比下无法维持火焰稳定，NH₃-CH₄混燃工况在所有当量比下都能实现稳定燃烧。此外，稀释剂的添加能进一步稳定NH₃-CH₄火焰。

Füzesi等人^[45]在旋流燃烧器中对3种不同掺混比的天然气-氨混合火焰进行了数值和实验研究，得到了如图6所示的火焰形态（A为掺氨20%（体积分数，下同），B为掺氨50%，C为掺氨80%）。

同时，针对天然气掺氨火焰传播速度，Dai等人^[46]研究了氨/甲烷/空气传播球形火焰的精确层流燃烧速度、湍流燃烧速度及其相关性。在100、300 kPa的压力条件下，由于层流燃烧速度的减弱效应，湍流燃烧速度随着氨含量的增加而降低。在不同的氨含量下，氨/甲烷/空气的湍流火焰具有相似性。Zhou等人^[47]在如图7所示的定容燃烧室中引入不同热值比的甲烷，计算了氨/甲烷混燃的反应阶数和温度指数，结果表明随甲烷热值比的增加，火焰表面的六角形结构呈增加趋势。

此外，污染物排放研究也是天然气掺氨的主要研究方向。为探索掺氨比对氨-甲烷预混燃烧NO_x排放的影响，Ilbas等人^[48]在预混燃烧实验台上进行了燃烧实验，结果表明，在甲烷燃料中添加氨对燃烧性能无明显影响，但NO_x排放水平显著增加。另外，针对与天然气掺氨燃烧的未燃尽碳氢化合物排放量，Uddeen等人^[49]在SI光学发动机实验台上进行实验，结果表明，随着掺氨比增加，未燃碳氢化合物排放量呈现出单调上升的态势。Bastani等人^[50]在实际微型燃气轮机燃烧室中进行了实验和数值研究，重点关注了性能参数和污染物排放。结果显示，随着燃料中氨的比例增加，火焰温度降低，火焰远离喷嘴。燃烧器出口温度几乎未发生变化，但随着氨含量的增加，燃烧器的燃烧效率下降。

国内关于天然气掺氨燃烧的起步较晚。刘文峰等^[51]设计了一个可视化的旋流燃烧装置，并通过实验分析了当量比、掺氨比和入口空气流量对燃烧特性的影响。研究表明，保持掺氨比

X NH 3

=0.6时，随着当量比增加，燃烧室出口NO排放先增加后减小。在贫燃区，随着当量比的增加，NO₂和HNO含量协同影响NO的反应速率，在ϕ=0.9处NO排放达到峰值；在富燃区，随着当量比的增加，由过量的氨气和水蒸气产生的链式反应产生一些还原性基团，抑制氨气的氧化反应，导致NO排放量降低。孙锦国等^[52]研究了滑动弧等离子体辅助下甲烷/氨气/空气预混旋流火焰的稳定性以及NO_x排放特性。研究表明，滑动弧能够拓宽火焰的贫燃吹熄极限，并降低NO_x排放。同时，滑动弧可能通过化学路径增强了火焰中NH₂自由基的生产，强化了高温区NO_x还原过程，从而降低了NO_x生成。吉龙娟等^[53]对钝体旋流燃烧器上NH₃/CH₄/空气预混稀燃紧凑火焰开展了宏观结构及吹熄特性研究，利用PIV和OH-PLIF同步测量技术捕获了流场和瞬时OH分布，获得了火焰-流场耦合信息。结果表明，NH₃/CH₄/空气火焰根部在临吹熄时出现过量拉伸和局部熄灭，这将导致火焰最终吹熄，而火焰过量拉伸的主要原因为流体剪切变形。卫旭涛等^[54]基于半封闭空间旋流燃烧器，对氨气火焰和低甲烷掺混比氨气/甲烷火焰的流场和火焰结构进行测量，同时采用气体分析仪对火焰主要燃烧产物进行了测量，发现CH₄掺混使浓燃时未燃NH₃排放增加，同时有较大的CO及CO₂排放；稀燃时90%NH₃火焰的NO_x排放高于NH₃火焰。

综上所述，目前国内外已有大量基于先进实验与模拟方法针对天然气掺氨燃烧过程的研究，有助于揭示不同掺混条件对燃烧特性的影响规律，为火焰稳定性、污染物生成机制及控制策略的优化提供了微观层面的深入理解。

