滑动弧放电对氨/空气贫预混燃烧效率及NO排放的影响特性研究
全部作者：王宇，孔成栋*，奥峻涛，黎洪伸，乌晓江，张忠孝
单位信息：上海交通大学，机械与动力工程学院，热能工程研究所
摘要
为探究滑动弧放电对氨/空气贫预混燃烧效率及NO排放的影响，结合实验及数值模拟研究了不同当量比、流速及放电功率下滑动弧辅助氨燃烧稳定性、NH3、H2和NO体积分数变化规律。结果表明，滑动弧放电能将氨贫燃极限从0.8拓展至0.53以下。随当量比从0.9降至0.7，NO浓度从1700 ppm降至40 ppm左右，但氨燃烧效率从近100%降至70%~80%。为揭示滑动弧动态放电对燃烧效率及NO排放的影响，将实验获得的瞬时放电功率及滑动弧轨迹信息与CFD融合进行模拟分析。结果发现贫燃极限附近滑动弧动态放电作用下存在不均匀燃烧和氨逃逸现象，且氨燃尽率和NO排放与滑动弧动态特性有关。滑动弧动态放电通过改变NH3逃逸量可调控NH2自由基分布进而影响NO排放。随NH3逃逸量增大，焰后区热解产生NH2相对增多，从而促进NO还原。增大放电功率尽管会降低NH3逃逸量，但同时促进局部温升和OH自由基浓度增强，反而促进NO生成。
正文
研究背景：
纯氨燃烧面临可燃范围窄、燃烧效率低及NOx排放高等难题，如何增强氨燃烧稳定性、提高燃烧效率并降低NOx排放是当前急需解决的科学和技术问题。现有研究发现，等离子体放电辅助氨燃烧在贫燃极限附近能降低NOx排放但会产生氨逃逸，众多学者对该现象进行了实验探究，并认识到NOx排放和氨逃逸之间可能存在相关性。然而，理论成果侧重于研究放电对NOx排放的影响机理，未注意到放电对燃烧效率和NOx排放的共同影响，尤其对复杂动态放电特性引起的氨逃逸及NOx生成机制尚缺乏认识。本研究以滑动弧放电为主要助燃形式，结合实验和数值模拟研究滑动弧动态放电特性对NH3及NO排放的影响规律，旨在提高对等离子体动态放电作用下NH3和NO生成与转化规律的认识。
研究方法：
图1展示了本研究采用的滑动弧放电辅助旋流燃烧系统。将中心钝体用作高压电极，并与高压交流电源高压端相连接，燃烧器其余部分接地并与钝体绝缘。在旋流驱动下，钝体和燃烧器流道内壁间将产生旋转滑动弧放电。采用高速相机、彩色CCD相机、高压探头和电流互感器同步记录滑动弧/火焰快照及放电电压/电流波形。此外，采用便携式烟气分析仪和在线红外气体分析仪测量燃烧器出口NO、O2、NH3和H2体积分数。
基于实验获得的滑动弧快照及放电电流/电压波形，提出一种融合实测数据的3D等效热源CFD模拟方法（见图2）来探究滑动弧动态放电特性对燃烧效率和NO排放的影响。具体地，为考虑滑动弧动态放电特性，将滑动弧等效为移动热源，把图像处理得到的滑动弧位置信息和实验测量的放电功率信息由热源项加入能量方程，从而模拟滑动弧动态热效应辅助的氨点火及燃烧过程。
图2 融合实测数据的等离子体放电辅助燃烧CFD仿真方法
结果与讨论：
图3展示了不同变压器电压及当量比下燃烧室出口测得的NO、NH3、O2体积分数及计算得到的燃烧效率。如图3a所示，随当量比从0.9降低至0.7，NO浓度从1700 ppm下降至40 ppm左右，但同时存在氨逃逸，氨燃烧效率会下降约20%~30%（剩余氧浓度约8.7%~9.6%）。当量比低于0.8时，燃烧效率波动幅度较大，振幅约为10%。在当量比为0.766和0.8时，分别测得不同变压器电压（即不同放电功率）下燃烧后烟气中NH3、H2和NO的体积分数变化，如图3b和3c所示。结果发现，增大放电功率能显著提高燃烧效率，使燃烧更充分，尤其对低当量比下燃烧效率的提升效果更显著。
