等离子体辅助氨/氢旋流火焰中NH/NO同步PLIF测量及其污染物形成机制研究

本研究针对氨燃料燃烧中NOx排放控制与火焰稳定性难题，通过同步NH/NO平面激光诱导荧光（PLIF）技术，揭示了等离子体在NH3/空气和NH3/H2/空气火焰中对NH和NO生成路径的调控机制。研究发现等离子体通过增强NH与NO的反应显著降低下游NO排放，为清洁氨燃烧技术开发提供了关键实验依据。

　　

氨（NH₃）作为一种零碳燃料，在船舶运输和能源生产领域展现出巨大潜力，但其低火焰速度和NO_x排放问题制约了应用。尽管通过燃料掺混和分级燃烧（RQL）等策略可部分改善性能，但如何同时实现低排放和高稳定性仍是未解难题。非平衡等离子体技术虽在甲烷燃烧中可能增加NO_x，却在NH₃燃烧中表现出独特的减排效果，但其作用机制因缺乏NH/NO同步检测技术而尚未阐明。

针对这一科学瓶颈，美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）航空航天工程学院的研究团队创新性地采用单染料激光系统，结合倍频和混频单元，实现了236.214 nm（NO）和303.545 nm（NH）双波长同步激发，首次在?=0.75-1.1的等离子体辅助NH₃/空气和NH₃/H₂（9:1）旋流火焰中获取了NH/NO的时空分布特征。研究通过轴向分段PLIF测量（Z=20-215 mm）结合热力学模拟，揭示了等离子体对污染物形成路径的调控规律。

关键技术方法包括：（1）搭建配备AC放电的旋流稳定燃烧器，输入功率30W（占火焰热功率3%）；（2）优化激光片厚度（400 μm FWHM）实现NH/NO同步PLIF成像（SNR>8）；（3）采用化学动力学模拟（Chemkin-Pro）分析关键反应路径。

【研究结果】

1. 1.

   近场增强效应

   等离子体使NH₃/空气火焰在Z=25 mm处的NO信号增强1.5倍，NH分布展宽至±15 mm。H₂掺混使NO在内外剪切层均出现，但NH增强幅度降低40%，表明H₂通过消耗O原子削弱了等离子体对NH₃氧化的促进作用。

2. 2.

   下游NO消耗差异

   在NH₃/空气火焰中，等离子体使Z=205 mm处NO强度降低50%，而NH₃/H₂/空气火焰仅变化15%。垂直PLIF显示NH层始终分隔NO分布区，证实NH+NO→N₂H₂+H反应的关键作用。

3. 3.

   反应路径解析

   敏感性分析表明：等离子体通过O₂解离加速NH₃→NH₂→NH链式反应，而H₂掺混通过H+O₂→OH+O产生更多OH，促进NH快速氧化导致NH储备不足。

【结论与意义】

该研究首次通过实验证实：等离子体在NH₃/空气火焰中通过"近场NO生成-下游NH消耗"双路径实现NO_x减排，而在NH₃/H₂火焰中因H₂竞争消耗活性氧导致NH介导的DeNO_x效应减弱。这一发现发表于《Proceedings of the Combustion Institute》，为等离子体-燃料协同优化提供了理论依据，推动氨燃烧技术在船舶发动机等高温应用场景的落地。未来需结合原子氧PLIF测量进一步验证反应网络。