使用滑动电弧等离子体对预混NH?-空气火焰燃烧特性进行的数值研究

《Journal of the Energy Institute》：Numerical investigation on the combustion characteristics of premixed NH 3-air flames using gliding arc plasma

氨气（NH3）燃烧中NO减排的数值模型研究。通过耦合ZDPlasKin与Chemkin，建立首个验证的GAP辅助NH3-空气燃烧模型，揭示NH2自由基生成（增强7%）及高电场（30-90 Td）促进激发态NH3（NH3(e1)、NH3(e2)）形成是减排主因。敏感性分析表明NH2对N(2D)+NH3→NH2+H+N2反应敏感（52.1%）。

　　### 了解氨气（NH?）燃烧特性：旋转滑弧等离子体（GAP）的辅助作用

氨气作为一种碳中性燃料，近年来因其在燃烧过程中产生的低碳排放特性而受到广泛关注。其能量密度与传统化石燃料相当，约为22.5 MJ/kg，且储存成本相对较低，这使其成为应对当前能源危机的一种潜在解决方案。然而，氨气在燃烧过程中也伴随着较高的氮氧化物（NO?）排放，这主要与其较低的火焰温度、较低的层流燃烧速率以及较低的可燃性有关。为解决这些问题，研究人员探索了多种技术，如与高反应性燃料（如甲烷和氢气）共燃烧、分阶段燃烧、加湿处理以及等离子体辅助燃烧等。其中，等离子体辅助燃烧因其在提高火焰稳定性、增强燃烧效率以及减少NO?排放方面的潜力而备受关注。

等离子体辅助燃烧技术中，旋转滑弧等离子体（Gliding Arc Plasma, GAP）因其能够提供广泛的体积覆盖范围，并直接作用于燃烧区域，展现出独特的优势。此外，GAP还具备高能量密度和热效应，能够实现持续且稳定的放电，从而有效促进燃烧过程中的化学反应。尽管GAP在氨气燃烧方面的应用已引起越来越多的关注，但目前对其促进NO?减排的具体机制仍缺乏系统性的研究和分析。因此，本研究旨在开发一种数值模型，以预测GAP辅助氨气-空气混合物燃烧过程中的燃烧特性，并深入探讨其对NO?排放的影响机制。

本研究首次采用ZDPlasKin和Chemkin结合的数值模型，对GAP辅助氨气燃烧过程中的NO排放进行预测。这一模型在当前研究中被认为是首个经过实验验证、能够准确模拟NO排放的模型。为了确保模型的准确性，研究者首先对三种常见的等离子体机制进行了评估，通过非反应性GAP实验测试其在模拟氨气-空气等离子化学反应中的有效性。在对这些机制进行对比分析后，研究者选择了其中最精确的一种，并将其与优化后的燃烧机制结合，以进一步提升NO排放预测的准确性。

在GAP辅助燃烧过程中，NH?自由基的生成被发现对NO的减少起着关键作用。研究显示，在30 Td的降低电场强度下，NH?自由基的生成量增加了约7%，这在NO减排中具有重要意义。NH?主要通过两个关键反应生成：O(1D) + NH? → OH + NH? 和 N?(A) + NH? → NH? + N? + H。这两个反应发生在燃烧之前，为后续的NO消耗提供了重要的中间产物。此外，研究还指出，随着等离子体功率的增加，NO的消耗速率显著提高。这是因为等离子体功率的提升促进了氨气激发态（如NH?(e?)和NH?(e?)）的形成，这些激发态进一步增强了NH?和NH自由基的生成，从而提高了NO的消耗效率。

通过敏感性分析，研究者进一步揭示了NH?在NO减排中的主导作用。在90 Td的电场强度下，NH?对反应N(2D) + NH? → NH? + H + N?的敏感性达到了52.1%。这表明，NH?在GAP辅助燃烧过程中对NO的减少具有显著影响。同样，NH自由基在NO的消耗中也表现出较高的敏感性，特别是在90 Td的条件下，其对反应N(2D) + NH? → NH? + NH的敏感性高达68.9%。这些结果强调了NH?和NH在GAP辅助燃烧过程中对NO减少的贡献。

