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李玉陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在氨燃燒活性和污染排放同步調(diào)控技術(shù)上取得突破

發(fā)布時(shí)間：2024-01-31 閱讀：1756

近日，航空動(dòng)力研究所李玉陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際能源領(lǐng)域前沿期刊The Innovation Energy上發(fā)表了題為“Self-promoted fuel pyrolysis under oxygen enrichment enables clean and efficient ammonia combustion”的論文，發(fā)現(xiàn)增氧燃燒能夠顯著促進(jìn)新型零碳燃料氨在火焰中的自驅(qū)動(dòng)裂解，從而突破氨燃燒活性和污染排放同步調(diào)控挑戰(zhàn)。航空動(dòng)力研究所博士研究生劉尊迪為論文第一作者，李玉陽(yáng)教授和李偉助理教授為共同通訊作者。

氨是全球產(chǎn)量最高的化工原料之一，被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域。近年來(lái)，氨已成為一種極具前景的零碳燃料和儲(chǔ)氫載體，在能源領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、鍋爐等燃燒裝備脫碳意義重大。針對(duì)氨燃燒污染排放高和反應(yīng)活性低兩大挑戰(zhàn)，研究者發(fā)現(xiàn)了氨富燃條件下剩余燃料對(duì)NOx的熱還原機(jī)制，觀察到了低NOx/NH3排放當(dāng)量比窗口，并在燃料側(cè)提出了活性燃料摻燒、預(yù)裂解等多種燃燒強(qiáng)化策略。然而前人工作中氨燃燒低排放窗口極為狹窄（0.01-0.06），且在燃料側(cè)強(qiáng)化策略影響下易出現(xiàn)污染排放“此消彼長(zhǎng)”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，氨燃燒活性和污染排放同步調(diào)控已成為國(guó)際氨能領(lǐng)域的“圣杯”問(wèn)題之一。

論文團(tuán)隊(duì)于2019年在Combustion and Flame上提出了氨燃燒的增氧強(qiáng)化策略，發(fā)現(xiàn)氧含量提高一倍，氨的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤商嵘灞兑陨希_(dá)到實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)中天然氣/空氣燃燒的水平。然而前人碳?xì)淙剂涎芯堪l(fā)現(xiàn)，增氧燃燒中數(shù)百攝氏度的溫升會(huì)導(dǎo)致NOx的顯著上升，引發(fā)了研究者對(duì)氨燃燒增氧強(qiáng)化策略出現(xiàn)污染排放“此消彼長(zhǎng)”問(wèn)題的疑慮。針對(duì)這一問(wèn)題，論文團(tuán)隊(duì)在燃?xì)廨啓C(jī)單級(jí)模型燃燒室中開(kāi)展了氨增氧燃燒研究，發(fā)現(xiàn)增氧強(qiáng)化在貧燃條件下會(huì)導(dǎo)致氨燃燒NOx排放大幅增加，而在富燃條件下則出現(xiàn)了令人驚異的低排放窗口拓寬現(xiàn)象。隨著氧含量從21%升至40%，氨旋流火焰的穩(wěn)定當(dāng)量比窗口寬度由0.66拓展近三倍，到達(dá)1.86，而低排放窗口寬度則由0.05同步拓展超過(guò)六倍，達(dá)到0.31。動(dòng)力學(xué)分析揭示空氣條件下低排放窗口寬度由剩余燃料與NOx之間的充分反應(yīng)決定，增氧條件下顯著升高的火焰溫度強(qiáng)化了氨氣的自驅(qū)動(dòng)裂解，促進(jìn)燃料整體裂解率的提升，抑制了富燃端殘余NH3排放，從而顯著拓寬了低排放窗口，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)單級(jí)燃燒條件下氨燃燒活性和污染排放的同步調(diào)控。未來(lái)進(jìn)一步結(jié)合分級(jí)燃燒組織可在二級(jí)燃燒區(qū)有效清除殘余氫氣，形成一種具有廣泛應(yīng)用前景的高效清潔氨燃燒技術(shù)。