高压条件下甲烷/氢气部分预混湍流燃烧中NO排放特性的多路径机制研究

为解决氢能利用中氮氧化物(NOx)排放控制难题，研究人员采用大涡模拟(LES)结合火焰面生成流形(FGM)模型，系统研究了5-15 bar高压下CH4/H2燃料部分预混燃烧的NO生成特性。通过改进线性微分扩散(LDD)模型处理H2/H分子扩散差异，首次定量解析了热力型、快速型、N2O型和NNH型四种NO生成路径的贡献率。发现60%氢掺混时热力型NO占比超70%，15 bar压力下N2O路径贡献突破10%，为氢烃燃料高效低污染燃烧提供了理论支撑。

　　

随着全球碳减排政策的推进，氢能作为清洁能源备受关注。然而在燃气轮机等高压燃烧场景中，氢掺混会导致氮氧化物(NOx)排放激增，成为制约氢能应用的"阿喀琉斯之踵"。传统研究多聚焦常压条件，对高压环境下NOx的多路径生成机制认识不足，特别是氢掺混对不同反应路径的影响缺乏定量解析。更棘手的是，H₂和H原子高达普通分子5倍的扩散系数差异，使得数值模拟面临巨大挑战。

为破解这些难题，Danyang Wang等人在《Fuel》发表的研究中，构建了高压燃烧多尺度研究体系。研究团队采用动态大涡模拟(Dynamic LES)捕捉湍流脉动，结合非绝热火焰面生成流形(FGM)模型处理燃烧化学反应。创新性地提出改进权重因子的线性微分扩散(LDD)模型，有效解决了H₂/H的扩散差异问题。通过P1辐射模型耦合高压加权灰气体(WSGG)模型，精确计算了高温燃烧产物的辐射传热。研究设计了5-15 bar压力范围的模型燃烧器，采用轴向旋流器实现稳定燃烧，燃料通过18个矩形喷嘴实现部分预混。

在氢掺混影响方面，研究发现60%氢掺混使中心回流区(CRZ)扩大，这是强涡拉伸增强方位涡量的结果。虽然整体温度变化不大，但热力型NO排放指数(EINO)增长58%，主要归因于H自由基促进的O/OH链式反应。快速型NO因火焰区收缩而减少，其贡献率从39%降至28%。引人注目的是，N₂O路径贡献突破10%，揭示了高压下三体反应N₂+O+M→N₂O+M的重要性。

在压力效应方面，15 bar时压缩加热使进气温度升至650K，导致燃烧温度剧增。热力型EINO呈现指数增长(e^0.193P)，15 bar时占比超70%。N₂O路径同样表现显著压力依赖性(e^0.183P)，而快速型NO仅微弱增加(e^0.017P)。特别值得注意的是，压力升高使N₂O路径贡献从5.7%跃升至10.5%，这在以往研究中常被低估。

这项研究首次系统阐明了高压氢掺混燃烧中NOx的多路径竞争机制。建立的改进LDD模型为含氢燃料燃烧模拟提供了新工具，揭示的N₂O路径高压敏感性为低NOx燃烧器设计指明了方向。研究结果对开发氢能燃气轮机等高压清洁燃烧装备具有重要指导价值，为"双碳"目标下的能源转型提供了关键技术支撑。