壁面热损失对模型燃气轮机燃烧室中NH3/CH4/空气预混火焰排放特性的影响机制研究

为解决碳中性燃料应用中的火焰稳定性与污染物排放问题，研究人员通过实验与数值模拟探究了壁面热损失对NH3/CH4/空气预混火焰的影响。研究发现，氨摩尔分数增加可拓宽火焰稳定区间，但局部熄火现象显著提升N2O排放，而NO生成对热损失高度敏感。该研究为氨燃料在燃气轮机中的清洁应用提供了关键数据。

　　

在全球加速脱碳的背景下，氨(NH₃)作为零碳燃料载体备受关注，但其燃烧特性却成为技术瓶颈。与甲烷(CH₄)相比，氨的火焰速度慢、可燃范围窄，且燃烧过程会产生强温室气体N₂O（全球增温潜势是CO₂的273倍）和高浓度NO_x。更棘手的是，燃气轮机燃烧室的壁面冷却可能加剧这些挑战——现有研究表明，热损失会抑制火焰稳定性，但对其与氨燃料排放特性的关联机制尚不明确。

为破解这一难题，研究人员设计了一套创新的实验-数值联合研究方案。在模型燃气轮机燃烧室中，通过调节旋流数(S=0.45/0.78)、氨摩尔分数(α=10-40%)和当量比(φ=0.74-0.89)，系统考察了壁面热损失对NH₃/CH₄/空气预混火焰的影响。实验采用红外热像仪精确测量壁温分布，结合高速摄像和OH*自由基检测追踪火焰动态；同步开发包含4个理想搅拌反应器(PSR)的化学反应网络模型(CRN)，整合Kovaleva机理(59种组分/354个反应)进行数值验证。

火焰稳定性与动态特性
研究发现，当φ≥0.76时，增加氨含量可拓宽稳定燃烧区间，最高达40%的氨掺混能有效抑制回火。但在贫燃条件(φ<0.76)下，氨的加入使火焰接近吹熄极限，尤其在S=0.78时出现显著波动。高速影像显示，高旋流数下火焰根部应变率超越氨火焰的熄火阈值(220.56 s^-1)，导致提前抬举。

壁温与排放的关联
壁面温度分布揭示了热损失的双重效应：在φ=0.74/α=0.4的极端条件下，局部熄火使壁温骤降100K以上，伴随N₂O浓度激增50%而NO减少。OH*概率密度分析证实，这种动态熄火-再点燃过程会周期性中断自由基链式反应，阻碍N₂O通过NH+NO?H+N₂O路径的消耗。

CRN模型的预测与局限
数值模拟成功捕捉了NO随壁温降低而减少的趋势，但对N₂O的预测偏差达80%。敏感性分析指出，N₂O(+M)?N₂+O(+M)这一三体反应对温度变化最敏感，其速率常数的小幅变动会导致N₂O浓度指数级变化。模型缺陷主要源于未能计入局部熄火造成的瞬态热损失。

这项研究首次揭示了燃气轮机条件下氨混合火焰的"热损失-排放"耦合机制：壁面冷却虽可降低NO，但会通过促进N₂O净生成加剧温室效应。更关键的是，研究团队建立的CRN框架为优化氨燃烧器设计提供了工具，尽管其预测精度仍需通过引入非稳态模块提升。这些发现为开发低排放氨燃气轮机技术奠定了理论基础，对实现电力行业深度脱碳具有重要实践意义。