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Ignition and Reactive-Structure Transition of Ammonia/Hydrogen Blends under MILD Combustion Conditions

Cette étude emploie des simulations numériques de flammelettes à contre-courant pour étudier la dynamique d'allumage et les transitions de structures réactives de mélanges ammoniac/hydrogène sous des conditions de combustion MILD, révélant comment la dilution du combustible et l'enrichissement en hydrogène régissent l'évolution d'un allumage localisé vers des zones de réaction distribuées, tout en élucidant les impacts qui en résultent sur les profils de température et les voies de formation de NO.

Auteurs originaux : Biagio Cassese, Giancarlo Sorrentino, Pino Sabia, Raffaele Ragucci, Mara de Joannon

Publié 2026-10-27

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Biagio Cassese, Giancarlo Sorrentino, Pino Sabia, Raffaele Ragucci, Mara de Joannon

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La poussée mondiale vers la décarbonation du secteur de l'énergie a tourné l'attention scientifique vers des combustibles qui brûlent sans rejeter de dioxyde de carbone. Deux de ces candidats sont l'hydrogène et l'ammoniac. L'hydrogène est souvent considéré comme le combustible propre par excellence, mais son stockage et son transport sont difficiles et coûteux. L'ammoniac, une molécule composée d'azote et d'hydrogène, offre une solution pratique : il est plus facile à stocker et à transporter, et il transporte une forte densité d'hydrogène au sein de ses liaisons chimiques. Cependant, brûler de l'ammoniac est complexe. Il n'est pas très réactif, ce qui signifie qu'il est difficile de l'enflammer et qu'il brûle lentement. Dans les moteurs ou les fours standards, il peine à rester allumé et peut produire des oxydes d'azote nocifs. Pour surmonter ces obstacles, les ingénieurs explorent une technique appelée combustion MILD. Cette méthode consiste à préchauffer l'air et à le mélanger avec une grande quantité de gaz d'échappement recyclés avant l'introduction du combustible. Cela crée un environnement chaud et dilué où les réactions chimiques se produisent de manière plus douce et plus étendue, plutôt que dans un front de flamme unique et intense. Cette approche promet de rendre les combustibles difficiles à brûler comme l'ammoniac stables et propres, mais les scientifiques avaient besoin de comprendre exactement comment le processus d'allumage fonctionne dans ces conditions spécifiques avant de construire des systèmes réels.

Une équipe de chercheurs du Conseil national de la recherche en Italie s'est donné pour mission de cartographier ce processus à l'aide de simulations informatiques détaillées. Ils se sont concentrés sur la manière dont l'ammoniac, ainsi que les mélanges d'ammoniac et d'hydrogène, s'enflamment et se stabilisent lorsqu'ils sont exposés à un flux d'air chaud et dilué. Au lieu de construire un brûleur physique, ils ont modélisé une fine couche où le combustible et l'air chaud se rencontrent, ce qui leur a permis d'observer le déroulement des réactions chimiques avec un extrême détail au fil du temps. Leur objectif était de voir comment la zone de réaction se forme, comment elle se déplace et comment l'ajout d'hydrogène modifie le comportement de l'ammoniac. Ils ont testé une large gamme de conditions, faisant varier la quantité d'azote utilisée pour diluer le combustible, la température de l'air entrant et la vitesse à laquelle les gaz sont mélangés.

Les simulations ont révélé que l'allumage commence toujours du côté où l'air est le plus abondant, appelé le côté pauvre. C'est là que l'oxydant chaud déclenche la première activité chimique. À partir de là, l'histoire diverge selon la quantité de dilution du combustible. Lorsque le combustible est seulement légèrement dilué, la réaction commence par un point localisé qui se propage rapidement vers le côté riche en combustible. Elle se comporte un peu comme une flamme traditionnelle, formant des zones de dégagement de chaleur distinctes et stratifiées. Cependant, lorsque le combustible est fortement dilué avec de l'azote, l'ammoniac se comporte différemment. Les points intenses et localisés ne parviennent pas à se former. Au lieu de cela, le dégagement de chaleur se diffuse dans une région large et douce qui couvre une vaste zone. C'est la signature de la combustion MILD, où la réaction est distribuée plutôt que concentrée. Les chercheurs ont découvert que l'ajout d'hydrogène au mélange d'ammoniac permet au combustible de s'enflammer beaucoup plus rapidement, mais cela ne change pas fondamentalement ce passage d'une flamme localisée à une réaction distribuée à mesure que la dilution augmente.

