混合过程如何缓解C-N相互作用：双环形NH?/CH?火焰的定量大涡模拟研究

《Combustion and Flame》：How mixing process mitigates C-N interactions: A quantitative LES study of dual-annular NH 3/CH 4 flames

　　

摘要 混合过程对NH3/CH4火焰的局部热化学环境、火焰结构和NOx生成具有深远影响。此前的实验表明，将燃料氮与烃类流股分离会影响C-N相互作用并降低NOx排放，但其内在机理仍未能得到充分理解。在本工作中，我们采用详细化学动力学的大涡模拟，针对一种具有灵活直喷/旋流喷注构型的环形燃烧器中的NH3/CH4火焰进行了研究。本文考察了一种新型双流混合策略，即将富燃料、掺氨的一次流股与贫燃料、不含氨的二次流股相结合。首先，大涡模拟结果与化学发光测量表明，将一次当量比（Φpri）从0.90提高到1.35可显著降低OH浓度和整体反应活性。与此同时，由于内部回流的作用，它增强了氨的分解，从而有效抑制了NH3向NOx转化的反应路径。其次，为定量研究多燃料与空气的混合过程，我们定义了由CH4和NH3贡献组分构成的混合分数fCH4和fNH3。在一次燃料贫燃条件下，fNH3和fCH4均受到甲烷分割比SCH4的强烈影响。较高的SCH4有助于减少HCN的生成，而HCN是与烃-氨耦合相关的关键中间产物。最后，我们进一步提出了燃料C-N分离因子SC-N，以量化燃料碳与氮组分之间的分离程度。结果表明，在一次燃料贫燃条件下，C-N分离及混合过程对甲烷分级比在一次燃料富燃条件下更为敏感。HCN和NO浓度与SC-N密切相关。这些结果表明，甲烷分级可通过增强燃料氮/烃的分离并削弱C-N耦合来减少排放，尤其在一次燃料贫燃条件下效果更为显著。

新颖性与重要性声明 NH3/CH4分离火焰中混合过程如何影响NOx生成，在基础层面上仍缺乏充分理解。本研究首次引入燃料碳/氮分离因子（SC-N）作为定量标量指标，用于诊断分级NH3/CH4火焰中复杂的多组分混合过程及其与NOx生成路径之间的关键联系。超越当量比或燃料分级比等常规宏观描述参数，该指标揭示了燃料氮与烃类流股在时空上的有意分离如何解耦关键的化学反应，尤其是涉及HCN中间产物的反应，从而揭示了一种由混合控制的NOx降低机理。SC-N为设计低排放氨燃烧系统提供了一个全新的理论框架。

引言 NH3日益被视为可持续能源系统中有前景的无碳燃料和氢载体[[1],[2],[3]]。然而，其在燃烧设备中的直接应用面临两大且往往相互关联的挑战：由于燃烧速度低和自燃温度高导致的燃烧稳定性差[4,5]，以及源于其固有燃料氮的强烈NOx生成倾向[6]。常用于增强火焰稳定性的方法包括将NH3与更活泼的燃料如CH4或H2掺混[[7],[8],[9]]，以及采用气动稳焰技术如旋流燃烧[[10],[11],[12]]。虽然这些策略可以有效稳定火焰，但可能无意中加剧NOx排放，尤其是在预混或共燃配置下。添加CH4等烃类燃料会改变自由基池（例如增加O/H自由基浓度），并引入涉及HCN等中间产物的替代反应路径，在某些条件下可能导致比纯NH3火焰更高的NOx排放[[13],[14],[15],[16],[17],[18]]。这一悖论凸显了简单燃料掺混的关键局限性，也强调了需要更精细的燃烧策略来解耦火焰稳定性与NOx生成的必要性。

打破这一权衡关系的一条有前景的途径是燃料氮/烃分离策略，即将NH3和CH4分开供给，以人为创建分级燃烧环境。多项实验研究表明，这种解耦配置可大幅降低NOx排放[[19],[20],[21]]。最近，我们利用一种多级快速混合切向旋流燃烧器，证明调节一二次级之间的CH4分割比（SCH4）可有效抑制NOx生成。将CH4分割比提高至完全分离燃烧（SCH4=1）可使NOx排放降至300 ppm以下（@3.5% O2），并显著拓宽低NOx操作窗口[22]。该分离策略的有效性已在兆瓦级得到进一步验证。Elbaz等人[23]报告称，在一次流股中供给纯NH3（即将NH3和CH4在物理上分离到不同级次）可获得最低的NOx排放。类似地，Vijrumbana等人[24]发现，NH3/CH4燃烧的非掺混模式比预混和部分预混配置的污染物排放更低。

