评估NH?/H?/C?H?混合物在预混燃烧中的甲烷替代效果：通过层流燃烧速度、火焰不稳定性和燃烧效率进行可行性评估

《Journal of the Energy Institute》：Evaluating methane substitution by NH 3/H 2/C 3H 8 blends in premixed combustion: Feasibility assessment through laminar burning velocity, flame instability and combustion efficiency

本研究采用球形膨胀火焰法探究NH3/H2/C3H8三元混合燃料燃烧特性，通过调整氨体积分数（0-0.712）实现甲烷等效热值（MECV），分析低层燃烧速度（LBV）变化规律及化学/热效应贡献，结合火焰稳定性与热扩散不稳定性研究，运用线性稳定性理论计算Peclet数、Karlovitz数等参数，验证了MECV设计下氨燃料与甲烷的互换性及低排放特性。

　　

Jiao Chen|Haoxin Deng|Xunxian Shi|Chenglong Yu|Jun Song|Qifeng Zhu|Guoyan Chen|Xuegui Wang

河南理工大学机械与动力工程学院，焦作市，454003，中国

摘要

为了支持能源系统的低碳转型，本研究使用球形膨胀火焰方法研究了NH₃/H₂/C₃H₈三元混合物（其热值相当于甲烷）的燃烧特性。通过调整混合物的比例，可以调节层流燃烧速度（LBV）以匹配甲烷的特性。当NH₃的体积分数从0增加到0.712时，LBV下降了超过66%。研究区分了化学效应和热效应，并量化了辐射效应。分析了关键火焰参数，包括Markstein长度、膨胀比、火焰厚度、临界Peclet数和无量纲生长率，以评估燃料组成和当量比对火焰传播和稳定性的影响。较高的NH₃比例提高了火焰的稳定性。使用高Wobbe指数和LBV来评估甲烷的替代性。结果表明，基于MECV的NH₃/H₂/C₃H₈混合物具有良好的燃烧性能，是很有前景的低碳甲烷替代品。

引言

能源转型的迫切需求促使更多人关注各种无碳替代燃料。氢气由于其高燃烧强度和清洁性，已成为理想的无碳燃料选择。尽管其单位质量的热值非常高[1]，但其某些固有特性给储存和运输带来了障碍。常见的海水电解制氢方法成本也较高，这使得大规模使用纯氢作为燃料变得困难。氨也是一种无碳燃料和可靠的氢载体，具有高能量密度、良好的储存和运输性能以及完善的基础设施，可以通过成熟的哈伯-博施工艺低成本生产[2]。目前，氨已被广泛研究作为燃料电池和内燃机的潜在燃料。然而，氨燃料的狭窄可燃范围、低层流燃烧速率、点火困难以及高NOx排放也使得氨难以在实际燃烧设备中单独使用[3,4]。为了克服这些限制，燃料混合成为了一种实用的方法。氨已与多种燃料（如氢气、甲烷、合成气、乙烯等）混合使用[[5], [6], [7], [8], [9], [10]]。与二元系统相比，三元燃料混合物在组分调节和性能优化方面具有更大的空间。例如，通过引入第三种组分，可以在不牺牲燃烧效率的情况下同时改善反应性、排放和能量密度等关键指标。然而，三元燃料系统的反应行为更为复杂，这对燃料设计、比例优化和工程应用提出了更高的要求[11,12]。鉴于天然气（其主要成分是甲烷）在发电和工业加热中作为主要能源的广泛使用，一种有前景的策略是通过调整混合燃料的体积低热值（LCV）与甲烷的热值来使其与现有的天然气燃烧系统兼容。这种策略称为甲烷当量热值（MECV）设计，可以在不显著修改现有设备的情况下促进新燃料的应用。目前，关于具有MECV的混合燃料的研究较少。Li等人[13]研究了在298K和1atm条件下氨/氢/丁烷混合燃料的层流火焰传播和涡流火焰特性。Li等人[14]在MECV条件下共燃二甲醚/氢混合物以增强氨的燃烧。因此，本研究提出了氨、氢和丙烷的三元混合物。氢和丙烷通过调节活性自由基和优化反应路径，突破了氨分子本身的动力学障碍，降低了氨气的点火活化能，最终提高了氨的燃烧效率。氢用于提高燃料的化学反应性。丙烷具有适中的反应性和高体积热值，是液化石油气的关键成分，用于提高整体体积能量密度。丙烷和氨还具有相似的物理性质（如冷凝压力和沸点），确保了储存基础设施的兼容性[15,16]。氨的燃烧不可避免地会产生NO_x，但现有研究表明，适当调整丙烷与氨的比例和初始条件可以减少NO_x排放[17,18]。

在本研究中，调整了氨、氢和丙烷燃料的比例（氨含量范围为0到0.712），以获得MECV，并记录了这些混合燃料在三种当量比下的层流燃烧速度（LBV）：燃料贫侧（φ = 0.7）、燃料富侧（φ = 1.5）和最佳燃烧状态（φ = 1.1）。研究了辐射效应对LBV的影响，并区分了化学效应和热力学效应对LBV的影响。结合火焰图像表面的折叠和蜂窝结构，分析了流体动力学不稳定性和热扩散不稳定性。进一步使用线性稳定性理论计算了Peclet数、Karlovitz数和无量纲生长率。最后，评估了燃烧效率和燃料的替代性，以评估其实际应用性。这些发现有助于更深入地理解燃料的反应性，并为开发灵活的低碳燃烧系统提供了基础数据。

燃料组成

燃料组成

燃料混合物由氨、氢和丙烷按特定比例组成，充分考虑了甲烷当量热值（MECV）。如图1所示，设计了八种实验燃料组成，标记为FN1至FN8，氨的体积分数范围为0到0.712。氢和丙烷的体积分数随氨含量的变化而变化，基于MECV。

实验的初始压力P_u为0.1 MPa

层流燃烧速度

燃烧特性对于氨的适用性至关重要。其中，层流燃烧速度是预混燃烧的核心参数，也可用于验证反应机制的准确性[27]。

图4（a）、（b）和（c）分别显示了当当量比φ = 0.7、1.1和1.5时，FN1-FN8的层流燃烧速度随NH₃浓度增加的变化情况。两种外推方法得到的计算结果

结论

本研究关注由氨、氢和丙烷组成的三元燃料系统，通过调整氨的体积分数（范围为0–0.712）来实现甲烷当量热值（MECV）。在当量比φ = 0.7、1.1和1.5的条件下，测量了混合物的线性稳定性。分离了化学效应和热效应对燃烧特性的贡献，以明确每种机制的作用。

CRediT作者贡献声明

Jiao Chen：撰写 – 原稿，软件。Haoxin Deng：撰写 – 审稿与编辑，方法论，概念化。Xunxian Shi：数据整理。Chenglong Yu：实验研究。Jun Song：实验研究。Qifeng Zhu：实验研究。Guoyan Chen：可视化处理。Xuegui Wang：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52004085）、浙江省教育厅的一般项目（编号Y202352387，新型电化学储能站热失控火灾危险性评估关键技术研究）以及温州市科学技术服务协会的科技创新项目（编号KJFW2024-008）的支持。