高压液氨喷雾燃烧的点火与火焰发展特性研究

　　在实现碳排放减少目标的过程中，寻找零碳燃料成为了关键。液氨作为一种高效的氢载体，因其便于存储且氢含量高，成为了备受瞩目的零碳替代燃料。近期，上海交通大学机械与动力工程重点实验室的吕兴才教授研究团队在这一领域取得了重要进展。该团队在3MPa环境压力、950K环境温度以及40MPa喷射压力的条件下，利用同步高速OH*和NH2*化学发光成像技术，对液氨喷雾燃烧的点火和火焰发展特性进行了系统研究，研究成果以“Ignition and ﬂame development of high-pressure liquid ammonia spray combustion with simultaneous high-speed OH* and NH2* chemiluminescence imaging”为题发表于期刊《Combustion and Flame》上。

　　研究背景

　　燃烧设备的碳排放是导致温室效应的重要因素之一，而液氨作为零碳燃料，具有显著的减排优势。相较于氢气，氨气在常温下更易液化，储存和运输更为安全便捷。此外，氨气含有高达17.7%的氢(按质量计)，液化后的体积能量密度优于液氢或压缩氢气。国际上，众多经济体已将“氨能源”纳入其能源体系，并在氨燃料燃烧装置方面展开了大量研发工作。在多种燃烧系统中，液态燃料通常以湍流喷雾的形式注入燃烧室，经历蒸发与混合过程形成可燃混合气，随后发生放热燃烧，实现能量形式的转换，这一过程即为典型的喷雾燃烧过程。燃烧效率、燃烧稳定性和污染物生成主要取决于喷雾燃烧的点火和火焰发展特性。

　　实验方法与装置

　　如图1所示，实验在内径为300mm的定容弹(也称定容燃烧弹)中进行，其周围布置了三个140mm的可视化窗口。液氨通过改装的气液增压泵加压后送入高压共轨系统。测试时，液氨喷射压力维持在40MPa，喷射时间为1.5ms，使用直径为300μm的单孔喷嘴。环境气体为氮气/氧气混合物，氧气体积含量为21%。

　　实验利用三台高速CMOS相机成像，其中两台配备了EyeiTS像增强器，用于同时记录NH2*和OH*的化学发光;第三台高速相机记录火焰发光(FL)。以揭示液氨喷雾燃烧的点火和火焰发展过程以及关键活性基团的分布。

　　图1 用于液氨喷雾燃烧的定容弹及光学布置示意图

　　实验结果

图2 通过阴影法捕捉的液氨喷雾在非反应条件(N2环境)下的汽液发展，环境压力为3MPa，环境温度为950K

　　通过高速成像技术捕捉到了液氨喷雾燃烧过程中不同阶段的火焰形态变化，如图2所示。在点火初期，喷雾前沿出现点火核心，随着燃烧的进行，点火核心逐渐向喷雾中心区域扩展，形成连续的火焰。

　　研究团队将液氨喷雾火焰的燃烧过程划分为四个阶段：点火阶段、火焰传播阶段、充分燃烧阶段和燃烧后期。

　　在点火阶段(图3 - 1.39ms)，OH*信号首先在喷雾前沿出现，随后以聚合形式出现 NH2*和FL信号。在火焰传播阶段(图3 - 1.48ms以及图4)，OH*、NH2*和FL信号的强度和尺寸迅速增加，并逐渐扩展到喷雾头部的大部分区域。在充分燃烧阶段(图5)，这些信号完全覆盖整个喷雾核心区域。在燃烧后期(图6)，FL 信号显著下降，OH*轮廓与火焰前沿紧密贴合，但NH2*区域迅速减小，NH2*信号比OH*信号更早消失，燃烧持续时间约为 5.6ms。

　　图3 液氨喷雾燃烧初期的OH*、NH2*化学发光和火焰发光(FL)图像的时间演变过程。拍摄区域宽度为55.5毫米，高度为118毫米。每张图像的左上角标有图像亮度放大倍数和喷射后时间。图像中的绿色轮廓线显示了OH*的分布范围，红色轮廓线显示了NH2*的分布范围，青色轮廓线显示了最大OH*强度的10%，紫色轮廓线显示了最大NH2*强度的50%，黄色轮廓线显示了非反应条件下喷雾的形状。

　　图4 液氨喷雾燃烧在火焰传播过程中的OH*、NH2*和FL图像的时间演变

　　图5 液氨喷雾燃烧在充分燃烧过程中的OH*、NH2*和FL图像的时间演变

　　图6 液氨喷雾燃烧在燃烧后期的OH*、NH2*和FL图像的时间演变

　　此外，研究还发现，在燃烧结束后，喷射器附近区域出现了局部小规模自点燃现象(图7a)，这些小火花的移动速度较低(平均速度为0.47m/s)，表明燃料 - 空气混合较差，经历了一个缓慢且持久的氧化燃烧过程。这种局部自点燃现象表明液氨喷雾燃烧过程中存在一定程度的不完全燃烧，可能与喷雾内部的燃料浓度分布不均匀有关。