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(dòng)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(zhēng)在本世紀(jì)中葉實(shí)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(guó)就必須對(duì)大部分能源系統(tǒng)進(jìn)行大幅脫碳。近年來(lái)，世界主要經(jīng)濟(jì)體和碳排放大國(guó)相繼提出了碳中和的氣候目標(biāo)[6]，而目前實(shí)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(shí)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(yáng)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(dòng)性大的可再生能源資源，人們通過(guò)電解水得到氫氣并儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)碳中和的強(qiáng)大動(dòng)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(zhǎng)期季節(jié)性無(wú)碳能源儲(chǔ)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(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)在未來(lái)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(lái)保障能源安全和減少電力行業(yè)對(duì)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(diǎn)的氫燃?xì)廨啓C(jī)將成為碳達(dá)峰過(guò)程和碳中和時(shí)期中新型電網(wǎng)的重要主力[28]，但回火和NOx排放高等問(wèn)題仍阻礙著氫燃?xì)廨啓C(jī)的廣泛應(yīng)用。針對(duì)這些問(wèn)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(kāi)發(fā)新型燃燒室。兩者基本都是通過(guò)提高流動(dòng)速度和降低火焰溫度的方式解決回火和NOx問(wèn)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(dòng)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(duì)回火、NOx排放和不穩(wěn)定問(wèn)題的發(fā)展過(guò)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(duì)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(duì)燃燒不穩(wěn)定性的影響；最后，概括了結(jié)論并提出了對(duì)未來(lái)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(wèn)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(lái)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(jiǎn)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]?；鼗鸬臋C(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(huì)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(huì)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。回火可能會(huì)導(dǎo)致局部火焰滯留在預(yù)混通道內(nèi)，并引起過(guò)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(wú)點(diǎn)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(diǎn)火延遲時(shí)間[18,39]。自燃延遲是可燃混合物在沒(méi)有點(diǎn)火源的情況下發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間間隔[40]。如果點(diǎn)火延遲時(shí)間短于燃料空氣混合物停留時(shí)間就會(huì)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(shí)沒(méi)有CO2排放，但是比天然氣更高的絕熱火焰溫度帶來(lái)了NOx排放較高的問(wèn)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(duì)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(huì)對(duì)貧預(yù)混燃燒熱聲不穩(wěn)定特性產(chǎn)生顯著影響[32]。面對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燒氫遇到的問(wèn)題，科研人員也進(jìn)行了不同方向的嘗試和探索，接下來(lái)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(wèn)題，同時(shí)還必須考慮到回火的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這兩類問(wèn)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(jì)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(kāi)發(fā)并運(yùn)營(yíng)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(dòng)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(kāi)發(fā)一種純氫燃燒室。混合燃料的概念是基于對(duì)2030年發(fā)電市場(chǎng)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(chǔ)量水平。所以先開(kāi)發(fā)含氫量為30%的混合燃燒技術(shù)，可以減少對(duì)當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施改動(dòng)的同時(shí)逐漸過(guò)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(guò)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(shí)沒(méi)有回火，但是當(dāng)含氫量達(dá)到30%時(shí)不可避免的出現(xiàn)回火?；旌先剂蠂娮焱ㄟ^(guò)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(dòng)速度，降低了回火風(fēng)險(xiǎn)。目前，該方法已經(jīng)完成了30%含氫量的燃燒室示范實(shí)驗(yàn)，未來(lái)將進(jìn)行燃燒室外輔助部件的開(kāi)發(fā)和燃料混合的運(yùn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。

(a) 傳統(tǒng)燃燒室噴嘴

2.1.2 DLE燃燒室

德國(guó)西門子是開(kāi)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(dòng)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(guò)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(jì)并通過(guò)3D打印技術(shù)制造了燃燒室和噴嘴，用來(lái)實(shí)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(kāi)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(jí)和值班級(jí)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(shí)一般可以通過(guò)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(xiǎn)。到2018年，西門子已經(jīng)在使用第3代燃燒室的SGT600/700/800型號(hào)上成功完成了50%含氫量的燃燒實(shí)驗(yàn)[46]。使用第4代DLE燃燒室的SGT750進(jìn)行了混合燃料實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)的50%含氫量之內(nèi)NOx排放就超過(guò)了60 mg/m3。如果不對(duì)目前使用的第4代DLE燃燒室進(jìn)行改動(dòng)，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(guó)通用電氣(GE)長(zhǎng)期以來(lái)都在研究開(kāi)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(bào)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(jí)和F級(jí)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(yàn)證過(guò)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(lái)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(shí)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)?，以減少由較高的擴(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(kāi)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(shí)可行的方法，許多先進(jìn)的制造商都在開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。亞琛工業(yè)大學(xué)在20世紀(jì)90年代最先開(kāi)發(fā)出微混合燃燒室，并通過(guò)連續(xù)的兩個(gè)歐洲國(guó)家項(xiàng)目將氫引入航空輔助動(dòng)力裝置[54-55]。之后，日本川崎重工開(kāi)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(yàn)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(gè)燃燒室，微混合燃燒室則用大量的小火焰取代了整個(gè)的大火焰。NOx的生成不僅與燃燒反應(yīng)過(guò)程中的溫度有關(guān)，還與反應(yīng)物在高溫火焰場(chǎng)中停留時(shí)間相關(guān)。微混合燃燒室減少了反應(yīng)物停留時(shí)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(xiǎn)。

