压力对H2-NH3和CH4-NH3温和燃烧的影响

《Proceedings of the Combustion Institute》：Pressure effect on H2-NH3 and CH4-NH3 MILD combustion

　　

摘要

本研究探讨了在高压条件下，利用MILD燃烧技术实现氢气（H₂）和氨气（NH₃）基燃料的稳定低排放氧化。研究人员设计了一种新型高压旋流燃烧器，用于分析在不同混合比例和压力下，高压条件对H₂-NH₃及CH₄-NH₃燃料混合物的MILD燃烧特性的影响。研究结果首次证明了在较高压力下，H₂-NH₃和CH₄-NH₃基燃料可实现稳定的MILD燃烧，且随着压力升高，燃烧稳定性提升，同时还能保持温度均匀性及MILD燃烧的特性。此外，高压条件可抑制N₂O的产生，而NO排放量与压力的关系并非单调变化。这一现象表明压力和温度共同影响着NOx的生成途径，因此需要合理调整压力水平和燃料成分，以确保温度分布均匀并减少污染物生成。实验结果还证明了MILD旋流反应器概念的可靠性和可扩展性，为设计新一代高压燃烧系统提供了坚实的科学依据。创新点与意义：本研究首次在新型优化的高压旋流反应器中实现了H₂-NH₃和CH₄-NH₃混合物的高压MILD燃烧实验，为确保低NOx排放和均匀的MILD氧化提供了优化策略。研究揭示了压力和燃料成分对温度均匀性以及NO和N₂O生成的调控作用。高压可扩大NH₃混合比例下的燃烧稳定性范围，同时有效抑制N₂O排放，并因独特的压力-温度相互作用导致NO排放呈现非单调变化。这些高压实验数据为开发具有压力抗性的创新燃烧系统提供了科学依据，也为无碳MILD反应器的模型验证和放大提供了重要参考，进一步推动了大气中氢气和氨气相关研究，弥补了高压MILD燃烧数据的不足。

引言

在全球能源转型过程中，能源密集型行业的脱碳是一个关键挑战，因为这些行业依赖高温高能耗的工艺，而电气化方案在这些领域仍存在技术限制和经济负担[1,2]。在此背景下，用无碳能源替代化石燃料被视为关键的解决方案。

氢气和氨气目前被视为典型的零碳燃料。氢气（H₂）具有较高的比能量，但体积密度较低，且运输存在困难[3]。而氨气（NH₃）易于液化运输，可作为氢气的载体[[4], [5], [6]]。然而，由于其反应性较低、可燃性较差，且可能产生大量NOx，限制了其应用[7,8]。为解决直接使用氨气作为燃料的难题，人们提出将氨气与甲烷（CH₄）等传统碳氢燃料混合使用。这种方法利用甲烷更高的反应性来提升燃烧稳定性，同时通过部分替代碳基燃料来降低CO₂排放。

在当前的创新技术中，MILD燃烧为增强可再生能源与燃烧能源系统的协同作用提供了有效途径，能够在多种燃料条件下实现低污染物排放并保持稳定运行[[9], [10], [11]]。在这种燃烧模式下，氧化过程是通过空间分布的点火核而非明显的火焰前沿来进行的[12]。此前研究中的旋流反应器便是一种在高度可控条件下实现规模过渡的典型MILD系统[13]，其特殊的流场能够促使物质和显热在内部充分循环，从而形成局部预加热和稀释的效果。

先前的研究已经证明了纯氢气、甲烷、氨气以及氨气与更活泼燃料的混合物在MILD条件下的稳定氧化现象[[14], [15], [16], [17]]。不过，尽管已有这些进展，现有研究大多集中在常压条件下。而陆用和航空燃气轮机燃烧器则是在较高压力（约3–30巴）下运行的[18]，在这种环境下，压力和温度对化学反应和流体动力学过程以及污染物生成路径的影响，可能与常压条件有很大差异。现有文献中关于压力对实验室规模MILD燃烧器影响的研究非常有限，且仅涉及甲烷、含氧物质或长链碳氢化合物[19,20]。因此，研究无碳燃料在压力作用下的反应特性，对于合理设计下一代低排放技术至关重要。

