通过实验和数值模拟方法研究了NH3/H2/空气混合气体在微尺度非预混旋流燃烧器中的燃烧特性

《Energy》：Experimentally and numerically study on NH3/H2/Air combustion characteristics in micro non-premixed swirling combustor

　　杨阳|严家军|冯文|卢青波|范宝伟|陈伟|张毅|潘建峰
中国江苏省镇江市江苏大学能源与动力工程学院，212013

摘要
零碳燃料微热光伏（MTPV）系统因其高能量密度和环保性能而受到广泛关注。作为典型的零碳混合燃料，提高NH3/H2的燃烧稳定性和安全性对系统至关重要。因此，提出了一种用于NH3/H2/空气的微非预混旋流燃烧器。建立了一个可视化实验平台和3D数值模型，并结合了详细的化学反应机理。通过改变NH3混合比例（Br = 0～0.8）、当量比（Er = 0.7～1.1）和输入功率（Pin = 400～700 W），对这种燃烧器中的NH3/H2/空气的燃烧和排放特性进行了实验和数值研究。结果表明，入口参数对NH3/H2/空气非预混旋流燃烧具有双重影响：一是氨含量变化引起的抑制效应，二是由流场驱动的气体混合过程。随着Pin和Er的增加，氨含量变化引起的抑制效应变得更强。当Br增加时，由流场驱动的气体混合过程逐渐占主导地位。随着Pin的增加，最大火焰温度上升，在Pin = 700 W时达到1031 K。沿中心线的NO分布可以分为反应核心区和温和区，两者都受到燃料NO和热NO的调控。在最佳运行条件下（Br = 0.8, Er = 0.8, Pin = 500 W），获得了50.1%的最大辐射效率。

引言
为应对全球气候变化带来的严峻挑战[1]、[2]、[3]，近年来高效清洁动力设备的发展已成为关键研究方向之一[4]、[5]。与传统锂基电池相比，以零碳燃料燃烧为核心的微热光伏（MTPV）系统通过燃烧器壁将燃烧释放的热量转化为辐射能，再通过光伏（PV）材料将辐射能转化为电能。由于其高能量密度和优异的环保性能，该技术受到了广泛关注。值得注意的是，可靠的零碳替代燃料对MTPV系统的清洁稳定运行至关重要[6]、[7]、[8]、[9]。两种典型的零碳燃料——氢气和氨气——具有明显不同的特性。氢气燃烧速度快、效率高，但其能量密度低、储存运输成本高且具有易燃性和爆炸性，增加了安全风险和成本。尽管氨气的火焰传播速度慢、燃烧稳定性差，但它是一种高效的氢储存介质[10]，同时具有高能量密度和成熟的储存运输技术两大优势。为了解决这些问题，一些学者尝试将氨气与高反应性燃料（包括氢气[11]、[12]、[13]、甲烷[14]和二甲醚[15]）混合以提升燃烧性能。在上述燃料中，氢气因其清洁、高反应性和无碳特性而成为相关研究的主要焦点[16]，也是最常用的混合燃料。因此，将氨氢混合燃料应用于MTPV系统已成为当前能源领域的主要研究方向。Yun等人[11]通过数值模拟发现，添加氢气不仅促进了NH3的活化，加快了N2的生成并提高了NH3的燃烧速率，还通过强化还原气氛抑制了NO和其他氮氧化物的形成。Liu等人[12]证实，在氨气旋流燃烧中添加氢气可以增强火焰稳定性和燃烧强度，其中氢气的化学作用起主导作用。Wei等人[13]研究了氢气对NH3/空气旋流燃烧特性的影响，发现10%的氢气掺杂比例不仅有效减少了NOx排放，还提高了火焰的抗拉伸和局部熄灭能力，显著增强了火焰稳定性。Biebl等人[17]指出，高氢气混合比例有助于提高火焰稳定性。此外，提高NH3含量（XNH3>0.6）或当量比可以显著降低NOx排放。Zhang等人[18]对NH3/H2非预混旋流燃烧进行了实验研究，发现氢气混合比例超过20%时，不仅产生了稳定的非预混火焰，还保持了低水平的NOx和未燃燃料排放。Chen等人[19]对NH3/H2/空气系统的OH*化学发光特性进行了实验探索，结果表明提高氢气掺杂比例和当量比显著增强了OH化学发光的峰值强度。Adawy等人[20]利用数值模拟研究了NH3/H2/空气系统的预混燃烧行为，发现随着氢气含量的增加，旋流器出口处的氢气消耗速率加快，中心回流区变得更加紧凑，火焰峰值温度也随之升高。总体而言，这些研究表明添加氢气可以有效活化NH3，提高燃烧反应速率，并增强火焰稳定性；在某些运行条件下还能显著降低NOx排放。

