氨掺杂火焰中氮-碳反应路径对碳烟形成的调控机制研究

为解决氨燃料燃烧过程中碳烟抑制机制不明确的问题，研究人员通过构建MC0/MC2/MC2-Aniline多尺度反应模型，结合SGPA路径分析，揭示了C9H7与NH2的交叉反应对PAHs生长路径的阻断效应，在乙烯反扩散火焰中实现碳烟体积分数(SVF)最大降低50%，为清洁燃料设计提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，氨(NH₃)作为零碳燃料备受关注，但其与烃类燃料混燃时产生的碳烟抑制机制长期存在争议。传统观点认为氨主要通过稀释效应和C₂H₂浓度调控抑制碳烟，但实验发现即使C_{2H2未显著减少时，碳烟体积分数(SVF)仍可下降超50%，暗示存在更复杂的化学作用机制。这一谜题直接关系到混合燃料的清洁燃烧技术开发。}

为破解这一难题，研究人员构建了包含MC0(无氮-碳作用)、MC2(C1-C2级氮-碳作用)和MC2-Aniline(苯胺路径)的多层次反应模型，结合混合矩方法(HMOM)和基于碳烟的全局路径分析(SGPA)，系统研究了乙烯反扩散火焰中不同氨掺杂浓度(0%-25%)下的碳烟演化规律。

关键技术包括：(1)采用OpenFOAM?框架耦合Cantera求解器，建立包含质量、动量、能量及碳烟矩量(如M_x,y)的传输方程体系；(2)开发改进的HMOM模型，通过δ函数描述小颗粒与对数多项式描述大颗粒的双模分布；(3)基于量子化学计算引入C₉H₇+NH₂→C₉H₇N+2H等关键反应；(4)采用SGPA算法量化碳元素从燃料到碳烟的全局路径贡献值D_GP。

【温度与SVF分布】
模拟显示氨掺杂对火焰温度影响微弱(<2%)，但SVF在25%氨浓度时实测下降56%。MC2机制比MC0更准确预测SVF下降趋势，证实C1-C2级氮-碳作用的存在，但仍低估抑制效果约30%。

【关键中间体分析】
与传统认知相反，C₂H₂浓度在氨掺杂时保持稳定，而苯(A1)和2-3环PAHs仅轻微减少。表面生长源项计算表明，HACA过程抑制主要源于碳烟表面活性位点减少，而非C₂H₂供给不足。

【反应路径重构】
SGPA揭示GP2路径(C₂H₄→C₄H₄→C₆H₆→A2R5→碳烟)贡献率达41%。引入C₉H₇N路径后，该路径被截断为C₉H₇→C₉H₇N→惰性产物，使碳烟前驱体通量下降27%。

这项研究首次证实PAHs与氮物种的交叉反应是碳烟抑制的关键，建立的MC2-C₉H₇N机制将SVF预测误差从>30%降至<15%。该成果不仅为混合燃料设计提供了新靶点——通过定向调控C₉H₇/NH₂反应路径可实现深度减排，更为复杂燃烧系统中多相反应建模提供了方法论范例。未来需通过同步辐射光电离质谱等实验手段进一步验证C₉H₇N中间体的存在性。