Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Numerical investigation of the effect of using porous catalytic media on the emission of ammonia fuel in the mesoscale combustor

Document Type : Original Article

Authors
Ali Tolouei 1
Ayat Gharehghani 2
1 School of Mechanical Engineering, Iran university of science and technology
2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science & Technology, Narmak, Tehran, Iran
10.22034/jfnc.2025.536019.1432
Abstract
In this study, the premixed combustion of ammonia has been numerically and 3D investigated in two different combustion chamber configurations, one is a none porous medium chamber and the other is a chamber with a porous catalytic medium made of platinum. The main objective of this research is to evaluate the effect of the presence of a porous catalytic medium on the emission of NOₓ and N₂O pollutants under different equivalence ratio conditions. The results show that the use of a catalytic medium reduces NO and NO₂ by more than 80% under lean conditions. Also, under rich conditions, the concentration of unburned ammonia has decreased from 5000 to 1371 ppm and the amount of N₂O has decreased from 1274 to 387 ppm. The presence of a porous catalytic medium, by improving ammonia combustion, plays a significant role in simultaneously reducing thermal and fuel-based pollutants and can be an effective step in the development of clean and carbon-free combustion systems. The main novelty of this study lies in the simultaneous investigation of platinum porous catalytic media on the reduction of NOₓ and N₂O emissions in a mesoscale combustor under different equivalence ratios, which has not been comprehensively reported in previous literatures.
 
Keywords
Ammonia
catalytic combustion
premixed combustion
reduction of nitrogen oxide emissions
carbon-free fuel

Subjects

احتراق سوخت‌های فسیلی به‌عنوان منبع اصلی انتشار گازهای گلخانه‌ای شناخته می‌شود و نقش قابل‌توجهی در تشدید گرمایش جهانی دارد [2،1]. ازاین‌رو، یافتن جایگزین‌های پاک و بدون کربن برای سامانه‌های احتراقی به یکی از اولویت‌های مهم پژوهشی و صنعتی تبدیل شده است‌[3]. در این میان، سوخت‌های بدون کربن، به‌ویژه آمونیاک، به‌عنوان گزینه‌ای بالقوه برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی مورد توجه قرار گرفته‌اند. آمونیاک به‌عنوان حامل انرژی بدون کربن، می‌تواند نقش مؤثری در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا کرده و به تحقق سامانه‌های انرژی پایدار کمک کند[4].

آمونیاک به دلیل توانایی تولید انرژی بدون انتشار دی‌اکسیدکربن، به یکی از محورهای اصلی تحقیقات امروزی تبدیل شده است‌[5]. این ویژگی موجب شده تا توجه گسترده‌ای از سوی پژوهشگران، صنایع و دولت‌ها جلب شود و سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجهی برای توسعه راهکارهای جامع به منظور استفاده از آمونیاک به‌عنوان سوختی مناسب در سامانه‌های انرژی احتراقی صورت گیرد‌[6]. چندین مطالعه مروری به بررسی جنبه‌های مختلف استفاده از آمونیاک به‌عنوان سوخت پرداخته‌اند. یکی از این مطالعات‌[7] چالش‌های اصلی احتراق