氨在流化床煤/氨共燃过程中的原位催化预裂解

《Energy & Fuels》：In Situ Catalytic Precracking of Ammonia for Fluidized Bed Coal/Ammonia Cofiring

氨作为清洁燃料在碳中和背景下的应用及燃烧优化研究，提出利用锅炉废气余热进行原位氨预热裂解的新策略，系统评估了不同催化剂（Fe/Ni/Ru负载陶瓷、煤焦炭、赤铁矿）在200-900℃下的裂解活性，揭示了温度、催化剂类型对氨转化率的影响规律，为氨气 cofiring 系统提供关键数据支持。

　　

在碳中和的背景下，氨作为一种无碳燃料替代品逐渐受到关注，这得益于其化学稳定性、高氢密度（17.8%）以及成熟的合成基础设施。然而，氨的低燃点和高氮含量带来了挑战，包括燃烧不稳定性和NH₃燃烧过程中NO_x排放的增加。本研究提出了一种新策略，通过利用锅炉烟气热量对氨进行原位预裂解，从而实现NH₃的清洁高效燃烧。研究中评估了一系列用于NH₃裂解的催化材料：负载在γ-Al₂O₃/蜂窝陶瓷（HC）上的Fe、Ni或Ru；基于碳的材料（煤焦和石油焦）；以及天然矿物（赤铁矿）。在200–900°C的温度范围内进行了系统的活性测试，研究了活性组分、载体、温度和空速的影响。对于活性较高的Fe/γ-Al₂O₃、Ni/γ-Al₂O₃和Ru/γ-Al₂O₃填充材料，通过表征进一步分析了反应前后其物理化学性质的变化。结果表明，NH₃的裂解效果显著受温度和催化材料的影响，而在工业操作范围内（2000–4000 h^–1），气体空速的影响有限。基于Ru的催化剂在550°C时NH₃转化率超过95%（活性最高）；Ni/γ-Al₂O₃（非贵金属基准催化剂）在600°C时转化率为83.39%，650°C时可实现完全转化；天然赤铁矿在700°C时的转化率为93.96%。煤焦和石油焦也表现出催化活性。动力学分析表明氨裂解活化能的顺序为：空床 > 石油焦 > 煤焦 > 赤铁矿 ≈ Fe/Al₂O₃ > Ni/Al₂O₃ > Ru/Al₂O₃。本研究为废热利用（200–900°C）建立了催化剂选择方案，实现了0–100%的NH₃转化率。这些结果为氨预裂解辅助的流化床煤/氨共燃系统中的催化剂选择提供了关键数据支持。