氮气稀释氢气和裂解氨气超稀燃特性的实验研究

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Experimental Investigation of Ultra-Lean Combustion Characteristics of N2-Diluted Hydrogen and Cracked Ammonia

氢氨混合燃料在旋流燃烧器中的燃烧特性研究，分析氢气比例（40-100%）和流速（15-25m/s）对火焰稳定性、回火及排放的影响。结果显示流速增加使火焰温度升高（如40%HF下温度从724K升至834K），氢比例升高缩短火焰长度，需表面冷却和燃烧室优化。NOx排放始终低于6ppm，氧浓度提升表明燃烧效率提高，裂解氨气火焰在超 lean条件下对当量比更敏感。

　　

摘要

氢和氨是用于发电和推进系统的有前景的无碳燃料，但诸如回火、氮氧化物（NO_x）生成以及火焰稳定性差等问题阻碍了它们的实际应用。一种可行的解决方案是将氨（NH₃）部分裂解为氢气（H₂）和氮气（N₂）的混合物，这既能提高反应活性，又能降低火焰温度。然而，在旋流稳定型预混燃烧器中，氢气比例（HF）和整体进气速度对火焰稳定性、回火及排放物的联合影响仍尚未得到充分研究。本研究使用旋流稳定燃烧器，实验性地探讨了在空气中含有氮气（N₂）的稀释氢气和裂解氨气的预混燃烧特性，重点研究了在贫燃条件下（当量比=0.3）氢气比例（40–100%）和整体进气速度（15–25 m/s）的协同效应。通过建立稳定性图表来确定回火极限，并分析了温度分布、氮氧化物排放量、氧气浓度（OC）以及火焰宏观结构。例如，随着进气速度的增加，火焰温度也升高：在氢气比例为40%的情况下，轴向峰值温度从724 K（15 m/s）升高到834 K（25 m/s）。无论流速如何，火焰长度都会随着氢气比例的增加而缩短，因此需要采用燃烧器表面冷却措施并减小燃烧器尺寸以适应氢气燃烧。在所有实验条件下，氮氧化物排放量均保持在6 ppm及以下；氧气浓度趋势表明，在较高的氢气比例和速度下燃烧效率有所提高。裂解氨气火焰（75% H₂，25% N₂）对当量比具有很强的依赖性，在极贫燃条件下这种依赖性更为明显。研究结果为通过控制流速与成分的耦合关系来调节火焰温度和稳定性提供了见解，强调了氢气燃烧过程中实施表面冷却和减小燃烧器尺寸的必要性。这些发现有助于理解关键的设计权衡，并为低氮氧化物排放的氢-氨燃气轮机燃烧器的设计提供了直接依据。