Experimental and kinetic modeling study on ammonia fuel blends from low to high temperatures

Li, Mengdi

doi:10.7795/110.20241024

Published

Experimental and kinetic modeling study on ammonia fuel blends from low to high temperatures

English
German

The combustion of fossil fuels has significantly contributed to global warming and the subsequent rise in extreme weather events. Consequently, the pursuit of carbon-free alternative fuels has become imperative for future transportation and energy systems. Ammonia, in particular, offers advantages such as zero carbon emissions, compatibility with existing infrastructure, and ease of production from renewable energy sources. However, challenges such as high ignition temperature and low burning velocity hinder its independent use as a fuel. Blending NH3 with reactive promoter fuels presents a feasible solution to enhance its combustion performance for specific applications. Nevertheless, recent studies have highlighted issues with low efficiency and high NOx emissions when using ammonia fuel blends in conventional internal combustion engines (ICEs).
Given the limited generalizability of practical application results to other energy systems, there is a strong need to comprehend the fundamental reaction kinetics behind the oxidation of ammonia and ammonia fuel blends, which include ammonia oxidation reactions and cross-reactions between promoters and ammonia. Such understanding is critical for attaining high efficiencies and low emissions across various combustion facilities utilizing ammonia fuels. Fundamental combustion experiments with homogenous reactors (reactors without fluid dynamics effects) can play a key role in developing and validating intricate reaction mechanisms.
This study investigates the oxidation properties of NH3/promoter fuel blends, with a specific focus on blending NH3 with C2-hydrocarbon fuels, i.e., ethane (C2H6), ethanol (C2H5OH), and dimethyl ether (DME, CH3OCH3). A wide range of temperatures (450 - 2500 K), pressures (1 - 40 bar), fuel blends ratios (1 - 50 %), equivalence ratios (ϕ = 0.5 - 2.0), and dilution ratios (70 - 95 %) have been explored by utilizing diverse facilities, including a jet-stirred reactor (JSR), a rapid compression machine (RCM), and a shock tube (ST). Based on obtained experimental data, namely ignition delay times and speciation data, a comprehensive chemical kinetic mechanism, PTB-NH3/C2 mech, was developed and validated. Consequently, kinetic analyses based on this mechanism were employed to identify the key reaction steps, with regard to comprehending combustion performances and optimizing combustion conditions for further development of the advanced ammonia combustion systems.
Experimental and simulation findings indicate that blending C2-hydrocarbons can enhance ammonia’s reactivity, e.g., decreasing the ignition delay times (IDTs) under RCM and ST conditions and lowering the oxidation onset temperature under JSR conditions. Detailed observations will be concisely discussed in the main text based on different temperature intervals. In brief, at low-to-intermediate temperatures (450 - 1180 K), speciation experiments under JSR conditions reveal three different oxidation regimes (1st, 2nd, and 3rd) for NH3. Namely, the unique contribution of DME promotes NH3 oxidation in the 1st regime (600 K), which only occurs in the NH3/DME fuel mixtures due to the low-temperature combustion properties of DME. In the 2nd oxidation regime (900 K), NH3 consumption is initiated by the radicals from promoter fuels’ chemistry, while the rapid NH3 consumption in the 3rd oxidation regime (1050 K) is triggered by high temperatures. Both 2nd and 3rd oxidation regimes are generally observed across different C2-hydrocarbon additives. Besides, the IDT measurements from RCM at intermediate temperatures (820 - 1120 K) demonstrate that C2-hydrocarbon addition has a substantial effect on ammonia ignition, with the following promotional effects compared to other blended fuels: 5% C2H5OH > 5% CH3OH > 5% C2H6 > 5% H2 > 10% CH4. At intermediate-to-high temperature (1320 - 1960 K) under ST conditions, speciation and IDT results from NH3/C2H6 and NH3/C2H5OH mixtures show comparable promotional effects on ammonia oxidation, as well as a reverse dependence of IDT at ST conditions compared to RCM conditions, namely IDT decreases as the equivalence ratios decrease in the high-temperature ST condition.
Finally, kinetic analyses based on PTB-NH3/C2 mech, have been employed to investigate the underlying reasons for C2-hydrocarbon promotion and interpret the differences from the various conditions. This research contributes to advancing the understanding of NH3/alkane/alcohol/ether fuel blend reaction kinetics and can serve as a valuable resource for further studies on ammonia combustion and its practical application.

