燃料分层与优先扩散协同效应实现氢火焰超低NOx生成机理研究

《Engineering》：Synergistic Effects of Fuel Stratification and Preferential Diffusion for Ultra-Low NO x Formation in Hydrogen Flames

清华大学研究团队针对氢燃料燃烧中因优先扩散效应引发的超绝热火焰温度（SAFT）和燃料再分层现象，创新性地提出通过燃料分层与优先扩散的协同作用抑制NOx生成的新策略。研究发现采用高斯型当量比分布可使峰值温度降低53-236 K，NO排放减少15%-54%，为氢燃气轮机超低排放燃烧技术提供了新路径。

　　

在全球迈向净零排放的背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。氢燃气轮机因其可调度性和零碳排放特性，成为实现可再生能源大规模利用的关键技术。然而，氢燃料独特的物理化学性质给燃烧控制带来新挑战——虽然燃烧过程不产生二氧化碳，但氮氧化物（NO_x）的生成问题依然突出。

传统天然气燃烧中有效的贫预混技术，在氢燃料应用中遭遇瓶颈。这源于氢燃料特殊的传输特性：其路易斯数（Lewis number，Le）在贫燃条件下显著小于1，导致质量扩散速率大于热扩散速率。这种差异扩散效应在火焰拉伸条件下会引发超绝热火焰温度（Super-adiabatic Flame Temperature，SAFT）现象，即局部火焰温度超过绝热火焰温度，同时伴随燃料再分层，使得局部当量比（equivalence ratio，φ）偏离全局值。这些效应共同导致热力型NO_x（主要遵循泽尔多维奇机理）的生成速率呈指数级增长，严重削弱了贫预混燃烧的低排放优势。

为突破这一技术瓶颈，清华大学航空发动机研究院的研究团队在《Engineering》上发表了创新性研究，系统揭示了氢火焰中燃料分层与优先扩散的协同作用机制，并提出了一种通过主动调控当量比分布来实现超低NO_x排放的新方法。

关键技术方法主要包括：通过理论推导建立了包含路易斯数（Le）和泽尔多维奇数（Ze）的SAFT标度律；采用多组分传输模型和详细化学反应机理（15种组分、47个基元反应）进行数值模拟；设计多缝火焰配置研究火焰-火焰相互作用；对比分析均匀与非均匀（线性、抛物线型、高斯型）当量比入口分布对燃烧特性的影响。

2. 氢化学和传输特性

2.1 SAFT和燃料再分层

研究发现氢-空气混合物在贫燃条件（φ<1）下有效路易斯数（Le_eff）小于1，这是由于氢在氮气中的质量扩散系数（7.1×10^-5m²/s）远大于空气的热扩散系数（2.0×10^-5m²/s）。这种传输特性差异在拉伸火焰中导致局部温度超过绝热温度达20%以上，同时局部当量比从全局值0.4升高至0.6以上，形成燃料再分层。

2.2 NO_x对火焰温度的依赖性

通过分析氢/氧系统的链式反应机理，证实热力型NO_x是主要生成路径。数值模拟显示，当温度超过1800K时，热力型NO_x贡献率超过52%，且在压力比20条件下，总NO生成量增加约288倍。推导出的理论表达式表明，SAFT引起的温度微小升高（ε）会使热力型NO生成速率放大exp(35ε)倍。

3. 燃料分层和优先扩散的协同效应

研究人员设计多缝火焰配置模拟实际微混合燃烧器，比较了均匀、线性、抛物线型和高斯型四种当量比入口分布。结果表明，高斯型分布能最有效抑制SAFT和燃料再分层：峰值温度从均匀分布的2018K降至1855K，局部当量比峰值从0.9降至0.65。这种协同作用源于非均匀分布抵消了优先扩散导致的反应区富氢现象，使温度场分布更均匀。

研究结论表明，通过合理设计燃料分层策略，可以充分利用氢燃料的传输特性，实现抑制NO_x生成的"反直觉"效果。在典型燃气轮机运行范围（0.4<φ<0.7）内，高斯型当量比分布可降低峰值温度53-236K，减少NO排放15%-54%。这项工作为氢燃气轮机燃烧室设计提供了新思路，通过主动控制燃料分布而非完全预混，为开发高效低排放氢燃烧技术奠定了理论基础。未来研究将聚焦于湍流条件下协同效应的量化描述和实验验证，推动该策略在实际燃气轮机中的应用。