Экспериментальное и численное исследование кинетики горения и окисления смесей аммиака с углеводородными и альтернативными топливами для оптимизации процессов их сжигания в энергетике

Методом зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с мягкой ионизацией электронным ударом изучена тепловая и химическая структура ламинарных пламен смесей NH3/СН4/O2/Ar, NH3/С2Н6/O2/Ar, NH3/С2Н4/O2/Ar, NH3/С2Н2/O2/Ar бедного, стехиометрического и богатого составов при давлениях 1-5 атм. Были идентифицированы и измерены профили концентраций более 20 различных химических соединений, включая атомы и радикалы. Также в пламенах смесей NH3/СН4/O2/Ar были идентифицированы и измерены профили относительной мольной доли пяти катионов - NH4+, H3O+, NO+, CH3NH3+ и HCNOH+. Проведены исследования кинетики низкотемпературного окисления смесей NH3/СН4/O2/Ar, NH3/С2Н6/O2/Ar, NH3/С2Н4/O2/Ar, NH3/С2Н2/O2/Ar в изотермическом реакторе струйного перемешивания в диапазоне температур 600-1300К, времени пребывания 1 с, коэффициенте избытка топлива 0.5-2.0. Измерены задержки воспламенения за отраженными ударными волнами в смесях NH3/CH4/O2/Ar, NH3/C2H2/O2/Ar, NH3/C2H4/O2/Ar, NH3/C2H6/O2/Ar в диапазоне давлений 3–15 атм и температур 1300–2500К на ударной трубе с многоканальной спектроскопической диагностикой. В стехиометрических смесях NH3/CH4/O2/Ar, NH3/C2H2/O2/Ar, NH3/C2H4/O2/Ar, NH3/C2H6/O2/Ar, в которых аммиак на 10% или 30% замещен добавками исследуемых углеводородов, задержки воспламенения значительно уменьшаются при фиксированной температуре, либо при фиксированной величине периода индукции значительно уменьшается температура воспламенения в сравнении со смесями NH3/O2/Ar. Чем в большей степени аммиак замещается углеводородами, тем сильнее проявляется этот эффект. Результаты измерений времяразрешенных концентрационных профилей атомов O в смеси 30 ppm NH3 + 10 ppm N2O в Ar после прохождения отраженной ударной волны показали, что с повышением температуры выход атомов O ускоряется, достигая пика при температуре около 2100 K. При более высокой температуре процессы расходования атомов О начинают преобладать над его образованием, приводя к монотонному уменьшению послепиковой концентрации, что позволяет проводить кинетические измерения скорости реакции атома О с молекулами исследуемых топлив. Полученные данные являются уникальной информацией, необходимой для проверки и уточнения детальных химико-кинетических механизмов реакций окисления и горения смесей аммиака с легкими углеводородами. Сопоставление результатов измерений структуры пламен смесей NH3/CH4/O2/Ar, NH3/C2H2/O2/Ar, NH3/C2H4/O2/Ar, NH3/C2H6/O2/Ar позволило установить, что все химико-кинетические механизмы из литературы удовлетворительно описывают профили концентрации реагентов (NH3, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 и O2) и основных продуктов горения (H2O, CO2 и N2), корректно воспроизводят форму профилей и положение пиковых значений для большинства радикалов. Однако в случае низкотемпературного окисления смесей этих же смесей в изотермическом реакторе струйного перемешивания все протестированные модели плохо описывают результаты экспериментов во всем диапазоне условий. Повышение давления и коэффициента избытка топлива в исследованных пламенах смесей NH3/CхHу/O2/Ar как в эксперименте, так и по данным численных расчетов приводит к снижению концентрации NO в зоне конечных продуктов горения. Сопоставление экспериментальных и расчетных времен задержки воспламенения стехиометрической аммиачно-кислородной смеси с 10% и 30%-ным замещением NH3 исследуемыми углеводородами: CH4, C2H2, C2H4 и C2H6 показало, что с увеличением доли этих добавок задержки воспламенения значительно уменьшаются при фиксированной температуре, либо при фиксированной величине задержки значительно уменьшается температура воспламенения. Анализ чувствительности задержки воспламенения к константам скоростей отдельных реакций показал, что в числе наиболее значимых оказываются реакции с участием соединений N2Hx, например HO2+NH2=H2NO+OH и HO2+NH2=NH3+O2. Сопоставление результатов измерений времяразрешенных профилей концентрации атомов O после прохождения отраженной ударной волны в смеси NH3/N2O/Ar с результатами численного моделирования с использованием 4-х различных моделей окисления NH3 и смесей NH3+CxHy из литературы показало, что эти модели не описываю эксперимент, особенно в области низких температур. Анализ чувствительности констант скоростей элементарных химических реакций и анализ скорости образования и потребления атомарного кислорода показал, что необходимо уточнение кинетики реакции NH3, NH2, NH с атомами O и H.