综合来看，这些一致的研究结果强烈表明，全面的混合过程——即独立的NH3、CH4和气流之间的空间与时间相互作用——是分级燃烧模式下控制NOx排放的主要因素。由该混合过程确定的局部化学计量比决定了燃料氮是被氧化为NOx（例如在贫燃区通过HNO途径）还是被还原为无害的N2[25,26]。尽管该策略已显示出潜力，但混合过程从根本上如何影响NH3/CH4分离火焰中的NOx生成仍知之甚少。特别是，在复杂流场中所有燃料氮、烃类和氧化剂组分之间的耦合混合效应代表了一个关键的知识空白。

揭示多组分混合与NH3反应路径之间的内在相互作用需要有关关键物种和温度场原位空间分布的详细信息。然而，在具有复杂卷吸行为的湍流旋流火焰中，仅通过实验测量获得此类数据极其困难[27,28]。这一空白促使采用高保真数值模拟。大涡模拟（LES）能够解析非定常湍流结构并纳入详细化学动力学，已成为实现这一目的不可或缺的工具[[29],[30],[31]]。经过验证的LES模型可以提供缺失的物种浓度和温度标量场，从而作为一个数值实验室，系统性地研究混合过程，并在入口条件、火焰结构和最终NOx排放之间架起桥梁[32]。

在本工作中，我们旨在利用经过验证的LES方法，从数值上阐明在燃料分离策略下，全面的混合过程在NH3/CH4火焰NOx生成中的作用。采用LES模型预测在定制混合策略影响下的NO形成模式和潜在减排机理，并与从一种新型灵活环形旋流燃烧器获取的实验数据进行验证。考虑到本文复杂的燃烧器几何形状和操作条件，LES旨在捕捉主要流场和火焰特征、关键中间产物和相对NO趋势，而非完全解析的定量预测。此外，本文引入了基于混合分数的分析和专门的燃料分离因子（SC-N），以定量表征复杂的混合过程，并阐明空气分级与燃料分级各自的作用。

章节片段：具有直喷/旋流喷注系统的环形燃烧器

本研究所使用的环形旋流燃烧器示意图如图1所示。其设计基于之前报道的燃烧器[21,33]，具有一个圆柱形钝体中心体，周围环绕两个同心环形孔口。独立的一次（中心通道）和二次（外环通道）流股实现了对空气/燃料分配和NH3/CH4分级的灵活控制。值得注意的是，二次环形通道配备有两个入口：一个用于直喷的垂直入口和一个

LES设置

在大涡模拟中，质量、动量、物种和能量的控制方程经过空间滤波，以避免直接解析小尺度湍流结构，同时通过亚格子尺度模型来考虑其影响。该滤波过程产生如下LES方程组：
?ρ￣/?t + ?(ρ￣uj?)/?xj = 0
?(ρ￣ui?)/?t + ?(ρ￣uj?ui?)/?xj + ?p￣/?xj = ??/?xj[ρ￣(uiuj? ? ujui?)] + ?τij￣/?xj
?(ρ￣Yk?)/?t + ?(ρ￣uj?Yk?)/?xj = ??/?xj[ρ￣(uiYk? ? ui?Yk?)] + ?/?xj(ρDk ?Yk/?xj?) + ωk￣
?(ρ￣h?)/?t + ?(ρ￣uj?h?)/?xj = ?p￣/?t ? ?/?xj[ρ￣(uih? ? ui?h?)] + ?/?xj(ραk ?h/?xj?) + ωh￣

Φpri对火焰结构和NO生成的影响

图6展示了Φpri分别为0.90、1.15和1.35的三种旋流NH3/CH4火焰的OH*化学发光图像和LES预测的OH分布。需要注意，实验测量的OH*化学发光和LES预测的基态OH质量分数并非同一物理量。OH*是一种电子激发态物种，其测量强度取决于化学激发、辐射衰减、碰撞猝灭、温度、压力和局部组成。之前

结论 我们利用大涡模拟从数值上研究了混合过程如何减轻燃料氮和烃类（C-N）之间的相互作用及其对环形NH3/CH4旋流火焰NOx排放的影响。我们引入了基于燃料的混合分数（fCH4、fNH3）和归一化分离因子（SC-N），以量化入口条件对混合过程的影响。主要发现总结如下：

(1) 经过验证的LES模型与实验测量结果吻合良好

CRediT作者贡献声明

李一鹏：撰写——初稿，正式分析，数据整理，概念构思。
司同：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调查研究，数据整理。
芦安妮：撰写——审阅与编辑，方法论，正式分析。
张建国：撰写——审阅与编辑，数据整理。
金国生：撰写——审阅与编辑，验证。
李世清：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。

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