采用图像处理技术的模型燃气轮机燃烧室中氢-柴油双燃料(Hydrogen–Diesel Dual-Fuel)的燃烧与火焰特性研究

《Fuel》：Combustion and flame characteristics of hydrogen–diesel dual-fuel in a model gas turbine combustor using image processing technique

　　

现有能源系统中采用氢的双燃料应用有助于降低排放并改善燃烧性能。本研究在模型燃气轮机燃烧室中实验研究了纯柴油及氢-柴油双燃料混合物的燃烧特性。实验在恒热功率3 kW条件下进行，采用两个当量比（? = 0.85和1.0）及两个旋流数（Sw = 0.6和1.0）。通过图像处理技术分析RGB（红–绿–蓝）强度变化对火焰图像进行定量解析。氢气掺加显著影响了火焰结构、温度分布及污染物排放：其增强了火焰稳定性与反应活性，在Sw = 0.6、? = 0.85工况下使温度提升46.5%；最终，掺氢导致NOx降低64–75%，CO最高降低75%，SO2降低77.66%，且排气中O2浓度下降29.4%。

论文解读：模型燃气轮机燃烧室中氢-柴油双燃料的燃烧与火焰特性研究（Ilker SIVRI|?mer ?AM|Murat TA?TAN|Bu?rahan ALABAS|Kamil MUTLU，发表于《Fuel》）

一、研究背景与意义

化石燃料在全球电力供应及总能源供给中仍占主导地位（分别约60%和80%），为应对联合国减排要求，需在既有基础设施上集成替代能源并优化燃烧过程以减少污染物生成。燃气轮机（Gas Turbine）基于布雷顿循环（Brayton Cycle）工作，具备较高燃料灵活性（Fuel Flexibility），可适应不同热值燃料。柴油（Diesel）因效率与可获得性常被作为备选液体燃料，但其燃烧会产生氮氧化物（Nitrogen Oxides, NO_x）与颗粒物（Particulate Matter, PM）。氢（Hydrogen）具零碳排放潜力与高燃烧速率，但纯氢燃用存在回火（Flashback）、热声不稳定及高NO_x风险，且低体积能量密度限制其在航空等受限空间的应用。因此，在现有机组不改动或微改情况下采用氢–柴油双燃料（Dual-fuel）掺烧被视为过渡方案。然而，针对模型燃气轮机燃烧室中氢–柴油双燃料系统的燃烧温度、排放及火焰结构（尤指借助图像处理RGB定量分析）的研究仍较匮乏。本研究由Erciyes大学研究人员开展，旨在明确恒定热功率3 kW下，不同当量比（?）与旋流数（Swirl Number, Sw）条件掺氢对模型燃气轮机燃烧室火焰形态、温度场及排气污染物的影响，为该技术工程化提供实验依据。

二、主要关键技术方法

研究人员搭建实验室尺度模型燃气轮机燃烧室实验台，环境为30 °C、900 mbar。以柴油为基准燃料，按一定比例引入氢气实现双燃料，所有工况维持总热功率3 kW不变。设置两档当量比?＝0.85（贫燃）与?＝1.0（近化学计量），两档轴向旋流叶片对应旋流数Sw＝0.6与Sw＝1.0。柴油经雾化、汽化喷入燃烧室，火焰通过石英玻璃观察窗由CCD相机采集图像，在MATLAB中做RGB（Red–Green–Blue）强度分布量化处理以表征火焰结构与反应区位置。排气经取样分析NO_x、CO、SO₂及O₂浓度，并结合热电偶测量燃烧室轴向/径向温度分布，对比纯柴油（Pure Diesel, PD）与氢–柴油双燃料（Hydrogen–Diesel Dual-Fuel, HDDF）差异。

三、研究结果

Combustion system（燃烧系统）

研究人员描述了实验室模型燃气轮机燃烧室构型、供油供气回路、旋流器配置及测量仪器布置，明确了实验在恒热功率3 kW、指定?与Sw下进行，并通过可视化窗口与排气采样系统获取后续分析所需原始数据。

Pure diesel combustion（纯柴油燃烧）

在?＝1.0与Sw＝1.0的PD(1–1)工况下获得最高峰值温度（T_max＝982 K），位于燃烧室前部近喷嘴出口区。提高当量比或旋流数均使整体温升并改变火焰内回流区尺寸；纯柴油火焰呈典型扩散火焰特征，黄色发光区（碳烟热辐射）明显，RGB中R通道强度高，G/B通道弱。

Hydrogen–diesel dual-fuel combustion（氢–柴油双燃料燃烧）

掺氢后火焰外观由黄亮扩散焰向短蓝锥形预混/部分预混焰转变，反应区向中心轴收缩。图像处理显示代表反应区的G通道（对应CH及OH弱关联）增强，R通道减弱（碳烟减少）。在Sw＝0.6、?＝0.85时，掺氢使平均及峰值温度较纯柴油升高46.5%，归因于氢的高火焰传播速度促进混合与氧化反应速率。随Sw增大或?趋近1.0，温升幅度略降但仍显著。

Temperature distribution（温度分布）

沿轴向距 burner出口不同截面测温表明：掺氢使高温核心区前移并缩短低温尾迹区，径向温度梯度趋于平缓，表明掺氢强化湍流混合与容积释热均匀化。Sw＝1.0因强回流区本身已具较好混合，掺氢引起的增量小于Sw＝0.6。

Emissions（污染物排放）

与同工况纯柴油相比，掺氢实现NO_x削减64–75%（因整体峰值温度虽局部升高但贫燃区扩大且燃料结合氮源消失），CO降低最高达75%（因氢促进完全氧化并消除局部富燃料死区），SO₂降低77.66%（直接源于柴油质量流量同比减小），排烟O₂浓度下降29.4%（更多氧参与燃烧反应）。未观测到因掺氢致CO反常激增，在所选氢掺比及当前设计下无严重燃烧振荡或回火记录。

Flame image processing with RGB analysis（基于RGB分析的火焰图像处理）

MATLAB处理后提取各像素点R/G/B分量均值及分布直方图。纯柴油火焰R值高且集中，掺氢后R均值下降、G均值上升，B微增；火焰中心G/R比值被研究人员用作反应区迁移与碳烟抑制的定量指标。RGB二维分布云图印证肉眼观测的火焰缩短、变蓝及内锥前移现象。

四、讨论与结论（翻译/总结结论部分）

研究人员总结：在模型燃气轮机燃烧室中，于恒定3 kW热功率下向柴油掺加氢气可显著改变火焰结构——火焰由长扩散黄焰转为短蓝锥状部分预混焰，提高火焰稳定性与反应活性；在Sw＝0.6、?＝0.85条件下燃烧室温度提升46.5%；掺氢使NO_x减少64–75%、CO至多减少75%、SO₂减少77.66%、排气O₂降低29.4%。该研究首次将RGB图像处理定量应用于燃气轮机工况下氢–柴油双燃料火焰解析，证实适度比例氢气与柴油在模型燃气轮机燃烧室共燃可在不修改硬件前提下兼顾稳燃与多污染物协同减排，为后续中试及航改燃机双燃料设计提供了实验基础和参考依据。