آمونیاک، از جمله تأخیر طولانی در احتراق، سرعت پایین انتشار شعله و تولید بالای اکسیدهای نیتروژن را بررسی کرده و راهکارهایی مانند ترکیب آمونیاک با سایر سوخت‌ها (مانند متان) و استفاده از محیط‌های متخلخل را پیشنهاد داده است. مطالعه مروری دیگری‌[8] به بررسی پیشرفت‌های اخیر در احتراق آمونیاک پرداخته و مکانیسم‌های واکنش، تشکیل اکسید نیتروژن، راهبردهای کاهش آن و تأثیر افزودن آمونیاک بر تشکیل دوده را مورد بررسی قرار داده است. این مطالعه با تحلیل سینتیک‌های بنیادی آغاز شده و راهکارهای کاهش آلایندگی و مسیرهای پژوهشی آینده را پیشنهاد می‌کند. همچنین، مطالعه مروری جامع دیگری‌[9] جنبه‌های زیرساختی مانند تولید، حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی آمونیاک را بررسی کرده است. آمونیاک می‌تواند از سوخت‌های هیدروکربنی تولید شود، به‌طوری‌که دی‌اکسیدکربن حاصل از این فرایند قابل جذب و جداسازی است‌[10]. افزون بر این، امکان تولید آمونیاک از منابع تجدیدپذیر بدون انتشار دی‌اکسیدکربن نیز وجود دارد‌[11]. با وجود مزایای متعدد آمونیاک به‌عنوان سوخت بدون کربن، چالش‌هایی نظیر سرعت پایین شعله و تولید بالای اکسید نیتروژن همچنان از معایب اصلی آن به شمار می‌روند‌[12]. سرعت کم شعله آمونیاک باعث کاهش راندمان احتراق می‌شود و تولید بالای اکسید نیتروژن نیز نگرانی‌های زیست‌محیطی ایجاد می‌کند. برای رفع این مشکلات، تحقیقات مختلفی به افزودن سوخت‌های دیگر به آمونیاک پرداخته‌اند تا سرعت شعله افزایش یافته و اثرات زیست‌محیطی کاهش یابد، اما استفاده بهینه از آمونیاک در سیستم‌های انرژی احتراقی هنوز محدود است‌[13]. در تحقیق دیگری‌[14]‌، مشخص شده که آمونیاک سرعت احتراق بسیار پایین‌تر از متان، محدوده اشتعال‌پذیری باریک و انرژی اشتعال بالایی دارد که منجر به ویژگی‌های ضعیف احتراق و انتشار بالای اکسید نیتروژن می‌شود. با این حال، کاربرد موفق آمونیاک در تولید برق با استفاده از نیروگاه میکروتوربین گازی نیز گزارش شده است‌[15]. مطالعات دیگری‌[16] روش‌هایی مانند احتراق غنی شده با اکسیژن و ترکیب آمونیاک با سوخت‌های دیگر را برای بهبود ویژگی‌های احتراق بررسی کرده‌اند. همچنین استفاده از مشعل‌های متخلخل برای تثبیت شعله آمونیاک بسیار مؤثر است و پارامترهای فیزیکی محیط متخلخل نقش مهمی در عملکرد احتراق دارند. در مطالعه‌ای‌[16]، احتراق تثبیت شده در فوم سرامیکی متخلخل که گرما را به‌صورت هدایت و تابش منتقل می‌کند، موجب افزایش سرعت شعله و پایداری احتراق شده است. تحقیقات دیگر‌[17- 19] به بررسی پیشرفت‌ها، کاربردها و اصول توسعه احتراق در محیط‌های متخلخل پرداخته‌اند و تثبیت شعله را به عنوان کلید موفقیت در این فناوری معرفی کرده‌اند. با توجه به نیاز به توسعه سیستم‌های احتراق محیط متخلخل در مقیاس کوچک، چالش‌هایی مانند محدودیت‌های اشتعال‌پذیری و تثبیت شعله در فضای محدود مطرح است. بسیاری از محققان [20] موفق به تثبیت شعله در نسبت‌های هم‌ارزی زیر 5/0 شده‌اند. همچنین آزمایش‌های متنوعی با ماتریس‌های متخلخل همگن و چندلایه انجام شده که کاهش رسانایی حرارتی محیط متخلخل به محدود کردن حرکت شعله و افزایش دمای شعله کمک می‌کند‌[21]. یکی از پیشرفت‌های مهم همبستگی بین ناحیه پیش‌گرمایش و ناحیه احتراق است‌‌[22]. مطالعات اخیر نیز به بررسی عوامل دیگری مانند ضخامت محیط متخلخل‌[23] و استفاده از هوای پیش‌گرم شده‌[24] برای بهینه‌سازی هندسه سیستم‌های احتراق متمرکز پرداخته‌اند.

