內(nèi)燃機燃燒氨燃料的研究綜述

馬超坤，何宏舟

摘要： 在全球碳減排的大趨勢下，發(fā)展氨燃燒技術(shù)十分必要。綜述了國內(nèi)外對氨氧化化學動力學機理、層流燃燒速度和著火延遲時間的研究成果，并針對氨燃燒時燃燒速度慢和NOx排放量大等問題介紹了摻混燃燒、富氧燃燒和等離子體輔助燃燒3種氨增強燃燒技術(shù)，詳細闡述了壓力和水分對氨燃燒中NOx排放量的影響。重點介紹了氨燃料在內(nèi)燃機中燃燒的研究現(xiàn)狀，指出在內(nèi)燃機燃料中摻燒氨燃料會造成內(nèi)燃機功率下降和氮氧化物排放量過高等問題，而提高壓縮比、調(diào)節(jié)氨摻混比例和調(diào)整燃料噴射策略等可以有效改善摻氨燃燒內(nèi)燃機的功率和排放量。

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機；氨燃料；燃燒特性；氮氧化物

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.001

中圖分類號：TK407.9文獻標志碼： A文章編號： 1001-２２２２（２０24）０2-００01-０8

近年來，世界化石能源消耗量不斷增加，帶來了碳排放增加和溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題［1］。為減少碳排放，我國在2020年提出了“雙碳”發(fā)展目標：計劃到2030年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，二氧化碳排放量達到峰值并實現(xiàn)穩(wěn)中有降；到2060年，非化石能源消費比重達到80%以上，順利實現(xiàn)碳中和目標。我國完成“雙碳”目標可以與汽車、船舶和發(fā)電部門使用無碳燃料替代化石燃料的進程相結(jié)合，無碳燃料將助力實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標。氨（NH3）是經(jīng)典的化工產(chǎn)品，也是一款典型的無碳燃料，氨作為燃料具有以下幾方面優(yōu)點［2］：低熱值為18.5 MJ/kg，與一般煙煤相差不大，且燃燒時不會產(chǎn)生碳氧化物；每年約有2億t NH3被生產(chǎn)和運輸，有成熟可靠的基礎(chǔ)設(shè)施用于NH3的儲存和運輸［3］；辛烷值高達130，具有良好的抗爆性能，可在內(nèi)燃機中安全燃燒。

氨燃料具有能量密度高、安全可靠、生產(chǎn)和儲存運輸方便等特點，在我國實行“雙碳”目標的大趨勢下，研究高效的氨燃燒技術(shù)改善氨的燃燒性能，變得更具現(xiàn)實意義。

1氨燃料的燃燒特性

1.1氨的基本物性

氨呈堿性、無色、氣味較強，常溫常壓下呈氣態(tài)，室溫下壓力升高至約0.9 MPa（9個大氣壓）時即可被液化。氨的密度比空氣小，大氣條件下可以快速擴散，這大大降低了其泄漏引發(fā)火災(zāi)的風險。氨是世界產(chǎn)量第二大的化學品，生產(chǎn)工藝成熟，全世界每年合成氨產(chǎn)量約2億t。氨的儲運方便，液氨與天然氣管道兼容性好，基本無需對管道進行改造即可實現(xiàn)液氨的長距離輸運。利用現(xiàn)有天然氣管道運輸液氨，輸送的能量值是運輸天然氣時的1.5倍［4］，整個運輸過程快速、便捷和安全。氨作為燃料時低熱值與一般煙煤相差不多，理論上完全燃燒的產(chǎn)物只有H2O和N2，不會產(chǎn)生碳排放。氨燃燒產(chǎn)物清潔且生產(chǎn)儲存運輸方便，使其成為最有應(yīng)用前景的清潔能源之一。氨、氫氣、二甲醚（DME）、汽油和柴油的一些關(guān)鍵物性對比如表1所示。

1.2氨的層流燃燒速度

層流燃燒速度是燃料的重要燃燒特性參數(shù)，同時也是驗證燃料反應(yīng)機理和確定湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹匾笜?。燃料的層流燃燒速度會影響動力機械的熱釋放速率和火焰穩(wěn)定性，合適的層流燃燒速度有利于動力機械獲得更高的熱效率［6-7］。圖1匯總了K. Takizawa等［8］、P. D. Ronney［9］、U. L. Pfahl等［10］、T. Jabbour等［11］ 、A. Hayakawa等［12］、A. Ichikawa等［13］、X. Han等［14］通過試驗測量和C. Okafor等［15］、X. Han等［16］、G. P. SMITH等［17］、U. Mechanism［18］通過仿真計算所獲得的氨層流燃燒速度隨空氣當量比的變化趨勢。由圖1可知，試驗測得NH3的層流燃燒速度比碳氫燃料低數(shù)倍，NH3的最大層流燃燒速度約為7 cm/s（在當量比約為1.05時），明顯慢于H2的最大層流燃燒速度280 cm/s和CH4的35 cm/s，這表明NH3的反應(yīng)性要弱于H2和CH4，而反應(yīng)性較弱就是發(fā)展氨燃燒技術(shù)的最大難題。

