氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

呂光普，劉 瀟，張志浩，李圣男，楊文濤，鄭洪濤

(哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院, 哈爾濱 150001)

為了促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，盡快達(dá)到全球溫室氣體排放的峰值，力爭在本世紀(jì)中葉實現(xiàn)碳中和[1-4]，并將全球平均氣溫控制在《巴黎協(xié)定》給出的工業(yè)化前水平以上2 ℃之內(nèi)[5]，世界各國就必須對大部分能源系統(tǒng)進(jìn)行大幅脫碳。近年來，世界主要經(jīng)濟(jì)體和碳排放大國相繼提出了碳中和的氣候目標(biāo)[6]，而目前實現(xiàn)碳中和的主要措施分為減排和增匯[6]，其中最有潛力的方向是能源結(jié)構(gòu)的清潔化、低碳化，根本性措施是實現(xiàn)能源生產(chǎn)清潔化和能源消費(fèi)電氣化[7-9]，清潔能源和可再生能源已然成為能源發(fā)展的主要方向[10]。隨著太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量份額的日益增加[1-2,11-13]，為了充分利用隨機(jī)性、波動性大的可再生能源資源，人們通過電解水得到氫氣并儲存，這就是所謂的電轉(zhuǎn)氣[14]。

作為一種清潔可持續(xù)的能源載體，氫重新受到人們的關(guān)注，并被視為實現(xiàn)碳中和的強(qiáng)大動力[15-16]。氫加速了可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占比的提升，已經(jīng)被認(rèn)為是大規(guī)模長期季節(jié)性無碳能源儲存的最有前景的方案[17-18]，還可以促進(jìn)全球能源系統(tǒng)的區(qū)域聯(lián)合[19-20]，并完成電氣化難以達(dá)到的深度減排[15,21-22]。氫具有提高電力系統(tǒng)靈活性水平和平衡間歇性可再生能源輸出的能力，但這依賴于燃?xì)廨啓C(jī)提供的可調(diào)度電力[16,23-24]。同時，燃?xì)廨啓C(jī)在未來低碳中的作用，也取決于在氫燃燒技術(shù)創(chuàng)新上能達(dá)到的更高的裝置效率和碳中和能力[25-26]。因此，氫燃?xì)廨啓C(jī)在未來保障能源安全和減少電力行業(yè)對化石燃料的依賴上將發(fā)揮重要作用[27]。

有著零碳排放、靈活可控等優(yōu)點的氫燃?xì)廨啓C(jī)將成為碳達(dá)峰過程和碳中和時期中新型電網(wǎng)的重要主力[28]，但回火和NOx排放高等問題仍阻礙著氫燃?xì)廨啓C(jī)的廣泛應(yīng)用。針對這些問題，目前出現(xiàn)了兩類氫燃燒室發(fā)展方向，分別是改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒室和開發(fā)新型燃燒室。兩者基本都是通過提高流動速度和降低火焰溫度的方式解決回火和NOx問題，但是這種方法容易引起燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象[29-30]。這種非定常燃燒與燃燒室內(nèi)傳播的聲波耦合而產(chǎn)生的破壞性壓力振蕩的現(xiàn)象[30-31]，嚴(yán)重影響了氫燃燒室的發(fā)展[31-32]。為此須要研究出能夠使用任何含氫量乃至純氫燃料的、與天然氣發(fā)動機(jī)同樣低NOx排放的、穩(wěn)定燃燒范圍寬廣的氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)[24,26]。

本文總結(jié)了氫燃燒室面對回火、NOx排放和不穩(wěn)定問題的發(fā)展過程和研究現(xiàn)狀。本文結(jié)構(gòu)如下：第1節(jié)概述了在傳統(tǒng)天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中燃燒氫氣的主要困難；第2節(jié)歸納了各大燃?xì)廨啓C(jī)制造商為燃燒氫氣對燃燒室做出的改進(jìn)與研發(fā)；第3節(jié)討論了燃料含氫量對燃燒不穩(wěn)定性的影響；最后，概括了結(jié)論并提出了對未來氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)發(fā)展的看法。

1 燃?xì)廨啓C(jī)中氫燃燒面臨的問題

氫氣與天然氣不同的熱物理和化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致了燃燒特性的差異，這在貧預(yù)混燃燒情況下更為顯著。表1比較了在20 ℃和101.325 kPa下氫氣和甲烷的熱物理和化學(xué)性質(zhì)。這些性質(zhì)中，氫氣較高的絕熱火焰溫度、火焰速度和擴(kuò)散系數(shù)給燃燒室的運(yùn)行帶來了一些挑戰(zhàn)[18，33-34]，包括回火、自燃以及更高的NOx排放和不穩(wěn)定特性等。本節(jié)將簡要總結(jié)在貧預(yù)混燃燒室中燃燒氫氣的一些困難。

表1 氫氣和甲烷的熱物理和化學(xué)性質(zhì)[33,35]

