《Fuel Processing Technology》：Optical investigations on hydrogen/methane?oxygen flame diluted by steam in micro-mixing burners
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為實現零排放發電目標，本文研究了在蒸汽稀釋條件下氫/甲烷-氧的微混合燃燒特性。研究人員通過OH*化學發光、OH-PLIF和丙酮-PLIF等先進光學診斷技術，系統探索了氧氣摩爾分數和氫氣摻混比對火焰穩定性、結構及溫度場的影響。研究發現，增加氫氣摻混比能顯著拓寬火焰穩定極限，蒸汽稀釋則能產生均勻的溫度場，滿足燃氣輪機材料限制。這項研究為氫/氧-蒸汽燃燒基礎理論的完善和燃燒技術的優化提供了關鍵的實驗證據。
在全球積極推進碳中和目標的背景下，清潔替代傳統化石燃料、發展新型低碳燃燒技術已成為能源科學的核心議題。在工業應用中，為滿足高效低排放燃氣輪機燃燒系統的迫切需求，以氫氣替代甲烷的微混合燃燒技術因其在抑制氮氧化物(NOx)排放、減少壁面燒蝕及適應高活性氫燃料方面的顯著優勢而備受關注。然而，現有研究多集中在甲烷燃料或以空氣為氧化劑的系統上，針對氫-氧-蒸汽(H2/O2/H2O)體系，特別是采用先進光學診斷技術對微混合噴嘴內燃料混合、溫度分布及火焰相互作用機理的系統性分析仍顯不足。為了填補這些研究空白，并為構建零排放的氫/甲烷-氧-蒸汽燃氣輪機系統提供關鍵的實驗數據和機理認識，來自北京理工大學的研究團隊開展了一項深入的實驗研究。
這項發表在《Fuel Processing Technology》上的工作，利用單噴嘴及七噴嘴陣列微混合燃燒器，對蒸汽稀釋條件下的氫/甲烷-氧微混合燃燒進行了系統性實驗。研究采用了高增強OH化學發光(high-speed intensified OHchemiluminescence)、平面激光誘導熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF) 對OH自由基和丙酮進行測量，以及水蒸氣發射光譜(water vapor emission spectrum measurement)** 三種關鍵技術方法。這些方法協同工作，用于捕捉火焰結構、燃料濃度場和溫度分布，從而實現對火焰微觀特性的全面診斷。
為了回答蒸汽稀釋和氫氣摻混如何影響微混合火焰的特性，研究人員首先分析了入口參數與冷態混合過程，隨后在常壓燃燒試驗臺上研究了燃燒器穩定性圖譜、不同火焰形態及其與入口參數和混合特性的關聯，最后擴展了試驗臺，對七噴嘴陣列燃燒器的相鄰火焰相互作用進行了必要的診斷。
3.1. 入口參數與冷態混合
研究人員分析了不同氧氣摩爾分數(β)、氫氣摻混功率比(α)和噴嘴構型下的入口參數。計算發現，氧氣摩爾分數主要影響動量比(變化近兩個數量級)和燃燒速度(最高降低98%)，而氫氣摻混功率比主要影響有效路易斯數(Lewis number, Leeff，降低55%)和燃燒速度(增加300%)。通過丙酮-PLIF(acetone-PLIF) 技術對噴嘴出口燃料濃度分布的測量顯示，更長的混合距離(如Case 2噴嘴)能使出口燃料分布更均勻，從而有利于火焰穩定；而引入旋流(Case 3噴嘴)則增強了燃料和火焰OH在噴嘴出口的周向擴散，但導致了火焰根部變弱。
3.2. 運行圖譜與火焰溫度
通過高增強OH化學發光技術，研究人員觀察到火焰形態隨蒸汽稀釋度的變化：當氧氣摩爾分數較高時，火焰錨定在噴嘴內部；隨著蒸汽流量增加(氧氣摩爾分數降低)，火焰穩定在噴嘴出口，形態從“II”形變為“Λ”形。穩定性圖譜顯示，提高氫氣摻混功率比能顯著拓寬火焰的穩定極限，吹熄極限的氧氣摩爾分數可低至0.05。利用水蒸氣發射光譜*測量溫度發現，燃燒室內溫度場均勻，峰值溫度約為1675 K，符合燃氣輪機材料限制，且與理論絕熱火焰溫度吻合良好。
3.3. 氧氣摩爾分數與氫氣摻混功率比的影響
OH-PLIF診斷結果清晰地揭示了火焰結構的演變。對于純氫火焰，隨著氧氣摩爾分數降低(蒸汽稀釋增加)，火焰的主反應區從中心逐漸向兩側的剪切層移動。這歸因于軸向流動增強導致的動量比增加，削弱了徑向燃料射流向軸心主流的滲透，同時降低的燃燒速度迫使火焰在下游更遠處穩定。降低氫氣摻混功率比(即增加甲烷比例)會產生類似效果，燃燒速度的降低和化學時間尺度的增加，導致火焰OH區域向下游和側向移動。
3.4. 噴嘴構型的影響
對比不同噴嘴構型的OH-PLIF圖像發現，與交叉射流噴嘴(Case 1)相比，具有更長混合路徑的Case 2噴嘴產生了更均勻、連續的OH信號分布，火焰鋒面連續性更好，穩定性更高。而具有旋流的Case 3噴嘴則在噴嘴出口附近表現出明顯的周向膨脹，火焰根部OH分布較弱，穩定性相對較低。火焰直徑的變化與各噴嘴的燃料分布寬度和混合程度完全對應。
3.5. 相鄰火焰相互作用
對基于Case 1噴嘴周向排列的七噴嘴陣列的研究發現，在3.6 kW熱功率下，陣列能在40%至100%的氫氣摻混比范圍內實現穩定燃燒。OH化學發光和OH-PLIF測量表明，降低氫氣摻混比會使火焰整體OH區域擴大，高強度區向下游移動，并導致相鄰火焰相互作用加劇。在純氫條件下，各火焰在出口保持獨立；當摻混比降低至80%和60%時，火焰在近場開始合并；當摻混比降至40%時，火焰速度過低，無法承受相鄰射流相互作用產生的強烈應變場，導致中心區域出現OH缺失，呈現出“中心吹熄/外圍穩定”的臨界狀態。
研究得出以下核心結論：首先，入口參數分析表明，氧氣摩爾分數主要調控動量比和燃燒速度，而氫氣摻混功率比主要影響燃燒速度和有效路易斯數。其次，單噴嘴實驗揭示了兩種火焰錨定模式，并繪制了寬廣的穩定運行窗口(氧氣摩爾分數0.05–0.5，氫氣摻混功率比0–100%)。蒸汽稀釋實現了燃燒室內均勻的溫度場。更長的混合距離帶來更均勻的燃料分布，增強了火焰穩定性；引入旋流則擴大了燃料和火焰的周向分布，但削弱了火焰根部。最后，七噴嘴陣列實驗表明，增加氫氣摻混比增強了火焰穩定性，但削弱了相鄰火焰間的相互作用，并觀察到一個關鍵的“中心吹熄伴外圍穩定”狀態，這為實際燃燒室設計中避免火焰合并失效提供了定量邊界。
這項研究的意義在于，它通過系統的光學診斷實驗，深入闡明了蒸汽稀釋對微混合火焰結構演變和穩定機制的影響，填補了該領域在實驗驗證、高級光學診斷和微觀機理分析方面的研究空白。研究成果不僅為完善氫-氧-蒸汽燃燒基礎理論提供了關鍵的實驗證據，也為優化面向零排放發電的微混合燃燒技術提供了重要的設計依據和指導。