3.2　模拟研究工作

分子反应动力学是理解天然气掺氨燃烧详细反应机理的重要工具。Guo等人^[55]通过ReaxFF模拟，详细研究了不同温度、甲烷混合比和氧气当量比条件下氨和甲烷的共燃行为、主要产物分布以及NO_x的生成和还原特性，详细列出不同条件下CH₄参与NH₃过程的具体初始路径，其中温度3 000 K、O₂当量比为1、CH₄掺混比为0.5条件下的反应路径如图8所示。

Wang等人^[56]通过一系列反应力场分子动力学模拟，研究了CH₄添加对NH₃消耗和NO_x生成的影响。研究发现，CH₄可以加速NH₃的消耗并改变NO_x的生成。此外，还从微观的角度全面分析了CH₄在NH₃燃烧中的作用。结果显示在低CH₄含量下，CH₄加速了NH₃燃烧，进一步激活了各项化学反应。Mikulčić等人^[57]对燃烧动力学进行了数值研究，使用了3种氨燃烧机理来模拟预混旋流燃烧器中的氨/甲烷燃烧来评估燃烧性能。结果表明，San Diego机理最适氨/甲烷掺混燃烧，该机理在描述排放物方面是最准确的。

利用CFD软件对NH₃/CH₄混燃过程的仿真分析可为实际工程提供重要理论指导。Tolouei等人^[58]针对中尺度多孔燃烧室中预混甲烷-氨燃烧进行了详细的CFD数值研究，探索了多孔介质孔隙率以及氨摩尔分数对燃烧室温度分布的影响。将多孔介质孔隙率从0.5增至0.9，分别记录了5种不同工况下的燃烧室温度场分布，结果如图9所示。并绘制了沿中心线壁面温度变化图谱，如图10所示。从图9和图10可直观看出，孔隙度的变化直接影响了温度场的分布，从而影响了整体燃烧效率。

Sun等人^[59]在工业DLN燃气轮机燃烧器中进行了氨/甲烷燃料燃烧特性和速度场的数值研究。结果显示，当燃料中氨的质量分数超过30%时，火焰形状不再呈现“V”字形，而是变得更长、更厚、更高。Xiao等人^[60]通过数值模拟研究了高温和高压条件下NH₃/CH₄火焰的燃烧特性，结果表明，环境温度的升高可以明显增加层流火焰速度，环境压力的提高则会降低层流火焰速度。Okafor等人^[34]对NH₃/CH₄/空气预混层流火焰进行了实验和数值研究，结果表明，混合气的层流火焰速度随氨添加比例和环境压力增加而降低，火焰的Markstein长度随当量比和NH₃添加比例升高而增加。

Bayramoğlu等人^[61]利用如图11所示的燃烧室模型研究了甲烷与5%、10%和15%氢气混合的效果，结果显示，向甲烷中添加15%的氢气可使燃烧室最高温度提高100 K。而加入15%氨气可使燃烧室内最高温度下降200 K。氢气体积分数每增加10%将导致热力型NO_x排放体积分数增加28%，而混合燃料中氨体积分数每增加10%将导致NO_x排放体积分数增加3 000×10^–6。

Barbas等人^[62]在预混层流燃烧器中，对掺氨甲烷的富氧燃烧进行了数值研究。结果表明，无论氧化剂组成如何，增加过量氧系数通常都会减少CO和NO的排放量。此外，在O₂/CO₂环境中，对于给定的过量氧系数，降低氧化剂中的氧含量会导致CO排放量增加，但NO的排放量则会减小。

Wang等人^[63]对微型燃气轮机涡流燃烧器中CH₄/空气和NH₃/空气非预混火焰的燃烧和NO_x排放特性进行了数值研究。结果显示，随着热负荷增加，NH₃/空气火焰的高温区向燃烧室出口的迁移速度比CH₄/空气火焰更快。在所有热负荷下，NH₃/空气火焰的平均NO、N₂O和NO₂排放量分别比CH₄/空气火焰高6.12、161.05和2.89倍。