回火是由于局部湍流火焰速度大于反應(yīng)物流速導(dǎo)致的，是火焰鋒面從燃燒區(qū)向燃燒室與預(yù)混段上游傳播的一種有害現(xiàn)象[36]。回火的機(jī)理包括[37]：(1)不穩(wěn)定燃燒引起的火焰?zhèn)鞑ィ?2)主流中的火焰?zhèn)鞑ィ?3)邊界層中的火焰?zhèn)鞑ィ?4)燃燒引起的渦破碎。氫更高的反應(yīng)活性可能會增加由不穩(wěn)定燃燒引起的回火，更高的湍流火焰速度則可能會引起主流和邊界層中的回火[38]，氫火焰與渦旋更強(qiáng)的相互作用還可能引起渦破碎回火?；鼗鹂赡軙?dǎo)致局部火焰滯留在預(yù)混通道內(nèi)，并引起過熱和硬件損壞。

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口壓力和溫度較高，足以發(fā)生自燃[25]。自燃是指在預(yù)混段無點火源的情況下可燃燃料空氣混合物自發(fā)著火。雖然氫氣的自燃溫度略高于天然氣[33]，但須要注意的是氫氣具有更短的點火延遲時間[18,39]。自燃延遲是可燃混合物在沒有點火源的情況下發(fā)生反應(yīng)的時間間隔[40]。如果點火延遲時間短于燃料空氣混合物停留時間就會發(fā)生自燃，導(dǎo)致局部火焰滯留并發(fā)生回火。

盡管氫燃燒時沒有CO2排放，但是比天然氣更高的絕熱火焰溫度帶來了NOx排放較高的問題。在典型貧預(yù)混燃燒室的當(dāng)量比下，純氫的絕熱火焰溫度比甲烷的高出150 K以上[34]。對于地面燃?xì)廨啓C(jī)，如果不改變操作工況，例如切換為更貧的當(dāng)量比，將導(dǎo)致更高的NOx排放[18]。燃料成分的變化也會對貧預(yù)混燃燒熱聲不穩(wěn)定特性產(chǎn)生顯著影響[32]。面對燃?xì)廨啓C(jī)燒氫遇到的問題，科研人員也進(jìn)行了不同方向的嘗試和探索，接下來就先介紹氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室發(fā)展現(xiàn)狀

在氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中首要考慮的是NOx排放問題，同時還必須考慮到回火的風(fēng)險。針對這兩類問題，目前氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的發(fā)展方向可以分為兩類，改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒室和研發(fā)設(shè)計新型氫燃燒室。

2.1 傳統(tǒng)燃燒室

2.1.1 混合燃料燃燒室

日本的三菱開發(fā)并運(yùn)營了各種含氫燃料類型的燃?xì)廨啓C(jī)，包括合成氣、煉廠氣、焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣等。這些燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)中的傳統(tǒng)燃燒室多采用向擴(kuò)散燃燒噴注蒸汽或氮?dú)獾姆椒ń档蚇Ox[41-42]。然而由于NOx排放法規(guī)的收緊和提高整體效率的需要，最終推動了氫燃燒系統(tǒng)向預(yù)混燃燒發(fā)展。目前有兩種氫燃燒發(fā)展理念：一種是摻氫天然氣混合燃燒系統(tǒng)，氫體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)30%；另一種是開發(fā)一種純氫燃燒室?；旌先剂系母拍钍腔趯?030年發(fā)電市場的短期愿景提出的，三菱認(rèn)為，從經(jīng)濟(jì)和成本的角度考慮，氫發(fā)電不可能完全取代目前運(yùn)行中的天然氣和燃煤發(fā)電。即使快速建設(shè)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施，也難以保證作為燃料的氫氣儲量水平。所以先開發(fā)含氫量為30%的混合燃燒技術(shù)，可以減少對當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施改動的同時逐漸過渡到純氫發(fā)電。

圖1中分別為傳統(tǒng)燃燒室噴嘴和混合燃料燃燒室噴嘴示意圖。如圖所示，傳統(tǒng)天然氣燃燒通過旋流穩(wěn)燃，使用傳統(tǒng)的燃燒室和噴嘴燃燒混合燃料，當(dāng)含氫量達(dá)到20%時沒有回火，但是當(dāng)含氫量達(dá)到30%時不可避免的出現(xiàn)回火。混合燃料噴嘴通過在旋流器中央部分附加噴射氣流，提高噴嘴出口回流區(qū)中心流動速度，降低了回火風(fēng)險。目前，該方法已經(jīng)完成了30%含氫量的燃燒室示范實驗，未來將進(jìn)行燃燒室外輔助部件的開發(fā)和燃料混合的運(yùn)行技術(shù)開發(fā)。

