摘要
因在燃烧方面有零碳排放等优点，氨(NH3)在碳中和能源领域的应用备受关注。特别是，氨/甲烷混合燃料作为替代能源的燃烧性能研究，再次成为热点话题。深入探讨氨和甲烷混合燃料的燃烧效率和排放情况，对于推动这类混合燃料技术的商业化和实际应用具有重要的理论意义，并且对于开发适用于氨/甲烷燃料稳定燃烧的燃烧系统也至关重要。 考虑到当前工业燃烧设备(如锅炉和燃气轮机)的使用环境和条件，从空气侧和燃料侧入手，研究氧化剂含量和氨含量对氨/甲烷混合燃料的燃烧和排放特性的影响是至关重要的。在开始阶段，我们运用Chemkin软件构建了一维层流预混燃烧模型，并对Okafor机理的准确性进行验证。随后，研究氨/甲烷混合燃料燃烧时的火焰特性，并进行了详细分析。我们着重分析了不同氧化剂含量和氨含量对火焰温度、火焰结构以及对CO和NO等物质排放的影响。其次，为了探究不同氨含量对氨/甲烷火焰燃烧稳定性和氮氧化物排放的影响，在相同的计算条件下，定量分析了不同氨含量下氨/甲烷/空气火焰的层流燃烧速度、点火延迟时间与自由基摩尔分数的关系。最后得到了生成NO的关键反应路径。研究结果表明:(1)氧气含量的增加导致层流燃烧速度和绝热火焰温度的提高。与此同时，H、O、OH和NH2这四种自由基的反应区域明显变窄，反应速率明显加快。(R39)H+O2＜=＞O+OH是对这四种自由基影响最大的反应，氧化剂中氧气含量的增加可以加速(R39)的反应，产生更多的OH自由基，从而进一步促进其它的反应。NO、CO和CO2的生成都受到(R39)反应的影响。该反应是混合燃料整体燃烧速率的重要指标。当燃烧的当量比从0.6增加到0.8时，混合燃料的平均火焰温度大约提高了 300K,这意味着增加贫油当量比可以促进氨/甲烷混合燃料的燃烧速率。研究结果还表明，氧化剂中的氧气浓度对氨/甲烷混合燃料的NO、CO、CO2排放产生了不同的影响，其中对NO的排放影响尤为突出，而对CO2排放的影响相对较小。无论是氧气的含量还是燃烧的当量比，都对CO2的排放量影响甚微。(2)随着氨含量的提升，反应(R39)涉及的H、O、OH以及NH2自由基的敏感度系数逐渐降低，这一现象是导致层流燃烧速度减缓的主导因素。此外，增加氨的比例还会使得层流燃烧速度及max(H+O+OH)的值都出现下降。通过对实验数据的拟合分析，可以观察到氨/甲烷混合燃烧的层流燃烧速度与max(H+O+OH)之间存在明显的线性正相关关系。层流燃烧速度和点火延迟时间的变化均受OH自由基浓度的影响，通过定量分析，发现层流燃烧速度与点火延迟时间呈线性相关。NO的生成量一开始增加，在XNH3=0.5时达到最大值，然后减少。这是由最主要的NO生成路径所决定的。最后，我们发现影响NO生成的最主要的反应路径是HNO路径，影响最小的路径是NH和N2H2路径。NNH路径是生成N2的主要反应路径。 本研究将为燃气轮机燃烧室的研发设计提供基础的理论数据，可以进一步加深对氨燃烧特性的理解，以此来减少碳氮排放。
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