基于数值参数分析的氢氨混合燃料NO减排与燃烧性能优化研究

《Journal of the Energy Institute》：A numerical parametric analysis for NO x reduction and combustion performance of ammonia fuels blended with direct and cracked hydrogen

本文通过化学动力学模拟系统研究了直接掺氢与裂解掺氢两种氢源对氨燃料燃烧特性（层流燃烧速度LBV、点火延迟时间IDT、NOx排放）的影响。研究确定了30%氢掺混比为最优工况，揭示了四个关键基元反应对燃烧过程的核心作用，并提出当量比为0.65、二次氧流量占比75-80%的两级燃烧策略可实现最低NOx排放强度（以甲烷火焰为基准），为开发高效低排放氢氨燃烧技术提供了理论指导。

　　

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Methodology

本研究所有动力学模拟均采用Chemkin软件的预混模块和0D封闭均相反应器子机制。层流燃烧速度（LBV）的预测采用1D自由传播层流火焰机制，该机制不受外部扰动、壁面效应或流动条件影响，是基础燃烧研究的代表性框架。为确保计算精度和网格独立性，采用了自适应网格细化技术。

Mechanism validation

氨燃烧机制的研究始于20世纪80年代，目前已衍生出多种详细的氨燃烧化学动力学机制。然而不同机制对燃烧特性的预测存在显著差异，且与实验值之间存在偏差。因此，针对每种燃烧特性选择最优机制至关重要。

Effects of operation parameters on laminar burning velocity

层流燃烧速度（LBV）是决定燃料混合物燃烧行为的关键参数，对于表征燃气锅炉燃烧器中预混火焰的回火、吹熄和火焰稳定等现象具有核心作用。

图2对比了不同氢源（直接氢气与裂解氢气）在宽范围当量比、进口温度和压力条件下对氢氨火焰层流燃烧速度的影响。

Effects of operation parameters on ignite delay time

预混氢/氨燃烧的关键特征之一是点火延迟时间（IDT），通常通过激波管实验进行高精度测量。鉴于氨的易燃范围窄且自燃温度高，系统研究操作参数对IDT的影响对于改善其点火特性至关重要。

实验研究中常用氩气（Ar）替代氮气（N₂）作为稀释剂，以消除氮化学反应的复杂性。

Effects of operation parameters on NO_x emissions

NO_x排放是含氮燃料燃烧面临的重要挑战。为优化燃气锅炉的进口条件，研究了氢气含量（0–0.3）、氧浓度（21–71 vol%）和当量比（0.7–1.4）对N₂O、NO和NO₂浓度的影响。进口条件设定为温度T = 670 K、压力P = 20 atm。在此基础上，对不同氧含量下的NO_x排放进行了详细分析。

图8显示NO_x排放...

Conclusions

本研究聚焦于直接掺氢与裂解氢氨燃料在燃气锅炉中的应用，通过数值模拟深入探究了其燃烧特性，特别是NO_x排放行为。在验证了近期代表性化学机制并对比423组实验数据后，系统分析了关键操作参数（当量比、氢掺混比、氧浓度、进口温度与压力）对燃烧性能的影响规律。研究确定30%氢掺混比为兼顾层流燃烧速度（LBV）提升与NO_x控制的最优工况，并识别出四个同时主导火焰传播和点火过程的关键基元反应。采用总当量比0.65、二次氧占比75-80%的两级燃烧策略展现出显著优势，可实现最低NO_x排放强度。本研究为开发高效低排放氢氨燃烧策略提供了重要理论依据。