论文信息：Fafu YAN (颜发富), Dong DAI (戴栋)*, Yifei ZHU (朱益飞) and Yongquan PAN (潘泳全), Non-equilibrium chemistry of N₂O/NOx in plasma-assisted ammonia combustion and characterization of its discharge parameter regulation, Plasma Sci. Technol. 28 (2026) 025501

研究背景

在全球气候变化日益严峻、碳中和目标持续推进的背景下，开发零碳替代能源已成为能源转型的关键路径。氨（NH₃）作为一种无碳燃料，燃烧过程中不直接产生CO₂，且具备优良的储运性能、较高的体积能量密度以及作为氢载体的潜力优势，逐渐成为替代传统化石燃料的重要候选能源，在内燃机、燃气轮机及航天推进等领域展现出广阔应用前景。然而，氨燃烧仍面临一系列关键技术挑战。其层流燃烧速度低、可燃范围窄、点火温度高，导致燃烧稳定性和能量利用效率受限。更为重要的是，由于氨分子中富含氮元素，在高温氧化过程中易生成大量NO_x和N₂O等含氮污染物，削弱其环境友好性。因此，在提升氨燃烧性能的同时有效控制N₂O/NO_x排放，成为当前氨燃烧领域亟待解决的核心科学问题。非平衡等离子体技术因其能够在低温条件下高效生成活性自由基、调控反应路径并耦合电场与热场效应，近年来在燃烧强化与排放控制领域受到广泛关注。已有研究表明，等离子体可有效拓展氨的可燃极限、缩短点火延迟、提高火焰传播速度，并在一定条件下降低NO_x排放。然而，现有研究多集中于燃烧性能改善，对N₂O/NO_x生成与消耗的微观反应路径及其对放电参数的响应机制仍缺乏系统认识。因此，有必要基于数值模拟方法深入揭示非平衡等离子体作用下氨燃烧过程中N₂O/NO_x的化学演化机理，明确关键控制反应路径及放电参数的调控作用，为实现高效、低排放的氨燃烧技术提供理论支撑。

研究内容与关键成果

本研究基于数值模拟方法，构建了一个0D等离子体辅助氨燃烧耦合求解模型，系统探讨了非平衡等离子体作用下N₂O/NO_x的化学演化过程，重点分析了不同放电参数对N₂O/NO_x浓度变化的影响，并识别了氨燃烧过程中控制N₂O/NO_x生成与消耗的关键反应路径与关键活性物种。

图1 NO、N₂O和NO₂反应路径通量分析

图1展示了N₂O/NO_x的非平衡化学，等离子体激发产生的活性粒子，尤其是N(²D)、HNO、NH₂、NH及N₂(a′¹Σᵤ⁻)，在NO的生成与消耗过程中起主导作用。NO主要通过与NH₂、NH及N₂(a′¹Σᵤ⁻)等物种反应被还原，生成N₂、NNH和N₂O等产物，如图1(a)所示。N₂O的生成主要由NH、NH₂、N₂及激发态N₂(A³Σᵤ⁺)参与驱动，而其消耗则以O(¹D)引发的双通道反应为主，分别生成N₂和NO，体现了以激发态粒子为特征的非热平衡反应机制，如图1(b)所示。NO₂的生成主要来源于H₂NN与O₂以及NO与HO₂的氧化反应，其消耗则通过生成H、NH₂等还原性自由基的反应过程实现，促进NO₂向NO和N₂O转化，如图1(c)所示。总体而言，NH₂、NH、H、O(¹D)、N及N(²D)等关键自由基和激发态粒子的动态演化，对N₂O/NO_x的生成与还原过程具有重要调控作用。

图2 不同约化场强（E/N）下NO、N₂O和NO₂稳态摩尔分数和峰值摩尔分数变化

图2给出了不同E/N下NO、N₂O和NO₂摩尔分数变化规律,当E/N由100 Td升高至300 Td时，NO_x和NO的峰值摩尔分数明显降低；当E/N进一步超过300 Td后，二者的峰值摩尔分数趋于稳定（见图2(a)）。相比之下，N₂O的峰值摩尔分数随E/N增加近似线性上升，呈现出与NO不同的变化趋势。如图2(b)所示，NO₂、N₂O与NO的稳态摩尔分数与E/N之间并非简单线性关系，在E/N＜200 Td时，NO的稳态摩尔分数显著下降；当E/N位于200–300 Td区间时，NO的稳态摩尔分数继续降低但降幅逐渐减小；当E/N＞300 Td后，NO的稳态摩尔分数基本趋于平稳。相较而言，N₂O与NO₂的稳态摩尔分数始终保持在较低水平，显著低于NO，对总体NO_x摩尔分数的贡献可忽略。