季然等^[64]采用热流量法，在常温常压下对不同掺混比例的CH₄/H₂S、NH₃/CH₄/H₂S的绝热层流火焰速度进行了测量，并通过Chemkin软件对实验气体的层流火焰速度进行了模拟计算。计算采用Mulvihill+Han组合机理，最终在当量比为0.7～1.5给出了较吻合实验数据的结果。

宋旭东等^[65]使用ANSYS软件对天然气掺氨火焰进行模拟研究，对不同掺氨比及不同当量比的NH₃/CH₄/O₂燃烧进行数值计算。结果表明，掺入NH₃导致火焰温度降低，温度核心分布区域随掺氨比增加向火焰下游移动，而随当量比增大向火焰根部移动；当掺氨比增大时，OH*与CH*峰值含量下降，OH*峰值位置向火焰下游移动，CH*峰值位置则不发生变化，但CH*径向位置呈现多峰分布。

匡玉成等^[66]通过数值模拟方法，研究了CH₄/ NH₃混合燃料MILD燃烧特性。结果表明，在甲烷MILD燃烧中添加NH₃会使出口NO排放急剧增加。当过量空气系数大于1时，过量空气系数的减小会使NO和CO的排放降低。NH₃中的N元素转化成NO的比率随燃料中氨气的增加和过量空气系数的降低而减小。

涂垚杰等^[67]针对MILD燃烧新模式下燃料NO_x生成特性暂不清楚的问题，开展了甲烷MILD燃烧的CFD数值模拟。通过向燃料中添加不同比例的NH₃，考察了NH₃添加对MILD燃烧方式下燃料NO_x生成特性的影响。结果表明，随着燃料中NH₃含量的增加，常规燃烧和MILD燃烧工况下NO排放都相应提高；同时，MILD燃烧下特殊的燃料氧化过程导致NO的还原作用弱于常规燃烧，因此当燃料中初始NH₃体积分数超过1.3%后NO排放值反而高于常规燃烧。

总体而言，现有研究基于分子反应动力学与数值模拟方法，系统揭示了温度、混合比、压力及燃烧条件对掺氨燃烧反应路径及污染物生成的作用机制，阐明了燃料掺混与燃烧模式对自由基演变及火焰特性的调控规律。然而受限于燃烧机理模型的选择差异（如San Diego机理与其他模型的模拟偏差）、燃烧工况参数的敏感性变化（掺氨比例、压力梯度、火焰结构参数等）及燃料氮转化路径的复杂性，不同研究在污染物生成趋势与燃烧稳定性预测方面仍存在显著分歧。因此未来需重点开展跨尺度关联研究，通过构建标准化燃烧模型验证平台，协同优化微观自由基反应网络与宏观燃烧特性参数，为实现高效清洁掺氨燃烧技术提供理论支撑。

3.3　天然气掺氨低氮稳燃控制方法

在天然气与氨气掺混燃烧过程中，常面临火焰不稳定性和NO_x排放较高的问题。因此，亟需通过低氮稳燃技术进行有效控制，以降低NO_x排放并确保燃烧系统的稳定性。目前，常见的掺氨低氮稳燃技术包括旋流燃烧、分级燃烧、部分预分解燃烧以及局部增氧燃烧等方法。这些技术通过优化燃烧过程，能够有效改善燃烧性能，降低污染物排放，提升燃烧系统的整体运行效率。

作为常见的稳燃方法，旋流燃烧通过生成中心回流区、增强湍流混合和延长停留时间，可显著提高CH₄/NH₃混合燃料的稳燃性。其原理基于旋流诱导的复杂流场，促进燃料/空气混合、火焰锚定和反应速率提升。

旋流燃烧器在多种场景中得到了广泛应用。杨证淳等^[68]通过实验测量和大涡模拟等数值仿真手段，得出在一定的范围内，旋流燃烧可以提高CH₄/NH₃混合燃料的稳燃性，并降低污染物NO的排放。认为旋流燃烧会在中央位置出现倒花瓶型的中心回流区，在边缘处出现角落回流区（图12）。两者共同作用改善了CH₄/NH₃的燃烧性能，实现了低氮稳燃控制。

Valera-Medina等人^[69]研究了常压条件下NH₃/ CH₄旋流火焰的燃烧特性。研究表明，完全预混燃烧模式并不适用于NH₃/CH₄混合燃料，在中等旋流强度下，火焰会表现出不稳定性。相较之下，低旋流非预混燃烧则更适宜于NH₃/CH₄混合燃料的应用。

