氨层流逆流火焰中 H2与 O2添加效果的数值研究：解锁高效清洁燃烧新路径

氨（NH3）作为零碳燃料潜力巨大，但其燃烧速率低、火焰稳定性差。研究人员对比研究 H2和 O2添加对 NH3的熄火应变率（ESR）、层流燃烧速度（LBV）和 NO 生成的影响。发现二者均可提升 LBV 和 ESR，但会增加 NO 排放。该研究为 NH3燃烧策略选择提供参考。

　　

研究背景

在全球积极应对气候变化、努力减少温室气体排放的大背景下，寻找清洁、可持续的能源成为科学界和工业界共同关注的焦点。氨（NH₃）作为一种极具潜力的零碳燃料，逐渐走进人们的视野。它可以由可再生氢（H₂）和大气中的氮（N₂）合成，单位体积的氢密度高达 45%，比液态氢还要高，而且在温和条件下就能液化，便于储存和运输。

然而，氨在实际应用中却面临着诸多挑战。与传统化石燃料相比，氨的燃烧特性并不理想。它的层流燃烧速度（Laminar Burning Velocity，LBV）较低，意味着燃烧过程相对缓慢，这会影响燃烧效率；同时，其自燃温度较高，给点火带来困难。此外，在一些实际燃烧环境，如内燃机和燃气轮机中，火焰会受到高表面变形率（拉伸率）的作用，而氨由于燃烧速率低、热值低，更容易发生火焰熄灭的情况，其熄火应变率（Extinction Strain Rate，ESR）相关研究也较少。

为了解决这些问题，科研人员一直在探索有效的方法。此前有研究发现，添加活性添加剂，如氢气（H₂）、甲烷、乙烷和醇类等，可以提高氨的燃烧性能，还有研究提出采用富氧燃烧技术来增强氨的燃烧强度和稳定性。但目前对于 H₂和 O₂添加对氨燃烧的综合影响，缺乏全面深入的对比研究，这也为相关燃烧策略的选择带来了困难。在这样的背景下，开展一项系统研究显得尤为必要。

研究概况

为了深入了解 H₂和 O₂添加对氨燃烧的影响，研究人员进行了一系列研究。虽然文章未提及具体研究机构，但研究成果发表在《Fuel》杂志上。研究人员首先对 Shu 等人提出的 NH₃/H₂/O₂反应机理进行了验证，对比了文献中测量的 LBV 和 ESR 数据。之后，利用验证后的机理，数值模拟对比了不同 H₂和 O₂添加比例（0 - 40%）、不同当量比（φ = 0.6 - 1.6）下对氨 ESR 的影响，并研究了不同应变率和 H₂/O₂添加水平下的 NO 排放情况，还通过动力学分析探讨了 H₂和 O₂添加产生的不同潜在影响。

研究方法

研究主要采用数值模拟方法。基于双预混逆流火焰模型和一维层流预混火焰模型，在绝热条件下，运用自主开发的 INSFLA 代码进行模拟。该代码已针对多种层流火焰配置进行了扩展，并在 NH₃/H₂/ 空气系统的层流燃烧速度和熄火极限测试中得到应用。模拟过程中采用了详细的化学反应机理和包含微分扩散的详细分子输运模型。

研究结果

1. H₂和 O₂对 LBV 和 ESR 的影响：研究发现，一般情况下，H₂和 O₂的添加都能显著提高氨的 LBV 和 ESR，扩大可燃极限。在当量比 φ = 1 时，添加 40% 的 H₂和 35% 的 O₂对氨 / 空气火焰的 LBV 和 ESR 提升效果相近。这表明这两种添加方式在增强氨燃烧方面具有相似的作用，为燃烧策略的选择提供了更多参考。
2. H₂和 O₂对 NO 排放的影响：添加 40% 的 H₂和 35% 的 O₂分别会使纯氨的 NO 排放增加约 3 倍和 5 倍。NO 排放与火焰温度密切相关，且呈现非单调关系。在较低到中等温度下，H₂和 O₂的添加增强了火焰温度和 H/OH/O 自由基池，促进了 NH₂ + O = HNO + H 反应，有利于 NO 的生成；但在较高火焰温度下，高 H₂分数会抑制 HNO 分解为 NO。这揭示了 H₂和 O₂添加影响 NO 排放的复杂机制，为控制 NO 排放提供了理论依据。

研究结论与讨论

这项研究通过全面对比 H₂和 O₂添加对氨燃烧的影响，为燃烧策略的选择提供了全面的基准。一方面，明确了 H₂和 O₂添加在提高氨的 LBV 和 ESR 方面的有效性，有助于优化氨在现有燃烧设备中的应用；另一方面，深入了解了 NO 排放与 H₂、O₂添加以及火焰温度之间的关系，为减少燃烧过程中的 NO 排放提供了方向。此外，研究结果对于氨湍流火焰的研究也具有重要意义，因为 ESR 在确定湍流火焰行为中起着关键作用。

不过，研究也存在一定的局限性。例如，研究主要基于数值模拟，虽然模拟结果能提供有价值的信息，但仍需更多实验研究进行验证。未来的研究可以进一步探索不同燃烧条件下 H₂和 O₂添加的最佳比例，以及开发更有效的燃烧技术来平衡氨燃烧性能提升和 NO 排放控制之间的关系，为实现氨的高效、清洁燃烧提供更坚实的理论和技术支持。