20世纪90年代，随着环保标准的提高，传统的喷水(或蒸汽)降温的方法已经不能使燃气轮机的NOx排放达标。迫于环保压力，燃气轮机燃烧技术逐渐从扩散燃烧转变为贫预混燃烧，产生了现代干式低NOx燃烧室[1-3]。通过将燃料与过量空气预混，贫预混燃烧降低了火焰温度峰值，显著减少了热力型NOx。以F级燃气轮机为例[2]，采用贫预混燃烧后，NOx排放从42 μmol/mol降至9 μmol/mol(干基，15% O2摩尔浓度，以下皆同)，是燃气轮机燃烧技术上的一大突破，在国际主流燃气轮机(F级以上)上得到广泛应用。
21世纪以来，环保法规日趋严格。以我国北京和长三角地区为例，NOx排放上限是15 μmol/mol，而美国和日本的一些地区排放标准更是达到了2 μmol/mol。但严格的NOx排放标准与燃气轮机效率的提升产生了矛盾。为提高循环效率，燃气轮机的设计参数在持续提高。以三菱最新型的J级燃气轮机为例[4-5]，其燃气温度为1 600 ℃，压比为25，NOx排放高达25 μmol/mol，超过了许多国家和地区的排放上限。虽然能够通过后处理的方法来满足NOx排放法规，但也带来了运行成本的上升和氨逃逸的问题。GE(General Electric)公司的试验[6]和佐治亚理工学院的计算[7]表明，当燃气温度达到1 700 ℃时，即使在理想预混条件下，现有贫预混燃烧室的NOx排放也将超过20 μmol/mol。而现有的强旋流预混器，燃料与空气的预混度一般在98%以上，其NOx减排潜力已经挖掘殆尽。由此可见，对于现有基于强旋流预混的贫预混燃烧室而言，单纯依靠增强预混以降低NOx排放的方法已经无法满足未来燃气轮机进一步提高燃气初温的要求。
为应对气候变化，碳减排已经成为大趋势。相应地，燃气轮机的技术发展也将有新的变化。现有的贫预混燃烧技术能否适应这些新的变化？目前，正值我国燃气轮机专项发展的关键时期，厘清这一问题，有助于企业选择合适的技术路线，有助于科研院所开展针对性的研究。
首先，太阳能和风能的发展对燃气轮机的随动匹配能力提出了更高要求。美国能源信息署[8]预计，到2050年，太阳能与风能发电占总发电量的比例将从现在的40%增加到70%[7]。但是，太阳能与风能具有频繁波动、随季节变化的问题，不能与电网的负荷完全匹配。为此，需要用燃气轮机电站随动补偿。这就要求燃气轮机具有快速启停和变负荷能力，能够在低负荷时稳定运行。但是，现有贫预混燃烧室的低负荷稳定性差，可调比(最低负荷与满负荷功率之比)一般不低于40%。低于此临界值，燃烧室不能运行在贫预混模式，NOx排放超标。现有较窄的稳定运行范围，不能匹配将来随动补偿的要求。
其次，燃烧氢气或氨气等无碳燃料对燃气轮机的燃料适应能力提出了新的要求。这些新型燃料的燃烧和排放特性迥异于传统天然气燃料。氢气的火焰传播速度非常高，导致预混燃烧时(尤其是有强旋流产生回流区的情况)易发生回火。因此，目前基于强旋流预混燃烧器的燃烧室，不能适应纯氢燃料。以西门子燃气轮机为例，其燃料中氢含量一般不能超过60%，否则就要采用扩散燃烧，导致NOx排放超标。天津煤气化联合循环电站中使用的西门子E级燃气轮机，燃烧煤制合成气，氢气体积含量大约25%，采用扩散燃烧，NOx排放40 μmol/mol，经过后处理才能达标[9]。而对于氨气这类燃烧速度极低的燃料，其预混火焰稳定性极差。而且由于燃料氮的存在，贫预混燃烧会产生非常高的NOx排放[10]。由此可见，现有的基于强旋流燃烧器的贫预混燃烧技术并不适用于氢或氨燃料。
综上所述，现有的基于强旋流燃烧器和头部分级的贫预混燃烧室已经不能适应未来燃气轮机高参数、低排放、宽负荷、多燃料的发展要求。未来的先进燃气轮机，必须要有先进的燃烧技术与之匹配。但未来的燃烧技术发展方向是什么？还有哪些技术瓶颈和关键问题需要解决？为回答这些问题，本文将对有潜力的先进燃烧技术展开综述。首先，简单梳理现有贫预混燃烧技术的特点，以及各项新技术的原理和发展现状，并针对上述4个燃气轮机发展要求(高参数、低排放、宽负荷、多燃料)，分析各项技术的特点和关键问题。在此基础上，对比和评估各项燃烧技术的应用前景和可行性，筛选优先攻关方向，供工程和科研人员参考。
