微型混合燃烧器中蒸汽稀释氢/甲烷-氧火焰的光学诊断研究：火焰结构、稳定性与相邻火焰相互作用分析

《Fuel Processing Technology》：Optical investigations on hydrogen/methane?oxygen flame diluted by steam in micro-mixing burners

为实现零排放发电目标，本文研究了在蒸汽稀释条件下氢/甲烷-氧的微混合燃烧特性。研究人员通过OH*化学发光、OH-PLIF和丙酮-PLIF等先进光学诊断技术，系统探索了氧气摩尔分数和氢气掺混比对火焰稳定性、结构及温度场的影响。研究发现，增加氢气掺混比能显著拓宽火焰稳定极限，蒸汽稀释则能产生均匀的温度场，满足燃气轮机材料限制。这项研究为氢/氧-蒸汽燃烧基础理论的完善和燃烧技术的优化提供了关键的实验证据。

　　

在全球积极推进碳中和目标的背景下，清洁替代传统化石燃料、发展新型低碳燃烧技术已成为能源科学的核心议题。在工业应用中，为满足高效低排放燃气轮机燃烧系统的迫切需求，以氢气替代甲烷的微混合燃烧技术因其在抑制氮氧化物(NO_x)排放、减少壁面烧蚀及适应高活性氢燃料方面的显著优势而备受关注。然而，现有研究多集中在甲烷燃料或以空气为氧化剂的系统上，针对氢-氧-蒸汽(H₂/O₂/H₂O)体系，特别是采用先进光学诊断技术对微混合喷嘴内燃料混合、温度分布及火焰相互作用机理的系统性分析仍显不足。为了填补这些研究空白，并为构建零排放的氢/甲烷-氧-蒸汽燃气轮机系统提供关键的实验数据和机理认识，来自北京理工大学的研究团队开展了一项深入的实验研究。

这项发表在《Fuel Processing Technology》上的工作，利用单喷嘴及七喷嘴阵列微混合燃烧器，对蒸汽稀释条件下的氢/甲烷-氧微混合燃烧进行了系统性实验。研究采用了高增强OH化学发光(high-speed intensified OHchemiluminescence)、平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF) 对OH自由基和丙酮进行测量，以及水蒸气发射光谱(water vapor emission spectrum measurement)** 三种关键技术方法。这些方法协同工作，用于捕捉火焰结构、燃料浓度场和温度分布，从而实现对火焰微观特性的全面诊断。

为了回答蒸汽稀释和氢气掺混如何影响微混合火焰的特性，研究人员首先分析了入口参数与冷态混合过程，随后在常压燃烧试验台上研究了燃烧器稳定性图谱、不同火焰形态及其与入口参数和混合特性的关联，最后扩展了试验台，对七喷嘴阵列燃烧器的相邻火焰相互作用进行了必要的诊断。

3.1. 入口参数与冷态混合

研究人员分析了不同氧气摩尔分数(β)、氢气掺混功率比(α)和喷嘴构型下的入口参数。计算发现，氧气摩尔分数主要影响动量比(变化近两个数量级)和燃烧速度(最高降低98%)，而氢气掺混功率比主要影响有效路易斯数(Lewis number, Le_eff，降低55%)和燃烧速度(增加300%)。通过丙酮-PLIF(acetone-PLIF) 技术对喷嘴出口燃料浓度分布的测量显示，更长的混合距离(如Case 2喷嘴)能使出口燃料分布更均匀，从而有利于火焰稳定；而引入旋流(Case 3喷嘴)则增强了燃料和火焰OH在喷嘴出口的周向扩散，但导致了火焰根部变弱。

3.2. 运行图谱与火焰温度

通过高增强OH化学发光技术，研究人员观察到火焰形态随蒸汽稀释度的变化：当氧气摩尔分数较高时，火焰锚定在喷嘴内部；随着蒸汽流量增加(氧气摩尔分数降低)，火焰稳定在喷嘴出口，形态从“II”形变为“Λ”形。稳定性图谱显示，提高氢气掺混功率比能显著拓宽火焰的稳定极限，吹熄极限的氧气摩尔分数可低至0.05。利用水蒸气发射光谱*测量温度发现，燃烧室内温度场均匀，峰值温度约为1675 K，符合燃气轮机材料限制，且与理论绝热火焰温度吻合良好。

3.3. 氧气摩尔分数与氢气掺混功率比的影响

OH-PLIF诊断结果清晰地揭示了火焰结构的演变。对于纯氢火焰，随着氧气摩尔分数降低(蒸汽稀释增加)，火焰的主反应区从中心逐渐向两侧的剪切层移动。这归因于轴向流动增强导致的动量比增加，削弱了径向燃料射流向轴心主流的渗透，同时降低的燃烧速度迫使火焰在下游更远处稳定。降低氢气掺混功率比(即增加甲烷比例)会产生类似效果，燃烧速度的降低和化学时间尺度的增加，导致火焰OH区域向下游和侧向移动。

3.4. 喷嘴构型的影响

对比不同喷嘴构型的OH-PLIF图像发现，与交叉射流喷嘴(Case 1)相比，具有更长混合路径的Case 2喷嘴产生了更均匀、连续的OH信号分布，火焰锋面连续性更好，稳定性更高。而具有旋流的Case 3喷嘴则在喷嘴出口附近表现出明显的周向膨胀，火焰根部OH分布较弱，稳定性相对较低。火焰直径的变化与各喷嘴的燃料分布宽度和混合程度完全对应。

3.5. 相邻火焰相互作用

对基于Case 1喷嘴周向排列的七喷嘴阵列的研究发现，在3.6 kW热功率下，阵列能在40%至100%的氢气掺混比范围内实现稳定燃烧。OH化学发光和OH-PLIF测量表明，降低氢气掺混比会使火焰整体OH区域扩大，高强度区向下游移动，并导致相邻火焰相互作用加剧。在纯氢条件下，各火焰在出口保持独立；当掺混比降低至80%和60%时，火焰在近场开始合并；当掺混比降至40%时，火焰速度过低，无法承受相邻射流相互作用产生的强烈应变场，导致中心区域出现OH缺失，呈现出“中心吹熄/外围稳定”的临界状态。

研究得出以下核心结论：首先，入口参数分析表明，氧气摩尔分数主要调控动量比和燃烧速度，而氢气掺混功率比主要影响燃烧速度和有效路易斯数。其次，单喷嘴实验揭示了两种火焰锚定模式，并绘制了宽广的稳定运行窗口(氧气摩尔分数0.05–0.5，氢气掺混功率比0–100%)。蒸汽稀释实现了燃烧室内均匀的温度场。更长的混合距离带来更均匀的燃料分布，增强了火焰稳定性；引入旋流则扩大了燃料和火焰的周向分布，但削弱了火焰根部。最后，七喷嘴阵列实验表明，增加氢气掺混比增强了火焰稳定性，但削弱了相邻火焰间的相互作用，并观察到一个关键的“中心吹熄伴外围稳定”状态，这为实际燃烧室设计中避免火焰合并失效提供了定量边界。

这项研究的意义在于，它通过系统的光学诊断实验，深入阐明了蒸汽稀释对微混合火焰结构演变和稳定机制的影响，填补了该领域在实验验证、高级光学诊断和微观机理分析方面的研究空白。研究成果不仅为完善氢-氧-蒸汽燃烧基础理论提供了关键的实验证据，也为优化面向零排放发电的微混合燃烧技术提供了重要的设计依据和指导。