研究NH?/O?/Ar混合物中微量NO的添加对最小着火能量和NO排放的联合作用

《Combustion and Flame》：Study of trace NO addition in NH 3/O 2/Ar mixtures: Coupled effects on minimum ignition energy and NO emission

　　

摘要

在氨燃料燃气轮机燃烧中采用废气再循环（EGR）可以减少NO排放。然而，这一再循环过程会将残留的NO重新引入未燃烧的燃料/氧化剂混合物中。本研究数值评估了微量NO添加对预混NH₃/O₂/Ar混合物的强制点火过程和NO排放特性的影响，考察了广泛的初始温度、压力和NO添加量范围（T = 800–1200 K，P = 1–20 atm，NO添加量0–2000 ppm）。结果表明，NO的添加促进了强制点火并降低了净NO排放。在800 K和1 atm的条件下，添加2000 ppm的NO使最小点火能量（MIE）降低了6.84%，净NO排放减少了68.95%。动力学分析显示，MIE的降低是由于NHx/NO化学反应的增强，这增加了OH和H的生成，加速了NH₃的分解，并促进了火焰核的传播。净NO的减少主要归因于NO消耗途径的增强，特别是NH₂/NO和NH/NO的再燃烧途径，以及N/NO去除途径的增强。NO添加的作用受到温度和压力的共同控制。在大气压下，随着温度的升高，促进点火的效果减弱；而较高的压力则增强了NO添加对净NO排放的抑制作用，尽管随温度升高，这种抑制效果有所减弱。

引言

氨燃料燃气轮机面临的主要燃烧挑战包括点火性能差和高NOx排放[[1], [2], [3]]。废气再循环（EGR）被认为是减少燃气轮机燃烧中NO排放的有效方法[4]。然而，将EGR应用于燃气轮机会使可靠的强制点火、启动和重新点火变得复杂[5]，因为废气中的成分会被重新引入未燃烧的燃料/氧化剂混合物[6]。在通过EGR重新循环的成分中，H₂O和CO₂是最受研究的成分，主要关注它们的稀释和热效应[7,8]。除了H₂O和CO₂外，一氧化氮（NO）也存在于再循环的废气中，并且与主要稀释剂不同，因为它直接参与氨的氧化反应[9]。澄清微量NO在氨燃料强制点火和EGR条件下的排放作用是至关重要的。

在烃类和无碳燃料系统中，已经广泛研究了NO添加对点火的影响[[10], [11], [12], [13], [14]]，这些研究表明NO添加对自燃性能有显著影响。对于烃类燃料系统，Gokulakrishnan等人[10]通过实验和数值模拟研究了丙烷/空气/NO混合物的点火延迟时间，发现添加数百ppm的NO在875 K时可将点火延迟时间减少多达75%。随后，Chen等人[11]观察到类似的促效作用，他们发现NO显著缩短了-庚烷/空气混合物的点火延迟，尤其是在NTC和较高温度范围内。同样，在无碳燃料的自燃过程中，Villenave等人[12]发现NO和NO₂的添加减少了贫H₂/空气混合物的点火延迟时间。此外，Gotama等人[13]在25–40 bar和1080–1200 K的条件下，实验证研究了添加微量NO的NH₃/O₂/Ar混合物的自燃过程，结果发现NO的添加在整个研究范围内持续促进了NH₃的自燃，且没有明显的饱和效应。Bonebrake等人[14]通过实验测量和数值建模研究了添加NO的甲烷/空气混合物的强制点火过程，发现NO通过激活早期点火阶段的低温化学反应显著促进了点火核的生长。与甲烷火焰相比，氨的燃烧涉及不同的氮反应途径，特别是NHx物种与NO之间的再燃烧反应[15,16]，这表明微量NO在氨燃料强制点火中的效应更为复杂，值得进一步探索。

除了对强制点火过程的影响外，NO的再燃烧反应还影响了氨火焰的NO排放。在预混的NH₃/NO/N₂火焰中，Monnier等人[17]报告称燃烧气体中的残留NO排放量很高，表明额外添加的NO在氨燃烧过程中并未完全消耗。然而，Chen等人的研究[18]进一步表明，NH₃分解为NHx中间体，这些中间体随后通过四种主要再燃烧途径与NO反应，从而有助于NO的减少。此外，NHx/NO的再燃烧化学反应显著受到温度和压力条件的影响。Alzueta等人[19]发现NH₃/NO相互作用及其导致的NO减少随温度变化明显，而增加的压力抑制了NH₃氧化产生的NO，并同时增强了通过再燃烧实现的NO减少[20]。鉴于NHx/NO再燃烧化学反应对温度和压力的强烈依赖性，并考虑到燃气轮机燃烧系统中的强制点火、启动和重新点火发生在广泛的热力学条件下，应全面研究NO添加对点火性能和NO排放的耦合效应，特别是在不同的初始温度和压力条件下。

本研究在800–1200 K的初始温度和1–20 atm的初始压力下，数值研究了微量NO添加（0–2000 ppm）对NH₃/O₂/Ar/NO混合物的强制点火过程和NO排放的影响。讨论了NO添加对最小点火能量（MIE）和NO排放的影响，并分析了温度和压力的影响。

章节摘录

数值模型和模拟细节

本研究使用自研代码A-SURF（Adaptive Simulation of Unsteady Reactive Flow）在了一维球坐标系中模拟了预混球形火焰的强制点火过程，该代码采用了有限体积法。A-SURF在球形火焰的起始和传播研究中得到了广泛验证和应用[[21], [22], [23], [24], [25]]。先前研究已经验证了A-SURF在MIE预测方面的准确性[26,27]。详细的控制方程和数值方法

微量NO添加对MIE和NO排放的影响

图1显示了在800 K和大气压条件下，添加0–2000 ppm NO的NH₃/O₂/Ar/NO混合物的MIE和NO排放情况。随着添加的NO从0增加到2000 ppm，MIE从0.317 mJ降低到0.295 mJ，减少了6.84%。这一结果表明NO的添加促进了混合物的点火。然而，由于额外的NO被引入初始混合物中，NO排放量从2739.23 ppm增加到2850.59 ppm

结论

进行了数值模拟，研究了NO添加对预混NH₃/Ar/O₂/NO混合物的最小点火能量和净NO排放的影响，特别关注了温度和压力的影响。主要结论总结如下：

(1)

NO的添加降低了NH₃/Ar/O₂混合物的MIE。在800 K和1 atm的条件下，添加2000 ppm的NO使MIE降低了6.84%。产生速率（ROP）分析表明NO的

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郑书：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论。刘军廷：撰写 – 原稿，形式分析。刘浩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论。黄永林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。蔡伟光：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。杜彦军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论。卢强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –

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