随着全球变暖问题日益严峻，我国已经全面启动了实现“双碳”目标的战略布局。在这一背景下，为了减少碳排放、解决新能源发电的间歇性问题，以及应对电网调峰的需求，氢气作为一种清洁的燃气轮机燃料，正在被广泛探索和应用，以构建绿色发电系统。
图 1 绿氢发电系统
然而，氢气因其独特的物理和化学特性，在安全稳定燃烧方面面临诸多挑战。传统的燃烧技术在应对氢气时常常遭遇难题，例如回火和燃烧不稳定等问题，这些都可能导致燃烧室的严重损毁。
图 2 回火对燃烧器的损害
为了应对这些挑战，微混燃烧技术应运而生。这是一种新型的干式低NOx燃烧技术，它在燃烧器出口形成单独的小火焰，有效抑制了回火、挂火和自点火等现象。同时，它还能缩短高温区的停留时间，从而降低NOx的生成。
预混燃烧
旋流扩散燃烧
交叉射流扩散燃烧
图 3 三种微混燃烧器的掺氢燃料火焰
为了深入理解掺氢燃料微混燃烧器的特点，接下来的内容将详细介绍火焰的分类、组织形式，以及国际上的应用实例。
在探索掺氢燃料微混燃烧器的特点时，我们首先需要了解火焰的分类。扩散火焰和预混火焰是两种主要的火焰类型，它们各自拥有独特的优势和局限性。
图 4 预混和扩散火焰比较
扩散火焰的显著优点在于其稳定性。由于局部高当量比，扩散火焰不易回火，易于点火，且不易熄灭。此外，其对不同流速和当量比的适应性也较强。然而，这种火焰的缺点也很明显：局部高温可能导致NOx生成速率升高，从而增加了出口NOx的排放量。同时，由于燃烧受到扩散速度的限制，火焰长度和火焰停留时间较长。
与扩散火焰不同，预混火焰通过提前混合燃料和空气，解决了局部高温和高当量比的问题，从而降低了NOx的排放。预混火焰的燃烧速度更快，火焰长度和停留时间较短，这有助于提高燃烧效率。然而，预混火焰的稳定性较差，对流速和当量比的变化更为敏感，且存在回火的风险。
除了预混和扩散火焰，还有其他火焰组织形式，它们各自具有独特的优势和挑战。
回流区的形成对于稳定着火位置至关重要，但同时也会增加火焰的停留时间，并可能增加预混燃烧的回火风险。常见的结构设计，如旋流、钝体（非流线体）、突扩和横向喷射，都能有效地形成回流区。
图 5 旋流造成的中心回流区、突扩的角回流区、横向射流之间的回流区
分级燃烧是另一种有效的设计方法，它通过调整预混、当量比变化和湍流程度，可以影响火焰的停留时间和稳定性。虽然燃烧稳定和低NOx燃烧之间存在一定的冲突，但通过精心设计不同的来流特性组合，可以在两者之间找到合适的平衡点。对于氨气、煤粉等其他燃料的燃烧，也可以采用轴向分级送空气的方式，在燃烧室上游空间制造富当量比的还原性氛围，这不仅增强了点火性能，还能有效降低NOx排放，但是会大幅增加燃烧室长度。
图 6 喷嘴中心分级、空气轴向分级
尺寸大小对燃烧过程同样有着显著影响。减小管径可以缩短火焰长度，增加混合均匀性，同时壁面散热的增加也有助于防止回火。然而，这可能会增加火焰与下游烟气的混合，影响火焰的稳定性，并增加喷嘴的复杂度，从而降低热功率。
图 7 模拟温度云图，喷嘴尺寸增加导致火焰的红色高温区延长
微混燃烧器的设计关键在于燃料喷孔的直径非常小。对于预混燃烧，小尺寸可以减少预混段的长度和回火风险。对于扩散燃烧，微小的氢气火焰减少了局部高当量比和高温，有效控制了NOx的产生。但也需要注意保持火焰的稳定性。
射流预混燃烧器
旋流扩散燃烧器
交叉射流扩散燃烧器
图 8 三种微混燃烧器结构图
GE公司在年美国能源部的“先进IGCC/H2燃气轮机"项目和“先进燃氢透平的发展"项目的资助下发展了该多管燃烧器。该燃烧器采用了六个相同的喷嘴，已在2013年成功应用于氢燃料单筒全尺寸燃烧室，单筒功率超过10 MW。在F级条件下，使用60%H2/40%N2的混合燃料时，实现了低于10 ppm的NOx排放量，展现了卓越的环保性能。
图 9 GE氢燃料多管燃烧器
三菱日立公司“多孔喷射"燃烧器，该技术通过发散的流场产生抬升火焰，有效抑制氢燃料的回火现象。试验结果表明，这种多孔喷射燃烧器能够在氢含量40~84%的范围内，实现个位数的NOx排放。在燃气轮机满负荷工况下，NOx排放达到了10.9 ppm，燃烧效率超过99.5%，这证明了其在高效率和低排放方面的卓越表现。
图 10 三菱日立公司“多孔喷射”燃烧器
川崎重工氢能燃气轮机燃烧器使用了微混合技术，能够燃烧纯氢。其独特的圆环型结构上配置了微混合喷嘴，可以根据不同的负载调整使用的圆环数量，以实现在高负载下低NOx排放的效果。2018年，该试点项目成功落地，为周边设施同时提供电能和蒸汽。在100%氢气条件下运行，消耗氢气2215 m3/h，输出功率达到1516kW，这不仅展示了其在实际应用中的高效能，也证明了氢燃料燃气轮机在能源转型中的重要作用。
图 11 日本川崎重工氢能燃气轮机燃烧器
这些技术的发展和应用，不仅推动了氢燃料燃气轮机技术的成熟，也为实现更清洁、更可持续的能源未来铺平了道路。
工于致热 诚以聚能
供稿 | 高效低碳燃气轮机数字化中心 咸国礼
编辑 | 顾丁雯
