甲烷 / 氨 / 空气预混射流火焰与倾斜壁面相互作用的传热及排放特性研究

为解决环境污染与能源短缺问题，研究人员针对甲烷 / 氨 / 空气预混射流火焰与倾斜壁面作用展开研究。通过实验与模拟，发现当量比、间距等参数对传热、NOX和 CO 排放的影响，为优化燃烧过程、开发清洁能源技术提供支撑。

　　

在能源危机与环境恶化的双重压力下，传统化石燃料燃烧带来的高碳排放和污染物排放问题日益凸显。甲烷作为常规燃料虽燃烧效率高，但会产生大量 CO₂加剧温室效应；氨作为无碳燃料却存在燃烧 reactivity 低、NO_X排放高的缺陷。如何平衡清洁能源的高效利用与污染物控制，成为全球能源领域的关键挑战。与此同时，实际燃烧场景中火焰与壁面的相互作用（如工业炉窑、动力设备中的火焰冲击传热）会显著影响燃烧效率和污染物生成，但现有研究多聚焦单一燃料或壁面参数，缺乏甲烷 / 氨混合燃料与倾斜壁面耦合作用的系统性分析。

为填补这一研究空白，国内研究团队开展了甲烷 / 氨 / 空气预混射流火焰与倾斜壁面相互作用的实验与数值模拟研究。该成果发表在《Fuel》期刊，旨在揭示不同参数（当量比 Φ、间距 H/d、雷诺数 Re、壁面倾角 θ、氨掺混比 α）对火焰结构、传热特性（温度分布、热流密度、热效率）及污染物（CO、NO_X）排放的影响规律，为低碳燃料的工程应用提供理论依据。

研究主要采用实验测量与三维数值模拟结合的技术路线。实验搭建了预混火焰冲击倾斜壁面的测试平台，通过流量计精确控制甲烷、氨、空气的流量配比，经预混后由燃烧器出口喷出形成稳定火焰，利用数字相机记录火焰形态，同步测量温度场与热流密度。数值模拟则基于开源计算流体力学（CFD）工具，构建甲烷 / 氨燃烧的化学反应机理模型（包含关键基元反应如 R41:H+O₂<=>O+OH 和 R55:H+CH₃(+M)<=>CH₄(+M)），模拟不同工况下的流场、温度场及污染物生成路径。

火焰结构与传热特性

研究发现，当火焰冲击倾斜壁面且火焰锥与壁面中心间距较大时，驻点附近形成低速区，导致温度分布呈现双峰特征，热流密度峰值偏离驻点位置。当量比 Φ=1.1 时火焰高度最低，但热传递效率也最低，这表明需在燃烧稳定性与传热效率间寻求平衡。间距 H/d 过小或过大均会降低热效率，中等间距（H/d=3）时传热性能最优，揭示了火焰冲击距离对能量传递的关键作用。雷诺数 Re 增大使温度峰值升高，说明湍流强度增强促进了燃烧反应速率，但对 CO 和 NO_X排放影响较小，表明流动状态主要影响传热而非污染物生成机制。

壁面倾角与污染物排放

壁面倾角 θ 对燃烧特性影响显著。当 θ=45° 时，热效率较水平壁面（θ=0°）下降 13%，且温度分布均匀性恶化，这是由于过大倾角导致火焰附壁效应减弱，热量分散。同时，θ 增大使 NO_X和 CO 排放显著增加，表明倾斜壁面可能通过改变燃烧滞留时间和氧浓度分布，促进氮氧化物的热生成路径与不完全燃烧反应。氨掺混比 α 的增加会降低 NO_X排放，这与氨燃料中氮组分的竞争氧化机制有关，但 α 过高（>20%）会导致火焰稳定性下降，需综合考虑脱碳效果与燃烧可靠性。

关键反应机理

通过反应路径分析发现，R41 反应（H+O₂生成 O 和 OH 自由基）是促进 NO_X生成的主要基元反应，其增强会加速燃料型 N*O 和氧化型 NO 的形成；而 R55 反应（H 与 CH₃结合生成 CH₄）则通过消耗活性 H 自由基，抑制 NO_X的生成，揭示了甲烷 / 氨混合燃料中自由基竞争对污染物控制的关键作用。

研究结论与意义

本研究系统阐明了甲烷 / 氨混合燃料预混火焰与倾斜壁面的相互作用机制，量化了关键参数对传热效率与污染物排放的影响规律。结果表明，优化当量比（Φ=1.0~1.2）、控制壁面倾角 θ≤30°、采用中等间距（H/d=3~4）可实现高效低污染燃烧。研究识别的 R41 和 R55 关键反应，为设计低 NO_X燃烧器提供了明确的化学调控靶点。该成果不仅拓展了混合燃料燃烧的基础理论，也为工业燃烧设备（如燃气轮机、加热炉）的低碳化改造提供了工程参数参考，对推动 “双碳” 目标下清洁能源技术的发展具有重要意义。