氨气掺混对丙烷扩散火焰中碳烟颗粒微观结构及形成机制的影响研究

　　为解决氨气(NH3 )作为零碳燃料燃烧稳定性差及碳烟排放问题，研究人员通过实验与分子动力学模拟，探究了NH3 -C3 H8 复合燃烧中碳烟颗粒的微观形貌、纳米结构演化及化学抑制机制。结果表明，NH3 掺混可降低碳烟浓度、延缓初始形成时间，并通过C-N交叉反应抑制PAHs（多环芳烃）生长路径，为清洁复合燃料设计提供理论依据。

　　

在全球碳中和背景下，氨气(NH₃
)因其零碳特性成为能源转型的热门选择，但其作为单一燃料存在点火困难、燃烧速度慢等问题。与烃类燃料复合燃烧虽能改善燃烧性能，却可能引发碳烟排放这一“双刃剑”效应。尤其对于丙烷(C₃
H₈
)这类高火焰速度的燃料，NH₃
掺混如何影响碳烟形成机制尚不明确。针对这一科学问题，中国的研究团队通过多尺度研究揭示了NH₃
-C₃
H₈
复合燃烧中碳烟演化的“黑箱”机制，相关成果发表于《Journal of the Energy Institute》。

研究采用热泳采样-透射电镜(TSPD-TEM)技术捕捉碳烟颗粒的微观形貌，结合ReaxFF分子动力学(MD)模拟和包含207种组分、1820个反应的NH₃
-C₃
H₈
-PAHs复合机理，系统解析了从分子层面到宏观尺度的碳烟抑制机制。

微观形貌分析显示，随着NH₃
掺混比从20%增至60%，火焰橙黄区域向下游偏移，初始碳烟形成位置延迟。TEM图像表明，碳烟浓度显著降低，且初级颗粒峰值平均尺寸分别减小3.78%、8.17%和23.61%。

纳米结构特征通过高分辨率TEM量化发现：NH₃
掺混使碳烟条纹平均长度缩短、弯曲度增加、间距扩大，表明石墨化程度降低。这种结构变化增强了碳烟的氧化反应活性，印证了NH₃
对碳烟表面化学性质的修饰作用。

分子动力学模拟揭示了NH₃
的化学抑制路径：延迟初始碳环形成、减少PAHs尺寸，并通过生成氮化PAHs(N-PAHs)阻碍PAHs碰撞生长。化学动力学分析指出，NH₃
触发C-N交叉反应生成CH₂
NH₂
/CH₂
NH，削减了A1（苯）形成的关键中间体C₃
H₃
，同时抑制C₂
H₂
生成，从而双重阻断“C₂
H₂
→C₃
H₃
→A1”路径和HACA（氢抽取-乙炔加成）机制。

该研究首次构建了NH₃
-C₃
H₈
燃烧中碳烟形成的全景式机制图谱，不仅澄清了学术界关于NH₃
对碳烟纳米结构影响的争议，更通过C-N交叉反应的新发现为清洁燃料设计提供了创新思路。工程应用上，40%-60%的NH₃
掺混比可实现碳烟减排与燃烧性能的平衡，这对航运、燃气轮机等领域的低碳化改造具有指导价值。未来研究可进一步探索不同燃烧器构型下NH₃
-烃类复合燃料的碳烟-氮氧化物协同控制策略。