在一种通道直径为1毫米的非预混式氨-氢-空气微燃烧器中实现火焰稳定

《International Journal of Hydrogen Energy》：Flame stabilization in a non-premixed ammonia-hydrogen-air micro-combustor with a 1 mm channel

氨氢混合燃料微燃烧器燃烧特性研究 摘要：针对微燃烧器中氨燃料低反应性难题，建立二维数值模型，分析1kW非预混氨氢空气微燃烧器（通道高1mm）的燃烧特性。研究发现，最大氨体积分数可达38%，燃烧效率在当量比0.8时达99.9%，火焰稳定性受混合质量、扩散系数及反应活性共同影响，氨含量增加导致混合质量下降、扩散系数降低及OH自由基浓度减少，需优化供氧与燃料流场匹配。

　　氨作为清洁能源，因其经济性、零碳排放以及便于运输等优点，近年来被越来越多地视为微型燃烧器的燃料选择。然而，在微型燃烧器中实现氨火焰的稳定燃烧却面临诸多挑战，这主要归因于高表面积与体积比带来的显著热损失、短停留时间以及氨本身较低的反应活性。本研究探讨了一种1 kW非预混氨-氢-空气微型燃烧器，其通道高度为1 mm，旨在稳定燃烧含有最高38%体积比例和83.9%质量比例的氨-氢燃料混合物。研究采用二维计算模型，结合简化的反应机制，并通过文献数据对数值结果进行了验证。研究结果表明，随着燃料混合物中氨的摩尔分数增加，能量输出提高，但熄火极限降低。进一步的贫燃分析显示，燃烧效率在全局当量比为0.8时达到最高，为99.9%。这些发现表明，氨-氢混合物是可持续微型燃烧应用的有前景燃料，能够平衡两种燃料的优势，同时缓解其各自的局限性。

微型燃烧器作为便携式MEMS设备，具有小尺寸、高能量密度和兼容多种无碳绿色燃料的特点。然而，实现火焰稳定是极其困难的，主要受限于高表面积与体积比导致的显著热损失、短停留时间和燃烧器内较差的燃料混合。因此，开发一种基于无碳燃料的便携式微型燃烧器电源仍然是当前面临的关键挑战。近年来，大量研究集中在使用氢气作为微型燃烧的绿色燃料，主要是因为其高层流燃烧速度和高加热值（HHV）。然而，氢气的低自燃温度和低体积能量密度使得其在运输和实际应用中存在困难。相比之下，氨因其高体积能量密度和较高的自燃温度，成为一种有潜力的绿色燃料，这使其在储存、运输、实用性和经济可行性方面优于氢气。氨和氢气的气体物理化学特性对比如表1所示。随着全球向绿色燃料的转型，沙特阿美公司与日本合作已经开始了氨燃料的生产和运输。与此同时，关于氨燃料微型燃烧的研究也在稳步推进，如本文所述。

在微型燃烧器中实现稳定燃烧的关键在于设计合适的燃料混合比例和流速。本文研究了一种非预混的氨-氢-空气燃烧器，其通道高度为1 mm，旨在实现含有最高38%体积比例和83.9%质量比例的氨-氢混合燃料的稳定燃烧。为了实现这种燃烧，研究采用了一个简化的反应机制，包含19种物质和63个反应，以模拟氢-氨混合燃料与空气的燃烧过程。这种简化的机制能够有效降低计算成本，同时保证模拟的准确性。研究还考虑了火焰与燃烧器壁之间的共轭热传导，以更准确地模拟热交换过程。

在实验和数值分析中，研究发现，随着氨的体积比例增加，燃料与空气的混合质量逐渐下降，这主要归因于流动中更强的对流效应和较差的扩散混合。同时，氨的加入会导致燃烧混合物的加热值（LHV）下降，这进一步影响了燃烧效率。研究还分析了不同氨混合比例对燃烧器温度分布和火焰特性的影响，发现随着氨比例的增加，燃烧器内的最大温度逐渐上升，但在某些混合比例下，温度分布出现波动，这可能与燃料混合质量有关。研究中通过比较不同混合比例下的火焰特性，发现保持特定的燃烧条件和流动参数是实现稳定燃烧的关键。

研究还分析了氨混合比例对燃烧效率的影响。在全局当量比为0.8时，燃烧效率达到最高值99.9%，这表明在特定的混合比例下，即使混合质量较差，通过增加氧化剂的供给，仍然可以实现高效的燃烧过程。这与氨-氢混合燃料在贫燃条件下表现出的燃烧特性一致。研究还发现，随着氨比例的增加，火焰的熄火极限降低，这主要由于氨的低反应活性和较差的燃料混合。因此，在设计微型燃烧器时，需要综合考虑燃料混合比例、流动速度和燃烧条件，以实现最佳的燃烧效率和火焰稳定性。

此外，研究还探讨了不同氨混合比例对燃烧器温度分布和热传递特性的影响。通过对比不同混合比例下的温度分布和热传导特性，研究发现，氨的加入显著影响了燃烧器的热性能。特别是在高混合比例下，由于氨的低比热容，混合物的比热容降低，导致燃烧过程中的温度升高。然而，这也使得燃烧器更容易发生热损失，这需要在设计中进行权衡。研究还分析了不同混合比例下燃烧器的热传导特性，发现随着氨比例的增加，燃烧器壁的热传导特性变化显著，这进一步影响了燃烧器的热效率和火焰稳定性。

在燃烧器设计和操作中，维持合适的燃烧条件和流动参数是实现稳定燃烧的关键。研究发现，随着氨比例的增加，燃烧器内的混合质量下降，这导致了燃烧过程中的热损失和火焰不稳定。因此，在设计微型燃烧器时，需要合理选择燃料混合比例和流动速度，以确保燃烧器能够在稳定状态下运行。此外，研究还发现，氨的加入显著影响了燃烧器的热性能，特别是在高混合比例下，燃烧器的热传导特性变化显著，这需要在设计中进行考虑。

研究还探讨了不同混合比例对燃烧器热效率的影响。通过对比不同混合比例下的热传导特性，研究发现，氨的加入显著影响了燃烧器的热性能。特别是在高混合比例下，由于氨的低比热容，混合物的比热容降低，导致燃烧过程中的温度升高。然而，这也使得燃烧器更容易发生热损失，这需要在设计中进行权衡。研究还分析了不同混合比例下燃烧器的热传导特性，发现随着氨比例的增加，燃烧器壁的热传导特性变化显著，这进一步影响了燃烧器的热效率和火焰稳定性。

此外，研究还发现，氨的加入显著影响了燃烧器的热传导特性。通过对比不同混合比例下的热传导特性，研究发现，氨的加入显著影响了燃烧器的热性能。特别是在高混合比例下，由于氨的低比热容，混合物的比热容降低，导致燃烧过程中的温度升高。然而，这也使得燃烧器更容易发生热损失，这需要在设计中进行权衡。研究还分析了不同混合比例下燃烧器的热传导特性，发现随着氨比例的增加，燃烧器壁的热传导特性变化显著，这进一步影响了燃烧器的热效率和火焰稳定性。

综上所述，本研究通过数值模拟，探讨了氨-氢混合燃料在微型燃烧器中的燃烧特性及其影响因素。研究发现，随着氨比例的增加，燃烧器的热性能和火焰稳定性发生变化，这需要在设计和操作中进行综合考虑。同时，研究还指出，维持合适的燃烧条件和流动参数是实现稳定燃烧的关键。这些发现为微型燃烧器的设计和优化提供了重要的理论依据和实践指导。