除了燃料混合外，目前用于稳定微燃烧的方法还包括结构优化[21]、[22]、[23]、催化燃烧[24]、[25]以及传热调节[26]、[27]、[28]。大多数研究集中在预混燃烧上，但微尺度下的预混燃烧可能会严重威胁设备的安全运行[29]、[30]。因此，非预混燃烧因其更优越的火焰稳定性和抗回火性能而成为微尺度燃烧研究的主要焦点。Li等人[31]研究了CH4/空气非预混燃烧系统，实验发现非预混燃烧在该燃烧器中具有更优越的火焰稳定性。Somarathne等人[32]表明，当量比为0.9时OH峰值最高，而当量比为1.1时NO排放最小。Yamashita等人[33]通过实验和数值模拟研究了NH3/H2/空气非预混燃烧特性，发现高混合比例下非预混燃烧在减少污染物形成和提高燃烧效率方面优于预混燃烧。Zhang等人[34]、[35]研究了NH3/H2/空气在微旋流燃烧器中的燃烧行为和排放特性，发现添加旋流器可以提高燃烧效率并控制污染物排放，据此提出了再生旋流燃烧器[36]，发现再生结构可以增强辐射能量并降低排气中的NO浓度。对于非预混燃烧，混合速度是影响燃烧效率的关键因素。Kekul等人[37]研究了NH3/H2/空气非预混旋流燃烧，发现添加氢气提高了火焰和整个燃烧器的温度，增强湍流强度有助于提高NH3燃烧稳定性。Ma等人[38]观察到，在低氢气混合比例（XH2<0.4）的条件下，高氢气混合比例下的NH3/H2/空气非预混旋流燃烧可以改善火焰稳定性，优化火焰形态并增强燃烧反应强度。在富燃料燃烧条件下，非预混旋流燃烧进一步显著降低了NOx排放。Goldmann等人[39]研究了常温和常压下非预混H2/NH3/空气燃烧的回火行为，发现非预混燃烧能够显著减少回火倾向。随着燃烧器尺寸的减小，燃料在燃烧器内的停留时间大大缩短，直接限制了燃料和氧化剂的充分混合，因此提高它们的混合速率对于提升微尺度燃烧效率至关重要。与钝体、凸起和腔体等结构相比，在燃烧器中添加旋流结构的效果更为显著，它可以显著延长混合停留时间，促进湍流形成，实现更好的混合和优化燃烧。Vijrumbana等人[40]研究了NH3/H2/空气燃料混合物在旋流燃烧器系统中的行为，实验结果表明旋流器可以增强燃料-空气混合并形成稳定的回流区。Wang等人[41]指出，与传统燃烧器相比，添加旋流器可以增强燃料和氧化剂的径向混合，扩大火焰区域，并提高热量释放的均匀性。他们[42]进一步探讨了燃烧器旋流数对旋流燃烧的影响，发现较高的旋流数有助于扩大内部回流区并缩小外部回流区，这不仅可以缓解火焰抬升，还能显著降低压力波动，从而有效抑制燃烧器振荡并增强燃烧稳定性。Kim等人[43]研究了NH3/H2/空气预混燃烧行为，发现旋流器将燃烧器流动从层流状态转变为湍流状态，显著提高了燃烧速度并拓宽了火焰的稳定性范围。Liu等人[44]研究了集成扭曲带对H2/空气非预混燃烧的影响，发现非预混燃烧能够消除局部燃料富集，旋流结构的集成显著提高了气体混合的均匀性。Yang等人[45]探讨了旋流器几何参数对微旋流燃烧中NH3/H2燃烧行为的影响，实验结果表明添加旋流器显著扩展了燃料的可燃范围并提高了燃烧稳定性。Park等人[14]观察到旋流数和壁面能量损失对旋流燃烧稳定性有显著影响。Liu等人[46]实验发现，加入旋流结构后火焰呈V形，而非旋流结构下火焰呈U形；V形火焰的燃烧区域更为集中，稳定性更强。Somarathne[47]发现，在添加旋流器的情况下，无需添加其他添加剂即可获得稳定的火焰；在富燃料条件下，氮氧化物排放显著减少。Hayakawa等人[48]研究了旋流器对预混NH3/空气燃烧行为的影响，发现旋流器使NH3/空气预混火焰在广泛的当量比和入口流速范围内保持稳定，显著提高了稳定性。Kurata等人[49]通过实验发现，在两种不同条件下（预混燃烧和非预混燃烧），添加旋流器可以在燃烧器下游区域诱导回流，即使在高湍流强度下也能实现稳定燃烧。Tu等人[50]研究了NH3/CH4/空气的预混燃烧特性，分析表明在旋流流动和钝体的辅助下，NH3可以实现稳定燃烧而不牺牲燃烧效率。Carpenella等人[51]发现旋流器可以在短时间内预热和稀释混合物，从而实现完全氧化，达到MILD燃烧条件。

