NH?/CH?/空气/N?以及NH?/DME/空气/N?在可燃极限条件下的燃烧特性

《International Journal of Hydrogen Energy》：Combustion characteristics of NH 3/CH 4/Air/N 2 and NH 3/DME/Air/N 2 at flammability limits

氨/甲烷和氨/二甲醚混合物燃爆极限研究，实验测定不同氮气稀释条件及氨比例下的燃爆极限，建立预测模型。分析火焰形态（椭圆形）、传播速度稳定性、最大压力变化规律，发现氮气抑制效应随氨比例增加而增强，Lewis数与Zeldovich数呈现规律性变化。

　　

作者：邵阳 | 马宏浩 | 葛云 | 陈建华 | 王路清

中国科学技术大学现代力学系材料力学行为与设计重点实验室（LMBD），安徽省合肥市230026

摘要

为了提高氨的燃烧性能，通常会将其与烷烃或其他物质混合。本研究在氮气稀释条件下，实验测定了不同氨比例下氨/甲烷和氨/二甲醚（DME）混合物的燃限。基于实验结果建立了各种条件下的预测模型。通过分析火焰发展图像，在燃限时，测试气体混合物的火焰呈向上蔓延趋势，并具有明显的椭球形形态。研究发现，平均燃烧速度保持稳定，添加氮气后没有显著变化。所有速度值都处于相对狭窄的范围内。压力分析表明，在较低燃限处的最大压力相对稳定，而在较高燃限处的最大压力表现出显著的不稳定性。此外，还对刘易斯数（Lewis number）和泽尔多维奇数（Zeldovich number）进行了分析。研究发现，随着氨混合比例的增加，燃限处的刘易斯数减小。随着氮气添加量的增加，刘易斯数的变化趋势与可燃极限浓度的变化类似，而泽尔多维奇数的变化趋势则不同。

引言

目前，全球变暖的环境问题以及能源短缺的资源挑战日益严重。开发和利用可再生、无碳能源已成为解决这些问题的关键途径。氨具有无碳、易于分解[1]、高体积能量密度（与氢相当[2]、易于运输和储存以及可再生[3]等优点。因此，氨是未来非常有前景的能源。在实际应用中，通常会向氨中添加其他燃料以改善其燃烧性能。邵等人[4]研究了NH₃/CH₄的火焰传播特性，发现随着甲烷比例的增加，NH₃/CH₄的燃烧速率也会增加。郭等人[5]研究了氨与甲烷混合后的燃烧反应性，发现甲烷的添加显著增强了氨的燃烧反应性。阿里埃玛等人[6]研究了氨、甲烷及其混合物的燃烧特性，发现添加甲烷后氨的稳定燃烧区域扩大，同时熄火温度降低并且呈线性变化。燃烧范围的扩大往往对燃料的安全性不利。为了解决这个问题，通常的做法是通过添加惰性气体来稀释燃料，从而提高燃料的安全性[7]。蔡等人[8]通过数值模拟研究了NH₃/DME火焰的燃烧速率，发现随着DME含量的增加，火焰的燃烧速率也会增加。伊萨耶夫等人[9]研究了不同比例下NH₃/DME的燃烧特性，发现添加DME可以显著减少氨的点火延迟时间，并且燃烧速率随DME含量的增加而增加。

此外，为了安全使用燃料，其燃限是一个重要的研究内容。许多学者研究了NH₃/CH₄和NH₃/DME的燃限。刘等人[10]使用5L球形装置研究了不同氨比例下NH₃/CH₄混合物的燃限，发现随着氨比例的增加，混合物的燃限（LFL）和上限燃限（UFL）都会增加。茂夫等人[11]使用12L球形装置进行了实验，发现NH₃/CH₄和NH₃/DME的LFL和UFL都随着氨比例的增加而增加，并利用勒夏特列公式（Le Chatelier’s formula）建立了预测模型。邵等人[4]使用直径为250毫米的球形装置研究了当当量比在0.6到1.4之间的NH₃/CH₄的燃限，发现随着甲烷含量的增加，LFL和UFL都会降低。张等人[12]研究了掺氨DME混合物的燃限，发现燃限从标准的负温度系数（NTC）行为转变为单调变化趋势。罗等人[13]发现，添加氨可以缩小甲烷的燃限并抑制其爆炸性，在较高甲烷浓度下的抑制效果更为明显。张等人[14]研究了甲烷与氨混合后的燃烧特性，发现其在低浓度下具有促进作用，在高浓度下具有抑制作用。

根据作者的研究，关于NH₃/CH₄和NH₃/DME燃限的研究主要集中在浓度分析上，而系统的燃限浓度预测模型尚未建立，其背后的物理现象也鲜有研究。先前的研究表明，燃限会受到实验装置的影响[15]。因此，为了确保实验条件的一致性和结果的准确性，本研究首先从单一燃料开始，然后扩展到燃料混合物。

本研究系统地研究了NH₃/CH₄和NH₃/DME混合物的燃限。主要关注点包括它们的浓度分布、燃烧特性（火焰形状、发展速度、最大压力）以及刘易斯数和泽尔多维奇数的分析。

实验装置

在本研究中，所有实验均在密封的立方形容器中进行。如图1所示，实验装置主要包括燃烧室、气体分配系统、点火系统和数据采集系统。燃烧室的体积为3.375升（内径为150毫米）。燃烧室的对称面上对称安装了两个石英玻璃窗口，每个窗口的可见直径为90毫米。

燃限和预测模型

图2显示了在氮气稀释条件下单一组分燃料-空气混合物的燃限以及相应的线性拟合曲线。随着$\chi$的增加，LFL增加而UFL减少。当氮气添加量达到临界浓度时，LFL和UFL会收敛到一个称为最小惰化浓度（MIC）的点[22]。氨的MIC为18.7%，而甲烷和DME所需的氮气体积分别为41%和47%。

结论

本研究探讨了两种混合物的燃限相关的燃烧特性及相关无量纲燃烧参数。总结了这些参数的趋势，并对其影响因素进行了深入分析。主要结论如下：

• (1)
  氮气对两种混合物燃烧性的抑制作用随着氨比例的增加而增强。对于这两种混合物，都可以建立燃限预测模型

作者贡献声明

邵阳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件开发、方法论、实验设计、数据分析、概念化。 马宏浩：监督、资源提供、方法论指导、资金获取。 葛云：验证、方法论指导、概念化。 陈建华：软件开发。 王路清：监督、资源提供、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12272374和12472373）、中央高校基本科研业务费（WK2320000085和WK2320000061）、安徽杰出青年学者科学基金（2408085J006）、中国航空科学基金（20240028078001）的支持。