此外，掺氨燃烧存在NO_x排放、NH₃逃逸等风险。当掺氨比较小时，会有较多NO_x产生；当掺氨比较大时，NH₃会与NO反应生成无害的N₂，降低了NO_x排放，但过量的NH₃会造成氨逃逸。为了解决这一问题，分级燃烧的技术手段成为了国内外学者的关注重点。目前常用的方法是RQL燃烧，即“富燃–急冷–贫燃”（rich burn/quick-quech/lean burn）燃烧，其核心原理在于将燃烧过程分为3个精心控制的区域：首先，在富燃区，燃料在缺氧（空气不足）的高温条件下进行初始燃烧，这种环境抑制了主要由高温空气氮氧化生成的热力型NO_x，并将燃料自带的N元素更多地转化为无害氮气；随后，高温缺氧的燃烧产物进入淬熄区，与大量快速混入的空气骤然混合，实现迅速降温并快速跨过最易生成NO_x的化学计量比（燃料与空气恰好完全反应的比例）区域，从而避免了NO_x的峰值产生；最后，在贫油区，混合物在过量空气和相对较低温度下完成最终燃烧，进一步抑制了NO_x的生成。通过这种分阶段控制燃烧气氛和温度的方式，RQL技术有效避开了NO_x的主要生成路径和高效生成条件，从而实现了低NO_x排放的目标^[70]，其燃烧过程如图13所示。吉雍彬等^[71]对天然气为燃料的RQL燃烧室进行实验，通过调整富油区当量比、空气流量等参数，获得了NO_x、CO等物质的排放规律，并得到了RQL工况的运行区间。朱旭彤等^[72]通过实验与RANS（雷诺平均纳维斯托克斯方程）数值模拟计算，得出了轴向温度分布的规律，解释了排气温度非对称性的原理，同时优化了旋流器间距。Rocha等人^[73]通过数值仿真的方法比较了以NH₃为原料时，RQL、MILD、DLE（干式低排放燃烧法）3种燃烧方法NO_x的排放情况。当

ϕ

=1.22时，采用RQL方法的NO_x排放体积分数仅为8.1×10^–6，NH₃排放体积分数小于0.1×10^–6，可认为没有氨逃逸。

部分预分解燃烧是指部分氨预先分解产生氢气和氮气，再进行燃烧的方法，氢气的引入可以提高混合气体的燃烧速度和稳定性，同时也有助于减少NO_x的生成^[74]。

Lesmana等人^[75]对部分解离后的氨气火焰进行成像，认为在实验范围内，解离度越高，初始的火焰核心就越大，燃烧火焰也越亮，这说明预分解有利于提高燃烧强度和放热速率，燃烧火焰图像如图14所示。

通过使用CHEMKIN软件数值模拟，阐述了解离后各物种和反应的耦合影响机制，认为H₂的出现促进了NH₃的消耗反应，以及关键反应中间体NH、HNO、NNH等物质的生成。此外，相关研究还指出随着NH₃解离程度的增加，混合物的可燃性极限显著扩大^[76]，这同样有利于氨气的燃烧反应，促进了NH₃与NO的无害化转化。

富氧燃烧也是促进天然气掺氨低氮稳燃的常见方法。余露等^[77]利用Fluent软件进行数值仿真，论证了氧体积分数在21%~50%时，随着氧体积分数的增加，CH₄燃料消耗变快，火焰温度变高，污染物浓度降低。Shrestha等人^[78]则在更广泛的工况下验证了富氧燃烧的优异性能。Shrestha团队的研究发现在压力100~1 000 kPa、温度298~473 K工况下，层流火焰速度随氧含量的增加线性增加，这弥补了氨气燃烧的不足。该研究进一步表明，氧体积分数增加9%与掺混体积分数30% H₂对层流火焰速度的影响相同。在NO_x排放方面，Xiao等人^[79]通过数值仿真，论证了在氨气与甲烷混燃时采用富氧方法可以在不改变排放水平的情况下显著增强燃烧火焰的传播，改善燃烧性能。