图3 不同约化场强（E/N）下NO、N₂O和NO₂的敏感性分析

图3敏感性分析显示，N₂O/NO_x的生成与消耗随E/N变化受等离子体关键活性与激发态物种主导。低E/N（约100 Td）下，电子碰撞解离产生的H、NH₂、O、O(¹S)、N和N(²D)显著促进NO生成；当E/N升高至300 Td及以上，N₂(a′¹Σᵤ⁻)、N₂(A³Σᵤ⁺)、N₂(B³Πg)、N₂(C³Πᵤ)等激发态氮分子与O(¹S)、N(²D)、NH共同强化NO与N₂O的转化与还原通道。基元反应层面，NH₂相关反应在NO、N₂O与NO₂的生成/消耗中均表现出高敏感性，是控制N₂O/NO_x生成和消耗的关键活性自由基。总体而言，NH₂是跨E/N区间调控N₂O/NO_x动力学的核心物种，NH、O(¹S)、N(²D)及多种激发态N₂也发挥重要作用。

图4 不同脉冲能量密度下NO、N₂O和NO₂的稳态摩尔分数和峰值摩尔分数变化

图4揭示脉冲能量密度对N₂O/NO_x的影响规律，对不同能量密度条件下NO_x、NO与N₂O的峰值摩尔分数及稳态摩尔分数进行了对比分析。结果如图4(a)所示，随着脉冲能量密度增加，NO、N₂O及NO_x的峰值摩尔分数均显著升高。同时，能量密度的提升也会抬升NO₂、NO与N₂O的稳态摩尔分数。进一步从图4(b)可见，NO的稳态摩尔分数变化趋势与其峰值摩尔分数一致；相比之下，N₂O与NO₂的稳态摩尔分数始终维持在较低水平，远低于NO，对总体NO_x的贡献可忽略。

图5 不同脉冲频率下NO、N₂O和NO₂的稳态摩尔分数和峰值摩尔分数变化

图5揭示不同脉冲频率对N₂O/NO_x的影响规律，分析不同频率条件下NO、N₂O及NO_x的峰值摩尔分数与稳态摩尔分数变化。由图5(a)可见，随着脉冲频率升高，NO、N₂O与NO_x的峰值摩尔分数均呈逐步上升趋势。进一步如图5(b)所示，NO的稳态摩尔分数随频率变化的趋势与其峰值摩尔分数一致；相比之下，N₂O与NO₂的稳态摩尔分数始终维持在较低水平，显著低于NO，对总体NO_x摩尔分数的贡献可忽略。

结论与展望

本研究基于零维(0D)定压绝热模型，揭示纳秒重复脉冲等离子体对氨燃烧强化及N₂O/NO_x非平衡化学的作用机理。在1200K、常压下，等离子体使气体温度演化时间尺度与点火延迟缩短约两个数量级，显著增强点火与链式反应推进。在700K低温条件下，反应网络分析表明，NH₂、NH、H、O(¹D)、N及N(²D)等活性粒子主导N₂O/NO_x的生成与消耗，是重构氨氧化路径的关键。通过分析不同放电参数下N₂O/NO_x的排放特性，研究发现，NO_x对E/N呈非线性响应，而N₂O随E/N升高单调增加；E/N由100–500Td提升时，NH₂先增后降并重塑NO消耗通道，E/N约200–300Td内NO趋于平稳但NH累积仍促进N₂O生成。提高脉冲能量密度或频率会使NO_x与N₂O同步上升脉冲能量密度增加促使HO₂、NH₂等中间体富集，强化HNO生成并经HNO通道提升NO；脉冲频率升高缩短脉冲间隔，提高NH/NH₂及O类自由基累积，进而加速N₂O与HNO形成并抬升NO含量。后续将开展一维/二维多物理耦合模拟与实验验证，纳入对流、扩散、热损失、湍流及放电非均匀性对N₂O/NO_x演化的影响，并拓展至DBD与滑弧等放电构型，系统评估机理普适性与能效特征，为高效低排放等离子体辅助氨燃烧提供更可靠的理论与实验支撑。

延伸阅读

[1]  Yifan Q., Yifei Z., Yun W. et al., “Numerical investigation of the hybrid pulse–DC plasma assisted ignition and NOx emission of NH3/N2/O2 mixture”, Combust. Flame 258 (2023) 113078

[2]  Zhan Q, Ban Y, Zhang F et al., “Numerical simulation of flame propagation characteristics of NH3/Air flames assisted by non-equilibrium plasma discharge”, Combust. Flame 271 (2025) 113809

[3]  F. Galia and K. J. La, “A numerical investigation of NH3/O2/He ignition limits in a non-thermal plasma”, Proc. Combust. Inst. 38 (2020) 6661–6669

[4]  Sanjeev T. T., Noah P. J. and Suo Y., “Nanosecond pulsed plasma assisted combustion of ammonia-air mixtures: Effects on ignition delays and NOX emission”, Combust. Flame 245 (2022) 112327

[5]  Xingqian M., Hongtao Z., Ning L. et al., “Ignition enhancement and NOx formation of NH3/air mixtures by non-equilibrium plasma discharge”, Combust. Flame 259 (2024) 113140

第一作者介绍

颜发富，2023级硕士研究生，现就读于华南理工大学电力学院，主要研究方向为等离子体辅助点火技术。

通讯作者介绍

戴栋，华南理工大学电力学院教授，气体放电与等离子体领域专家，现主要从事面向科学计算的人工智能研究。Email: ddai@scut.edu.cn

注：文字供稿来源于论文原作者