احتراق محیط متخلخل کاتالیزوری می‌تواند یک روش مؤثر برای افزایش کارایی احتراق و کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن باشد، زیرا با کاهش انرژی فعال‌سازی و کوتاه‌تر کردن زمان واکنش، واکنش‌های کارآمد سوخت را تسهیل می‌کند[26،25]. پژوهشگران تأکید کرده‌اند که احتراق کاتالیزوری، همراه با ساختارهای بازچرخانی حرارت، شرایط شیمیایی و حرارتی را بهبود می‌بخشد[27]. مطالعات آزمایشگاهی و عددی روی راکتورهای کاتالیزوری لوله‌ای پلاتین (Pt) انجام شد که نشان داد احتراق کاتالیتیکی پایدار را ممکن می‌سازد[28]. به طور مشابه، احتراق کاتالیتیکی پیش‌مخلوط در محفظه‌های احتراقی میکرو بررسی شد و مشخص شد که بهینه‌سازی شرایط احتراق و کاهش مصرف لایه پلاتین به طور قابل‌توجهی عمر مفید احتراق‌کننده‌های 

[1] J. Chen, Y. Fei, and Z. Wan, “The relationship between the development of global maritime fleets and GHG emission from shipping,” J Environ Manage, vol. 242, pp. 31–39, Jul. 2019, doi: 10.1016/j.jenvman.2019.03.136.
[2] P. Van de Vuurst and L. E. Escobar, “Corrigendum: Perspective: Climate Change and the Relocation of Indonesia’s Capital to Borneo (Frontiers in Earth Science, (2020), 8, 10.3389/feart.2020.00005),” Front Earth Sci (Lausanne), vol. 8, p. 5, Jan. 2020, doi: 10.3389/feart.2020.00071.
[3] S. Teleke, M. E. Baran, A. Q. Huang, S. Bhattacharya, and L. Anderson, “Control strategies for battery energy storage for wind farm dispatching,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 24, no. 3, pp. 725–732, 2009, doi: 10.1109/TEC.2009.2016000.
[4] Y. Kojima, “Hydrogen storage materials for hydrogen and energy carriers,” Int J Hydrogen Energy, vol. 44, no. 33, pp. 18179–18192, Jul. 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.05.119.
[5] W. Chai, Y. Bao, P. Jin, G. Tang, L. Z.-R. and Sustainable, and undefined 2021, “A review on ammonia, ammonia-hydrogen and ammonia-methane fuels,”, doi: 10.1016/j.rser.2021.111254
[6] A Valera-Medina, F Amer-Hatem, AK Azad, IC Dedoussi, M De Joannon, RX Fernandes , “Review on ammonia as a potential fuel: From synthesis to economics,” Energy and Fuels, vol. 35, no. 9, pp. 6964–7029, May 2021, doi: 10.1021/acs.energyfuels.0c03685.
[7] T. Li, Y. Duan, Y. Wang, M. Zhou, and L. Duan, “Research progress of ammonia combustion toward low carbon energy,” Fuel Processing Technology, vol. 248, p. 107821, Sep. 2023, doi: 10.1016/j.fuproc.2023.107821.
[8] T. Cai, D. Zhao, and E. Gutmark, “Overview of fundamental kinetic mechanisms and emission mitigation in ammonia combustion,” Chemical Engineering Journal, vol. 458, p. 141391, Feb. 2023, doi: 10.1016/j.cej.2023.141391.
[9] P. Berwal, S. Kumar, and B. Khandelwal, “A comprehensive review on synthesis, chemical kinetics, and practical application of ammonia as future fuel for combustion,” Journal of the Energy Institute, vol. 99, pp. 273–298, Dec. 2021, doi: 10.1016/j.joei.2021.10.001.
[10] C. Zamfirescu and I. Dincer, “Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications,” Fuel Processing Technology, vol. 90, no. 5, pp. 729–737, May 2009, doi: 10.1016/j.fuproc.2009.02.004.