Une découverte clé de l'étude concerne la relation entre la zone de réaction et le rapport de mélange idéal entre le combustible et l'air. Dans les flammes conventionnelles, la partie la plus chaude du feu se situe exactement là où le combustible et l'air sont parfaitement équilibrés. Dans ces conditions de forte dilution, les chercheurs ont observé que ce lien se rompt. À mesure que la dilution augmente au-delà d'un certain point — environ soixante-quinze à quatre-vingt pour cent d'azote — la localisation de l'activité chimique la plus intense dévie du rapport de mélange stœchiométrique. La zone de réaction se découple du point stœchiométrique, ce qui signifie que le feu n'est plus ancré à l'endroit spécifique où le combustible et l'air sont parfaitement assortis. Ce changement marque la transition vers le véritable régime MILD. L'étude a montré que si l'ajout d'hydrogène rend la chimie plus réactive, le mouvement physique des molécules pousse tout de même la zone de réaction vers le côté pauvre, créant un équilibre complexe entre la vitesse chimique et la diffusion physique.

Les chercheurs ont également suivi le parcours des atomes d'azote pour comprendre comment les oxydes d'azote nocifs sont formés. Ils ont constaté que dans les conditions de faible dilution, l'ajout d'hydrogène augmente la production de ces polluants car il accélère les réactions chimiques qui convertissent l'azote du combustible en oxydes. Cependant, dans le régime de haute dilution et de distribution, l'effet inverse se produit. Les zones de réaction plus larges et plus fraîches suppriment la formation d'oxydes d'azote, même lorsque l'hydrogène est ajouté. L'étude a identifié des voies chimiques spécifiques qui dominent le processus, montrant que la route empruntée par l'azote pour devenir un polluant change à mesure que l'environnement devient plus dilué. Dans les cas les plus dilués, le réseau chimique se simplifie et la formation d'oxydes d'azote est naturellement limitée par les conditions mêmes de la combustion MILD.

Ces résultats offrent une image claire du comportement de l'ammoniac et des mélanges ammoniac-hydrogène lorsqu'ils sont enflammés dans un environnement chaud et dilué. Les travaux confirment que si l'hydrogène aide l'ammoniac à s'enflammer plus facilement, la nature unique et distribuée de la combustion MILD n'émerge que lorsque le combustible est suffisamment dilué. La transition d'une flamme traditionnelle et ancrée vers une réaction étendue et douce est un seuil critique que les ingénieurs doivent franchir. En comprenant exactement où cette transition se produit et comment les voies chimiques évoluent, l'étude propose une feuille de route pour concevoir de futurs systèmes de combustion capables d'utiliser l'ammoniac de manière sûre et propre comme source d'énergie sans carbone. Les simulations suggèrent qu'avec un équilibre approprié de dilution et de température, il est possible de brûler ces combustibles difficiles sans les hautes températures qui créent typiquement la pollution, ouvrant la voie à un avenir énergétique plus propre.

Résumé technique : Allumage et transition de structure réactive des mélanges ammoniac/hydrogène sous des conditions de combustion MILD

Énoncé du problème
La décarbonation du secteur de l'énergie a intensifié l'intérêt pour l'ammoniac ( $NH_3$ ) en tant que vecteur énergétique sans carbone, souvent mélangé à l'hydrogène ( $H_2$ ) pour surmonter sa faible réactivité, sa température d'auto-inflammation élevée et ses limites d'inflammabilité étroites. Bien que la combustion MILD (Moderate or Intense Low-Oxygen Dilution) ait montré des promesses pour stabiliser les flammes d'ammoniac avec de faibles émissions de $NO_x$ , la littérature existante se concentre principalement sur les conditions en régime permanent. Une lacune critique de connaissances subsiste concernant le comportement transitoire de la combustion de l'ammoniac en régime MILD, spécifiquement la dynamique d'allumage et l'évolution des structures réactives sous des conditions de diffusion contrôlée et de forte dilution. Comprendre ces phénomènes transitoires est essentiel pour la conception sûre et fiable de brûleurs pour les turbines à gaz, les fours et les applications d'incinération où opèrent des combustibles à faible pouvoir calorifique dans des environnements de produits de combustion chauds.

Méthodologie
L'étude utilise des simulations numériques via le solveur de flux réactif 1D CHEM1D pour modéliser des flammes de diffusion contre-flux sous des conditions HODF (Hot-Oxidizer Diluted-Fuel). Cette configuration simule la combustion MILD en exposant un flux de combustible (ammoniac pur, hydrogène pur ou mélanges) à un flux d'oxydant chaud et fortement dilué.

Paramètres : Les simulations couvrent des températures d'entrée d'oxydant de 1400, 1600 et 1800 K ; des taux de déformation de 50, 150 et 500 $s^{-1}$ ; et des niveaux de dilution en azote allant de 0 % à 93 %. Les taux de mélange d'hydrogène varient de 0 % à 100 %.
Chimie et transport : Le mécanisme cinétique chimique de Manna et al. (2023), validé pour les conditions de haute dilution MILD, est utilisé. Les approximations de diffusion à mélange moyen et du nombre de Lewis unitaire sont toutes deux testées pour évaluer la sensibilité au transport.
Analyse : Un total de 252 simulations transitoires a été réalisé. Le post-traitement implique le suivi de l'évolution temporelle de la fraction de mélange au maximum de dégagement de chaleur ( $Z(\dot{q}_{max})$ ) et au maximum d'élévation de température ( $Z(\Delta T_{max})$ ) par rapport à la fraction de mélange stœchiométrique ( $Z_{st}$ ). La formation d'oxydes d'azote ( $NO_x$ ) est analysée par intégrales de domaine et décomposition détaillée des voies (incluant une analyse basée sur les graphes de la conversion $NH_3 \to NO$ ).

