氨与液态烃燃料混合扩散火焰熄灭极限的动力学耦合效应研究

为解决氨(NH3)作为碳中性燃料在燃烧应用中反应活性低、火焰稳定性差的问题，研究人员通过实验与数值模拟研究了NH3与正构烷烃(nC7/nC10/nC12)、异辛烷(iC8)和甲苯的混合扩散火焰熄灭极限。研究发现NH3与正构烷烃存在促进性动力学耦合，而与支链烷烃和芳烃无显著相互作用，揭示了燃料分子结构特异性对NH3共燃技术的关键影响。

　　

在全球碳中和背景下，氨(NH₃)因其零碳特性成为备受关注的能源载体，但其燃烧性能存在明显短板——火焰传播速度慢、可燃范围窄，单独使用时难以满足实际能源需求。更棘手的是，NH₃燃烧会产生大量氮氧化物(NO_x)，而现有研究多集中于NH₃与轻质烃(如甲烷)的混合燃烧，对运输领域主流液态烃燃料的共燃机制知之甚少。当柴油等复杂组分燃料与NH₃混合时，不同分子结构的烃类会裂解生成迥异的自由基碎片，这些碎片如何与NH₂等含氮中间体相互作用？这种相互作用会增强还是抑制火焰稳定性？这些问题直接关系到双燃料系统的工程化设计，却始终缺乏系统研究。

美国南卡罗来纳大学机械工程系(Department of Mechanical Engineering, University of South Carolina)的Min Kyeong Yoon团队在《Proceedings of the Combustion Institute》发表的研究，首次通过精妙设计的对向流燃烧实验，结合先进激光诊断技术，揭示了NH₃与典型液态烃的分子级相互作用机制。研究人员采用"输运加权焓"(TWE)和"自由基指数"(Ri)量化化学动力学潜力，通过平面激光诱导荧光(OH-PLIF)捕捉羟基自由基浓度分布，结合包含368个物种的简化动力学模型，系统比较了正构烷烃(nC7/nC10/nC12)、异辛烷(iC8)和甲苯三类燃料与NH₃混合的火焰熄灭行为。

实验与数值方法

研究采用改进的对向流燃烧器，在燃料侧喷嘴出口温度500K、氧化剂侧300K的标准化条件下，测量不同燃料摩尔分数(X_f)的全局应变率(a_E)。通过同步辐射校正的OH-PLIF技术定量自由基浓度，结合Cantera软件进行二维火焰模拟。关键创新在于整合了Thorsen和Xu等人的NH₃反应子模型，新增了烷基碎片与NH₂的抽象反应路径。

结果与讨论

分子结构决定耦合方向

正构烷烃/NH₃混合火焰展现出反常行为：当采用Ri×TWE归一化后，其a_E值显著高于纯烃火焰，暗示NH₃存在促进效应。模型解析发现，这源于混合燃烧减少了CO₂生成比例，使火焰温度提升50-80K。而iC8/NH₃和甲苯/NH₃混合火焰则严格遵循Ri×TWE线性规律，表明无动力学耦合。

自由基池调控机制

OH-PLIF显示nC7/NH₃的OH产率比纯nC7高15%，而iC8体系则相反。敏感性分析锁定关键反应：C₃H₆+NH₂=C₃H₅-a+NH₃和CH₃+NH₂(+M)=CH₃NH₂(+M)对iC8体系抑制最强。支链烷烃特有的叔丁基(tC₄H₉)碎片会捕获NH₂生成惰性甲基胺，消耗大量H自由基。

芳烃的独特行为

甲苯氧化本就产生较少的H自由基，其与NH₃对H原子的竞争使自由基池萎缩更甚。尽管模型尚未包含甲苯碎片与NH₂的直接反应路径，实验与预测仍高度吻合，说明芳烃/NH₃耦合主要受热力学因素支配。

结论与展望

该研究建立了燃料分子结构-动力学耦合-火焰稳定性的定量关系，指出正构烷烃是NH₃共燃的最佳候选，而异构烷烃和芳烃需谨慎评估。工程应用方面，研究提出的Ri×TWE判据可直接用于燃料配方设计，而发展的Model 2动力学框架为复杂燃料模拟提供了新工具。未来需拓展至实际多组分燃料体系，并深入研究C≥4胺类化学对燃烧的影响。这项工作从分子层面为NH₃-烃类双燃料技术提供了设计准则，对航运、重载运输等难以电气化领域的碳减排具有重要指导价值。