氢富集与催化多孔介质对甲烷/氨混合燃料燃烧特性的协同调控机制

为解决碳基燃料CO2排放与氨燃料NOx污染问题，研究人员通过数值模拟系统研究了CH4/NH3/H2混合燃料在非多孔介质（non-PM）、惰性多孔介质（Inert-PM）和铂催化多孔介质（Catalytic-PM）中的燃烧特性。结果表明，50% NH3+20% H2混合可使CO2减排30%，而催化介质能将NOx进一步降至520 ppm（较惰性介质降低59%），同时提升火焰温度与层流火焰速度，为碳中性燃料系统设计提供新思路。

　　

全球变暖背景下，碳中性燃料的开发成为能源领域焦点。氨（NH₃）作为零碳燃料虽具潜力，却面临燃烧速度慢、NO_x排放高的难题；氢（H₂）能提升燃烧效率，但存储与安全性制约其应用。甲烷（CH₄）作为过渡燃料与氨混合可降低碳排放，但氮氧化物（NO_x）生成机制复杂，尤其N₂O的温室效应是CO₂的298倍。多孔介质燃烧技术通过强化热传递可改善燃烧稳定性，而铂（Pt）催化介质更能通过表面反应（如OH自由基吸附）调控污染物生成。目前，燃料组分与多孔介质类型的协同效应尚不明晰。

北京理工大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次系统对比了13种CH₄/NH₃/H₂混合燃料在non-PM、Inert-PM和Catalytic-PM中的燃烧行为。研究采用详细气相/表面动力学模型，结合Pt催化反应机理，分析了火焰速度、温度场及CO₂/NO_x排放特性。

关键方法

1. 数值模拟：基于CH₄/NH₃/H₂混合燃料的详细化学反应机理
2. 多孔介质建模：分别构建惰性Al₂O₃与Pt催化介质的传热-反应耦合模型
3. 参数分析：量化燃料组分（如20% H₂富集）对层流火焰速度（SL）的影响

结果与讨论
Combustion within porous media
惰性多孔介质通过热回流降低火焰峰值温度（ΔT≈200 K），使NO_x从12,607 ppm骤降至1,639 ppm，但牺牲了10%燃烧效率；而Pt催化介质通过表面链式反应（如H₂解离吸附），在维持高温（1,850 K）的同时将NO_x进一步压制至520 ppm，且SL提升22%。

Results and discussion
50%NH₃/30%CH₄/20%H₂混合燃料在Catalytic-PM中展现出最佳平衡：CO₂减排30%，NO_x不足基准值的5%，且SL达35 cm/s（较纯CH₄提高15%）。Pt表面促进NH₃分解为H/NH₂自由基，加速链引发反应，而多孔结构延长停留时间，使N₂转化率提升至92%。

结论
该研究揭示了氢富集与催化多孔介质的协同效应：H₂作为"反应促进剂"弥补NH₃的动力学缺陷，而Pt介质通过"化学-热力学双重调控"实现低温脱硝。这种组合策略使NH₃基燃料兼具低碳排放（CO₂≤0.5 g/MJ）与低污染（NO_x<600 ppm）特性，为微型热电联产系统设计提供理论依据。作者Ali Tolouei和Ayat Gharehghani指出，未来需优化孔隙率（50%-90%）与Pt负载量的匹配关系以降低成本。