近日，学院张永生教授团队在煤氨共燃本征动力学测量与机理研究方面取得进展，相关研究成果以《Study on Combustion Kinetics of Coal and Ammonia Co-firing Using a Counterflow TGA》为题，在日本京都举办的第 41 届国际燃烧会议（41st International Symposium on Combustion）宣读，并被燃烧领域国际顶级期刊《Proceedings of the Combustion Institute》录用。国际燃烧会议及PCI评审专家高度评价该论文：“the method could become a standard method for future studies...”、“ overall, this is a very innovative research...”、“it is a well-executed study with innovative and valuable insights...”、“the experimental approach is interesting and shows potential originality ...”。

“双碳”战略目标下，我国现役煤电机组的低碳化改造是电力行业碳减排的关键路径。氢、氨作为可规模化制备的零碳燃料，与现有煤粉锅炉兼容性良好，煤掺氨/氢共燃技术成为煤电低碳转型的重要研究方向。但现有机理研究中，传统热重分析仪在开展气固共燃实验时存在固有缺陷：其一，气态燃料从进气口到固体样品坩埚的传输路径中会提前发生均相燃烧，导致测得的动力学参数与真实共燃本征特性存在显著偏差，无法准确反映气固燃烧的交互作用机制；其二，现有燃烧评价指标多针对纯固体燃料构建，难以定量表征气固掺混过程中煤燃烧的分阶段特性与阶段间耦合效应，制约了机理研究的深化与工程方案的优化。

针对上述共性难题，团队自主研发了对冲式掺烧热重分析仪，通过重构气路结构与反应区布局，采用双侧对置喷嘴将气体燃料与空气直接输送至固体燃料样品表面上方，在坩埚上方形成稳定的对撞流反应区，实现了气态燃料与固体燃料在同一反应区内的同步燃烧，从原理上消除了传统仪器气体燃料预燃烧导致的系统性测量偏差。

图1 对冲式掺烧热重分析仪装置结构与传统热重分析仪气路原理对比图

经标准样品校准与纯煤燃烧基准对比验证，该仪器测量精度符合热分析实验规范，可更真实地还原燃煤锅炉内煤氨共燃的实际反应过程。通过与传统热重仪的系统对比发现，传统装置因氨预燃烧产生的“热冲击”效应会导致挥发分阶段活化能被严重高估，低转化率下偏差可达110 kJ/mol 以上，无法准确反映氨对煤燃烧的本征抑制作用；而对冲式掺烧热重分析仪有效规避了预燃烧干扰，测得的动力学参数更贴合工程实际。

图2 不同氨气掺混比例下对冲掺烧热重分析仪与传统热重分析仪煤氨共燃燃烧特性对比

基于该实验平台，系统开展了煤氨共燃特性研究，建立了包含燃烧强度、燃烧进程两个维度6项指标的气固共燃评价体系，可定量评估气体燃料和煤燃烧两个阶段的调控作用与耦合效应。

图3 评价指标示意图及其评价指标体系

其中，共燃挥发分释放影响比RVRR量化氨对煤粉挥发分燃烧强度的促进/抑制幅度；共燃固定碳燃烧影响比RFCR表征氨对焦炭燃烧峰值强度的抑制程度；共燃挥发分进程影响比RVRP反映氨造成挥发分燃烧峰值时间偏移程度；共燃固定碳进程影响比RFCP定量焦炭燃烧时序随氨掺量的滞后变化；燃烧强度耦合指数ICIC衡量挥发分、焦炭两阶段燃烧强度差异；燃烧进程耦合指数ICPC表征两燃烧阶段时间间隔的耦合变化。

研究明确了氨对煤燃烧的分阶段双向作用机制：在挥发分释放阶段，存在10%-11%的临界氨掺混比，低于该比例时氨以自由基消耗作用为主，对挥发分释放影响较弱；超过该比例后氨分解生成的活性自由基占主导，显著促进挥发分释放。在固定碳燃烧阶段，氨整体表现为抑制作用，且抑制效果随掺混比例升高持续增强，燃烧峰值向高温方向偏移，该效应由自由基竞争与氨-焦炭表面异相反应共同主导，而非传统认知中单纯的氧竞争与热效应。此外研究还发现，升温速率提升会强化氨对固定碳燃烧的抑制作用，进一步拉大两个燃烧阶段的强度差异，与氨掺混比存在协同调控效应。

图4 不同氨气掺混比例下的共燃影响特性

初审：王敏

复审：张冬月

审核：张永生  张衡