旋转滑移弧等离子体辅助预混氨-甲烷/空气旋流火焰的燃烧特性

《Journal of the Energy Institute》：Combustion characteristics of premixed ammonia-methane/air swirl flames assisted by a rotating gliding arc plasma

　　

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  旋转滑动弧等离子体稳定了预混 NH?-CH?/空气旋流火焰。
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  等离子体活化增强了 CN、CH、OH 和 NH 的发射。
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  在等离子体辅助的燃料 lean 条件下，NO? 排放量增加。
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  O? 辅助的 HNO 反应路径主导了等离子体诱导的 NO 生成。
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  燃料 rich 低 NH? 混合物由于去 NO? 反应路径较弱而表现出较高的 NO? 水平。

引言

随着与二氧化碳（CO?）排放增加相关的气候变化问题不断加剧，发电和工业燃烧系统的脱碳化变得日益迫切[1]。氨（NH?）作为无碳燃料，在燃烧过程中不产生 CO?，同时作为一种有前景的氢（H?）载体，受到了广泛关注。然而，由于氨的低反应活性、低层流燃烧速度（S_L）、高点火温度以及来源于燃料结合氮的氮氧化物（NO?）排放，在传统燃烧器中直接实施纯 NH? 燃烧仍面临挑战[2]。在此背景下，NH?-甲烷（CH?）共燃烧作为一种实用的过渡策略被提出，旨在逐步实现 CO? 减排，同时与纯 NH? 燃烧相比，对现有天然气燃烧系统进行最少的改造。尽管如此，随着 NH? 比例的增加，NH?-CH? 燃料混合物仍面临火焰稳定性恶化和 NO? 排放特性改变的问题[3]。为应对这些挑战，等离子体辅助燃烧（PAC）作为一种克服上述限制的有前景的方法，近年来受到了越来越多的关注。等离子体辅助燃烧通过从燃料-氧化剂混合物中产生化学活性自由基，从而加速燃烧反应、改变反应路径并改善火焰稳定性和放热特性，为工业应用提供了一条有前景的途径[4]。

为了在工业操作条件下实际使用等离子体辅助 NH? 燃烧，需要对 NH? 的内在燃烧特性及其在等离子体活化下的变化进行对比性了解。在这方面，NH? 燃烧在基础研究与应用研究领域均得到了广泛调查。具有代表性的基础研究包括使用球形膨胀火焰实验测量 NH? 的 S_L[5]、[6]，在对向流火焰构型中应变引起的 NH? 燃烧特性变化[7]，以及 NH? 的点火延迟时间（IDT）特性[8]。基于这些发现，关于 NH? 和 NH? 掺混燃料的预混[9]、[10]、[11]、[12]以及非预混[13]、[14]、[15]火焰的应用研究已开展，展示了其在燃气轮机和工业燃烧器中的潜在适用性。为增强 NH? 的燃烧强度并减少 NO? 排放，这些研究探索了燃料掺混和分级燃烧等策略。

在这些燃烧研究进展的基础上，近期研究越来越关注等离子体辅助 NH? 燃烧，作为拓宽 NH? 在基于燃烧的能量系统中实际应用性的一种手段。在燃料 lean 条件下，非平衡等离子体的应用已被实验证明可以扩展 NH?/空气火焰的稳定极限，同时增强 NH? 和 OH 的发射强度[16]。此外，旋转滑动弧等离子体（RGAP）应用于预混 NH?-CH?/空气火焰的研究表明，其可增强 OH 发射强度并扩展内回流区（IRZ），这对改善燃烧稳定性具有显著贡献[17]。同时，对预混 NH?/空气等离子体辅助燃烧的数值研究为等离子体活化对 NH? 氧化化学的影响提供了见解。该研究证明，等离子体活化可以降低 NH? 燃烧的 IDT，而 NH? 和 NH 自由基则根据操作条件的不同，优先促进 NO? 生成或去 NO? 反应路径[18]。特别是，采用空气分层构型的研究表明，将等离子体应用于非预混 NH?/空气燃烧可以显著减少 NO?[19]。该研究进一步指出，当量比和预混比是控制 NO? 生成路径发展的关键参数。

