速度比以及氢/氧掺量对分层CH?/H?/O?/CO?火焰在双旋流燃烧器中的熄火现象和燃烧行为的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effects of velocity ratio and hydrogen/oxygen enrichments on lean blowout and combustion behavior of stratified CH 4/H 2/O 2/CO 2 flames in a dual swirl combustor

氢气富集与 swirl 强度协同优化显著提升了双环形旋转涡流燃烧器的稳定燃烧极限，使贫油工况下的火焰稳定性扩展至整体当量比0.35以下。实验表明，较低速度比（Vr=2.27）通过增强主流湍流和二次回旋区强化了火焰锚固，配合15%氢气富集和34%主氧浓度，实现了近零碳氧化合物（CO2）排放（<5ppm）和高效燃烧（ηc=87%）。氧气浓度的提升（30-34%）和氢气添加（0-15%）均能拓宽 lean blowout 范围，但需平衡 swirl 强度与燃料/氧化剂比例

　　本文探讨了氢富集和氧浓度对双环反向旋转湍流（DACRS）燃烧器中贫燃熄火极限、火焰结构、温度以及排放的影响。研究采用了三个不同的速度比（Vr），分别是2.27、3.00和3.87，并保持喷嘴速度为6米/秒。同时，氢燃料的体积分数（HF）范围是0%到15%，主流氧化剂中氧的体积分数（OFm）则在20%到34%之间。实验结果表明，较低的速度比（意味着更强的主湍流）和较高的氢/氧富集显著延长了贫燃熄火极限，使得燃烧器可以在超贫燃的整体当量比（约0.35）下稳定运行，同时改变了火焰的形态。在Vr=2.27、HF=15%、OFm=34%的情况下，火焰保持紧凑并附着在燃烧器上，即使在非常贫燃的混合物中也能实现几乎完全燃烧，碳一氧化物（CO）排放低于5 ppm。相反，较高的速度比和较低的富集则导致火焰延长且容易被吹熄，燃烧不完全（CO最高可达50-65 ppm）。这些发现强调了在富氧燃烧器中优化湍流强度和燃料/氧化剂成分对于实现更高的火焰稳定性、超贫燃运行能力和更低排放的重要性。

### 1. 引言

温室气体（GHG）排放，尤其是二氧化碳和氮氧化物，是全球变暖和气候变化的主要驱动因素。这些气体在地球大气中捕获热量，导致平均温度上升，从而引发温室效应。随着全球变暖的加剧，海平面上升、极地冰盖融化、极端天气事件频发以及生态系统和生物多样性的破坏等后果也日益显现。这些环境变化对人类健康、粮食安全、水资源和经济稳定性构成了重大威胁。为了应对日益严峻的气候危机，全球社会设定了雄心勃勃的目标，以减少排放。2015年《巴黎协定》是一项重大举措，承诺各国将全球气温上升控制在远低于2°C，努力将其限制在1.5°C以内。实现这些目标需要在能源、交通和工业等多个领域推动脱碳进程。措施包括转向可再生能源、提高能源效率和实施碳捕集技术。快速、可持续地减少排放是减轻气候变化影响、为后代提供更安全、更具韧性的星球的关键。

富氧燃烧是一种使用纯氧（O?）而非空气燃烧燃料的过程，有助于实现更清洁的燃烧。这种方法在燃气轮机中特别适用于脱碳，因为它能够促进有效的碳捕集并减少氮氧化物（NOx）的形成。达到的高温可以提高燃料的使用效率，支持能源行业向低二氧化碳排放和可持续发电的转变。富氧燃烧技术的一个关键优势是使用二氧化碳作为稀释气体。与传统空气燃烧中的氮气不同，二氧化碳具有较高的热容量，有助于调节火焰温度并提高贫燃条件下的稳定性。更重要的是，由于富氧系统中的排气主要由二氧化碳和水蒸气组成，二氧化碳可以被轻易地分离、捕集并回注燃烧器。这种回注过程不仅降低了后燃烧碳捕集的成本和复杂性，还使二氧化碳成为燃烧循环中的有用成分。因此，富氧燃烧为降低净温室气体排放提供了一条集成路径，同时保持火焰稳定和高效运行。

### 2. 实验设置

本研究使用了双环反向旋转湍流（DACRS）燃烧器进行燃烧实验，如图1所示。燃烧器由两个同心管组成，分别用于喷嘴流和主流。内管携带由氢气和二氧化碳组成的喷嘴流，而内管和外管之间的环形空间则输送由甲烷、氧气和二氧化碳组成的主流。将二氧化碳引入喷嘴流和主流有助于通过减少对主富氧甲烷火焰的不稳定性来调节火焰稳定性。这种增强的燃烧效率和减少的燃料消耗可以降低排放。DACRS燃烧器通过流体的湍流和回流效应，有效提高了贫燃条件下的火焰稳定性。为了进一步支持排放减少，可以通过改变燃烧器的结构、流体流动模式、燃料注入方法和火焰稳定特性来优化燃烧过程。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 燃烧器稳定性极限