[11]R. Michalsky, B. J. Parman, V. Amanor-Boadu, and P. H. Pfromm, “Solar thermochemical production of ammonia from water, air and sunlight: Thermodynamic and economic analyses,” Energy, vol. 42, no. 1, pp. 251–260, Jun. 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.03.062.
[12] H. Kobayashi, A. Hayakawa, K. D. K. A. Somarathne, and E. C. Okafor, “Science and technology of ammonia combustion,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 37, no. 1, pp. 109–133, Jan. 2019, doi: 10.1016/j.proci.2018.09.029.
[13] L Yu, W Zhou, Y Feng, W Wang, J Zhu, Y Qian, X Lu,  “The effect of ammonia addition on the low-temperature autoignition of n-heptane: An experimental and modeling study,” Combust Flame, vol. 217, pp. 4–11, Jul. 2020, doi: 10.1016/j.combustflame.2020.03.019.
[14] A. Hayakawa, T. Goto, R. Mimoto, Y. Arakawa, T. Kudo, and H. Kobayashi, “Laminar burning velocity and Markstein length of ammonia/air premixed flames at various pressures,” Fuel, vol. 159, pp. 98–106, Nov. 2015, doi: 10.1016/j.fuel.2015.06.070.
[15] O Kurata, N Iki, T Matsunuma, T Inoue, T Tsujimura, H Furutani, H Kobayashi, A Hayakawa, “Performances and emission characteristics of NH3-air and NH3-CH4-air combustion gas-turbine power generations,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 36, no. 3, pp. 3351–3359, Jan. 2017, doi: 10.1016/j.proci.2016.07.088.
[16] L. Kang, W. Pan, J. Zhang, W. Wang, and C. Tang, “A review on ammonia blends combustion for industrial applications,” Fuel, vol. 332, p. 126150, Jan. 2023, doi: 10.1016/j.fuel.2022.126150.
[17] G Vignat, T Zirwes, ER Toro, K Younes, E Boigné, P Muhunthan, L Simitz, D Trimis, M Ihme, “Experimental and numerical investigation of flame stabilization and pollutant formation in matrix stabilized ammonia-hydrogen combustion,” Combust Flame, vol. 250, p. 112642, Apr. 2023, doi: 10.1016/j.combustflame.2023.112642.
[18] V. Bubnovich, M. Toledo, L. Henríquez, C. Rosas, and J. Romero, “Flame stabilization between two beds of alumina balls in a porous burner,” Appl Therm Eng, vol. 30, no. 2–3, pp. 92–95, 2010, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2009.04.001.
[19]     A. Tolouei and A. Gharehghani, “Impact of Dimensionless Parameters on the Combustion of the Carbon-Free Fuel of Ammonia/Methane blend in Porous Media,” Fuel and Combustion, vol. 18, no. 1, pp. 1–28, Mar. 2025, doi: 10.22034/JFNC.2025.499984.1421.
[20] L. A. Kennedy, J. P. Bingue, A. V. Saveliev, A. A. Fridman, and S. I. Foutko, “Chemical structures of methane-air filtration combustion waves for fuel-lean and fuel-rich conditions,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 28, no. 1, pp. 1431–1438, 2000, doi: 10.1016/S0082-0784(00)80359-8.
[21] A. Banerjee and A. V. Saveliev, “High temperature heat extraction from counterflow porous burner,” Int J Heat Mass Transf, vol. 127, pp. 436–443, 2018, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.027.
[22] S. M. Hashemi and S. A. Hashemi, “Flame stability analysis of the premixed methane-air combustion in a two-layer porous media burner by numerical simulation,” Fuel, vol. 202, pp. 56–65, 2017, doi: 10.1016/j.fuel.2017.04.008.
[23] S. N. Hoda, S. A. Gandjalikhan Nassab, and J. J. Ebrahim, “Three dimensional numerical simulation of combustion and heat transfer in porous radiant burners,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 145, 2019, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106024.
[24] G. Wang, P. Tang, Y. Li, J. Xu, and F. Durst, “Flame front stability of low calorific fuel gas combustion with preheated air in a porous burner,” Energy, vol. 170, pp. 1279–1288, 2019, doi: 10.1016/j.energy.2018.12.128.
