平面多孔燃烧器中H2/NH3混合燃料微发电机的NOx排放控制与能效提升研究

为解决微燃烧器能效低、NOx排放高的难题，研究人员通过实验与数值模拟探究了H2/NH3混合燃烧特性及多孔介质(PM)的影响。结果表明，20% NH3掺混比时NO排放峰值达49.4%，而PM的引入使NO降低5.5%，同时辐射效率提升至37.5%。该研究为碳中性燃料在微动力系统的应用提供了优化策略。

　　

随着微机电系统(MEMS)的快速发展，便携式能源设备需求激增，但传统化学电池存在能量密度低、环境污染等问题。氢(H₂)和氨(NH₃)作为零碳燃料备受关注，但H₂燃烧的高热损失和NH₃引发的燃料型NO_x排放制约其应用。微燃烧器因尺寸效应面临火焰不稳定、能效低下等挑战，亟需通过燃料优化和结构创新实现性能突破。

中国的研究团队在《Journal of Advanced Research》发表研究，通过实验测试与数值模拟相结合的方法，系统分析了NH₃掺混比(5%-30%)和多孔介质对平面微燃烧器性能的影响。采用FLUKE红外测温仪测量壁面温度，结合ANSYS-FLUENT 19.2构建三维模型，集成59种组分、356步反应的氨燃烧机理，通过CHEMKIN进行反应路径解析，揭示了H₂/NH₃混合燃烧的优化机制。

H₂/NH₃掺混比的影响
实验发现NH₃掺混使火焰向出口迁移，25%掺混时平均壁温达1171K，辐射能量最高(40.1W)。数值模拟显示NH₃添加通过R39(H+O₂?OH+O)等链式反应改变自由基分布，20%掺混时因OH/N/HNO协同作用导致NO排放峰值，30%掺混时NO降低49.4%。

多孔介质的调控作用
插入18mm PM使火焰稳定在界面处，最高壁温提升149K至1301K。PM通过强化辐射传热使排气温度降至1200K以下，同时使PM区域NO浓度骤降，总排放减少5.5%。反应路径分析表明，PM通过抑制R273(HNO+H?H₂+NO)等关键反应降低NO生成。

反应机理解析
NH₃主要通过NH_i→HNO→NO路径贡献燃料型NO。敏感性分析显示R246(NH₂+O?HNO+H)等反应对NO生成影响显著，而R256(NH₂+NO→N₂+H₂O)等反应促进NH_i向N₂转化，是减排的关键路径。

该研究创新性地提出20%-25% NH₃掺混比与PM协同优化的方案，使微燃烧器在保持高热效率(37.5%)的同时实现NO_x减排。通过揭示NH_i中间体向N₂转化的反应网络，为氨燃料在微尺度燃烧系统的应用提供了理论依据，对开发高效清洁的微动力装置具有重要指导意义。