(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(guò)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(gè)燃燒室由410個(gè)小火焰組成，每個(gè)火焰由直徑為1 mm或更小的燃料噴嘴組成。對(duì)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(shí)驗(yàn)研究，在全工況范圍內(nèi)燃燒效率均大于99%，NOx排放為個(gè)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(kāi)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(gè)小直徑的噴嘴代替一個(gè)大噴嘴，通過(guò)增加空氣噴射速度降低回火風(fēng)險(xiǎn)，并減少高溫區(qū)中煙氣停留時(shí)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(gè)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(kāi)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(lái)就在開(kāi)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(kāi)始，更是在美國(guó)能源部的支持下開(kāi)展了持續(xù)了十多年的“先進(jìn)IGCC/H2燃機(jī)發(fā)展計(jì)劃”。計(jì)劃主要分為兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是從開(kāi)始到2007年，制造了約30個(gè)旋流預(yù)混燃燒室，并對(duì)其在氫燃燒系統(tǒng)中的適用性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，由于存在回火等問(wèn)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種降低氫燃燒回火和溫升風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(cè)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(kāi)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(guò)開(kāi)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(gè)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(jí)和主燃級(jí)。值班級(jí)空氣從外環(huán)進(jìn)入，通過(guò)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(guò)燃燒室中線附近的旋渦穩(wěn)定。主燃級(jí)空氣沿燃燒室壁面的背面流動(dòng)，經(jīng)過(guò)主燃級(jí)噴嘴時(shí)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(dòng)力學(xué)渦旋穩(wěn)定在所需位置。燃燒室通過(guò)強(qiáng)回流區(qū)將主燃級(jí)和值班級(jí)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(shí)保證不回火。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，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(huì)提高火焰溫度，導(dǎo)致NOx排放量升高，同時(shí)帶來(lái)回火的風(fēng)險(xiǎn)，這些問(wèn)題隨著燃料中含氫量的增加而加劇。目前開(kāi)發(fā)的燃燒室普遍通過(guò)提高進(jìn)氣流速的方式降低回火風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能減小燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間。此外還將火焰分散開(kāi)以減小火焰面積，解決了NOx排放問(wèn)題和回火問(wèn)題。但是由此帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題顯得至關(guān)重要，科研人員對(duì)這部分問(wèn)題開(kāi)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(duì)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(lái)將討論由此引發(fā)的含氫量對(duì)燃燒室穩(wěn)定性的影響，包括動(dòng)態(tài)特性、火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置以及燃燒動(dòng)力學(xué)引發(fā)的回火的影響等。

3.1 含氫量對(duì)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(duì)加氫導(dǎo)致的火焰結(jié)構(gòu)和火焰位置與火焰動(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，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(kāi)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致燃燒室中軸向速度脈動(dòng)的降低，Kim等人[65]證實(shí)了M形火焰的一個(gè)特點(diǎn)是能夠抑制燃燒室中的流體擾動(dòng)，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(huì)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(shí)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(duì)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(shí)還得到壓力升高會(huì)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(duì)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(duì)應(yīng)火焰形狀的時(shí)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(shí)火焰狀態(tài)的改變影響了回火機(jī)制。

圖13 不同含氫量對(duì)應(yīng)火焰形狀的時(shí)均OH*圖像[67]

對(duì)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(huì)增加穩(wěn)定火焰的火焰鋒面褶皺；對(duì)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(dòng)之間的耦合。增大含氫量還會(huì)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(dòng)區(qū)和阻尼區(qū)的位置和強(qiáng)度變化，從而會(huì)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(duì)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(guò)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(duì)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(huì)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(shí)，火焰在脫落的渦旋中燃燒，較高含氫量時(shí)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(lái)流速度和含氫量下火焰穩(wěn)定圖及對(duì)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(duì)火焰形態(tài)的影響。如圖15所示，Jin等人[87]通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)火焰動(dòng)態(tài)特性的影響