[25] S. Kumaresh, G. W. Lee, and M. Y. Kim, “On the catalytic combustion behavior of lean methane-air mixture over platinum catalyst with the navier-stokes and plug-flow models,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 37, no. 5, pp. 2699–2707, May 2023, doi: 10.1007/s12206-023-0443-4.
[26] E. Jiaqiang, L. Cai, J. Li, J. Ding, J. Chen, and B. Luo, “Effects analysis on the catalytic combustion and heat transfer performance enhancement of a non-premixed hydrogen/air micro combustor,” Fuel, vol. 309, p. 122125, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.fuel.2021.122125.
[27] J. Chen and Z. Pang, “Catalytically stabilized combustion characteristics of methane-air mixtures in micro-scale heat-recirculating systems,” Fuel, vol. 306, p. 121693, Dec. 2021, doi: 10.1016/j.fuel.2021.121693.
[28] L. Li, G. Yang, and A. Fan, “Non-premixed combustion characteristics and thermal performance of a catalytic combustor for micro-thermophotovoltaic systems,” Energy, vol. 214, p. 118893, Jan. 2021, doi: 10.1016/j.energy.2020.118893.
[29] P Qian, X Yuan, Z Chen, C Luo, Z Huang, X Zhu, M Liu, “Experimental study on a high efficient and ultra-lean burn meso-scale thermoelectric system based on porous media combustion,” Energy Convers Manag, vol. 234, p. 113966, Apr. 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.113966.
[30] D. Zhao, C. Zhang, F. E. Hernández Pérez, H. G. Im, and L. Wang, “Turbulent premixed hydrogen/air flame-wall interaction with heterogeneous surface reactions,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 39, no. 2, pp. 2189–2197, Jan. 2023, doi: 10.1016/j.proci.2022.09.018.
[31] Q Lu, J Gou, Y Wang, B Fan, Y Zhang, Y Wang, EK Quaye, J Pan, “Thermal and chemical analysis on the hetero-/homogeneous combustion characteristics of H2/Air mixture in a micro channel with catalyst segmentation,” Fuel, vol. 320, p. 123883, Jul. 2022, doi: 10.1016/J.FUEL.2022.123883.
[32] EC Okafor, Y Naito, S Colson, A Ichikawa, T Kudo, A Hayakawa, H Kobayashi, “Measurement and modelling of the laminar burning velocity of methane-ammonia-air flames at high pressures using a reduced reaction mechanism,” Combust Flame, vol. 204, pp. 162–175, Jun. 2019, doi: 10.1016/j.combustflame.2019.03.008.
[33] C. S. Dowd and J. W. Meadows, “Thermoacoustic instability model with porous media: linear stability analysis and the impact of porous media,” J Eng Gas Turbine Power, vol. 141, no. 4, 2019, doi: 10.1115/1.4041025.
[34] R. Fursenko, S. Minaev, K. Maruta, H. Nakamura, and H. Yang, “Characteristic regimes of premixed gas combustion in high-porosity micro-fibrous porous media,” Combustion Theory and Modelling, vol. 14, no. 4, pp. 571–581, 2010, doi: 10.1080/13647830.2010.502249.
[35] H. Yang, S. Minaev, E. Geynce, H. Nakamura, and K. Maruta, “Filtration combustion of methane in high-porosity micro-fibrous media,” Combustion Science and Technology, vol. 181, no. 4, pp. 654–669, Apr. 2009, doi: 10.1080/00102200802646748.
[36] Y. Liu, A. Fan, H. Yao, and W. Liu, “Numerical investigation of filtration gas combustion in a mesoscale combustor filled with inert fibrous porous medium,” Int J Heat Mass Transf, vol. 91, pp. 18–26, 2015, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.100.
[37] A. J. Barra and J. L. Ellzey, “Heat recirculation and heat transfer in porous burners,” Combust Flame, vol. 137, no. 1–2, pp. 230–241, 2004, doi: 10.1016/j.combustflame.2004.02.007.