图3 (a) NO浓度和燃烧效率随当量比变化， (b)当量比为0.766时NH3、H2和NO体积分数随变压器电压变化和(c) 当量比为0.8时NH3、H2和NO体积分数随变压器电压变化
图4和图5进一步给出了不同总流量和钝体安装高度下NO、NH3和H2体积分数变化。结果发现，随流速和钝体安装高度增大，NO浓度呈现非线性变化趋势，而NH3逃逸量和H2生成量逐渐增加。分析可知，随流速和钝体安装高度增大，放电动态特性可能受到影响，导致燃烧不均匀。从不同流速下火焰快照中进一步发现，随流速增大，火焰高度逐渐增大，但下游局部火焰亮度逐渐减弱。
图4 NH3、H2及NO体积分数随总流量变化图5 NH3、H2及NO体积分数随钝体高度变化
为明晰滑动弧放电辅助下氨燃烧效率与NO浓度之间的相关性，通过数据融合仿真得到当量比为0.8、变压器电压为60 V条件下不同时刻和横截面NH3、NO浓度及温度分布，如图6所示。随滑动弧周向运动，燃烧器喷口处NH3和NO浓度呈周期性变化且空间分布不均匀。NH3只在靠近钝体和滑动弧位置附近能充分燃尽，且部分NH3会从侧壁往下游逃逸。NO集中分布在上游靠近滑动弧弧柱的高温区域。图7给出了不同时刻及横截面NH3和NO浓度之间的相关性。可以发现，NH3和NO之间具有竞争关系，且放电产生的动态热效应对NH3和NO相关性有影响。在动态放电作用下，随NH3局部热解程度增强，NO浓度会增大。
图6 燃烧稳定后不同时刻和横截面NH3、NO浓度和温度分布
图7 燃烧稳定后不同时刻和横截面NH3、NO浓度和温度之间的相关性
（a）80mm高度（b）40mm高度（c）放电区域
基于实验和仿真数据，进一步构建了考虑放电热效应及氨逃逸的化学反应网络（见图8）来探究NH3和NO的生成和消耗规律。结果表明，当等效温度低于2800 K时，NH3逃逸到焰后区热解产生大量NH2，NH2参与还原NO。而随等效温度增加至2800 K以上，NH2逐渐消耗，导致焰后区温度和OH浓度急剧增加，反而促进NO生成，如图9所示。
图8 考虑等离子体放电热效应及氨逃逸的化学反应网络
图9 (a) NO和NH3浓度随放电等效温度变化 (b) OH、NH2浓度与反应温度随放电等效温度变化
总结与展望：
滑动弧放电能降低氨/空气贫预混燃烧NO排放浓度，但同时伴随燃烧效率下降。在滑动弧动态放电特性影响下，燃烧器内存在不均匀燃烧和氨逃逸。动态放电导致未燃尽的NH3逃逸到下游，这部分NH3会热解生成NH2参与还原NO。NH3和NO排放之间具有竞争关系，通过调控流场及放电特性可改变氨燃料在滑动弧周围和燃烧器下游热解的比例，进而调控燃烧效率和NO排放。研究结果揭示了滑动弧动态放电特性对燃烧效率及NO排放的影响，为等离子体放电辅助氨燃烧提供了基础数据。该研究工作得到国家自然科学基金（52006138）的支持。
作者介绍
王宇，第一作者，上海交通大学机械与动力工程学院2021级博士研究生。主要研究方向为等离子体放电辅助燃料预处理与燃烧、放电耦合燃烧数值仿真等，以第一作者在Combust. Flame、Fuel、Appl. Energ. Combust. S.等燃烧/能源领域期刊发表论文4篇，参与国家自然科学基金2项。
本期编辑：刘洋 审校：胡皓玮
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