著火延遲時間是評估燃料著火能力的重要參數(shù)，著火延遲時間定義為從燃料注入氧化環(huán)境產(chǎn)生可燃混合物到快速反應(yīng)階段，即溫度和壓力開始快速上升之間的時間，該參數(shù)主要受初始溫度、壓力和反應(yīng)物成分的影響［19］。著火延遲時間是發(fā)動機設(shè)計、燃料助燃劑性能評價和建立反應(yīng)動力學機理等方面的重要參考指標。早期關(guān)于NH3著火延遲時間的研究大多著眼于構(gòu)建和驗證氨氣氧化的反應(yīng)動力學機理，其測量工況主要為高溫低壓工況（大于1 600 K，小于1.0 MPa）。圖2匯總了A. A. Konnov［20］、O. Mathieu等［21］、Z. Tian等［22］和H. Nakamura等［23］對氨點火延遲時間的研究數(shù)據(jù)。由圖2可知，氨的著火延遲時間與點火溫度近乎呈反比關(guān)系。近年來，隨著NH3作為一種新型零碳燃料而受到廣泛關(guān)注，對于更接近實際燃燒環(huán)境的低溫高壓工況（小于1 100 K，大于2.0 MPa）下的NH3的著火延遲時間的研究測量已成為重點研究方向［24］。

氨燃燒反應(yīng)機理是進行氨燃燒分析和應(yīng)用的基礎(chǔ)，早在1989年，J. A. Miller等［25］首次描述了NH3燃燒的詳細反應(yīng)機理，但是后來試驗發(fā)現(xiàn)該機理不能準確預(yù)測在貧燃料燃燒和富燃料燃燒時NH3火焰中重要自由基（如OH，O，H和HNO）的形成情況。后續(xù)不斷有研究者對氨的燃燒機理進行研究，表2匯總了部分研究者所提出的氨燃料燃燒的化學動力學機理。早期由于試驗測量技術(shù)手段不足，研究氨燃燒化學動力學機理主要是基于對火焰結(jié)構(gòu)的分析，后來隨著試驗測量技術(shù)的進步，氨燃燒化學動力學機理研究可以基于更精準的層流燃燒速度和點火延遲時間進行分析，但是迄今為止始終缺乏對氨燃燒過程中NOx形成反應(yīng)機制的研究。

1.5氨增強燃燒技術(shù)研究

相較于傳統(tǒng)燃料，氨燃燒存在著燃燒速度較慢，點火延遲時間較長，最小點火能較大等不足，這些不足限制了氨燃料的推廣與應(yīng)用。要使氨燃料能夠?qū)嶋H應(yīng)用到內(nèi)燃機、鍋爐和燃氣輪機的燃燒中，必須提高氨的燃燒性能，而氫與碳基燃料的點火延遲時間較短，層流燃燒速度較快，于是有學者就提出將氨與氫或其他碳氫燃料摻燒，以增強氨的燃燒性能。在實際應(yīng)用中，有學者提出了摻混燃燒技術(shù)［13-14］、等離子體輔助燃燒技術(shù)［32-33］和富氧燃燒技術(shù)［34］等氨增強燃燒技術(shù)。圖3對比了NH3摻H2燃燒［13］、NH3摻CH4燃燒［14］、NH3富氧燃燒［34］和純氨燃燒［35］的層流燃燒速度隨摻混物摩爾分數(shù)變化的情況。由圖3可知，摻氫燃燒技術(shù)可以更顯著地提高混合燃料的層流燃燒速度，且理論上不會產(chǎn)生多余的溫室氣體排放，更具有研究價值。

1.6氨燃燒NOx排放控制研究

氨燃料燃燒的另一個問題就是NOx排放量較大，大氣中的NOx不僅會加劇溫室效應(yīng)，還會損害人體健康，因此發(fā)展低NOx排放的氨燃燒技術(shù)勢在必行。

