NH3/CH4混合燃料MILD燃烧条件下新型骨架机理的开发与氢/氮氧化物路径解析

针对NH3/CH4混合燃料在MILD（适度或强烈低氧稀释）燃烧中机理不明确、NOx排放高的问题，研究人员通过系统评估7种详细机理，开发了含39物种的骨架机理（DRGEP方法），揭示了低氧（O2≤6%）高氨（NH3≥90%）条件下NHx自由基对NO消耗的关键作用，为清洁能源应用提供理论支撑。

　　

氨（NH₃）作为零碳燃料因其储运优势备受关注，但其燃烧性能差、NO_x排放高的缺陷制约应用。甲烷（CH₄）掺混虽能改善燃烧，但在MILD（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution）燃烧条件下的反应机理尚不明确。中国地质大学（武汉）团队通过系统评估7种NH₃/CH₄详细机理（包括Konnov-Li-2019、PG-2018等），结合误差定量分析，筛选出最优机理并开发出39物种的骨架机理（采用DRGEP和全物种敏感性分析法）。该机理在点火延迟时间（IDT）、层流燃烧速度（LBV）及PSR/PFR中关键物种浓度预测上与实验数据高度吻合。研究进一步揭示：在低氧（O₂≤6%）高氨（NH₃≥90%）条件下，NH_x自由基通过NH₂+NO→N₂+H₂O等路径显著促进NO消耗，而CH₄氧化产生的OH自由基会加速NH₃转化导致NO_x峰值出现在NH₃占比25%-50%区间。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为混合燃料清洁燃烧提供机理优化与排放控制新策略。

关键技术包括：1）基于实验数据集（IDT、LBV、PSR/PFR物种浓度）的7种机理误差定量评估；2）DRGEP（定向关系图误差传播）与敏感性分析结合的骨架机理简化；3）MILD条件下H₂生成路径的速率分析（ROP）；4）低氧环境NO_x转化路径的分子动力学模拟。

主要结果

1. 机理评估：PG-2018机理在IDT预测中误差最低（<15%），而Konnov-Li-2019对LBV和PSR物种预测最优，综合选定为骨架机理开发基础。
2. 骨架机理验证：39物种机理将计算效率提升3倍，同时保持NO、NH₃等关键物种预测误差<5%。
3. H₂生成路径：MILD条件下NH₃脱氢主要通过NH₃→NH₂→NH→N连锁反应，而CH₄贡献的H₂主要来自CH₃+O₂→CH₂O+OH路径。
4. NO_x调控机制：高NH₃占比时，NH₂自由基通过还原路径将NO转化为N₂，而中等NH₃比例（30%-50%）时CH₄衍生的OH会通过NH+OH→HNO→NO链式反应增加NO_x。

结论与意义
该研究首次建立了适用于NH₃/CH₄混合燃料MILD燃烧的骨架机理，明确了低氧环境下NO_x的“双峰调控”特性（NH₃浓度依赖），为工业级低氮燃烧器设计提供了理论依据。通过机理简化与路径解析的协同创新，实现了从基础燃烧化学到工程应用的桥梁搭建。