燃燒室內(nèi)火焰動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)了燃燒穩(wěn)定狀態(tài)，可以用來(lái)定量分析并解釋燃燒場(chǎng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。為了解燃料含氫量的變化會(huì)對(duì)燃燒室內(nèi)動(dòng)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(duì)自激不穩(wěn)定性影響的過(guò)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(shí)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(huì)導(dǎo)致發(fā)生動(dòng)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(duì)流時(shí)間尺度更小，影響了壓力波動(dòng)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?yàn)殡S著含氫量上升，層流火焰速度增加，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)時(shí)間和火焰長(zhǎng)度縮短，壓力和釋熱波動(dòng)的時(shí)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(duì)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(guò)程時(shí)，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濉Ｈ紵兗淄闀r(shí)在450 Hz和600 Hz有兩個(gè)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(shí)，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(gè)數(shù)量級(jí)。

(a) 氫氣體積分?jǐn)?shù)為0%

在研究含氫量對(duì)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(duì)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(dòng)傳遞時(shí)間，從而改變了釋熱和壓力波動(dòng)的相位，對(duì)不穩(wěn)定性造成了不同影響。這也意味著通過(guò)外加激勵(lì)和改變?nèi)剂辖M分對(duì)不穩(wěn)定性進(jìn)行主動(dòng)控制的可能。

圖19 不同頻率激勵(lì)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(duì)火焰動(dòng)力學(xué)的影響，Kim等人[87,100-101]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jì)算出了燃燒室不同長(zhǎng)度時(shí)對(duì)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(huì)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(huì)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(zhǎng)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(duì)于傳統(tǒng)燃燒室，含氫量變化會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定區(qū)域和動(dòng)態(tài)模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，含氫量增加還會(huì)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(shí)會(huì)增加穩(wěn)定燃燒到不穩(wěn)定燃燒的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。加氫會(huì)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(guò)加氫維持燃燒，實(shí)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(huì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的硬件損壞，還會(huì)增加污染物排放[102-103]?；鹧嫠俣雀叩暮瑲淙剂显谌紵龝r(shí)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(duì)回火的影響。

Tuncer等人[104]對(duì)最高含氫量為50%的混合燃料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。加氫導(dǎo)致壓力脈動(dòng)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(dòng)，這與開(kāi)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(shí)沒(méi)有回火，含氫量為40%的火焰出現(xiàn)了47 Hz的回火信號(hào)。在更高的含氫量下發(fā)現(xiàn)，周期回火信號(hào)和釋熱波動(dòng)具有相同相位，并發(fā)生在壓力振蕩頻率下。對(duì)此現(xiàn)象的理解是，發(fā)生周期回火時(shí)火焰在預(yù)混段內(nèi)產(chǎn)生振蕩，此時(shí)壓力和釋熱波動(dòng)的位置近似重合，壓力和釋熱波動(dòng)之間幾乎沒(méi)有時(shí)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(shí)驗(yàn)中，同樣觀察到回火與燃燒室聲模態(tài)之間的耦合。盡管沒(méi)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(dòng)幅值比純甲烷的高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在不穩(wěn)定圖像中觀察到的周期回火證實(shí)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(lái)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，面對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)中氫燃燒帶來(lái)的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒室和設(shè)計(jì)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(wèn)題顯得格外突出。氫的加入對(duì)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(dòng)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(jì)、運(yùn)行工況和操作參數(shù)。認(rèn)識(shí)到氫氣對(duì)燃燒不穩(wěn)定性的影響，并且在燃燒室的改進(jìn)和設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)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(wú)法直接燃燒純氫。新型燃燒室在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到氫燃燒帶來(lái)的問(wèn)題，通過(guò)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(jì)位置，還通過(guò)最小化高溫燃燒場(chǎng)面積降低平均火焰溫度。但是這兩種方式都不可避免地會(huì)遇到不穩(wěn)定問(wèn)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(huì)對(duì)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(huì)變得更短更緊湊。在傳統(tǒng)燃燒室中，含氫量變化會(huì)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(duì)不穩(wěn)定的影響也不同，這可能是因?yàn)槲墨I(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(guò)火焰動(dòng)態(tài)特性能夠定量分析不穩(wěn)定問(wèn)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(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定區(qū)域和動(dòng)態(tài)模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，含氫量增加還會(huì)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(shí)會(huì)增加穩(wěn)定燃燒到不穩(wěn)定燃燒的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。加氫會(huì)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(guò)加氫維持燃燒，實(shí)現(xiàn)低NOx排放，拓寬貧熄火極限。氫能增加由燃燒動(dòng)力學(xué)引起的回火趨勢(shì)，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(huì)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(dòng)態(tài)特性的研究現(xiàn)狀，從長(zhǎng)期和短期兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)的未來(lái)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(jì)上大幅降低了回火的可能性，其不穩(wěn)定特性也更為簡(jiǎn)單。從長(zhǎng)期來(lái)看，新型氫燃燒室必將是未來(lái)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(lái)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(shì)，仍是目前大力發(fā)展的方向，這就須要研究開(kāi)發(fā)出能有效控制回火和不穩(wěn)定的方法。