贫燃熄火极限，即维持稳定燃烧所需的最低当量比，对燃气轮机的性能和运行至关重要。图2和图3展示了基于不同混合分数的DACRS燃烧器熄火极限。在所有混合分数中，较低的速度比（Vr）和较高的氢/氧富集显著延长了贫燃熄火极限。在速度比为2.27的情况下，熄火当量比（?m）最低可达0.35，而在速度比为3.87时，熄火当量比则需要达到0.41。这表明，降低速度比可以显著扩展贫燃熄火极限，提高在超贫燃条件下的运行能力。增加氧的浓度也显著提高了贫燃熄火极限，因为更高的氧浓度增强了火焰的强度，使火焰能够在较低的燃料当量比下维持稳定。在实验中，将氧浓度从25%提高到39%时，熄火当量比从约0.55下降到0.47，表明在氧浓度较高的情况下，火焰可以维持更贫燃的整体燃料混合物。这说明，通过提高氧的浓度，可以实现超贫燃运行。

#### 3.2 速度比和氢/氧富集对火焰温度的影响

氢和氧的富集显著影响火焰的温度、反应动力学和燃烧效率。较高的氢浓度（HF）可以增强火焰稳定性并加速化学反应，从而提高燃烧的完整性。而增加氧的浓度（OFm）可以提高火焰温度和氧化能力，直接影响氧气（O?）和一氧化碳（CO）等排放。速度比（Vr）对火焰结构和混合质量有重要影响，从而影响燃烧器的排放性能。如图5所示，速度比越高，火焰的峰值温度越低。这主要是因为主流的流速降低，导致燃烧器的燃料/氧化剂混合比例减少。因此，随着速度比的增加，燃烧器的热气体路径温度也会下降。然而，当氢浓度增加时，火焰的峰值温度也会提高，例如在HF=15%的情况下，火焰的峰值温度达到1704°C，而HF=0%时则只有1330°C。这表明氢富集有助于提高燃烧效率，因为其快速的化学反应和更高的热值可以实现更快速和更完全的燃烧。此外，氢富集还使得火焰更加紧凑，热释放集中在燃烧器附近。

#### 3.3 排放特性

氢和氧的富集对火焰排放有显著影响。较高的氢浓度（HF）有助于提高燃烧效率，减少CO排放，而增加氧浓度（OFm）则可以提高火焰温度，从而减少不完全燃烧。速度比（Vr）在影响火焰结构和混合质量方面也起到重要作用。如图6所示，随着氢浓度的增加，燃烧效率显著提高，CO排放减少。然而，在速度比较高（如Vr=3.87）的情况下，CO排放反而增加，这表明在低氢富集时，高速度比会导致火焰不完全燃烧。这强调了优化速度比、氢富集和氧浓度的重要性，以实现更高的燃烧效率和更低的排放。

#### 3.4 速度比和氢/氧富集对火焰宏观结构的影响

速度比（Vr）对火焰的宏观结构（如火焰形状和大小）有显著影响。较低的速度比（如Vr=2.27）通常会导致更开放、V形的火焰，而较高的速度比（如Vr=3.87）则会使得火焰更加狭窄且更容易被吹熄。在氢富集和氧浓度较高的情况下，火焰会变得更加紧凑，减少CO排放。如图8所示，当氢浓度增加时，火焰的形状从开放的V形转变为紧凑的锥形，这表明氢的快速化学反应和高热值有助于稳定火焰。同时，氢的加入还能显著提高燃烧效率，使得火焰在贫燃条件下仍能保持稳定。

### 4. 结论

本研究通过实验探讨了氢富集和氧浓度对DACRS燃烧器中贫燃熄火极限、火焰结构、温度和排放的影响。结果显示，氢和氧的富集显著延长了贫燃熄火极限，使得燃烧器可以在超贫燃条件下稳定运行。较低的速度比（如2.27）和较高的氢/氧富集提高了火焰的稳定性，同时减少了排放。此外，氢富集和氧浓度的增加有助于提高火焰的温度和燃烧效率，使得火焰更加紧凑和稳定。然而，在速度比较高的情况下，若氢富集不足，会导致火焰不完全燃烧，CO排放增加。因此，为了实现更高效的燃烧和更低的排放，需要优化速度比、氢富集和氧浓度。这些发现为设计更清洁、可持续的燃烧器提供了重要指导，强调了在富氧燃烧中平衡这些参数的重要性。未来的研究可以进一步扩展这些结果，包括使用高分辨率的诊断技术和在更高压力条件下进行实验，以验证这些趋势并优化燃烧器设计。