纯氨在自热循环燃烧器中的燃烧与分解

《Fuel Communications》：Pure ammonia combustion and decomposition in an autothermal recirculating combustor

两阶段氨燃烧通过自动 thermal 回流 combustor（ARC）解决初级燃烧阶段火焰不稳定问题，数值模拟显示当当量比达1.83时NOx排放降至6ppm，氢气浓度和转化率分别提升至9.28%和21.91%，存在最佳当量比优化氢产率。

　　

李森|王子怡|魏小琳|赵静|张亮

中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，中国北京市北四环西路15号，100190

摘要

两阶段纯氨燃烧显著提高了燃烧效率，同时减少了NO_x的排放。然而，在第一阶段，低温和较差的燃料-空气混合导致火焰不稳定。本文提出了一种自热循环燃烧器（ARC），并在燃料富集条件下（ER > 1）将其作为第一阶段燃烧器进行使用。通过数值模拟研究了NH₃和空气在ARC中的混合、预热和反应特性。引入的低温NH₃和空气能够迅速被预热并有效混合，这扩大了燃烧当量的上限，即使在当量为1.83时也能维持稳定的火焰。在1020–1350 K的温度范围内，NH₃的氧化和分解过程进行得很快。火焰中的氢自由基作为关键链载体，促进了OH自由基的生成和NH₃的脱氢反应，从而控制了ER > 1时的反应动力学。当燃烧当量从1.30增加到1.66时，ARC出口处的H₂浓度和转化率分别从5.33%增加到9.28%，从14.56%增加到21.91%。存在一个最佳燃烧当量，可以使ARC出口处的H₂浓度最大化。当燃烧当量从1.30增加到1.83时，NO_x浓度从71 ppm降低到6 ppm。

引言

氨（NH₃）是一种有潜力的氢载体，因为它含有高比例的氢（17.6 wt%），且无碳，易于液化和处理[1,2]。然而，在利用NH₃进行燃烧时遇到了一些挑战，如高NO_x排放、燃烧强度低、燃限范围窄以及自燃温度高[[3], [4], [5]]。由于燃限范围窄，NH₃的稳定燃烧所需的当量（ER）较窄，导致燃烧不稳定且效率低下，因此NH₃难以作为单一燃料使用[6,7]。为了改善NH₃的燃烧性能，大多数研究通过预裂解或催化支持[8], [9], [10]来利用催化剂提高纯NH₃的点火稳定性和燃烧强度。然而，在实际应用中，如燃气轮机、电站锅炉和水泥窑中，氨的消耗量庞大且热负荷较高，这对大规模推广催化氨燃烧带来了显著挑战。目前，文献中只有少数研究关注了不使用催化剂的纯NH₃直接火焰燃烧[11,12]。

当前的研究已经从纯NH₃燃烧转向了NH₃与H₂或CH₄的混合燃烧[[13], [14], [15]]。在实际工业应用中，氨与氢或甲烷等燃料共燃需要多个燃料储存和供应系统，这使得基础设施变得复杂。Khateeb等人[6]使用带有旋流配置的燃烧器测试了预裂解的NH₃，结果表明，随着预裂解比例的增加，纯氨的稳定燃烧范围（ER = 0.8–1.2）显著扩大。为了实现氨燃料的大规模应用，Samarathne和Srinivasarao等人[16,17]提出了两阶段氨燃烧策略。该策略首先在缺氧条件下将氨转化为氢，通过燃料-NO途径最小化NOx的形成；然后在第二阶段对氢进行燃烧，实现接近完全氧化，NO排放量大幅降低。Ditaranto等人[18]通过实验验证了这一策略，并发现第一阶段燃烧器中的氨分解需要较高的火焰温度。早期研究表明，纯氨的分解大约在1200 K时开始[19]。然而，目前用于研究纯氨火焰的许多燃烧器最初是为传统燃料设计的，无法完全满足两阶段燃烧第一阶段氨分解的需求。两阶段纯氨燃烧面临的一些挑战包括：低温和较差的燃料-空气混合导致火焰不稳定，以及NH₃在第一阶段的燃烧延迟。为了在两阶段纯氨燃烧过程中实现稳定火焰和高燃烧效率并降低NO_x排放，通过烟气预热提高NH₃/空气的温度和增强气体流动混合至关重要。

在本研究中，采用了一种自热循环燃烧器（ARC）作为第一阶段燃烧器，其热管理策略借鉴了液体火箭发动机中的再生冷却系统。在这种配置下，进入的NH₃/空气混合物经过两阶段增强：（1）通过高温燃烧室壁吸收热量进行对流预热；（2）通过循环流场促进湍流混合。这一协同过程使NH₃/空气混合物的初始温度超过自燃阈值，同时确保燃料分布均匀，从而提高了燃烧效率和火焰稳定性。通过数值模拟研究了NH₃/空气在ARC中的混合、传热和燃烧特性，并探讨了当量对含氢组分转化率的影响。

ARC的几何结构和工作原理

图1展示了ARC的概念和设计。燃烧器由内管和外管组成，NH₃和空气通过四个等距的切向入口（一个NH₃入口和三个空气入口）进入内外管之间的环形通道，这些入口位于燃烧器下端。NH₃和空气在环形通道中上升时，同时从内管壁吸收热量。

NH₃和空气在ARC中的混合与预热特性

由于纯氨的燃烧速率较低，通常会导致燃烧效率下降，因此NH₃和空气在ARC中的混合与预热特性对燃烧过程至关重要。在本研究中，为了实现快速混合并有效被内管的高温表面加热，NH₃和空气从切向方向进入内外管之间的环形通道，该通道有三个空气入口和一个NH₃入口。

结论

ARC被用作两阶段纯氨燃烧系统的首阶段燃烧器，通过数值模拟研究了混合、预热和反应的特性，并分析了当量对NH₃氧化/分解及NO_x排放的影响。得出以下结论：

（1）NH₃和空气的切向引入促进了ARC中的更好混合和有效预热。环形通道内的内管表面具有较高的热量

CRediT作者贡献声明

李森：撰写——原始草稿、方法论、实验研究。王子怡：实验研究。魏小琳：方法论、资金获取。赵静：撰写——原始草稿、实验研究。张亮：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢国家自然科学基金（编号：52176142）的财政支持。