“双碳”背景下，燃气轮机燃烧天然气掺烧绿氢可逐步降低发电碳排放，若能实现纯绿氢发电可实现全过程零碳排放。相较于传统的天然气燃料，燃气轮机燃烧室使用高含氢燃料面临着诸多挑战。氢火焰传播速快、点火延迟时间短带来回火的风险，相同当量比下较高的绝热火焰温度和快速释热会导致氮氧化物排放增加，同时氢气具有显著不同的燃烧特性，具备独特紧凑的反应区形态，导致火焰热声响应的变化显著。目前，国际主流燃气轮机厂商的贫预混燃烧室的燃料适应性能力氢气体积含量最高约60%左右，大部分燃机氢燃料体积适应能力在30%左右。氢燃料适应能力是燃气轮机未来发展的关键。
MILD燃烧（Moderate or Intense Low-Oxygen Dilution，MILD）是一种新型低氮燃烧技术，具有燃烧稳定性好、NOX排放低、燃料适应性强等优势。中国科学院工程热物理研究所能源动力研究中心提出并设计了一款利用高速射流的流场组织方式，卷吸高温烟气回流并与未燃反应物实现快速掺混为稳焰机制的MILD燃烧室，有望成为MILD燃烧在燃气轮机燃烧室中应用的可行方式。该概念燃烧室以天然气为燃料在全尺寸燃烧室上的低NOx排放性能已经得到验证，同时在含氢燃料燃烧条件下的实验室尺度上显示出优秀的低NOx排放性能。基于前期基础，最新的研究工作通过优化原有的MILD模型燃烧室，首次在同一个燃烧器实现天然气掺氢体积含量0-100%范围内任意氢气含量的宽范围稳定燃烧，实验证明该模型燃烧器具有氢适应范围宽、燃烧稳定高效、NOx及CO排放均小于10 ppmvd@15%O2（绝热火焰温度1400 K-2100 K范围内,ppmvd: parts per million by volume,dry）等特点。通过对反应区图像的本征正交分解，阐述了燃烧室高氢含量以及纯氢燃烧时的火焰动力学转换机制，燃烧室高频峰值能量占主导地位时对应的是反应区的横向运动，低频峰值能量占主导地位时对应的是轴向运动。从轴向向横向转换的火焰动力学使得燃烧系统能够逐渐容纳动态压力向高频域的转移，即向高氢含量以及纯氢燃料高当量比稳定燃烧的转移。
上述工作得到LJ专项基础研究的支持。相关研究成果在International Journal of Hydrogen Energy上发表论文2篇，在ASME Turbo Expo上发表论文2篇并作报告，申请发明专利1项。
优化后的MILD模型燃烧室稳定范围
不同工况下的反应区前四阶POD模态
不同氢气含量及绝热火焰温度下的污染物排放特性
原文链接：
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360319924012655
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360319923021821