由此可见，基于旋流燃烧、分级燃烧、部分预分解燃烧和富氧燃烧等低氮稳燃技术，优化天然气与氨气掺混燃烧过程，能够有效降低NO_x排放和氨逃逸风险，提升燃烧稳定性和效率，为天然气掺氨低氮燃烧的应用提供了切实可行的技术方案。

4　结论

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近年来，在“双碳”战略目标的推动下，发展低碳或零碳燃料及其高效燃烧技术成为亟待解决的重要课题。然而，氨燃烧面临着一系列挑战，如着火困难、火焰传播速度慢及易吹熄等问题。为优化氨燃料的燃烧性能，研究者提出了氨与甲烷混合燃烧的方案以解决这些燃烧难题，并开展了大量的实验与仿真研究。

本文首先从经济可行性与技术可行性等角度对天然气与氨混合燃烧进行了评估，系统论证了天然气掺氨燃烧技术的综合发展态势。该技术依托我国成熟的天然气基础设施与氨工业体系，通过适度改造即可实现经济层面可行的低碳发电，是电力行业转型的优选路径。

在基础研究层面，本文对近年来的天然气掺氨燃烧反应动力学研究进行了细致梳理。目前已有大量基于反应动力学的氨燃烧研究主要聚焦于揭示NO_x生成路径与关键中间体（如NH_x自由基）的作用机制，同时关注温度、压力、混合燃料组分等因素对氨燃烧特性的影响，但不同机理模型在预测普适性方面仍存在显著差异。实验与数值模拟研究通过激光诊断与CFD技术，阐明了掺混比、燃烧组织方式对火焰稳定性及污染物生成的内在调控机制，揭示了燃料N元素转化路径的复杂性导致不同研究NO_x预测结果存在分歧。

旋流燃烧、分级燃烧等技术已形成低氮稳燃技术体系，该体系有效实现了排放控制与能效提升的协同优化。尽管在跨尺度模型构建与精细化调控方面仍需突破，但结合现有技术储备与工程实践基础，天然气掺氨燃烧技术已具备规模化应用条件，有望成为我国能源清洁化转型的重要突破口。

5　展望

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燃气锅炉掺烧氨气因能从源头降低CO₂排放而备受关注，尽管目前国内外针对天然气与氨气掺混燃烧已有诸多研究，如掺混组织模式、燃烧机理开发、污染物排放特性等，但天然气掺氨燃烧技术开发仍面临一些挑战。

1）目前开发的天然气掺氨燃烧反应机理适用范围有限（如Okafor机理能够够很好地预测层流火焰传播速度，但在排放物预测方面准确度相对较低），对宽温区、宽当量比工况的层流火焰传播速度、NO_x排放等多种参数并不能实现准确预测；可嵌入于数值模拟实现实际工业装置运行优化的天然气掺氨燃烧简化/极简反应机理较为欠缺，需将工业实验与DREGEP、敏感性分析等机理简化方法相结合,需通过进一步研究得到更有效的掺混燃烧简化/极简反应机理。

2）目前可适用于天然气掺氨混合燃料的燃烧器设计理念、调控理论均非常有限，导致现有天然气掺氨燃烧装置运行经验不足，运行调控滞后，需通过持续的技术创新与理论研究，丰富天然气掺氨燃烧器设计理念、调控模式与运行理论。

3）大比例掺氨燃烧模式下，烟气中水蒸气含量大幅提高导致的炉内辐射换热特性、NO_x生成特性等均会有较大改变，亟需开展大比例掺氨燃烧稳定性、污染物排放特性、炉内辐射换热特性等协同机制的研究，为新型大比例掺氨高效清洁燃烧技术开发奠定基础。

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2025年第54卷第8期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202503055

接收时间：2025-03-13
首发时间：2026-03-05
出版时间：2025-08-25

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作者

出版历史

收稿日期：2025-03-13

基金

Key Research and Development Project of Science and Technology Ministry(2022YFB4003903)

科技部重点研发计划项目(2022YFB4003903)

作者信息

^1.山东电力工程咨询院有限公司，山东　济南　250013

^2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海　200240

通讯作者:

张海（1987），男，副教授，博士生导师，主要研究方向为燃料高效清洁低碳利用理论与技术，zhanghai@sjtu.edu.cn。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/rlfd/CN/10.19666/j.rlfd.202503055

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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