燃料侧稀释对合成气 - 空气微混合喷嘴燃烧特性的影响研究

为解决合成气（syngas）燃烧中闪回、自燃等风险及污染物排放问题，研究人员针对 11 种稀释比（Ω）0%~50% 的合成气，在不同绝热火焰温度（Tad）和喷嘴出口空气速度（vair）下开展微混合（MM）燃烧特性研究。发现 Ω 增大使 OH * 信号减弱、NO 降低，CO2稀释效果更显著，为 MM 技术应用提供依据。

　　

在能源清洁化与低碳转型的浪潮中，燃气轮机的低氮燃烧技术始终是研究热点。合成气（主要成分为 H₂、CO 及少量 CH₄）作为整体煤气化联合循环（IGCC）系统的核心燃料，虽具备高效发电潜力，却因氢气高火焰传播速度等特性，易引发闪回、自燃及燃烧振荡等安全隐患，同时其含有的 N₂、CO₂等稀释成分会显著影响燃烧稳定性与污染物排放。传统燃气轮机燃烧技术在应对合成气复杂燃烧特性时面临挑战，如何在保证燃烧效率的同时降低 NOx 等污染物排放，成为制约其广泛应用的关键瓶颈。

为突破这一困境，国内研究团队围绕微混合（Micro-Mixing, MM）燃烧技术展开深入探索。该技术通过缩小燃料与空气的混合尺度、增强预混均匀性，被视为解决合成气燃烧难题的重要路径。研究人员以 11 种稀释比（Ω，0%~50%）的合成气为对象，在绝热火焰温度（T_ad）1723~1973 K、喷嘴出口空气速度（v_air）30~60 m/s 的多工况下，系统研究了 MM 燃烧的火焰结构、燃烧动力学及污染物排放特性。相关成果发表于《Fuel》，为合成气燃烧的工程应用提供了关键数据支撑。

关键技术方法

研究采用了多维度实验手段：通过 5 kHz 高速 OH化学发光成像系统，解析火焰区 OH信号的时空分布特性，以表征燃烧反应强度与动态波动；利用 Chemkin 软件结合 GRI 3.0 反应机理，计算层流火焰速度（S_L）、点火延迟时间（τ）及熄火应变率（K_g）等燃烧动力学参数；借助气体成分分析系统，测定燃烧室出口的 CO 与 NO 浓度，评估污染物排放水平。

研究结果

火焰结构与燃烧模式

传统燃气轮机燃烧火焰主要处于薄反应区模式，而 MM 燃烧火焰则以层流反应区和连续搅拌反应区为主。随着稀释比 Ω 增加，OH * 信号强度整体减弱，火焰锚定能力下降，波动程度加剧。对比 N₂，CO₂作为稀释剂对火焰结构的影响更为显著，这与其兼具物理冷却效应和参与化学反应的特性相关。

燃烧动力学特性

稀释剂类型与 Ω 的改变会影响层流火焰速度、点火延迟时间和熄火应变率，进而改变火焰内的质量、能量与动量传输过程。例如，惰性稀释剂的加入降低了 H、O 等关键活性自由基的浓度，抑制了 OH * 的生成并加速其淬灭，导致燃烧反应强度下降。

污染物排放规律

NO 浓度随 Ω 增大呈快速下降趋势，符合热型 NO 的生成特性，且在实验条件下 NO 排放均不高于 16 ppm（@15% O₂）。绝热火焰温度 T_ad升高会显著促进 NO 生成，而增加空气速度 v_air可缩短气体停留时间，从而降低 NO 排放。研究推荐燃料侧稀释比控制在 20%~40%，可有效平衡燃烧稳定性与 NOx 减排效果。

结论与意义

本研究系统揭示了燃料侧稀释对 MM 燃烧特性的影响机制：稀释比通过调控火焰结构与动力学过程，实现了 NOx 的高效抑制，其中 CO₂的双重作用使其成为更优稀释剂选择。空气速度的提升与稀释策略的协同应用，为燃烧器设计提供了多参数优化路径。研究成果不仅深化了对 MM 燃烧时空波动特性的认知，更通过实验数据明确了稀释比的最佳区间，为 IGCC 系统中合成气燃烧器的优化设计与 MM 技术拓展至更广燃料类型和工况提供了关键理论依据，助力燃气轮机在低碳发电领域的实际应用迈出重要一步。