J. Choe等［32］搭建了由高壓脈沖發(fā)生器和預(yù)混旋流燃燒器組成的試驗臺，首次對等離子體輔助氨燃燒進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)高能等離子體不僅可以拓展氨的貧燃熄火極限，還有利于降低燃燒中NOx的排放量，可以將燃燒煙氣中的NOx排放量從2 600×10-6降至1 700×10-6。T. S. Taneja等［33］研究發(fā)現(xiàn)，NH3在等離子體輔助燃燒的情況下，著火延遲時間變短，NOx的排放量大大減少。認為等離子體的存在有助于增強OH自由基的生成，并在等離子體放電過程中加速NH3的消耗，從而減少NH2自由基的生成量，避免NH3和NH2自由基進一步反應(yīng)產(chǎn)生NOx。等離子體輔助燃燒可以增強氨燃燒火焰，同時減少NOx排放，已成為氨清潔燃燒技術(shù)發(fā)展的新方向。

K. D. K. A. Somarathne等［36］研究了在類似于燃氣輪機的反應(yīng)器中壓力對NO排放量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著燃燒室壓力的升高NO排放量逐漸降低，當燃燒室壓力從0.1 MPa增加到0.5 MPa時，NO排放量從700×10-6降至200×10-6；研究還發(fā)現(xiàn)，在當量比為1.2時，NO和未燃NH3的排放量最小。G. B. Ariemma等［37］使用旋流燃燒器試驗研究了在預(yù)混和非預(yù)混條件下，處于不同當量比的情況時，加入25%，50%和75%質(zhì)量分數(shù)的水對氨-空氣燃燒過程穩(wěn)定性和NOx排放的影響。結(jié)果表明：在預(yù)混和非預(yù)混兩種條件下，加水都可以在不影響氨燃燒穩(wěn)定性的前提下降低NOx的排放量；對于非預(yù)混燃燒，在當量比分別為0.7，1.0和1.1時，均可以觀測到NOx排放量隨著加水量的增加而下降；在當量比為0.7時，加水對NOx排放量的影響尤為明顯，加入75%質(zhì)量分數(shù)的水可以將NOx濃度從440×10-6降低到280×10-6，但是在較高的燃燒當量比條件下，加水對降低NOx排放量的效果不明顯，最大減少量在20%左右。

2氨在內(nèi)燃機中的燃燒應(yīng)用

2.1氨摻氫在內(nèi)燃機中的燃燒應(yīng)用

純氨燃料點火困難，燃燒速度慢，在點燃式內(nèi)燃機中的試驗發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時純氨燃料無法點火或穩(wěn)定運行［38］，因此氨不適合單獨作為內(nèi)燃機燃料，需要與其他燃料混合使用。氫氣的燃燒性能優(yōu)于氨，在氨中添加氫氣能有效改善燃料燃燒性能以提高燃燒速度，同時又不會產(chǎn)生碳排放，因此開發(fā)使用氨與氫混合燃料的內(nèi)燃機是一個可行的方向。

考慮到氫的儲存難題，M. Comotti等［39］設(shè)計了一種氨分解裝置，嘗試只使用氨作為汽車燃料，該裝置使用釕基催化劑將氨分解產(chǎn)生氫氣，再將氫氣和氨混合輸入一臺點火式內(nèi)燃機中。研究發(fā)現(xiàn)，氨摻氫燃燒發(fā)動機的熱效率與原汽油發(fā)動機的熱效率相當（在高轉(zhuǎn)速下甚至更好），M. Comotti等的研究為使用氨作為汽車燃料提供了一個新思路。M. H. Dinesh等［40］試驗研究了氨摻不同能量分數(shù)氫在可變壓縮比點燃式內(nèi)燃機中的燃燒，發(fā)現(xiàn)當氫的能量分數(shù)在5%～21%范圍內(nèi)變化時，隨著氫能量分數(shù)的增加，混合燃料的燃燒速度隨之增加，相應(yīng)的發(fā)動機功率和熱效率也隨之上升，但上升的幅度逐漸減??；當壓縮比在12～15范圍內(nèi)變化時，發(fā)動機功率和熱效率隨著壓縮比的增加而上升；當氫提供的能量占比較小時，燃燒尾氣中NOx排放量相較于使用純氨時略微減小，而隨著氫能量占比的進一步增大，內(nèi)燃機的NOx排放轉(zhuǎn)為隨之增加，這是由于隨著摻氫能量分數(shù)的增加，內(nèi)燃機的燃燒溫度隨之增加，導致燃燒過程中熱力型NOx的生成量增加。