为了验证模型的可靠性，研究者对GAP辅助燃烧的非反应性氨气转化率进行了实验测试。实验装置的细节在补充材料中的图S1中有所描述。通过将不同的等离子体机制与实验数据进行对比，研究者确定了Mao等提出的机制在模拟GAP辅助燃烧过程中的有效性，并将其与Alnasif等提出的优化燃烧机制相结合，构建了一个完整的等离子体辅助燃烧模型。该模型在NO排放预测方面表现出良好的一致性，其与实验数据的偏差在5%以内，特别是在等效比（?）为0.7至0.82以及0.95至1.0的范围内。

在GAP辅助燃烧过程中，气体密度和温度的变化是研究的重要内容。图5（a）和（b）展示了不同主成分气体在GAP作用下的密度和温度变化。在放电过程中，NH?、N?和O?的密度显著下降，这表明等离子体放电过程中发生了大量的离子化和激发反应。同时，气体温度在放电期间逐渐上升，而在电流消失后，温度先下降再逐渐回升，达到约100 K的增加。这些变化反映了等离子体放电对燃烧过程中能量分布和化学反应路径的显著影响。

在GAP作用下，NH?的离子化和转化行为也得到了详细分析。图6和图7显示了不同电场强度（E/N）下NH?的行为变化。在初始放电阶段，NH?从基态转化为不同的激发态，随后这些激发态与初始气体组分发生反应，生成新的NH?分子。值得注意的是，无论电场强度如何变化，主要的激发态均为NH?(v2)。这表明，NH?的激发主要依赖于其特定的振动模式。随着E/N的增加，NH?(v4)和NH?(v13)的生成速率略有下降，这说明在高电场强度下，NH?的转化主要依赖于非热过程，如电子碰撞和激发态的参与。

在NO生成和消耗路径方面，研究发现OH、NH和NH?等自由基在NO的减少中起到了关键作用。图9展示了这些自由基对NO生成的敏感性分析。NH?和NH作为主要的NO消耗路径，表现出对NH?转化为NH?(e?)和NH?(e?)的强烈敏感性。这表明，GAP辅助燃烧过程中NH?和NH的生成对于NO的减少至关重要。此外，研究还指出，OH的生成主要依赖于H原子与不同振动激发态的氧分子之间的反应，而OH的增加通常伴随着NO的生成，这说明OH在NO生成路径中也具有一定的作用。

在GAP辅助燃烧的NO消耗路径中，研究发现NH?和NH的生成显著提高了NO的消耗效率。在等效比（?）为0.8和0.9的条件下，NO的消耗速率分别达到了12.9%和5.9%。这表明，GAP的引入不仅提高了NH?的生成量，还通过促进NH的生成进一步增强了NO的减少效果。此外，研究还指出，在高电场强度下，NH?和NH的生成速率进一步提高，这为NO的减少提供了更多的途径。

综上所述，本研究通过开发一种数值模型，深入探讨了GAP辅助氨气-空气混合物燃烧过程中NO排放的机制。研究结果表明，GAP不仅能够显著提高NH?和NH的生成量，从而促进NO的消耗，还能通过提高等离子体功率，增强激发态的形成，进一步提升NO的减少效果。这些发现为未来在等离子体辅助燃烧技术中应用GAP提供了重要的理论依据和实践指导。然而，为了更全面地理解GAP对燃烧过程的影响，未来的研究还需要考虑旋涡火焰结构、弧线在GAP中的传播特性以及弧线旋转对空间分布的影响等其他因素。这些研究将进一步推动等离子体辅助燃烧技术的发展，为实现低碳、高效的燃烧过程提供新的思路和方法。