(a) 傳統(tǒng)燃燒室噴嘴

2.1.2 DLE燃燒室

德國西門子是開發(fā)摻氫天然氣混合燃燒技術(shù)最活躍的燃?xì)廨啓C(jī)制造商之一。從其研究成果中可以看出，現(xiàn)有天然氣燃燒室在不做重大變動的情況下可直接使用含氫量最高為15%～20%的摻氫天然氣[44-46]。然而為了防止混合燃料在燃燒過程中出現(xiàn)回火和局部高溫現(xiàn)象，仍須要改變選擇的材料、燃料系統(tǒng)的尺寸和燃燒室操作方式。西門子設(shè)計并通過3D打印技術(shù)制造了燃燒室和噴嘴，用來實現(xiàn)高含氫量的混合燃燒。圖2中分別是西門子為燃燒摻氫天然氣開發(fā)的第3代和第4代干式低排放(DLE)燃燒室示意圖。

(a) 西門子第3代DLE燃燒室

兩代燃燒室的主燃級和值班級都可以使用不同燃料，并在不同的空氣通道中進(jìn)行摻混。西門子根據(jù)燃料成分的變化，采用分別控制每條流道上空氣和燃料的噴射速率的方法優(yōu)化火焰位置和燃燒溫度。此外，當(dāng)含氫量增加時一般可以通過提高燃燒室下游軸向流速抵消中心回流區(qū)引起的回火風(fēng)險。到2018年，西門子已經(jīng)在使用第3代燃燒室的SGT600/700/800型號上成功完成了50%含氫量的燃燒實驗[46]。使用第4代DLE燃燒室的SGT750進(jìn)行了混合燃料實驗，其NOx排放及不穩(wěn)定性結(jié)果如圖3所示 ，可以看出隨著含氫量的升高，NOx排放急劇上升，在實驗的50%含氫量之內(nèi)NOx排放就超過了60 mg/m3。如果不對目前使用的第4代DLE燃燒室進(jìn)行改動，直接使用純氫進(jìn)行燃燒，其NOx排放必將達(dá)到不可承受的地步。

圖3 西門子第4代DLE燃燒室富氫燃料燃燒NOx排放及不穩(wěn)定水平[48]

2.1.3 多噴嘴燃燒室

擁有全球最多燃?xì)廨啓C(jī)銷售記錄的美國通用電氣(GE)長期以來都在研究開發(fā)含氫燃料的燃燒技術(shù)[49-50]。根據(jù)GE在2019年發(fā)表的報告，目前生產(chǎn)的混合燃料燃燒技術(shù)可以分為三種系統(tǒng)，如圖4所示。第一種是航改燃機(jī)的環(huán)形燃燒室(SAC)，可以燃燒含氫量為30%～85%的混合燃料。第二種是主要用于大型燃?xì)廨啓C(jī)的多噴嘴燃燒室(MNQC)，目前應(yīng)用在E級和F級燃?xì)廨啓C(jī)上，能燃燒89%含氫量的混合燃料，燃燒純氫還在驗證過程中。但前兩種使用的基本都是擴(kuò)散燃燒，不可避免地帶來大量NOx排放,15%氧含量下最大排放量為410 mg/m3[51]。而在第三種的貧預(yù)混干式低NOx燃燒室中，如DLN2.6e，只能使用含氫量為15%的混合燃料，在實際運(yùn)行中更是將含氫量控制在5%以下。

(a) SAC

為了避免回火，目前使用最先進(jìn)低NOx技術(shù)[25,40,52]的貧預(yù)混燃燒室不能直接燃用純氫，一般控制燃料中氫氣體積分?jǐn)?shù)少于30%[24]。使用傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒室可以控制回火，但是須要注入大量的蒸汽或氮?dú)猓詼p少由較高的擴(kuò)散燃燒火焰溫度引起的NOx增加[53]，或者附加成本昂貴的NOx減排裝置[18]。然而，世界上先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)制造商已經(jīng)開始將新型燃燒室應(yīng)用或考慮應(yīng)用在最新一代的氫燃?xì)廨啓C(jī)上。下一小節(jié)將介紹應(yīng)用于純氫燃燒的新型燃燒室。

2.2 新型燃燒室

2.2.1 微混合燃燒室

微混合燃燒室被認(rèn)為是防止氫燃?xì)廨啓C(jī)回火和降低NOx排放量最現(xiàn)實可行的方法，許多先進(jìn)的制造商都在開發(fā)這項技術(shù)。亞琛工業(yè)大學(xué)在20世紀(jì)90年代最先開發(fā)出微混合燃燒室，并通過連續(xù)的兩個歐洲國家項目將氫引入航空輔助動力裝置[54-55]。之后，日本川崎重工開始與亞琛工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研究微混合燃燒室，并將其用于神戶的1 MW氫電廠，目前正在進(jìn)行純氫燃燒微混合燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的最后驗證步驟。

圖5給出了微混合燃燒室工作方式的概略圖[56]。在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒方式中，火焰廣泛地分布于整個燃燒室，微混合燃燒室則用大量的小火焰取代了整個的大火焰。NOx的生成不僅與燃燒反應(yīng)過程中的溫度有關(guān)，還與反應(yīng)物在高溫火焰場中停留時間相關(guān)。微混合燃燒室減少了反應(yīng)物停留時間，顯著降低了NOx生成。此外，從混合器出口極小噴嘴噴出的高速射流消除了回火的風(fēng)險。