M. Pyrc等［41］研究了在可變壓縮比點燃式內(nèi)燃機中摻氫對氨燃燒的著火延遲時間、著火時長、發(fā)動機平均有效壓力、指示熱效率和NOx排放等的影響。發(fā)現(xiàn)在壓縮比分別為8和10的條件下，當氫能量占比在0%～70%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，隨著氫能量占比份額的增加，氨氫混合燃料的著火延遲時間逐漸降低，著火時長逐漸變短，而NOx的排放量卻隨之增加；當氫能量占比為12%時，發(fā)動機的平均有效壓力和指示熱效率最高，此時發(fā)動機的輸出功率和熱效率也最高；相對于壓縮比8時，壓縮比為10時氨摻氫發(fā)動機的運行性能更好。

2.2氨摻碳基燃料在內(nèi)燃機中的燃燒應(yīng)用

碳基燃料的燃燒性能普遍優(yōu)于氨，而且不存在儲存和運輸?shù)睦щy，相較于摻氫燃燒，氨摻碳基燃料燃燒更容易付諸實際應(yīng)用。當氨與碳基燃料混合后，其燃燒的火焰速度、熱釋放速率與輻射強度都得到提高，且二氧化碳排放量也明顯低于單獨燃燒碳基燃料時［42］。

A. Yapicioglu等［43］在點燃式內(nèi)燃機中開展了使用氨替代汽油的試驗研究，發(fā)現(xiàn)當氨的摻混質(zhì)量比例在0%～80%變化時，內(nèi)燃機功率從燃燒純汽油時的3 689.2 W下降至3 572.8 W，熱效率從35.7%降至28.74%，CO2排放量從2.535 g/s下降至2.491 6 g/s。S. O. Haputhanthri等［44］在點燃式內(nèi)燃機中試驗研究了氨、乙醇和汽油混合燃料的燃燒，發(fā)現(xiàn)在286.15 K，137.9 kPa條件下，向汽油中摻混30%體積分數(shù)的乙醇可以將氨在汽油中的溶解度從1.95 g/L提高至36.94 g/L；對比燃燒摻混10%體積分數(shù)乙醇的汽油和摻混10%體積分數(shù)乙醇及5.65%體積分數(shù)氨的汽油兩種摻混燃料的內(nèi)燃機功率與扭矩，發(fā)現(xiàn)在高于3 500 r/min時氨的加入會略微提高內(nèi)燃機的功率與扭矩，在轉(zhuǎn)速2 000～3 500 r/min時燃燒兩種燃料的內(nèi)燃機功率與扭矩基本相同。

F. Huang等［45］在可變活塞點火式內(nèi)燃機中進行了氨與甲烷摻混燃燒的試驗，當量比為1時，內(nèi)燃機的功率與指示熱效率隨著混合燃料中氨能量占比的增加而加速降低，當氨能量占比為30%時發(fā)動機功率與指示熱效率從純甲烷燃燒時的319 W和11.33%降為139 W和4.98%。楚育純等［46］在壓燃式內(nèi)燃機中試驗研究了氨摻混丙烷燃燒，發(fā)現(xiàn)將氨在混合燃料中的能量占比控制在10%～30%范圍內(nèi)時，氨比丙烷燃燒更充分，這是由于氨燃燒的火焰溫度低，摻氨會降低火焰溫度造成部分燃料燃燒不完全；當摻氨的能量占比為10%時，發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性相較于燃燒純丙烷時有所下降，但當摻氨量達到30%時反而可以改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

