通过在中置燃烧器中掺入氨气来调控火焰的宏观结构转变及抑制热声不稳定性

《Fuel》：Flame macrostructure transition and thermoacoustic instability suppression by ammonia blending in a centrally staged burner

本文在中央分级燃烧器中研究了NH3/CH4混合燃料的掺混比例（0%-100%）和功率（7.0-11.7 kW）对火焰宏观结构和热声不稳定性影响，发现掺混超过20%完全抑制热声振荡，机制涉及自由基相互作用和反应区破碎，为低排放燃气轮机设计提供策略。

　　

王波|刘特|张浩天|甘晓华

南方科技大学力学与航空航天工程学院，中国广东省深圳市518055

摘要

氨（NH₃）在燃气轮机中的应用受到其较低反应活性的限制，这给稳定燃烧带来了挑战。本研究通过实验探讨了NH₃/CH₄混合物在中心分级旋流燃烧器中的火焰宏观结构和热声特性，重点研究了主级NH₃混合比例（BR：0%-100%）和功率水平（7.0–11.7 kW）。通过高速化学发光成像（CH* 和 NH₂*）、粒子图像测速（PIV）和动态压力采集，我们证明了NH₃的混合显著改变了火焰宏观结构并抑制了热声不稳定性。结果表明，当BR = 100%且功率较高时，火焰形态从分层S型火焰转变为统一的V型火焰。这种结构变化是由化学-热-流体相互作用的耦合驱动的：先导火焰的化学抑制启动了这一过程，导致流场合并和唇部回流区（LRZ）的压缩。化学发光分析显示，随着BR的增加，CH*强度显著下降，而NH₂*强度呈非单调增加，后者在某些点出现转折，标志着NH₃氧化途径的变化。值得注意的是，当NH₃添加量超过20%时，完全抑制了纯CH₄火焰中的热声振荡（高达365 Pa）。这种稳定性源于NH₃通过自由基池相互作用和高温反应区的空间破碎来抑制热量释放波动，从而破坏了与压力波动的时空耦合。这一机制通过瑞利指数的衰减和破碎得到了定量验证，研究结果揭示了NH₃作为无碳燃料和燃烧稳定剂的双重作用，为设计高效、低排放的燃气轮机提供了策略和基本见解。

引言

全球应对气候变化的努力要求能源系统深度脱碳[1]，因此开发和推广零碳替代燃料既是紧迫的任务，也是能源和电力领域的核心挑战[2]。由于氨具有成熟的合成技术、完善的基础设施以及高效储存和运输氢原子的能力[5]，它作为无碳燃料和氢载体在未来的能源格局中发挥着越来越重要的作用[3]、[4]。氨在燃气轮机和工业锅炉等动力设备中的直接应用是实现燃料脱碳的最直接途径之一[6]、[7]。

然而，氨作为燃料的高化学稳定性、低层流火焰速度和狭窄的易燃性限制了其在实际燃烧器中实现稳定高效燃烧的能力[8]。为了解决这些特定于燃料的局限性，将NH₃与高反应性燃料（如CH₄）混合受到了广泛关注[9]，因为天然气基础设施非常完善[10]、[11]。大量关于NH₃/CH₄混合物的基础研究表明，添加CH₄显著改善了关键燃烧性能：它提高了层流燃烧速度[12]、[13]、[14]，提升了绝热火焰温度[13]、[15]、[16]、[17]，并缩短了点火延迟时间[19]、[20]、[21]。将CH₄混合到NH₃中还可以增强燃料贫瘠条件下的火焰稳定性。这种增强是由于NH₃/CH₄混合物在所有当量比下都表现出正的Markstein长度，表明其对细胞不稳定性的抵抗[22]。通过多孔稳定剂[23]和分级燃烧[24]，已经实现了低至0.5的NH₃/CH₄火焰当量比。除了这些基本性能外，NH₃/CH₄混合物在实际燃烧器中的动态稳定性和污染物排放也至关重要。关于NH₃/CH₄混合燃料的热声不稳定性，基础燃烧系统中的现有研究已经确定了关键影响因素。例如，在单旋流燃烧器中，燃料的反应性决定了振荡模式的转变[25]，而NH₃的添加可以通过流场干预（如二次空气注入[27]）改变热声模式或甚至抑制振荡。NH₃/CH₄混合物的NO_x排放复杂且受条件影响。除了纯NH₃燃烧产生的NO_x [3]、[20]、[28]外，CH₄的混合引入了竞争效应。虽然它可以通过创造还原性气氛促进NH₂自由基途径来减少NO_x [29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]，但在富氧条件下，它也可能通过热机制和HCN的形成增加NO_x [35]。这突显了仔细管理操作条件以控制NO_x排放的必要性。这些基础研究证实了CH₄混合改善NH₃燃烧性的潜力，并为其工程应用奠定了基础。