总结
研究表明，添加氢气可以有效活化NH3并提高燃烧反应速率。尽管迄今为止已对NH3/H2燃烧进行了大量研究，但微尺度和非预混条件下的NH3/H2燃烧特性仍有待明确。本研究将旋流装置集成到传统非预混燃烧器中，旨在提高气体混合效率和燃烧稳定性，建立了结合详细化学动力学机理的3D数值模型，探讨了当量比、输入功率和混合比例对火焰形态、物种浓度和温度分布、NOx排放及辐射效率的影响。此外，还系统比较了不同运行条件下的壁面辐射效率和其他形式的能量损失。这些发现有望为燃烧器操作参数的优化提供指导。

几何结构
本研究的实验系统主要由三个部分组成：气体供应系统、数据采集系统和燃烧器，如图1所示。氨气、氢气和空气分别由氨气瓶、氢气瓶和空气压缩机提供。气体流量由DSN MFC700质量流量控制器调节，其测量范围为15标准升/分钟（SLM），测量误差为1%。数据采集系统包括了对火焰形态的影响。图5展示了在固定氨混合比例（Br = 0.7）、不同输入功率（Pin = 400～700 W）和当量比（Er = 0.9, 1, 1.1）条件下燃料的火焰形态和壁温分布。从图5(a)可以看出，在相同的当量比下，随着输入功率Pin的增加，火焰的轴向高度也随之增加。同时，壁温分布也发生了显著变化。此外，当当量比从0.9增加到1.1时，火焰高度的变化范围也显著增大。

结论：本研究通过将实验测量结果与数值模拟相结合，探讨了入口参数对氨/氢/空气在微尺度非预混旋流燃烧器中燃烧和排放特性的影响。获得了火焰形态、热性能和排放特性随输入功率、当量比和混合比变化规律。通过比较所有运行条件下的辐射效率，确定了最佳工作条件。

作者贡献声明：
陈伟：方法论
范宝伟：方法论
卢庆波：方法论
潘建峰：概念化
张毅：方法论、形式分析、概念化
傅鹏：数据整理
严家军：数据整理
杨阳：撰写——初稿、形式分析

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。我们确认提供了当前的、正确的电子邮件地址，该地址可由通讯作者访问，并已配置为接受来自[e-mail]的电子邮件。所有作者的电子邮件地址如下：杨阳：[e-mail]，严家军：[e-mail]，傅鹏：[e-mail]，卢庆波：[e-mail]

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢：作者感谢国家自然科学基金（项目编号52306140、52476118）、江苏省自然科学基金（BK20230535）和湖南省教育厅科研基金（24B0156）的支持。