E. Nadimi等［47］在壓燃式內(nèi)燃機中進行了氨摻混柴油燃燒的試驗，發(fā)現(xiàn)當氨在混合燃料中的能量占比在0%～84.16%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，隨著氨能量占比的增加，內(nèi)燃機的指示熱效率也隨之增加；當氨在摻混燃料中的能量占比為84.16%時，內(nèi)燃機指示熱效率為37.6%，而燃燒純柴油時，內(nèi)燃機的指示熱效率僅為32%；當氨在摻混燃料中的能量占比為84.16%時，內(nèi)燃機運行的燃料成本下降了約44%。研究還發(fā)現(xiàn)，雖然氨替代柴油燃燒時內(nèi)燃機的碳氧化物排放量減少了，但是其NOx排放量卻有所增加，要減少內(nèi)燃機運行時的溫室氣體排放，氨在燃料中的能量占比要達到35.9%以上。A. Yousefi等［48］在單缸重型壓燃式內(nèi)燃機中研究了氨的能量占比和柴油噴射時刻對內(nèi)燃機燃燒特性和排放的影響，發(fā)現(xiàn)氨的加入降低了燃料的燃燒速度，會使內(nèi)燃機的指示熱效率下降；通過改變柴油噴射時刻，不僅可以提高內(nèi)燃機指示熱效率，還可以降低溫室氣體排放量。C. W. Gross等［49］在裝備高壓燃料預(yù)混噴射系統(tǒng)的壓燃式內(nèi)燃機上試驗研究了液態(tài)氨與二甲醚雙燃料燃燒技術(shù)，對內(nèi)燃機性能和燃燒排放情況進行了測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氨的加入提高了混合燃料的點火溫度，降低了其層流燃燒速度，延長了發(fā)動機的點火延遲時間，導致內(nèi)燃機的輸出功率降低；通過對比氨摻混比分別為20%和40%的NH3-DME混合燃料在內(nèi)燃機燃燒時的NOx排放量，發(fā)現(xiàn)摻20%氨比摻40%氨燃燒時產(chǎn)生更多的NOx；此外，氨的加入會降低內(nèi)燃機的燃燒壓力和溫度，導致CO和HC的排放量增加。K. Ryu等［50］研究了壓縮點火式內(nèi)燃機中使用NH3-DME混合燃料時運行特性，測定了在燃燒純二甲醚、摻混40%的氨和摻混60%的氨3種不同混合燃料時內(nèi)燃機的性能，發(fā)現(xiàn)較高的摻氨量會導致發(fā)動機性能下降，會降低發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率，還會產(chǎn)生更多的NOx排放量。表3匯總了部分氨在內(nèi)燃機中燃燒的研究，定性地總結(jié)了相關(guān)研究的主要研究結(jié)論。

3結(jié)束語

綜述了國內(nèi)外學者對氨的氧化化學動力學機理、層流燃燒速度、著火延遲時間和NOx排放控制等方面的研究，指出氨作為燃料面臨點火困難、燃燒速度慢和NOx排放量大等問題。介紹了摻混燃燒、富氧燃燒和等離子體輔助燃燒等可以有效改善氨燃燒的技術(shù)，同時詳細說明了等離子體、壓力和水分對氨燃燒時NOx排放量的影響。在內(nèi)燃機中進行氨摻混燃燒是一種具有發(fā)展前景的技術(shù)，但氨的加入會使內(nèi)燃機的功率與熱效率下降，在氨加入量較多時還會產(chǎn)生較高的NOx排放量，而較高的壓縮比、合適的摻混比例和調(diào)整燃料注入策略等均有助于提高內(nèi)燃機功率、熱效率和降低溫室氣體排放。目前，氨燃料在內(nèi)燃機的燃燒研究還處于理論分析階段，還需要進行更多的針對增強內(nèi)燃機運行性能和控制溫室氣體排放量研究。此外，使用CFD軟件基于詳細氨燃燒機理對氨燃料內(nèi)燃機進行優(yōu)化設(shè)計也是未來的研究方向。參考文獻：

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Research Review on Internal Combustion Engine Fueled with Ammonia

MA Chaokun1，2，HE Hongzhou1，2

（1.Key Laboratory of Clean Energy Utilization and Development of Fujian Province，Jimei University，Xiamen361021，China；2.Fujian Province Clean Combustion and Energy Efficient Utilization Engineering Technology Research Center，Jimei University，Xiamen361021，China）

Abstract： In the global trend of carbon reduction， it is necessary to develop ammonia combustion technology. The research results of chemical kinetic mechanism of ammonia oxidation， laminar flow combustion rate and ignition delay time from domestic and foreign scholars were reviewed. For the problems of slow combustion rate and high NOx emission in ammonia combustion， three ammonia-enhanced combustion technologies such as blending combustion， oxygen-rich combustion and plasma-assisted combustion were introduced， and the effects of pressure and moisture on NOx emission were elaborated. The current research status of ammonia fuel combustion in internal combustion engines was highlighted， and the problems that internal combustion engine fuel blended with ammonia fuel would cause power reduction and high NOx emission of internal combustion engine were pointed out. However， increasing the compression ratio， adjusting the ammonia blending ratio and the fuel injection strategy could effectively improve the power and emission of internal combustion engines after blending ammonia.

Key words： internal combustion engine;ammonia fuel;combustion characteristic;nitrogen oxides

［編輯： 姜曉博］