对于实际的燃气轮机应用，中心分级燃烧技术提供了一个极具吸引力且广泛使用的平台[36]、[37]、[38]。其固有的架构在先导阶段稳定火焰并在主阶段对其进行调节，特别适合管理NH₃的狭窄稳定性边界。然而，对中心分级燃烧中应用的NH₃/CH₄混合物的基本理解仍然不足。Chaudhury等人最近的一项研究开始揭示其中涉及的复杂性[39]。他们的研究表明，虽然中心分级燃烧器可以使用NH₃/CH₄混合物实现稳定火焰，但也发现了重大挑战：火焰稳定性对先导燃料比例非常敏感，高NO_x排放与未燃烧燃料的存在之间存在一个尚未理解的权衡。最重要的是，他们的研究揭示了主级燃料的氨化会导致火焰结构的根本重构，并可能引发不同的燃烧不稳定模式。这表明，在中心分级燃烧器更复杂的流动和燃烧环境中，NH₃混合对热声稳定性的影响可能与简单旋流火焰中的影响明显不同。

鉴于这些发现，NH₃混合如何驱动火焰宏观结构转变以及抑制热声不稳定性的详细机制仍不清楚。本研究在中心分级NH₃/CH₄燃烧器中进行了系统的实验研究，有两个主要目标：首先，明确主级中NH₃混合比例（从0%到100%）如何在不同功率水平下控制火焰结构的转变；其次，通过分析其对起始、强度和潜在阻尼物理的影响，确定NH₃添加抑制热声振荡的机制。为此，我们采用了高速化学发光成像（针对CH*和NH₂*自由基）、PIV和动态压力采集等技术。这些技术能够耦合可视化火焰转变行为、流场特性和压力波动，从而提供对潜在物理机制的全面理解。稳定火焰和破碎火焰的识别以及潜在的抑制机制为设计由NH₃/CH₄混合物驱动的稳定、低排放燃气轮机燃烧器提供了关键见解。

燃烧器和操作条件

本文研究的中心分级燃烧器如图1所示。燃烧器由两个同心阶段组成：中心的先导阶段和外部的主阶段。一个高度为4.5毫米的唇部结构将两个阶段分开。先导阶段和主阶段都使用了倾斜30°的单轴旋流器来产生旋流。旋流数SN的计算公式为：$\mathrm{SN}=\frac{2}{3}tan\theta \frac{1-{(D_i/D_o)}^3}{1-{(D_i/D_o)}^2}$

其中θ是叶片的角度

化学发光特性

CH*被广泛认为是标记烃类燃料的热量释放和火焰前沿位置的指标。图2显示了不同BR和功率下CH*时间平均强度的分布。从图2的第一行可以看出，在LP下，不同BR下的CH*整体分布变化很小。CH*信号主要集中在10毫米的高度范围内，而此高度以外的信号则弱得多。

结论

本研究系统地研究了中心分级旋流燃烧器中NH₃/CH₄混合火焰的宏观结构和热声不稳定性，重点关注了NH₃混合比例（0%–100%）和主级功率（7.0–11.7 kW）的影响。通过高速化学发光、PIV和动态压力测量，揭示了操作参数与火焰行为之间的耦合关系。主要发现如下：

• 1.
  NH₃的混合显著改变了

作者贡献声明

王波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法论，研究，资金获取，概念化。刘特：撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，研究，数据管理。张浩天：撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，研究，数据管理。甘晓华：监督，资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52106158, 资助编号：92041001）和国家重点科技项目（资助编号：J2019-III-0002-0045）的财政支持。