Minimizing reactive nitrogen emissions in ammonia combustion through rush-to-equilibrium concept

氨 (NH3) 作为一种零碳燃料正受到日益关注，广泛应用于发电及甚至交通领域。相较于氢气，NH3 的体积能量密度更高、爆炸性较弱，且已有成熟的输送与储存技术。然而，NH3 在燃烧性和火焰稳定性方面表现不佳，且比烃类燃料更易产生活性氮 (RN: NOx, N2O) 排放，至少在传统燃烧工艺下如此。部分裂解 NH3（形成 NH3-H2-N2 混合物，简称 AHN）可解决其燃烧性和稳定性问题，但 RN 排放仍是一个挑战，且其排放机制在 NH3 与烃类燃烧中根本不同。虽然富混-淬-淡 NH3 燃烧策略显示出前景，但 RN 排放的最大贡献来自于燃料富集阶段的未放松排放，这些排放源于在混合燃烧区的化学反应中超出热力学平衡，同时考虑到有限的停留时间无法达到平衡。本文引入一种针对 AHN 燃烧的rush-to-equilibrium概念，旨在通过加速平衡途近来减少有限停留时间内的未放松 RN 排放。在该概念中，流体粒子在穿过混合燃烧区时受到衰减的混合速率作用。这有助于减缓阻止粒子接近平衡的混合效应，促进化学效应将粒子推向平衡，同时考虑有限的停留时间。该概念在气体涡轮条件下采用最先进的燃烧模型进行评估，显示出将 RN 排放降低一个数量级的潜力，且该概念对裂解程度、压力、温度等参数均适用。对可能的实际实施进行简要讨论，揭示了现代气体涡轮燃烧器的合理几何和流动参数。