[38] Q Peng, E Jiaqiang, J Chen, W Zuo, X Zhao, Z Zhang, “Investigation on the effects of wall thickness and porous media on the thermal performance of a non-premixed hydrogen fueled cylindrical micro combustor,” doi: 10.1016/j.enconman.2017.10.095
[39] M. A. Mujeebu, M. Z. Abdullah, A. A. Mohamad, and M. Z. A. Bakar, “Trends in modeling of porous media combustion,” Prog Energy Combust Sci, vol. 36, no. 6, pp. 627–650, Dec. 2010, doi: 10.1016/J.PECS.2010.02.002.
[40] B. Straughan, Convection in porous media, vol. 165. 2008. doi: 10.1007/978-0-387-76543-3_4.
[41] F. Kuwahara, T. Yamane, and A. Nakayama, “Large eddy simulation of turbulent flow in porous media,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 33, no. 4, pp. 411–418, Apr. 2006, doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2005.12.011.
[42] A. Costa, “Permeability-porosity relationship: A reexamination of the Kozeny-Carman equation based on a fractal pore-space geometry assumption,” Geophys Res Lett, vol. 33, no. 2, Jan. 2006, doi: 10.1029/2005GL025134.
[43] Manual, User, “ANSYS FLUENT 12.0. ”, Theory Guide 67, 2009.
[44] B. Alazmi and K. Vafai, “Constant wall heat flux boundary conditions in porous media under local thermal non-equilibrium conditions,” Int J Heat Mass Transf, vol. 45, no. 15, pp. 3071–3087, Jul. 2002, doi: 10.1016/S0017-9310(02)00044-3.
[45] X. Fu, R. Viskanta, and J. P. Gore, “Measurement and correlation of volumetric heat transfer coefficients of cellular ceramics,” Exp Therm Fluid Sci, vol. 17, no. 4, pp. 285–293, 1998, doi: 10.1016/S0894-1777(98)10002-X.
[46] H. Kobayashi, A. Hayakawa, K. D. K. A. Somarathne, and E. C. Okafor, “Science and technology of ammonia combustion,” Proceedings of the Combustion Institute, vol. 37, no. 1, pp. 109–133, Jan. 2019, doi: 10.1016/J.PROCI.2018.09.029.
[47] E. V. Rebrov, M. H. J. M. De Croon, and J. C. Schouten, “Development of the kinetic model of platinum catalyzed ammonia oxidation in a microreactor,” Chemical Engineering Journal, vol. 90, no. 1–2, pp. 61–76, Nov. 2002, doi: 10.1016/S1385-8947(02)00068-2.
[48] Z. Liu, J. Li, and S. I. Woo, “Recent advances in the selective catalytic reduction of NOx by hydrogen in the presence of oxygen,” Energy Environ Sci, vol. 5, no. 10, pp. 8799–8814, Sep. 2012, doi: 10.1039/c2ee22190j.
[49] A. Tolouei and A. Gharehghani, “Effect of hydrogen enrichment and catalytic porous media on the combustion characteristics of methane/ammonia,” Int J Hydrogen Energy, vol. 146, p. 149986, Jul. 2025, doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2025.06.176.
[50] A. Tolouei and A. Gharehghani, “Numerical investigation of catalytic effect of platinum porous media on the combustion characteristics of hydrogen/ammonia blend,” Int J Hydrogen Energy, vol. 98, pp. 1155–1173, Jan. 2025, doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.12.177.
[51] J. A. Lasek and R. Lajnert, “On the Issues of NOx as Greenhouse Gases: An Ongoing Discussion,” Applied Sciences (Switzerland), vol. 12, no. 20, p. 10429, Oct. 2022, doi: 10.3390/app122010429.
[52] A. Tolouei and A. Gharehghani, “Numerical investigation of premixed methane-ammonia combustion in a mesoscale porous combustor,” Fuel, vol. 366, p. 131427, Jun. 2024, doi: 10.1016/j.fuel.2024.131427.