煤与生物质燃烧过程中生成的氮氧化物（NOx）是大气污染的重要来源之一。在低温燃烧技术调控下，燃料型NOx成为主要NOx排放来源，煤炭和生物质燃料中的氮元素主要以吡啶、吡咯等含氮芳香杂环化合物的形式存在，其燃烧转化路径复杂，已有工作对芳香杂环氮迁移机制及其与新型零碳燃料（氨气）的耦合作用机制研究有限，已有模型对燃烧产物规律和浓度预测准确性较差，因此系统揭示以吡啶、吡咯和支链吡啶为代表的燃料氮在复杂条件下的转化规律，对发展低氮燃烧技术与开展含氮燃料有序转化具有重要意义。

中国科学院工程热物理研究所燃烧动力学研究中心研究团队以吡啶、吡咯及4-乙基吡啶为模型化合物，利用同步辐射真空紫外光电离分子束质谱结合射流搅拌反应器和高压JSR实验平台，开展了系列吡啶、吡咯热解与氧化动力学研究和吡啶在24atm下的转化规律研究。构建了系列吡啶低温氧化（LTO、LTO 2.0、LTO3.0、LTO 3.1）反应动力学模型、吡咯热解模型、吡啶综合模型（Pyridine 3.2）等，可对吡啶、吡咯、4-乙基吡啶热解、贫燃、富燃和掺混条件下的转化规律做出合理预测。在吡啶贫燃条件下发现由自由基主导的“三阶段”消耗现象，在吡咯热解研究中新检测到了丙二腈、丁二腈等六种腈类中间体，揭示了吡咯以丙二腈作为关键中间产物向乙腈转化的关键反应路径。

在上述工作基础上，面向煤氨混燃的NOx排放控制需求，团队近期开展了吡啶与氨气的共氧化研究，发现了吡啶与氨气相互促进消耗的“互敏化”作用规律（图1），并在实验中新探测到亚硝酸（HONO）和甲酰腈等关键中间产物。吡啶在低温下率先经过甲酰腈等中间产物生成NO，并通过NO-NO2循环促进活性OH自由基生成，将NH3的起始氧化温度降低200K，NH3通过HONO不断生成NO并加速NO-NO2循环过程促进吡啶消耗。在高压吡啶氧化研究中获得了吡啶在高压下的转化规律和压力对吡啶消耗的促进效应，新检测到苯甲醛、丁烷、丙酮等高压特有产物。在4-乙基吡啶热解的研究中，探测到多种含氮多环芳烃（NPAHs）的生成并提出了三条NPAHs的生成路径。在吡啶的热解研究中探测到苄基、炔丙基等共振稳定自由基和C3HN、C5HN、C7HN等链式含氮产物的生成规律。

上述系列研究从微观化学反应层面揭示了燃料氮向含氮产物转化的关键路径与中间产物，丰富和完善了含氮燃料燃烧动力学理论体系并提供了相应的反应机理和模型。研究成果不仅为煤与生物质清洁燃烧、煤氨混烧等低碳技术的氮氧化物控制提供了直接的理论依据和实验数据支撑，也为加压燃烧和煤化工过程含氮产物迁移规律提供了基础参考。

研究工作得到了国家自然科学基金委面上（资助号：52476140）、青年基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-028）以及中国科学院工程热物理研究所创新引导基金的支持。系列研究成果在燃烧领域知名期刊《Combustion and Flame》和《Proceedings of the Combustion Institute》上发表，并被选为第41届国际燃烧会议报告，相关成果获得了意大利米兰理工大学Tiziano Faravelli 教授、德国达姆施塔特工业大学Christian Hasse教授、瑞典Lund大学Alexander A. Konnov教授、德国维尔茨堡大学Ingo Fischer教授、丹麦技术大学Peter Glarborg教授、KAUST的William L. Roberts教授等国际知名学者的正面引用和评价。

成果列表：

1.CNF 2019 202: 394-404 吡啶富燃氧化

2.CNF 2022 243: 112042 吡啶贫燃氧化

3.CNF 2022 245: 112358 吡咯热解

4.PCI 2024 40: 105521 吡啶吡咯混合氧化

5.CNF 2025 277: 114211 吡啶掺氨氧化

6.CNF 2025 280: 114364 4-乙基吡啶热解

7.CNF 2026 285: 1147742 吡啶热解

图1 氨氮-燃料氮互敏化机制