尽管近期研究越来越多地将 PAC 应用于拓宽 NH? 作为燃料的实际应用性，但仍有若干方面需要进一步研究，尤其是从排放特性的角度来看。为促进 NH? 在现有燃烧系统中的实施，同时尽量减少改造，需要对 NH?-CH? 燃料混合物中 PAC 特性进行详细了解。然而，与纯 NH? 和 NH?-H? 系统相比，等离子体辅助 NH?-CH? 燃烧受到的关注相对有限。因此，研究 NH?-CH? 燃料混合物中的 PAC 对于在逐步替代 NH? 过程中维持火焰稳定性并评估相应的 NO? 排放特性至关重要。此外，基于排气排放测量、光学发射光谱和反应路径分析的排放特性综合解释仍显不足。特别是，等离子体诱导反应与随后的火焰内燃烧反应在控制 NO? 生成和还原中的相对作用尚未得到系统性阐明。这种理解对于确定 PAC 激活的反应路线以及在实际操作条件下优化等离子体辅助 NH?-CH? 燃烧至关重要。

因此，本研究旨在阐明旋转滑动弧等离子体对预混 NH?-CH?/空气旋流火焰燃烧特性的影响，从而支持在现有燃烧系统中实施含 NH? 燃料混合物，同时尽量减少改造。通过在不同 NH? 比例和当量比条件下的直接火焰图像和光学发射光谱分析，以及对 NO? 排放的测量，实验表征了等离子体对火焰行为的影响。与此同时，分别考虑等离子体诱导活化和随后的火焰内氧化化学进行数值分析，并对每个过程进行反应路径分析，以阐明观察到的排放特性背后的机理。最终，本研究旨在通过与非等离子体辅助燃烧的对比，阐明燃料 lean 和燃料 rich 条件下等离子体诱导的排放特性变化，并为实现等离子体辅助 NH?-CH? 燃烧的低 NO? 和低未燃燃料（LNF）要求提供指导。

章节摘要

实验与数值方法

图 1a 展示了用于研究等离子体辅助预混 NH?-CH?/空气火焰燃烧特性的带有石英壁的模型燃烧器。预混喷射器的出口直径（d_o）为 26.0 mm，圆柱形燃烧器腔体内径（w_c）为 130.0 mm。喷射器和燃烧器底座采用 SUS316L 材质，因其具有在含 NH? 环境中的耐腐蚀性和高温耐久性。安装了一个径向旋流器以延长等离子体-流动

火焰形态与稳定性

在相同成像条件下拍摄直接火焰图像，以检查预混 NH?-CH?/空气旋流火焰中 PAC 诱导的形态变化（图 4、图 5）。当旋转滑动弧等离子体应用于预混 NH?-CH?/空气旋流火焰时，观察到火焰颜色和外观发生明显变化。如图 4 所示，等离子体辅助火焰表现出放电特有的紫色发射，与图 1c 中所示的等离子体图像一致。与

结论

为阐明等离子体辅助在基于 NH? 燃烧中的作用，在不同 x_a,f 和 ? 条件下研究了预混 NH?-CH?/空气旋流火焰的火焰稳定化、光学发射特性和排气排放。本研究的主要成果可总结如下：

• 1.
  等离子体辅助通过将火焰锚定在喷射器附近并扩展 IRZ，增强了预混 NH?-CH?/空气旋流火焰的稳定化。这表明等离子体诱导的混合物

CRediT 作者贡献声明

Jae Hyun Kim：撰写——初稿，方法论，调查研究，概念构思。Tae Young Kim：可视化，调查研究，数据整理，概念构思。Tae Won Kim：数据整理。Oh Chae Kwon：撰写——审阅与编辑，方法论，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIT）和韩国电力公社支持（NRF-2021R1A2C2005644及R23XO05-05）。

Jae Hyun Kim|Tae Young Kim|Tae Won Kim|Oh Chae Kwon