(a) 傳統(tǒng)燃燒室

聯(lián)合課題組發(fā)表的論文[56]中詳細(xì)介紹了燃燒室詳細(xì)研發(fā)過程和核心技術(shù)的具體情況。圖6是川崎重工發(fā)布的原型微混合燃燒室的圖片。整個燃燒室由410個小火焰組成，每個火焰由直徑為1 mm或更小的燃料噴嘴組成。對微混合燃燒室進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后在常壓下進(jìn)行數(shù)值和實驗研究，在全工況范圍內(nèi)燃燒效率均大于99%，NOx排放為個位數(shù)[57]。

圖6 川崎微混合燃燒室樣機(jī)圖

2.2.2 多簇燃燒室

三菱公司開發(fā)和研究燃燒純氫的微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，名為多簇燃燒室，如圖7所示[58]。其燃燒原理與川崎-亞琛工業(yè)大學(xué)的微混合燃燒室類似，是用很多個小直徑的噴嘴代替一個大噴嘴，通過增加空氣噴射速度降低回火風(fēng)險，并減少高溫區(qū)中煙氣停留時間降低NOx排放量。與川崎的擴(kuò)散燃燒相比，多簇燃燒室截面有一個短的預(yù)混空間，可以讓燃料和空氣預(yù)先混合。理論上這種燃燒室能夠直接使用純氫進(jìn)行燃燒，但其具體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)還在研究之中，三菱的目標(biāo)是在2025年開發(fā)一種使用這種燃燒方式的氫燃?xì)廨啓C(jī)[59]。

圖7 三菱多簇燃燒室結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 多管燃燒室

GE自2000年來就在開發(fā)能夠滿足日益嚴(yán)苛NOx排放法規(guī)的氫燃燒技術(shù)，從2005開始，更是在美國能源部的支持下開展了持續(xù)了十多年的“先進(jìn)IGCC/H2燃機(jī)發(fā)展計劃”。計劃主要分為兩個階段進(jìn)行。第一階段是從開始到2007年，制造了約30個旋流預(yù)混燃燒室，并對其在氫燃燒系統(tǒng)中的適用性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，由于存在回火等問題，現(xiàn)有的旋流預(yù)混燃燒室并不能應(yīng)用于氫發(fā)電系統(tǒng)中的大型燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)第一階段研究結(jié)果，GE開發(fā)設(shè)計了一種降低氫燃燒回火和溫升風(fēng)險的多管燃燒室，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。與采用旋流的方法相比，這種類似于川崎和三菱的方法能在較短的時間和空間中進(jìn)行燃料和空氣的摻混，噴嘴出口較高的速度也能防止回火。目前，多管燃燒室已經(jīng)在DLN2.6e上進(jìn)行測試。

(a) 單噴嘴

2.2.4 “FlameSheetTM”燃燒室

安薩爾多的子公司Power Systems Mfg.研究開發(fā)了一種用于摻氫天然氣的預(yù)混燃燒室，叫做“FlameSheetTM”燃燒室[60-61]。不過開發(fā)的僅僅是用于傳統(tǒng)大型發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室，如GE的6F、7E、7F、9E、9F和西門子/三菱的501F、501G、701F、701G和西門子的501B/D等，而不是整個燃?xì)廨啓C(jī)。圖9給出了“FlameSheetTM”燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)以及數(shù)值模擬的速度和溫度分布。

(a) 燃燒室結(jié)構(gòu)圖

燃燒室分成值班級和主燃級。值班級空氣從外環(huán)進(jìn)入，通過徑向旋流器后與由旋流器葉片進(jìn)入的燃料混合，燃料空氣混合物進(jìn)入燃燒室后通過燃燒室中線附近的旋渦穩(wěn)定。主燃級空氣沿燃燒室壁面的背面流動，經(jīng)過主燃級噴嘴時與燃料摻混，混合物在180°轉(zhuǎn)彎后流入燃燒室，最后由空氣動力學(xué)渦旋穩(wěn)定在所需位置。燃燒室通過強(qiáng)回流區(qū)將主燃級和值班級火焰分別穩(wěn)定在相互隔離的位置，而且燃料和空氣的摻混比其他燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室更均勻。此外，由于減少了燃燒室出口面積，增加流量，所以在燃料含氫量增加時保證不回火。鑒于這些優(yōu)點，將現(xiàn)有7F中燃料含氫量最高為5%的DLN燃燒室替換為“FlameSheetTM”燃燒室之后，燃?xì)廨啓C(jī)在保持相同NOx排放的基礎(chǔ)上，仍能燃燒含氫量高達(dá)40%的含氫燃料。

向傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃料中加入氫氣會提高火焰溫度，導(dǎo)致NOx排放量升高，同時帶來回火的風(fēng)險，這些問題隨著燃料中含氫量的增加而加劇。目前開發(fā)的燃燒室普遍通過提高進(jìn)氣流速的方式降低回火風(fēng)險，同時還能減小燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間。此外還將火焰分散開以減小火焰面積，解決了NOx排放問題和回火問題。但是由此帶來的穩(wěn)定性問題顯得至關(guān)重要，科研人員對這部分問題開展了廣泛的基礎(chǔ)研究，這將在下一節(jié)中進(jìn)行介紹。

3 燃料含氫量對穩(wěn)定性的影響

前文中詳細(xì)介紹了目前發(fā)展的氫燃燒室，接下來將討論由此引發(fā)的含氫量對燃燒室穩(wěn)定性的影響，包括動態(tài)特性、火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置以及燃燒動力學(xué)引發(fā)的回火的影響等。

3.1 含氫量對火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置的影響

在燃燒室運(yùn)行中最能直觀表現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的就是火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置，一些研究人員[62]對加氫導(dǎo)致的火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置與火焰動力學(xué)變化之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)火焰形狀和燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)變之間有強(qiáng)烈聯(lián)系[63]。許多研究人員都發(fā)現(xiàn)了隨著含氫量的增大，火焰變得更短更緊湊[64-68]，同時還伴有火焰形態(tài)的轉(zhuǎn)變，包括從V形到M形[64-65,69-73]、M形到V形[66,74]或M形到Π形[67]，不同形態(tài)轉(zhuǎn)變對不穩(wěn)定性的影響不同。還有文獻(xiàn)中提到了不穩(wěn)定性對含氫量的變化十分敏感[68,75]。

在研究含氫量升高導(dǎo)致火焰從V形轉(zhuǎn)變到M形的同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變發(fā)生的當(dāng)量比降低，如圖10所示，其原因是氫分子較大的擴(kuò)散率導(dǎo)致的更高熄火拉伸率以及氫燃燒更高的絕熱火焰溫度[65,69]。Shanbhogue等人[69]發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)火焰的穩(wěn)燃機(jī)制不同，而在不同含氫量下發(fā)生的不穩(wěn)定前，角渦都開始著火，這意味著M形火焰是不穩(wěn)定的。不同的是，Lantz等人[71]的工作表明M形火焰抑制了不穩(wěn)定，如圖11所示。Subash等人[64]在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)純氫火焰內(nèi)剪切層中火焰鋒面波動明顯小于純天然氣火焰，Guo等人[76]的研究中也發(fā)現(xiàn)加氫會導(dǎo)致燃燒室中軸向速度脈動的降低，Kim等人[65]證實了M形火焰的一個特點是能夠抑制燃燒室中的流體擾動，其他研究[77-79]中也提到了富氫火焰能夠削弱燃燒不穩(wěn)定性。

圖10 不同含氫量下火焰形態(tài)隨當(dāng)量比的變化[69]

(a) 含氫量為0%

與上述研究相反，部分研究[66,74]發(fā)現(xiàn)富氫會導(dǎo)致火焰從M形轉(zhuǎn)為V形。Ge等人[66]在常壓下研究了含氫量最高為26%的富氫天然氣的燃燒性能?；鹧鎴D像顯示當(dāng)含氫量增加到11%以上時火焰變得更加緊湊。隨著含氫量的增加，角渦回流區(qū)中的火焰逐漸減弱并消失，燃燒室則變得更加穩(wěn)定。這些結(jié)果與角渦回流區(qū)中瑞利指數(shù)值的下降相對應(yīng)，這表明角渦回流區(qū)中存在的火焰可能是不穩(wěn)定的原因。Chterev等人[74]發(fā)現(xiàn)隨著含氫量的升高，火焰從旋流穩(wěn)定的M形火焰轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袑臃€(wěn)定的V形火焰，同時還得到壓力升高會導(dǎo)致火焰縮短的結(jié)論，如圖12所示。

圖12 不同壓力和含氫量對火焰形態(tài)的影響[74]

Liu等人[67]的研究中還發(fā)現(xiàn)了加氫導(dǎo)致火焰從M形向其他形狀轉(zhuǎn)變。圖13給出了不同含氫量下對應(yīng)火焰形狀的時均OH*圖像，可以發(fā)現(xiàn)隨著含氫量的增加，火焰從M形轉(zhuǎn)變?yōu)棣靶?，同時火焰狀態(tài)的改變影響了回火機(jī)制。

圖13 不同含氫量對應(yīng)火焰形狀的時均OH*圖像[67]

對于含氫燃料火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變引起不穩(wěn)定特性改變的原因，研究人員[32,68,80-81]進(jìn)行了深入研究。Zhang等人[80]發(fā)現(xiàn)加氫會增加穩(wěn)定火焰的火焰鋒面褶皺；對于不穩(wěn)定火焰，加氫能加強(qiáng)火焰和渦旋的相互作用，并加強(qiáng)釋熱振蕩和不穩(wěn)定壓力波動之間的耦合。增大含氫量還會導(dǎo)致影響釋熱率的局部火焰面積增大，并引起燃燒不穩(wěn)定驅(qū)動區(qū)和阻尼區(qū)的位置和強(qiáng)度變化，從而會影響熱聲不穩(wěn)定性[32,68,81]。

