许多国家已经实施了环境政策，通过逐步淘汰化石燃料来减少发电厂的温室气体排放。尽管如此，由于煤炭的丰富性和成本效益，它仍然是全球主要的电力生产燃料[1,2]。一个关键挑战在于在满足日益增长的电力需求的同时，迫切需要减少排放。与传统的煤粉电厂相比，集成气化联合循环（IGCC）电厂具有更高的效率和更好的环境性能[3]。在IGCC中，合成气是燃气轮机燃烧器的主要燃料[4,5]。合成气的成分变化很大，通常含有大量的H2以及稀释剂如N2和CO2。H2的高反应性和稀释剂的存在共同对燃烧稳定性和排放控制构成了重大挑战[6,7]。为了解决这些挑战，微混合（MM）燃烧技术作为一种有前景的解决方案出现，通过最小化反应物混合尺度、减小火焰尺寸和提高预混合均匀性来提高性能[6,[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16]]。
关于采用MM技术的燃烧系统中NOx排放和火焰稳定性的研究已成为国际研究的重点。例如，Funke等人[6]开发了一种MM燃烧器，该燃烧器在大气压下使用氢燃料运行，入口空气温度为560 K，表现出优异的NOx减排效果。在当量比（φ）低于0.5的情况下，NOx排放量保持在4 μL/L（15%O2）以下。York等人[17,18]设计了一种MM燃烧器，在每个管内使用小规模交叉喷射来增强燃料-空气混合，比传统的旋流混合效果更好。在富含氢的燃料（66% H2，34% N2）的全尺寸实验中，他们成功地将NOx排放量控制在10 μL/L（15%O2）以下，覆盖了目标运行温度范围。Shao等人[19,20]设计了一种MM模型燃烧器，并研究了富氢火焰的燃烧稳定性和流动特性。他们的研究表明，对于五种天然气-氢混合物（0～60% H2体积比），在1920 K的绝热火焰温度下，NOx排放量保持在10 μL/L（15%O2）以下，证实了MM技术在各种燃料组成下的低NOx潜力。Zhang等人[21,22]设计了一种阵列MM燃烧器，并在大气压下用N2稀释的模拟合成气进行了测试。他们的结果显示，随着N2稀释比的增加，出口NOx浓度从6 μL/L（15%O2）逐渐降低至无法检测的水平。总之，现有研究广泛探讨了MM结构如何提高混合质量、稳态火焰稳定性和燃料灵活性。然而，专门针对低热值合成气燃烧的研究明显有限，因为这种合成气含有更多的惰性稀释剂，导致火焰温度较低，稳定性极限更窄。这一空白非常重要，因为在这些不利条件下的火焰保持机制和动态响应尚不完全清楚。
此外，可再生能源的日益整合要求IGCC电厂的燃气轮机具有更高的负载灵活性，以确保电网稳定。这种运行模式要求燃烧器在广泛的负载范围内保持稳定的燃烧和低排放。在负载调整期间，关键的操作参数（主要是燃料质量流量（m_combustion）和空气质量流量（m_air）会发生显著变化，决定了燃烧器的运行状态。为了从根本上理解和预测这一广泛运行范围内的燃烧性能，系统地分解这些关键参数的单独影响是必不可少的。虽然现有的关于MM燃烧器的研究提供了宝贵的见解，但仍然缺乏一项全面的研究，该方法系统地、独立地检查φ和空气速度（v_air）的广泛单独范围对低热值合成气火焰的影响，以完全揭示其燃烧特性，包括火焰稳定性、动态和排放。这一空白阻碍了在实际、灵活的运行条件下对燃烧器性能的准确评估和预测。
为了解决这些研究空白，本研究系统地调查了由低热值合成气驱动的组合MM火焰的燃烧特性。该研究独立探索了φ和v_air的广泛范围，以全面揭示基本的燃烧性能。使用了一个工作频率为1 kHz的高速OH*化学发光成像系统来解析火焰的时空分布。分析分为五个部分。首先，介绍了随着运行条件变化的全局火焰结构的变化。其次，检查了OH*时间分布均匀性（TDU）的特性。第三，详细介绍了φ和v_air对从OH*信号中得出的火焰频率特性的影响。第四，讨论了动态模态分解（DMD）分析的结果，以识别不同条件下的相干结构。最后，报告了燃烧器出口处的测量NO排放量。然后将关于MM火焰结构和动态的关键发现综合起来，得出一个全面的结论。
