高温高压稀释环境下CH4/NH3裂解混合气可燃性特征的实验与动力学研究

本研究通过恒容燃烧室实验结合辐射传热修正的自由传播火焰模型，系统揭示了N2/H2O/CO2稀释对CH4/NH3裂解混合气可燃下限（LFL）的非线性影响规律，发现CO2通过热力学与化学协同效应产生最强抑制效果，为低碳燃料安全利用提供了关键燃烧动力学依据。

　　

Experimental measurements of the LFL

图5展示了N₂、H₂O和CO₂三种稀释剂在0-30%稀释比例下对不同CH₄混合比及NH₃裂解率的可燃下限（LFL）影响。所有四种混合气的LFL均随稀释比单调增加，并呈现非线性二次函数关系。该趋势通过二次多项式拟合良好捕捉，判定系数（R2）超过0.99。三种稀释剂中，CO₂对LFL的影响最为显著，而N₂的影响最弱。其原因包括：1）CO₂具有更高的比热容和辐射热损失率，显著降低火焰温度；2）CO₂通过直接参与化学反应（如CO + OH = CO₂ + H）消耗关键自由基。在70% CH₄混合比下，LFL显著低于40%混合比，且对NH₃裂解率变化不敏感。当CO₂稀释率达到30%时，高辐射热损失率与比热容使混合气更接近可燃性阈值。

Conclusions

本研究在473 K和0.5 MPa条件下，采用恒容燃烧室（CVCC）测量了N₂、H₂O和CO₂稀释比例为0-30%时不同混合比的CH₄/NH₃裂解气的LFL。通过综合分析实验数据、火焰演化、形态及不稳定性，并结合辐射热损失率的自由传播火焰模型对LFL附近的反应动力学进行研究。主要发现如下：

（1）LFL随稀释比例非线性增加，遵循二次函数趋势；

（2）CO₂的抑制效果最强，其相关系数约为H₂O的2倍、N₂的4倍；

（3）提高稀释比例会增强有效路易斯数（Lewis number）和火焰厚度，从而改善火焰稳定性，其中CO₂效果最显著而H₂O最弱；

（4）LFL处的火焰主要由H和OH自由基反应主导，H + O₂ = OH + O的净反应速率远超过其他反应；

（5）与改变CH₄混合比和NH₃裂解率相比，增加稀释比例或更换稀释剂类型对O、H、OH自由基摩尔分数的影响更为显著。