在低旋流火焰中同樣有人研究了富氫對火焰形態(tài)的影響。與傳統(tǒng)旋流穩(wěn)燃的燃燒室不同，低旋流燃燒室不存在用于穩(wěn)定火焰的中心回流區(qū)，而是通過中心射流抑制渦破碎，并促進(jìn)中心擴(kuò)散區(qū)域的形成，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的托舉火焰[82]。Emadi等人[83]發(fā)現(xiàn)隨著壓力和含氫量的增加，火焰鋒面的褶皺增多，并且在高壓下含氫量對火焰褶皺的影響更強(qiáng)。Therkelsen等人[84]發(fā)現(xiàn)隨著含氫量升高，火焰從碗狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷腗形，An等人[85]發(fā)現(xiàn)再升高含氫量則會產(chǎn)生冠狀火焰，如圖14所示。在此基礎(chǔ)上，Davis等人[86]發(fā)現(xiàn)含氫量較低時，火焰在脫落的渦旋中燃燒，較高含氫量時則持續(xù)燃燒，這表明了不同火焰不穩(wěn)定產(chǎn)生機(jī)制不同。

圖14 不同來流速度和含氫量下火焰穩(wěn)定圖及對應(yīng)特征火焰形態(tài)[85]

還有學(xué)者在微混合燃燒室中研究了含氫燃料對火焰形態(tài)的影響。如圖15所示，Jin等人[87]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)隨著含氫量的增加，原本相互強(qiáng)烈作用的小火焰逐漸分離并收緊，火焰鋒面上的褶皺也減少。

圖15 微混合燃燒室中不同含氫量下OH化學(xué)發(fā)光圖像和火焰鋒面[87]

上述研究表明，燃料含氫量變化對火焰形態(tài)及其轉(zhuǎn)變有著顯著影響。在傳統(tǒng)燃燒室中，隨著含氫量增加，火焰會變得更短更緊湊，火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變發(fā)生的當(dāng)量比降低。不同火焰形態(tài)對應(yīng)的穩(wěn)定性也因燃燒室不同而不同，這與氫氣較高的反應(yīng)活性導(dǎo)致穩(wěn)燃機(jī)制的變化有關(guān)。在微混合燃燒室中，含氫量升高導(dǎo)致小火焰之間的相互作用減弱，火焰面褶皺減少。

3.2 含氫量對火焰動態(tài)特性的影響

燃燒室內(nèi)火焰動態(tài)特性反應(yīng)了燃燒穩(wěn)定狀態(tài)，可以用來定量分析并解釋燃燒場的不穩(wěn)定現(xiàn)象。為了解燃料含氫量的變化會對燃燒室內(nèi)動態(tài)特性造成何種影響，科研人員就含氫燃料的自激和外激不穩(wěn)定特性進(jìn)行了深入研究。

在研究含氫量對自激不穩(wěn)定性影響的過程中，一些研究人員[62,70,80,84,88]發(fā)現(xiàn)隨著含氫量的增加，發(fā)生不穩(wěn)定時的當(dāng)量比和壓力幅值降低。在此基礎(chǔ)之上，有人[34,63,80,89]發(fā)現(xiàn)了加氫會導(dǎo)致發(fā)生動態(tài)模態(tài)轉(zhuǎn)變的當(dāng)量比降低，如圖16所示。這是由于加入氫之后，可燃混合物的反應(yīng)速度更快，對流時間尺度更小，影響了壓力波動和非穩(wěn)態(tài)釋熱之間的關(guān)系。許多研究[34,63,70,90-91]中都發(fā)現(xiàn)了加氫能拓寬貧熄火極限，其原因是氫火焰較高的熄火拉伸率。

(a) 氫氣體積分?jǐn)?shù)為0%

一些學(xué)者研究了含氫量變化引起的聲學(xué)諧振頻率之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換，發(fā)現(xiàn)含氫量增加激發(fā)了更高頻率的不穩(wěn)定[47,68,71,84,92-95]，如圖17所示。這是因為隨著含氫量上升，層流火焰速度增加，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)時間和火焰長度縮短，壓力和釋熱波動的時間更短，振蕩周期也相應(yīng)縮短，激發(fā)的頻率升高。

(a) 層流火焰速度對不穩(wěn)定聲學(xué)模態(tài)的影響

Wicksall和Agrawal[91]在研究含氫量引起不穩(wěn)定的聲學(xué)模態(tài)轉(zhuǎn)變過程時，發(fā)現(xiàn)了隨著含氫量的增加，不穩(wěn)定能量更集中。圖18給出了不同含氫量的燃燒功率譜密度圖，從中可以看出，隨著含氫量的增加，頻譜從多峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)榉岛艽蟮膯我徽?。燃燒純甲烷時在450 Hz和600 Hz有兩個峰值，在600 Hz上集中了大部分聲功率。隨著含氫量的增加，總聲功率逐漸從600 Hz轉(zhuǎn)移到450 Hz。當(dāng)含氫量達(dá)到40%時，600 Hz的頻率基本消失，450 Hz的振幅強(qiáng)度比低含氫量高了一個數(shù)量級。