Contributions clés et résultats

Allumage transitoire et évolution de la structure réactive :
- L'allumage est systématiquement déclenché du côté pauvre de la couche de mélange, là où l'oxydant chaud initie l'activation chimique.
- Dilution faible/modérée : La zone de réaction évolue vers une structure localisée et stratifiée. Après un allumage pauvre initial, un noyau d'auto-inflammation secondaire se forme souvent et se propage vers le côté riche, créant des structures de dégagement de chaleur à pics multiples.
- Forte dilution : Une forte dilution supprime l'allumage secondaire du côté riche. La zone réactive évolue vers un régime « igni-diffusif » plus large, plus faible et spatialement distribué, caractéristique de la combustion MILD, restant confiné à des fractions de mélange plus pauvres sans franchir $Z_{st}$ .
Délai d'allumage et stabilisation :
- L'augmentation de la dilution en azote augmente systématiquement le délai d'allumage. L'ajout d'hydrogène accélère considérablement l'allumage, réduisant le délai d'un ordre de grandeur même avec de faibles taux de mélange (5 % $H_2$ ). Cependant, l'effet d'accélération relatif de l'hydrogène diminue aux niveaux de très haute dilution.
- La stabilisation de la zone d'oxydation dominante est principalement contrôlée par la dilution. À faible dilution, la zone se stabilise du côté riche ; à mesure que la dilution augmente, elle se déplace vers le côté pauvre. L'enrichissement en hydrogène module la netteté de cette transition mais ne modifie pas fondamentalement le seuil de dilution pour le changement de régime.
Découplage stœchiométrique et critère de transition :
- Sous des conditions de faible dilution, la région réactive maximale reste ancrée à la fraction de mélange stœchiométrique ( $Z_{st}$ ).
- Sous des conditions de forte dilution, un découplage spatial progressif se produit, où l'emplacement de l'activité chimique maximale ( $Z(\Delta T_{max})$ ) diverge de $Z_{st}$ .
- L'étude définit une métrique de déplacement normalisée ( $D_T$ ) pour quantifier cette transition. Pour la configuration de base, la transition d'une structure de diffusion ancrée stœchiométriquement vers un régime MILD distribué se produit approximativement à 75–80 % de dilution en azote. L'enrichissement en hydrogène présente des effets contradictoires : une réactivité accrue tend à préserver l'ancrage stœchiométrique, tandis qu'une diffusivité élevée de l'hydrogène favorise le déplacement vers des mélanges plus pauvres.
Chimie de l'azote et formation de $NO_x$ :
- Voies de réaction : Les voies dominantes pour la formation de $NO$ sont médiées par les espèces HNO et NH. Une structure robuste de $NH_3 \to NH_2 \to NH$ amorce la conversion, suivie d'une compétition entre l'oxydation directe en $NO$ , l'oxydation via HNO, et (sous des conditions de forte dilution et faible teneur en hydrogène) via $H_2NO$ .
- Tendances des émissions : À dilution modérée, le $NO$ augmente avec la teneur en hydrogène en raison de l'augmentation des réservoirs de radicaux. À haute dilution, le $NO$ diminue avec l'enrichissement en hydrogène en raison de la disponibilité réduite de l'azote lié au combustible et de zones de réaction distribuées et plus froides.
- Effet de la dilution : La dilution supprime à la fois les voies de production et de consommation de $NO$ . Cependant, pour les mélanges fortement enrichis en hydrogène, la dilution déplace efficacement l'équilibre vers une réduction de la formation nette de $NO$ . La formation de $N_2O$ est favorisée par les basses températures et les hautes dilutions, atteignant un pic avec un enrichissement modeste en hydrogène.

Signification
Ce travail apporte des éclairages fondamentaux sur la cinétique d'allumage et les limites de stabilité de l'ammoniac et des mélanges ammoniac/hydrogène sous des conditions MILD, comblant ainsi une lacune dans l'analyse transitoire. Les résultats démontrent que le concept conventionnel d'un front de flamme ancré stœchiométriquement devient moins représentatif sous des conditions de forte dilution, où la zone réactive est contrôlée par la cinétique et devient spatialement distribuée. L'identification d'un seuil de dilution de transition (75–80 % $N_2$ ) et la caractérisation des effets contradictoires de la cinétique et du transport de l'enrichissement en hydrogène offrent des données critiques pour la conception et l'optimisation des futurs systèmes de combustion sans carbone utilisant des combustibles à base d'ammoniac. L'étude confirme que la combustion MILD est une stratégie viable pour stabiliser les flammes d'ammoniac avec de faibles émissions, à condition que la transition vers des structures réactives distribuées soit correctement gérée.

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