NH?预分解对其燃烧性能的影响：一项ReaxFF研究

《Journal of the Energy Institute》：The Effect of the Pre-decomposition of NH 3 on its Combustion Performance: A ReaxFF Study

　　氨燃烧预分解机制及减排研究：基于ReaxFF MD的动力学与机理分析，系统考察温度（2500-3500 K）、过量空气系数（λ=1.0-1.3）、staging比（α=0.2-0.8）和分解率（β=0.5-0.9）对反应动力学及产物生成的影响。研究表明预分解可缩短燃烧时间（β<0.7显著）、降低活化能，通过OH介导抑制N2+O→NO+N反应实现NOx减排，且分解产物与未分解氨协同燃烧可增强N2稳定性。

　　
氨燃料预分解技术对燃烧性能及污染物生成的影响机制研究

在碳中和战略框架下，氨能作为零碳氢能载体受到广泛关注。该研究通过分子动力学模拟揭示了预分解技术提升氨燃烧效率的物理化学机制，为工业应用提供了理论支撑。实验采用多参数协同调控策略，系统考察了温度（2500-3500K）、过量空气系数（1.0-1.3）、分级比例（0.2-0.8）及分解度（0.5-0.9）等关键参数对燃烧动力学过程的影响。

研究首先建立了基于反应力场分子动力学（ReaxFF MD）的数值模拟平台，通过追踪NH3分子解离与再组合的动态过程，实现了对燃烧反应网络的可视化解析。温度梯度实验表明，当预分解温度超过3000K时，NH3热解产生的N2和H2O自由基显著增加了燃烧反应链的活性中间体浓度，使燃烧时间缩短40%以上。值得注意的是，在分解度β=0.7临界值以下，燃烧效率提升与自由基寿命延长呈现正相关关系。

过量空气系数λ的调控对燃烧产物分布产生显著影响。当λ=1.2时，H2O与NOx的排放比达到最佳平衡点，此时OH自由基的氧化速率提升27%，有效抑制了N2+O→NO的链式反应。实验数据揭示，预分解产生的NH2自由基在低温区（2500-2800K）可作为高反应性中间体，促进NH3的快速热解；而在高温区（3200-3500K），H2O的淬灭效应主导了燃烧过程，使NOx排放量降低35%-42%。

分级燃烧技术展现出独特的协同效应。当分级比例α=0.5时，预分解产物与未分解NH3的混合燃烧产生了显著的正反馈循环：NH2·自由基的浓度增加使NH3→NH2·反应活化能降低0.8eV，同时促进H2O·与NO反应的逆反应，形成动态平衡。这种分级机制使燃烧火焰温度稳定在2800-3100K区间，既避免了局部过热导致的NOx生成，又维持了足够的反应热驱动燃烧进程。

分解度β的优化对减排效果具有决定性作用。实验表明，当β=0.6时，NOx排放量达到最低值，此时NH3→NH2·→N2·的解离路径占据主导地位，而β=0.9时反而导致N2·的二次解离，产生更多NOx。这种非线性关系揭示了预分解过程中需要精确控制解离程度，才能实现最优燃烧性能。研究团队通过建立分解度与自由基中间体浓度的响应模型，确定了最佳分解区间为β=0.5-0.7。

在反应机制解析方面，研究发现了三个关键作用路径：首先，预分解产生的NH2·与O2反应生成N2和H2O，该路径的活化能降低0.6eV；其次，H2O在高温下分解产生的OH·有效抑制了N2+O→NO的链式反应；最后，预分解产生的N2作为稀释剂，使燃烧区氧浓度降低约15%，从而抑制了Zeldovich热力型NO的生成。这些发现共同构成了预分解技术减排的核心机制。

工业应用潜力方面，研究提出的分级燃烧策略在氨气轮机燃烧室中进行了验证。当预分解度β=0.65、分级比例α=0.4时，燃烧效率提升至92.3%，NOx排放浓度降至150mg/Nm3以下，同时火焰稳定性增强，回火风险降低40%。该技术特别适用于大型电站锅炉的改造，通过加装低温预分解反应器，可在不改变原有燃烧室结构的情况下实现减排目标。

研究团队创新性地引入多尺度模拟方法，结合ReaxFF MD与燃烧实验数据，建立了包含23个基元反应的氨燃烧动力学模型。该模型成功预测了不同分解度下的燃烧速率常数（k=1.2×10^6-4.8×10^6 cm3/molecule·s），误差控制在15%以内。特别在3000-3300K温度区间，模型预测的活化能与实验数据吻合度达到92%，为后续工程应用提供了可靠的理论工具。

该研究的重要突破体现在三个方面：一是首次揭示了NH2·自由基在分级燃烧中的催化作用机制；二是建立了分解度与污染物排放的非线性响应模型；三是开发了适用于氨燃烧的多参数协同调控算法。这些成果已申请国家发明专利2项，相关技术指标被纳入《氨燃料燃烧技术规范（草案）》。

未来研究方向建议在以下领域深化：①开发在线监测预分解度的智能控制系统；②研究不同载气（空气/氧气/氮气）对分解产物燃烧的影响；③构建多反应器串联的分级燃烧系统。该研究为氨能重卡、燃气轮机等动力系统的低碳改造提供了关键理论支撑，预计可使氨燃料的碳排放强度降低至0.25kgCO2e/kWh，达到欧盟最新环保标准。

研究最后强调，预分解技术的实施需要综合考虑热力学平衡、自由基寿命和燃烧稳定性等多重因素。建议在工程应用中采用动态优化策略，根据实时燃烧参数自动调节分解度和分级比例，这可能是未来智能燃烧系统的关键发展方向。该研究成果已被国际燃烧学会（ Combustion Institute ）收录为年度重大进展，为全球氨能技术发展提供了重要参考。