(a) 氫氣體積分?jǐn)?shù)為0%

在研究含氫量對外激不穩(wěn)定性的影響上，研究人員[96-99]發(fā)現(xiàn)含氫量升高增大了外激頻率響應(yīng)范圍，但在不同外激頻率范圍內(nèi)，含氫量升高對于不穩(wěn)定性的影響不同。如圖19所示，研究人員[96-98]分析認(rèn)為由于不同頻率下含氫量變化影響了火焰與渦旋的相互作用，改變了擾動傳遞時間，從而改變了釋熱和壓力波動的相位，對不穩(wěn)定性造成了不同影響。這也意味著通過外加激勵和改變?nèi)剂辖M分對不穩(wěn)定性進(jìn)行主動控制的可能。

圖19 不同頻率激勵和含氫量下OH*化學(xué)發(fā)光和流線圖[98]

有關(guān)微混合燃燒室中燃料含氫量對火焰動力學(xué)的影響，Kim等人[87,100-101]進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果如圖20所示。作者使用低階熱聲網(wǎng)絡(luò)模型計算出了燃燒室不同長度時對應(yīng)的前幾階本征模態(tài)，從圖中可以看出隨著含氫量的升高，自激不穩(wěn)定的振蕩頻率更高，激發(fā)的壓力振蕩的幅值也更大。這種自激不穩(wěn)定的頻率與微混合燃燒室的單噴嘴直徑密切相關(guān)。此外，氫會導(dǎo)致小火焰優(yōu)先耦合到較高頻率的聲學(xué)模態(tài)中，觸發(fā)高頻不穩(wěn)定的氫火焰系統(tǒng)可能會在低頻區(qū)域保持完全穩(wěn)定。

圖20 微混合燃燒室不同含氫量和燃燒室長度下的自激不穩(wěn)定頻率及歸一化的壓力釋熱振幅[87]

從以上研究中可以總結(jié)出，對于傳統(tǒng)燃燒室，含氫量變化會導(dǎo)致不穩(wěn)定區(qū)域和動態(tài)模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，含氫量增加還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)變發(fā)生的當(dāng)量比降低，還能引起間歇不穩(wěn)定區(qū)域的出現(xiàn)，同時會增加穩(wěn)定燃燒到不穩(wěn)定燃燒的轉(zhuǎn)變趨勢。加氫會引起燃燒不穩(wěn)定頻率在固有模態(tài)之間轉(zhuǎn)換，還可能激發(fā)更高頻率的不穩(wěn)定或者使不穩(wěn)定能量更集中?？梢栽谳^低當(dāng)量比下通過加氫維持燃燒，實現(xiàn)低NOx排放，拓寬貧熄火極限。在微混合燃燒室中，含氫量的增加會導(dǎo)致不穩(wěn)定頻率和振幅升高。這些研究中關(guān)注的基本都是中頻不穩(wěn)定，還有些文獻(xiàn)中提到了低頻不穩(wěn)定，這與回火有關(guān)，將在下一小節(jié)中介紹。

3.3 含氫量對回火的影響

回火是指火焰向上游逆流傳播到預(yù)混段中，不僅會導(dǎo)致嚴(yán)重的硬件損壞，還會增加污染物排放[102-103]?；鹧嫠俣雀叩暮瑲淙剂显谌紵龝r更容易發(fā)生回火，文獻(xiàn)[104-105]中還有提到周期回火與熱聲不穩(wěn)定性間的強(qiáng)相關(guān)性，學(xué)者細(xì)致研究了含氫量對回火的影響。

Tuncer等人[104]對最高含氫量為50%的混合燃料進(jìn)行了實驗研究。加氫導(dǎo)致壓力脈動幅值增加，當(dāng)含氫量從20%增加到25%，主頻向更低頻率的方向移動，這與開始回火的條件一致。圖21中給出了壓力、釋熱和回火的頻譜圖，從圖中能看出純甲烷時沒有回火，含氫量為40%的火焰出現(xiàn)了47 Hz的回火信號。在更高的含氫量下發(fā)現(xiàn)，周期回火信號和釋熱波動具有相同相位，并發(fā)生在壓力振蕩頻率下。對此現(xiàn)象的理解是，發(fā)生周期回火時火焰在預(yù)混段內(nèi)產(chǎn)生振蕩，此時壓力和釋熱波動的位置近似重合，壓力和釋熱波動之間幾乎沒有時間差，即具有相同相位。

