西伯利亚科学家研究氨燃烧

在寻找无碳燃料的过程中，科学家越来越关注氨。

和氢气相比，氨更容易储存，也更方便运输。理论上，氨燃烧后只会产生氮气和水。但现实没有这么简单：在实际燃烧过程中，排放物中可能会出现氮氧化物，也可能产生其他副产物。

俄罗斯科学院西伯利亚分院沃耶沃茨基化学动力学与燃烧研究所的研究人员，正在研究一个问题：怎样让氨，以及氨与传统燃料的混合物，燃烧得更环保、更高效。他们关于这一方向的一篇论文，已经发表在国际期刊 Applied Sciences 上。

俄罗斯科学院西伯利亚分院化学动力学与燃烧研究所燃烧过程动力学实验室研究员、物理数学副博士克谢尼娅·尼古拉耶芙娜·奥西波娃解释说：

“最近几年，人们开始寻找无碳燃料。所谓无碳燃料，就是燃烧时不会向大气排放一氧化碳和二氧化碳这类含碳化合物的燃料。氨就是一个有前景的候选者。它的分子里没有碳，而且已经广泛用于工业，比如生产氮肥。这意味着，氨的储存、运输和分销基础设施，其实早就存在了。”

氨，也就是 NH₃，可以看作一种化学形式的氢载体——因为在氨分子中，氢原子的质量占比相对较高。

但问题是，氨和空气的混合物并不适合直接用于能源和交通领域。原因很简单：和常见的碳氢燃料相比，氨的燃烧速度太低。所以，全球很多团队都在研究，把氨和不同类型的燃料混合使用。

燃烧过程动力学实验室青年研究员弗拉季斯拉夫·维塔利耶维奇·马秋什科夫说：

“氢是一种很好的燃料，但储存起来很难。所以我们把注意力转向氨，把它看作一种方便的氢载体。如果想把氨用于发动机，就必须彻底弄清楚它的燃烧过程。只有这样，我们才能建立计算机模型，并对内燃机进行改造，让它们适应新的燃料混合物。”

氨为什么被看作能源载体？

氨由氮和氢组成。燃烧时，氢会生成水，并释放大量能量。所以，氨也被视为一种能源储存介质。

氨可以由氢气和氮气合成。氮气可以从空气中获得。氢气则可以来自不同来源，比如利用太阳能或风能电解水制氢。和纯氢相比，氨更容易储存，也更加安全。

不过，氨燃烧依然有问题。燃烧过程动力学实验室主任、化学博士安德烈·根纳季耶维奇·什马科夫解释说：

“理想情况下，氨燃烧只会生成氮气和水。但在真实条件下，可能会产生氮氧化物，也可能会有未完全燃烧的氨残留。如果为了改善燃烧效果，再加入其他燃料，还可能出现毒性更强的物质，比如氢氰酸。

所以，我们必须研究燃烧化学。我们要弄清楚火焰中到底发生了哪些反应。只有这样，才能找到氨、辅助燃料和氧气之间的最佳比例。目标是释放最多能量，同时把有害排放降到最低。”

氨更适合船舶和电站，不太适合乘用车

研究人员认为，氨更适合用于那些能够保持稳定燃烧工况的场景，比如船舶，或者发电站。当设备进入最佳运行状态后，系统可以稳定工作，有害氮氧化物几乎不会形成，燃料也能充分燃烧，最终变成相对清洁的产物。这样一来，整个过程就更加环保。

但乘用车的情况不同。汽车经常要变换工况，比如起步、加速、减速。在这些过程中，氮氧化物排放会突然增加，只有等发动机控制系统重新调整后，排放才会下降。因此，氨作为燃料并不太适合普通汽车。

研究从简单混合燃料开始

研究人员最早从简单燃料混合物入手。

第一步，是把氨和氢气混合，研究它们的燃烧特性。下一阶段，他们开始研究氨和轻质碳氢化合物的混合燃烧。这些轻质碳氢化合物包括甲烷、乙烷和乙烯。

后来，研究重点又转向含氧燃料体系。这里面包括一些最简单的醇类，比如甲醇、乙醇和丁醇；也包括醚类，比如二甲醚和二乙醚。这些物质可以由有机原料制得。

现在，研究已经进入第三阶段。科学家正在研究氨与重质碳氢化合物的混合燃烧。这些重质碳氢化合物，是汽油、柴油和航空燃料中的典型成分。

这个项目的最终目标，是建立一套实验数据库。这套数据库非常重要：它可以用来验证和改进现有的燃烧理论模型。研究人员希望找出模型中的不足，提高模型的预测精度。这样一来，模型就能更准确地预测发动机在真实条件下的燃烧过程。

他们怎么做实验？

研究团队主要使用两类实验方法。

克谢尼娅·奥西波娃介绍：

“我们实验室主要有两种实验。第一种，是研究火焰结构，也就是测量火焰中不同位置上各种物质的浓度分布。我们还会在高于大气压的条件下进行测量，这样可以让实验条件更接近真实发动机环境。

第二种，是使用喷射搅拌反应器进行实验。这种设备可以研究燃料在比火焰更低温度下的氧化动力学。它可以帮助我们准确判断，氧化反应从什么温度开始。”

研究人员会获得燃料混合物在燃烧或氧化过程中形成的产物数据。简单说，就是看看燃烧后到底生成了哪些物质。这些信息可以用来判断理论模型是否准确。

有了大量实验数据后，研究人员就能找出哪些反应导致计算结果和实验结果不一致，然后，他们再进一步改进这些新型燃料的燃烧模型。

他们还研究火焰中的离子

除了常规燃烧产物，研究团队还在研究火焰中的离子生成。燃烧过程动力学实验室高级研究员、物理数学博士杰尼斯·阿纳托利耶维奇·克尼亚兹科夫说：

“我们还研究火焰中离子的形成。如果能弄清楚离子和火焰中中性组分之间如何相互作用，未来就有可能用外加电场来控制燃烧。在这种情况下，会形成所谓的‘离子风’。

和碳氢燃料燃烧一样，在含氨燃料混合物中，带电粒子的主要来源不是热电离，而是化学电离。在这类混合物中，我们发现了很多种含氮离子。我们首次在世界范围内描述了氨和甲烷混合火焰中正离子的形成机制。现在，我们正在研究负离子的形成动力学。

未来，这项研究有助于开发传感器。这些传感器可以实时监测发动机状态，并帮助发动机保持最佳运行模式。”

项目信息

这项研究由俄罗斯科学基金会资助，项目编号为 24-19-00165。

【信息来源：sbras.info】