燃氣輪機MILD燃燒含氫燃料適應性研究進展

　　【儀表網 研發快訊】“雙碳”背景下，燃氣輪機燃燒天然氣摻燒綠氫可逐步降低發電碳排放，若能實現純綠氫發電可實現全過程零碳排放。相較于傳統的天然氣燃料，燃氣輪機燃燒室使用高含氫燃料面臨著諸多挑戰。氫火焰傳播速快、點火延遲時間短帶來回火的風險，相同當量比下較高的絕熱火焰溫度和快速釋熱會導致氮氧化物排放增加，同時氫氣具有顯著不同的燃燒特性，具備獨特緊湊的反應區形態，導致火焰熱聲響應的變化顯著。目前，國際主流燃氣輪機廠商的貧預混燃燒室的燃料適應性能力氫氣體積含量最高約60%左右，大部分燃機氫燃料體積適應能力在30%左右。氫燃料適應能力是燃氣輪機未來發展的關鍵。
 

　　MILD燃燒(Moderate or Intense Low-Oxygen Dilution，MILD)是一種新型低氮燃燒技術，具有燃燒穩定性好、NOX排放低、燃料適應性強等優勢。中國科學院工程熱物理研究所能源動力研究中心提出并設計了一款利用高速射流的流場組織方式，卷吸高溫煙氣回流并與未燃反應物實現快速摻混為穩焰機制的MILD燃燒室，有望成為MILD燃燒在燃氣輪機燃燒室中應用的可行方式。該概念燃燒室以天然氣為燃料在全尺寸燃燒室上的低NOx排放性能已經得到驗證，同時在含氫燃料燃燒條件下的實驗室尺度上顯示出優秀的低NOx排放性能?；谇捌诨A，最新的研究工作通過優化原有的MILD模型燃燒室，首次在同一個燃燒器實現天然氣摻氫體積含量0-100%范圍內任意氫氣含量的寬范圍穩定燃燒，實驗證明該模型燃燒器具有氫適應范圍寬、燃燒穩定高效、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,ppmvd: parts per million by volume,dry)等特點。通過對反應區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的火焰動力學轉換機制，燃燒室高頻峰值能量占主導地位時對應的是反應區的橫向運動，低頻峰值能量占主導地位時對應的是軸向運動。從軸向向橫向轉換的火焰動力學使得燃燒系統能夠逐漸容納動態壓力向高頻域的轉移，即向高氫含量以及純氫燃料高當量比穩定燃燒的轉移。
 

　　上述工作得到LJ專項基礎研究的支持。相關研究成果在International Journal of Hydrogen Energy上發表論文2篇，在ASME Turbo Expo上發表論文2篇并作報告，申請發明專利1項。
 

優化后的MILD模型燃燒室穩定范圍
 

不同工況下的反應區前四階POD模態
 

不同氫氣含量及絕熱火焰溫度下的污染物排放特性