旋流稳定NH3 /CH4 与NH3 /生物燃气燃烧中N2 O生成路径的调控机制及减排策略

本研究针对氨混合燃料（NH3 /CH4 和NH3 /生物燃气）燃烧过程中强温室气体N2 O的生成难题，通过化学动力学模拟揭示了NH+NO?N2 O+H等关键反应路径，发现CO2 稀释可抑制自由基浓度从而降低N2 O排放，而提高入口温度则呈现双重效应。研究成果为设计低碳氨燃料系统提供了理论依据，推动清洁能源技术发展。

　　

论文解读

背景与挑战
在全球碳中和背景下，氨（NH₃
）因其零碳特性和高氢含量成为备受瞩目的清洁燃料。然而，NH₃
燃烧过程中产生的氧化亚氮（N₂
O）却成为新的环境难题——其温室效应强度是CO₂
的310倍，且会破坏臭氧层。更棘手的是，当NH₃
与甲烷（CH₄
）或生物燃气（含25-50% CO₂
）混合燃烧时，N₂
O的生成机制复杂多变，现有研究尚未阐明CO₂
稀释和温度对N₂
O路径的调控规律。

研究设计与方法
UCSI大学的研究团队采用CHEMKIN软件构建一维燃气轮机燃烧网络模型，基于验证过的Okafor机理（简化版Tian机理），系统分析了NH₃
/CH₄
和NH₃
/生物燃气在当量比（φ_G
）0.8（贫燃）和1.1（富燃）条件下的N₂
O生成动力学。研究重点考察了入口温度（300-500K）和CO₂
稀释（0-30%）对关键自由基（H/O/OH）及反应路径的影响。

关键发现

1. 反应路径锁定
   通过速率分析（ROP）确认NH+NO?N₂
   O+H和NNH+O?N₂
   O+H是主要生成路径，而N₂
   O+H?N₂
   +OH是核心消耗路径。在贫燃条件下，CO₂
   通过降低H/O/OH自由基浓度，使N₂
   O排放减少达40%。

2. 温度的双刃剑效应
   升高入口温度虽加速N₂
   O生成速率，但在富燃条件（φ_G
   =1.1）下，高温（>450K）反而促进N₂
   O分解，这与NH₃
   掺混比呈非线性关系。

3. 生物燃气的特殊性
   NH₃
   /生物燃气因固有CO₂
   含量，其N₂
   O排放比NH₃
   /CH₄
   低15-20%，但需警惕高CO₂
   比例导致的燃烧不稳定性。

结论与展望
该研究首次阐明CO₂
在NH₃
混合燃料中对N₂
O的"化学稀释"作用机制，提出通过优化CO₂
添加比例（建议15-20%）和分级温度控制可实现N₂
O减排与燃烧效率的平衡。成果发表于《Journal of the Energy Institute》，为生物燃气掺氨技术的工程化应用提供了关键理论支撑，尤其对沼气发电厂的低碳改造具有指导价值。未来研究可结合CFD模拟进一步验证旋流场中N₂
O的时空分布特性。