近年來國際上針對燃氣輪機燃燒室提出的微混燃燒（Micro-mixing Combustion, MMC）技術成為研究熱點，其是一種通過縮小燃料和空氣流動混合尺度，達到強化出口均勻性實現低NOx燃燒的技術。常規天然氣貧預混燃燒室主要通過旋流結構促進燃空混合，以及在噴嘴出口逆壓梯度誘導高溫煙氣回流實現穩焰，而微混燃燒器內燃料和空氣多以交叉射流或同軸射流的形式混合，一般不具備空氣或燃料旋流結構，因此微混燃燒具有抑制回火、自點火的優勢，尤其對于火焰傳播速度較高的富氫燃料則成為其實現干低排放燃燒的可能選擇之一，但對于呈現無旋、直噴、多射流特征的微混燃燒如何實現高燃燒強度下的穩定燃燒則成為關鍵。
工程熱物理研究所能源動力研究中心設計開發了一款可實現短距離內高效摻混的新型微混概念燃燒器，針對甲烷-氫氣混合燃料實現了0~100%氫含量燃料下的穩定干式低排放燃燒（絕熱火焰溫度≤ 1920 K, NOx≤ 10 ppm @ 15% O2, CO≤ 14 ppm），實驗證明其具有天然氣和富氫燃料干式低排放燃燒潛力。采用小火焰生成流形（Flamelet Generated Manifolds, FGM）數值模擬方法結合線性三角剖分插值方法完成小火焰自主建模以考慮含氫燃料燃燒存在的先導擴散效應，實現了含氫燃料微混火焰結構預測，對比實驗測量的OH濃度場分布驗證了該方法預測富氫燃料火焰的有效性。在此基礎上，針對純甲烷和富氫甲烷兩種典型燃料，驗證了兩種微混火焰下的湍流火焰速度模型，闡釋了基于預混燃燒基本效應、剪切層拉伸效應和高溫煙氣回流效應的微混燃燒穩焰機制。
基于上述概念燃燒器結構及燃燒特性基礎數據，能源動力研究中心正在進行某型工業燃氣輪機天然氣干低排放燃燒室樣機研制及濕化循環燃氣輪機、IGCC煤制氣干低排放燃燒室關鍵技術研發。以上研究得到航空發動機及燃氣輪機國家重大科技專項基礎研究（2019-III-0018-0062）和中國科學院青年創新促進會（2017184、Y2021054）項目支持。相關研究成果在國際能源期刊International Journal of Hydrogen Energy上發表期刊論文2篇，在燃氣輪機領域國際會議ASME Turbo Expo上發表會議論文1篇并作報告，申請發明專利4項。
圖1 兩種典型的微混火焰形態（OH濃度場）
圖2 FGM模擬結果與OH-PLIF結果對比
標簽： 燃氣輪機