基于以上背景，本研究旨在填补这一空白，据作者所知，首次报道了氢气、氨气、甲烷及其混合物在高压MILD燃烧条件下的实验结果。

研究人员设计了一种新型优化的高压旋流燃烧器，用于研究高压环境下的MILD燃烧特性，同时确保结构的完整性和稳定的流动循环。具体而言，该研究重点分析了H₂-NH₃和CH₄-NH₃混合物在MILD条件下的燃烧特性，探讨了压力和燃料成分对温度、反应区域分布、燃烧稳定性以及NO和N₂O排放的影响。

研究结果首次证明了在高压条件下，H₂-NH₃基混合物可以实现稳定的低NOx MILD氧化，体现了MILD燃烧技术在高压无碳能源转换系统中的应用前景和适用性。

章节要点

实验装置与方法

所使用的参考实验装置是一种高压D形旋流燃烧器（HP-DACY），这是一种专为在MILD和高压条件下运行而设计的新型反应器。它是在先前研究中广泛描述的实验室用旋流燃烧器（LUCY）基础上发展而来的[14,15]。

这种旋流反应器由一个不锈钢制的D形腔体构成（见图1），腔体内的循环流动有助于使燃烧产物与进入的新鲜气体持续混合

压力和燃料成分对操作温度的影响

为分析反应器内温度分布随压力和燃料成分变化的总体趋势，以φ=1、p=1–3巴、P=7–21千瓦条件下的H₂-NH₃混合物实验结果作为参考案例。如图2所示，展示了反应器中间平面（T₁-T₁₂）、出口区域（T_outlet）的温度以及相对于平均温度的标准差（StDev），这些数据都是根据燃料混合物中NH₃的比例来确定的。尤其是，温度

数值分析

为了解释图6和图7中所显示的NO和N₂O分布随操作压力和燃料混合物成分的变化规律，研究人员进行了大量的化学动力学分析。为此，他们采用了[15,16]中提出的简化且成熟的处理方法，将问题简化为0维基元过程。具体而言，该系统是通过CHEMKIN PRO软件中的PSR模型被建模为完全混合反应器的[29]。

这种分析方法的理念源于

结论

本研究首次证明，使用新型高压旋流燃烧器，可在高压条件下实现H₂-NH₃和CH₄-NH₃混合物的稳定MILD燃烧。研究结果表明，提高压力水平能够提升燃烧稳定性，同时保持MILD燃烧模式下的温度均匀性和低NOx特性。此外，高压条件下N₂O分解加剧以及NO排放呈现非单调变化，这些都体现了压力和温度相互作用对污染物生成的影响

作者贡献说明

乔瓦尼·巴蒂斯塔·阿里埃马：概念设计、实验研究、初稿撰写；维森特·卡斯特罗：实验研究、数据整理；比亚吉奥·卡塞塞：数值分析；詹卡洛·索伦蒂诺：理论分析、审阅与编辑；皮诺·萨比亚：方法设计、审阅与编辑；拉法埃莱·拉古奇：项目监督；玛拉·德·乔安农：项目监督、审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究的部分资金支持来自：欧盟的国家恢复与韧性计划（NRRP-PNRR）：“能源可持续转型网络——NEST”——第4项任务、第2部分、投资1.3项目，编号CUP:B53C22004060006；以及意大利环境与能源安全部通过“国家电力系统研究”计划提供的支持，该计划是2025–2027年的三年实施计划，目标为推动脱碳，主题1.3为相关整合项目

乔瓦尼·巴蒂斯塔·阿里埃马|维森特·卡斯特罗|比亚吉奥·卡塞塞|詹卡洛·索伦蒂诺|皮诺·萨比亚|拉法埃莱·拉古奇|玛拉·德·乔安农