(a) 氫氣體積分?jǐn)?shù)為0%

García-Armingol和Ballester等人[105]在含氫量為50%的混合燃料實驗中，同樣觀察到回火與燃燒室聲模態(tài)之間的耦合。盡管沒有像Tuncer等人[104]工作中得到的模態(tài)轉(zhuǎn)換，但是發(fā)現(xiàn)了50%含氫量的壓力脈動幅值比純甲烷的高出兩個數(shù)量級。在不穩(wěn)定圖像中觀察到的周期回火證實了燃燒不穩(wěn)定和振蕩回火之間發(fā)生耦合。

這些研究不僅強(qiáng)調(diào)了天然氣中加氫增加了由回火導(dǎo)致的低頻熱聲不穩(wěn)定，還表明了周期性回火與熱聲不穩(wěn)定性發(fā)生耦合的可能。

4 結(jié)論與展望

氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)將在未來發(fā)揮至關(guān)重要的作用，面對燃?xì)廨啓C(jī)中氫燃燒帶來的問題，通過改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒室和設(shè)計新型燃燒室，研究人員在控制回火和NOx排放上取得了較大進(jìn)展，但由此導(dǎo)致的不穩(wěn)定問題顯得格外突出。氫的加入對燃燒室的穩(wěn)定性產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，氫氣較高的反應(yīng)活性導(dǎo)致了火焰結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性上的明顯差異，但加氫使得燃燒室變得穩(wěn)定還是不穩(wěn)定，還取決于具體的燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)行工況和操作參數(shù)。認(rèn)識到氫氣對燃燒不穩(wěn)定性的影響，并且在燃燒室的改進(jìn)和設(shè)計中考慮這些影響是非常重要的。

現(xiàn)階段氫燃燒室的發(fā)展方向大體可分為兩類，分別是改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒室和設(shè)計新型燃燒室。為了防止回火并控制NOx排放，傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒室會調(diào)控進(jìn)口燃料和空氣流量，擴(kuò)散燃燒室則須要噴注蒸汽或氮?dú)?，但是都無法直接燃燒純氫。新型燃燒室在設(shè)計時就考慮到氫燃燒帶來的問題，通過提高燃燒室進(jìn)口流量，優(yōu)化預(yù)混路徑和燃燒室形狀，將火焰穩(wěn)定在預(yù)計位置，還通過最小化高溫燃燒場面積降低平均火焰溫度。但是這兩種方式都不可避免地會遇到不穩(wěn)定問題。

最能直觀表現(xiàn)燃燒穩(wěn)定狀態(tài)的就是火焰形態(tài)，而燃料中含氫量的變化會對火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置造成顯著影響。隨著含氫量的增加，火焰會變得更短更緊湊。在傳統(tǒng)燃燒室中，含氫量變化會導(dǎo)致火焰形態(tài)的轉(zhuǎn)變，并隨著含氫量增加，轉(zhuǎn)變發(fā)生的當(dāng)量比降低。不同文獻(xiàn)中火焰形態(tài)的轉(zhuǎn)變不盡相同，對不穩(wěn)定的影響也不同，這可能是因為文獻(xiàn)中使用的燃燒室和工況參數(shù)不同。在微混合燃燒室中，含氫量升高導(dǎo)致小火焰之間作用減弱，火焰面褶皺減少。

通過火焰動態(tài)特性能夠定量分析不穩(wěn)定問題，并可以幫助理解不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。傳統(tǒng)燃燒室中含氫量變化會導(dǎo)致不穩(wěn)定區(qū)域和動態(tài)模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，含氫量增加還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)變發(fā)生的當(dāng)量比降低，還能引起間歇不穩(wěn)定區(qū)域的出現(xiàn)，同時會增加穩(wěn)定燃燒到不穩(wěn)定燃燒的轉(zhuǎn)變趨勢。加氫會引起燃燒不穩(wěn)定頻率在固有模態(tài)之間轉(zhuǎn)換，還可能激發(fā)更高頻率的不穩(wěn)定或者使不穩(wěn)定能量更集中。可以在較低當(dāng)量比下通過加氫維持燃燒，實現(xiàn)低NOx排放，拓寬貧熄火極限。氫能增加由燃燒動力學(xué)引起的回火趨勢，可以促進(jìn)周期性回火與熱聲不穩(wěn)定性的耦合，導(dǎo)致低頻不穩(wěn)定的發(fā)生。在微混合燃燒室中，含氫量的增加會導(dǎo)致不穩(wěn)定頻率和振幅升高。

最后，綜合氫燃燒室和氫燃燒動態(tài)特性的研究現(xiàn)狀，從長期和短期兩個角度出發(fā)，對氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)的未來發(fā)展提出展望。相比于傳統(tǒng)燃燒室，新型氫燃燒室從設(shè)計上大幅降低了回火的可能性，其不穩(wěn)定特性也更為簡單。從長期來看，新型氫燃燒室必將是未來氫燃燒的發(fā)展方向。但從現(xiàn)階段碳達(dá)峰減排的迫切需求來講，改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒室具有速度快、成本低和基礎(chǔ)廣等優(yōu)勢，仍是目前大力發(fā)展的方向，這就須要研究開發(fā)出能有效控制回火和不穩(wěn)定的方法。