近日，航空动力研究所李玉阳教授团队在国际能源领域前沿期刊The Innovation Energy上发表了题为“Self-promoted fuel pyrolysis under oxygen enrichment enables clean and efficient ammonia combustion”的论文，发现增氧燃烧能够显著促进新型零碳燃料氨在火焰中的自驱动裂解，从而突破氨燃烧活性和污染排放同步调控挑战。航空动力研究所博士研究生刘尊迪为论文第一作者，李玉阳教授和李伟助理教授为共同通讯作者。

氨是全球产量最高的化工原料之一，被广泛运用于农业、工业、医药等领域。近年来，氨已成为一种极具前景的零碳燃料和储氢载体，在能源领域引发了广泛关注，对于燃气轮机、内燃机、锅炉等燃烧装备脱碳意义重大。针对氨燃烧污染排放高和反应活性低两大挑战，研究者发现了氨富燃条件下剩余燃料对NOx的热还原机制，观察到了低NOx/NH3排放当量比窗口，并在燃料侧提出了活性燃料掺烧、预裂解等多种燃烧强化策略。然而前人工作中氨燃烧低排放窗口极为狭窄（0.01-0.06），且在燃料侧强化策略影响下易出现污染排放“此消彼长”的严峻挑战，氨燃烧活性和污染排放同步调控已成为国际氨能领域的“圣杯”问题之一。

论文团队于2019年在Combustion and Flame上提出了氨燃烧的增氧强化策略，发现氧含量提高一倍，氨的层流火焰传播速度可提升五倍以上，达到实际燃气轮机中天然气/空气燃烧的水平。然而前人碳氢燃料研究发现，增氧燃烧中数百摄氏度的温升会导致NOx的显著上升，引发了研究者对氨燃烧增氧强化策略出现污染排放“此消彼长”问题的疑虑。针对这一问题，论文团队在燃气轮机单级模型燃烧室中开展了氨增氧燃烧研究，发现增氧强化在贫燃条件下会导致氨燃烧NOx排放大幅增加，而在富燃条件下则出现了令人惊异的低排放窗口拓宽现象。随着氧含量从21%升至40%，氨旋流火焰的稳定当量比窗口宽度由0.66拓展近三倍，到达1.86，而低排放窗口宽度则由0.05同步拓展超过六倍，达到0.31。动力学分析揭示空气条件下低排放窗口宽度由剩余燃料与NOx之间的充分反应决定，增氧条件下显著升高的火焰温度强化了氨气的自驱动裂解，促进燃料整体裂解率的提升，抑制了富燃端残余NH3排放，从而显著拓宽了低排放窗口，实现了燃气轮机单级燃烧条件下氨燃烧活性和污染排放的同步调控。未来进一步结合分级燃烧组织可在二级燃烧区有效清除残余氢气，形成一种具有广泛应用前景的高效清洁氨燃烧技术。

氨空气燃烧及增氧燃烧的实验和动力学分析

The Innovation Energy期刊是The Innovation期刊最新发布的姊妹刊，由中国科学院青年创新促进会创办，旨在报道能源领域的前沿突破和技术创新。

论文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-ener.2024.100006