中文摘要：

IGCC结合CCS技术减排CO2是很有竞争力的洁净煤技术，但这种技术方案中目前缺乏成熟的氢气或富氢燃气轮机。研发的氢气或富氢燃气轮机中，单独依靠IGCC系统中的氮气来稀释燃料的燃烧不能完全实现低NOx排放。微混合燃料喷射燃烧方式有益于降低NOx，但单纯的微混合燃料喷射燃烧会使得喷嘴附近温度偏高，并导致燃气轮机中压力损失加大。本项目拟通过耦合氮气稀释和微混合燃料喷射燃烧协同降低NOx排放。而且同单纯的微混合燃料喷射燃烧相比，这种方案可加粗喷射孔径、降低火焰传播速度和绝热火焰温度，从而减少燃气轮机中压力损失，降低喷嘴附近温度。本项目针对氮气稀释富氢合成气微混合燃料喷射燃烧开展实验研究，对其流场、温度场、污染物排放和压力进行测量分析，研究氮气稀释条件下富氢合成气微混合燃料喷射燃烧的燃烧特性、污染物排放特性、压力损失特性及这些特征量的作用规律。完成本项目对研发富氢合成气燃气轮机将有积极的作用。

结论摘要：

研发的富氢燃气轮机中，单独依靠IGCC系统中的氮气来稀释燃料的燃烧不能完全实现低NOx排放。微混合燃料喷射燃烧方式有益于降低NOx，但单纯的微混合燃料喷射燃烧会使得喷嘴附近温度偏高。本项目通过耦合气体稀释和微混合燃料喷射燃烧协同降低NOx排放。同单纯的微混合燃料喷射燃烧相比，这种方案可加粗喷射孔径、降低火焰传播速度和绝热火焰温度，从而减少燃气轮机中压力损失，降低喷嘴附近温度。项目针对稀释富氢合成气微混合燃料喷射燃烧开展实验，研究氮气稀释条件下富氢合成气微混合燃料喷射燃烧的燃烧特性、污染物排放特性及这些特征量的作用规律，在设计的实验燃烧器中利用稀释微混合燃料喷射方法，NOx和CO都处于较低的排放水平，解决了一般燃烧器低NOx高CO或低CO高NOx的矛盾，并按计划完成了任务书任务。针对功率20kW合成气火焰的研究表明通过氮气和二氧化碳稀释燃烧，有效降低了喷嘴出口壁面温度；稀释量越大，喷嘴出口区域温度越低。同时能够获得较低的NOx排放。通过燃烧调整，NOx可以维持在3ppm以下，CO排放维持在10ppm以下。污染物随稀释剂的变化中，稀释量越大，NOx排放越低，但CO排放升高。稀释燃料在不同碳氢比的实验中，随碳氢比的增加，C/H比高对应喷嘴出口区域温度高，同时NOx增加，CO排放增加。实验室研发的燃烧器都要经过工程放大才能应用到工业领域，项目研究了不同功率下耦合CO2稀释和微混合燃料喷射燃烧协同降低NOx排放的合成气火焰特性。结果表明实验条件下NOx和CO排放随着火焰热功率的增加降低；燃烧器出口温度、壁面温度和喷嘴出口温度等随功率的增加而升高。流动是燃烧的前提，项目针对耦合稀释和微混合燃料喷射燃烧火焰流场特性展开研究，对比分析了空气等流速和等动量地代替燃料进行冷态实验时的流场特点。实验结果表明，等流速条件下流场较为稳定，在两喷口之间存在小回流区，靠近壁面处存在较大回流区；而空气等动量地代替燃料进行实验时，会出现流场偏斜的现象，相比于等流速条件，回流较弱，整体速度水平较低。同时通过数值模拟的结果表明如果用氦气等动量来代替富氢合成气流场会获得更接近的流场特征，方便危险性气体冷态实验的开展。