近日，清华大学能源与动力工程系和燃烧能源中心隋然课题组的文章《Catalytic combustion of NH₃ in Pt-coated microchannels: A numerical study on the surface-gas chemistry coupling and its impact on product selectivity》发表于燃烧领域权威期刊《Combustion and Flame》。本工作详细阐述了气相化学、催化-气相反应路径耦合以及其对NH₃转化率和N₂选择性的影响，发现了通过催化-气相耦合燃烧的方式，可以同时实现氨的低温高效稳定燃烧和低NO_x排放，有望为工业氨燃烧器的设计和优化提供指导。

由于国内外近年来对零碳能源的更高要求，氨作为未来能源系统中的燃料或燃料添加剂，已引起了广泛关注。氨具有高辛烷值和低火焰温度的特点，适合于内燃机中的高压缩比燃烧。与氢气相比，氨在储存和运输性能上也具有优势。然而，氨燃烧直接利用仍有一些障碍，例如难以点火、狭窄的可燃范围、以及最重要的NOx排放问题。催化燃烧是解决这些问题的一种有效方式。由于其固有的较低活化能、高燃烧稳定性以及在燃烧氢气和碳氢燃料时几乎不产生NO_x排放，催化燃烧技术已经广泛应用于大型和中小规模发电、清洁燃料制备、汽车和工业燃烧器的尾气排放控制以及化学合成等领域。

氨的催化燃烧研究尚在起步阶段。已有的相关研究主要集中在NH₃的选择性催化氧化（SCO）或是针对NO生成的Ostwald工艺，而非针对燃料氨催化燃烧供能的研究。因此，本研究针对使用氨作为燃料的中小尺度发电等应用，对镀铂（Pt）10×1 mm典型催化微通道中的贫燃预混NH₃/O₂/N₂燃烧进行了数值模拟。

图 1： 壁温1300 K下铂催化氨燃烧通道内的主要气相组分分布

文章研究了气相点火在催化-气相耦合燃烧时的压力依赖性以及随通道尺寸的变化，详细阐述了氨催化燃烧中不同的工况对燃料消耗和出口氮气选择性的影响及其随参数变化的趋势。借助敏感性分析、催化剂表面组分分布和反应路径分析，充分揭示了表面反应产生大量NO和气相反应促进NO转化为N₂的原因。由于高O(s)覆盖，氨在催化剂表面不断脱氢后会与O(s)结合并脱附，造成大量的NO生成。而气相中的NH2自由基会通过NH₂+NO=N₂+H₂O或NH₂+NO=NNH+OH这两步反应消耗NO，并通过随后的一系列基元反应促进自由基向N₂的转化。

图 2：Tw = 1300 K, p = 1 bar, φ = 0.5下的反应路径分析图

清华大学能动系和燃烧中心二年级博士生秦龙为该论文的第一作者，隋然老师为论文的通讯作者。本研究工作得到了国家海外高层次人才计划青年项目、国家自然科学基金和清华大学“笃实专项”的支持。

供稿：隋然课题组

审核：刘有晟、游小清