燃?xì)廨啓C(jī)MILD燃燒含氫燃料適應(yīng)性研究進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】“雙碳”背景下，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣摻燒綠氫可逐步降低發(fā)電碳排放，若能實(shí)現(xiàn)純綠氫發(fā)電可實(shí)現(xiàn)全過程零碳排放。相較于傳統(tǒng)的天然氣燃料，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室使用高含氫燃料面臨著諸多挑戰(zhàn)。氫火焰?zhèn)鞑ニ倏?、點(diǎn)火延遲時(shí)間短帶來回火的風(fēng)險(xiǎn)，相同當(dāng)量比下較高的絕熱火焰溫度和快速釋熱會(huì)導(dǎo)致氮氧化物排放增加，同時(shí)氫氣具有顯著不同的燃燒特性，具備獨(dú)特緊湊的反應(yīng)區(qū)形態(tài)，導(dǎo)致火焰熱聲響應(yīng)的變化顯著。目前，國際主流燃?xì)廨啓C(jī)廠商的貧預(yù)混燃燒室的燃料適應(yīng)性能力氫氣體積含量最高約60%左右，大部分燃機(jī)氫燃料體積適應(yīng)能力在30%左右。氫燃料適應(yīng)能力是燃?xì)廨啓C(jī)未來發(fā)展的關(guān)鍵。
 

　　MILD燃燒(Moderate or Intense Low-Oxygen Dilution，MILD)是一種新型低氮燃燒技術(shù)，具有燃燒穩(wěn)定性好、NOX排放低、燃料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。中國科學(xué)院工程熱物理研究所能源動(dòng)力研究中心提出并設(shè)計(jì)了一款利用高速射流的流場組織方式，卷吸高溫?zé)煔饣亓鞑⑴c未燃反應(yīng)物實(shí)現(xiàn)快速摻混為穩(wěn)焰機(jī)制的MILD燃燒室，有望成為MILD燃燒在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中應(yīng)用的可行方式。該概念燃燒室以天然氣為燃料在全尺寸燃燒室上的低NOx排放性能已經(jīng)得到驗(yàn)證，同時(shí)在含氫燃料燃燒條件下的實(shí)驗(yàn)室尺度上顯示出優(yōu)秀的低NOx排放性能。基于前期基礎(chǔ)，最新的研究工作通過優(yōu)化原有的MILD模型燃燒室，首次在同一個(gè)燃燒器實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫體積含量0-100%范圍內(nèi)任意氫氣含量的寬范圍穩(wěn)定燃燒，實(shí)驗(yàn)證明該模型燃燒器具有氫適應(yīng)范圍寬、燃燒穩(wěn)定高效、NOx及CO排放均小于10 ppmvd@15%O2(絕熱火焰溫度1400 K-2100 K范圍內(nèi),ppmvd: parts per million by volume,dry)等特點(diǎn)。通過對反應(yīng)區(qū)圖像的本征正交分解，闡述了燃燒室高氫含量以及純氫燃燒時(shí)的火焰動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)制，燃燒室高頻峰值能量占主導(dǎo)地位時(shí)對應(yīng)的是反應(yīng)區(qū)的橫向運(yùn)動(dòng)，低頻峰值能量占主導(dǎo)地位時(shí)對應(yīng)的是軸向運(yùn)動(dòng)。從軸向向橫向轉(zhuǎn)換的火焰動(dòng)力學(xué)使得燃燒系統(tǒng)能夠逐漸容納動(dòng)態(tài)壓力向高頻域的轉(zhuǎn)移，即向高氫含量以及純氫燃料高當(dāng)量比穩(wěn)定燃燒的轉(zhuǎn)移。
 

　　上述工作得到LJ專項(xiàng)基礎(chǔ)研究的支持。相關(guān)研究成果在International Journal of Hydrogen Energy上發(fā)表論文2篇，在ASME Turbo Expo上發(fā)表論文2篇并作報(bào)告，申請發(fā)明專利1項(xiàng)。
 

優(yōu)化后的MILD模型燃燒室穩(wěn)定范圍
 

不同工況下的反應(yīng)區(qū)前四階POD模態(tài)
 

不同氫氣含量及絕熱火焰溫度下的污染物排放特性