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe hat wesentlich zur globalen Erwärmung und zum Anstieg extremer Wetterereignisse beigetragen. Folglich ist die Suche nach kohlenstofffreien, alternativen Brennstoffen für zukünftige Verkehrs- und Energiesysteme zwingend erforderlich. Ammoniak (NH3) bietet dabei Vorteile wie keine Kohlenstoffemissionen, Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur und leichte Herstellung aus erneuerbaren Energiequellen. Allerdings stellen einige Eigenschaftenwie seine hohe Zündtemperatur und seine niedrige Brenngeschwindigkeit große Herausforderungen an seine unabhängige Nutzung als Brennstoff. Das Mischen von NH3 mit reaktiven Promotorbrennstoffen stellt eine machbare und mögliche Lösung dar, um seine Verbrennungsleistung für spezifische Anwendungen zu verbessern. Dennoch haben jüngste Studien Probleme mit niedriger Effizienz und hohen NOx-Emissionen bei der Verwendung von Ammoniak-Brennstoffgemischen in herkömmlichen Verbrennungsmotoren hervorgehoben.
Angesichts der begrenzten Verallgemeinerbarkeit der praktischer Anwendungsergebnisse auf andere Energiesysteme besteht ein großer Bedarf, die grundlegende Reaktionskinetik hinter der Oxidation von Ammoniak und Ammoniak-Brennstoffgemischen zu verstehen, die u.a. Ammoniak-Oxidationsreaktionen und Kreuzreaktionen zwischen Promotoren und Ammoniak umfassen. Ein solches Verständnis ist entscheidend für das Erreichen hoher Effizienz und niedriger Emissionen in verschiedenen Verbrennungstechnologien, die Ammoniak-Brennstoffe nutzen. Fundamentale Verbrennungsexperimente mit homogenen Reaktoren (Reaktoren ohne strömungsdynamische Effekte) können eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Validierung komplexer Reaktionsmechanismen spielen.
Diese Arbeit untersucht die Oxidationseigenschaften von NH3/Promotorbrennstoffgemischen, mit speziellem Fokus auf die Mischung von NH3 mit C2-Kohlenwasserstoffen. Dabei wurden Ethan (C2H6), Ethanol (C2H5OH) und Dimethylether (DME, CH3OCH3) als Promotoren gewählt. Ein breites Spektrum an Temperaturen (450 - 2500 K), Drücken (1 - 40 bar), Brennstoffmischungsverhältnissen (1 - 50 %), Äquivalenzverhältnissen (ϕ = 0,5 - 2,0) und Verdünnungsverhältnissen (70 - 95 %) wurde unter Nutzung verschiedener Reaktoren, einem Jet-Rührreaktor (JSR), einer Schnellverdichtungsmaschine (RCM) und einem Stoßrohr (ST), untersucht. Basierend auf den gewonnenen experimentellen Daten, sogenannten Zündverzugszeiten und Speziationsdaten, wurde ein umfassender chemischer Reaktionsmechanismus, PTB-NH3/C2 mech, entwickelt und validiert. Folglich wurden kinetische Analysen basierend auf diesem Mechanismus durchgeführt, um die Schlüsselreaktionen zu identifizieren, mit dem Ziel, die Verbrennungschemie besser zu verstehen und die Verbrennungsbedingungen zur Weiterentwicklung fortschrittlicher Ammoniak-Verbrennungssysteme optimieren zu können.
Experimentelle und Simulationsergebnisse zeigen, dass die Mischung von C2-Kohlenwasserstoffen die Reaktivität von Ammoniak verbessern kann Hierzu werden detaillierte Beobachtungen im Haupttext hinsichtlich unterschiedlicher Temperaturbereiche detailliert diskutiert. Bei niedrigen bis mittleren Temperaturen (450 - 1180 K) zeigen die Speziationsexperimente unter JSR-Bedingungen drei verschiedene Oxidationsregime für NH3 abhängig vom entsprechenden Promoter. Die Zugabe von DME fördert die NH3-Oxidation bereits bei 600 K (1. Oxidationsregime), aufgrund der Niedertemperatur-Verbrennungseigenschaften von DME. Im 2. Oxidationsregime (900 K) wird der NH3-Abbau durch die Radikale aus der Chemie der Promotorenkraftstoffe initiiert, während der schnelle NH3-Verbrauch im 3. Oxidationsregime (1050 K) durch hohe Temperaturen ausgelöst wird. Sowohl das 2. als auch das 3. Oxidationsregime werden allgemein bei der Zugabe von unterschiedlichen C2-Kohlenwasserstoff-Additiven beobachtet. Darüber hinaus zeigen die IDT-Messungen durchgeführt in der RCM bei mittleren Temperaturen (820 - 1120 K), dass die Zugabe von C2-Kohlenwasserstoffen einen wesentlichen Einfluss auf die Ammoniakzündung hat. im Vergleich zu anderen gemischten Brennstoffen: 5% C2H5OH > 5% CH3OH > 5% C2H6 > 5% H2 > 10% CH4. Bei mittleren bis hohen Temperaturen (1320 - 1960 K) unter ST-Bedingungen zeigen Speziations- und IDT-Ergebnisse von NH3/C2H6- und NH3/C2H5OH-Gemischen vergleichbare reaktivitätssteigernde Effekte auf die Ammoniak-Oxidation sowie eine umgekehrte Abhängigkeit der IDTs unter ST-Bedingungen im Vergleich zu RCM-Bedingungen, nämlich dass die IDT mit abnehmenden Äquivalenzverhältnissen bei hohen Temperaturen abnimmt.
Kinetische Analysen auf der Grundlage des PTB-NH3/C2 mech wurden durchgeführt, um die Gründe für die Einflüsse der C2-Kohlenwasserstoffe auf die Reaktivität des Ammoniaks zu untersuchen und die Unterschiede zwischen den verschiedenen Bedingungen zu interpretieren. Diese Forschungsarbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktionskinetik von NH3/Alkan/Alkohol/Ether-Kraftstoffgemischen bei und kann als wertvolle Quelle für weitere Studien zur Ammoniakverbrennung und deren praktische Anwendung dienen.