本文由Kenta Tamaoki、Yoshito Ishida、Takuya Tezuka和Hisashi Nakamura共同撰写，研究机构为日本东北大学流体科学研究所和机械系统工程研究生院。该研究于2024年9月6日发表在《Fuel Communications》期刊上，题为《Effects of Difference in Heating Sources on Ammonia Reactivity: Possibility for Photolysis-Assisted Ammonia Combustion》。研究主要探讨了不同热源对氨（NH3）反应性的影响，特别是通过光解辅助氨燃烧的可能性。

研究背景

氨（NH3）作为一种无碳燃料，因其在低碳能源系统中的潜力而备受关注。然而，氨的燃烧特性较差，如低反应性、低层流火焰速度和氮氧化物（NOx）排放问题，限制了其广泛应用。为了克服这些挑战，研究人员需要深入理解氨的化学动力学特性。尽管已有大量关于氨燃烧动力学的研究，但在中低温条件下（<1400 K）的氨反应性数据仍存在较大差异，特别是在不同反应器中的实验结果不一致。因此，本研究旨在通过使用两种不同的热源（H2/空气平面火焰和电加热炉）重新审视氨在微流反应器（MFR）中的反应性，并探讨光解辅助氨燃烧的可能性。

研究方法

研究使用了一种带有温度控制曲线的微流反应器（MFR），该反应器由石英管和外部热源组成，能够在反应器内壁形成稳定的温度分布。实验中使用了两种热源：H2/空气平面火焰和电加热炉。H2/空气平面火焰通过热对流加热反应器，而电加热炉则通过辐射加热。实验中，反应器内壁的最高温度（Tw, max）在1100 K至1400 K之间变化。研究使用四极杆质谱仪（QMS）检测反应器出口的NH3浓度，并通过实验和计算模拟对比两种热源下NH3的消耗情况。

实验结果与讨论

实验结果显示，在H2/空气平面火焰作为热源的情况下，NH3在1300 K时几乎完全消耗，而在电加热炉中，即使温度达到1400 K，仍有约50%的NH3未反应。尽管两种热源下的反应器特征停留时间（τcnv）几乎相同，但H2/空气平面火焰中的NH3反应性显著高于电加热炉。这一现象无法通过现有的化学动力学模型解释，因此研究人员推测，H2/空气平面火焰发出的紫外光可能通过光解作用增强了NH3的反应性。

进一步的分析表明，H2/空气平面火焰发出的紫外光能够穿过石英管并分解NH3，生成NH2和H自由基。这些自由基通过链式反应（如H + O2 = O + OH）促进了OH自由基的生成，从而增强了NH3的氧化反应。这一发现表明，光解辅助氨燃烧可能是一种克服氨低反应性的新方法。

结论

本研究通过实验和理论分析，揭示了H2/空气平面火焰作为热源时，NH3反应性显著增强的现象，并提出了光解辅助氨燃烧的可能性。这一发现不仅为氨燃烧的化学动力学研究提供了新的视角，还为设计新型氨燃烧器提供了潜在的技术路径。未来的研究需要进一步验证紫外光对NH3光解的具体作用机制，并将其纳入氨燃烧动力学模型的验证中。

研究亮点

1. 重要发现：H2/空气平面火焰作为热源时，NH3的反应性显著高于电加热炉，且NH3在较低温度下即可完全消耗。
2. 新颖性：首次提出并验证了光解辅助氨燃烧的可能性，为克服氨的低反应性提供了新的思路。
3. 应用价值：该研究为设计高效、低排放的氨燃烧器提供了理论支持，有助于推动氨作为无碳燃料的广泛应用。

研究意义

本研究不仅深化了对氨燃烧动力学的理解，还为氨燃烧技术的实际应用提供了新的技术路径。通过光解辅助氨燃烧，未来可能开发出更高效的氨燃烧器，从而加速氨在工业能源领域的应用，助力全球低碳能源转型。