1 先进燃烧技术分析 1.1 现有贫预混燃烧室与扩散燃烧室相比，现代干式低NOx燃烧室的最根本技术特征为取消了二次空气孔，绝大部分空气与燃料预混燃烧，以降低火焰温度。但由于绝大部分空气进入燃烧室头部与燃料预混，导致低负荷时稳定性差(火焰温度低易熄火)，对燃料的适应能力也较差(Wobbe数变化一般不超过10%)。因此，燃烧器为强旋流式，在加强预混的同时产生回流区稳定火焰。此外还在头部布置多个燃烧器，通过调节燃烧器之间的燃料分配及燃烧模式，分级(staging)升降负荷(如图 1所示)，兼顾高负荷工况的NOx排放和低负荷工况的稳定性。
这种燃烧室实际上是运用了空气稀释、预混燃烧、旋流燃烧、分级燃烧(头部分级)等多项燃烧技术的综合体。这是因为燃烧室要考虑各方面的要求，包括NOx和CO排放、低负荷稳定性、燃料适应性等。一种燃烧技术很难同时满足多方面的要求。换言之，一种成功的燃烧室，需要通过多种燃烧技术的组合来满足各方面的要求。先进燃烧技术大多是针对这几个方面进行改进，下文分别介绍。
1.2 轴向燃料分级高等级燃气轮机(燃气温度>1 450 ℃)的NOx主要为热力型，生成速率与燃气在燃烧室内的停留时间成正比。因此，尽量减少高温燃气的停留时间能够降低NOx排放。轴向分级燃烧技术就是利用了这一原理。如图 2所示，燃烧室在轴向上分为两级，其燃烧温度可以独立调节。空气和燃料各分为两部分，一部分空气与一部分燃料预混后进入第一级燃烧，剩余的空气与燃料喷入第二级，与第一级燃烧产物混合后继续燃烧。通过调节两级的空气和燃料分配比例，降低第一级的温度，减少第二级的停留时间，可以有效降低NOx排放。
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| 图 2 轴向分级燃烧室示意图 |
轴向燃料分级继续沿用了空气稀释、预混燃烧、旋流燃烧、头部分级等多项燃烧技术，可以看作是现有贫预混燃烧室在轴向上增加了一个分级自由度，属于燃烧组织方式的改进。通过调节第一级和第二级的燃料分配，轴向分级燃烧室不但有效降低了NOx排放，还具有优异的低负荷稳定性，拓宽了可调比。燃料分两级注入还提高了燃料适应性，允许更大的Wobbe数变化范围，燃烧活性更高的燃料。此外，由于轴向分级燃烧室增加了后端空气孔，减小了燃烧室压力损失，可以提高循环效率，并有助于抑制热声振荡[12]。
相对于现有的贫预混燃烧室，轴向燃料分级只是在后端增加了燃料和空气喷入装置，前端还可以沿用原来的贫预混燃烧室头部设计，较为容易实现，成为新一代主流燃烧技术。20世纪90年代，ABB(ASEA Brown Boveri)公司的GT24/26燃气轮机率先使用了2个贫预混燃烧室串联(中间有高压涡轮)的方法，获得了很好的低负荷稳定运行性能。但该方案也带来了成本高、第2个燃烧室易回火等问题，没有获得商业上的成功。GE公司首先在H级重型燃气轮机上使用单个燃烧室内轴向燃料分级技术，并实现商业运行[12]。如图 3所示，NOx排放相比于非分级燃烧室有30 ℃的优势，可调比从43%拓宽到25%[12]。利用此技术改造的E级燃气轮机[11]，可调比从60%拓宽到35%。Ansaldo公司的GT36燃气轮机[13]使用了轴向分级燃烧室，NOx排放低于25 μmol/mol，可调比拓宽到30%。
研究[14-17]表明，轴向燃料分级燃烧降低NOx排放的关键在于调节第一级与第二级之间的燃料分配、空气分配与停留时间分配，使得：1) 在保证第一级稳定燃烧的前提下，尽量提高第二级的燃料分配(降低第一级燃气温度)；2) 在燃尽CO的前提下，尽量缩短第二级的燃气停留时间；3) 第二级反应物与第一级燃气尽量混合充分后燃烧。但是，GE单筒燃烧室的试验结果(图 4)表明，出口温度一定的情况下，随着第二级燃料比例的增加(第一级燃烧温度降低)，NOx排放并不是单调降低，而是呈现先下降后上升的趋势。这一现象违背了分级燃烧室降低NOx排放的原理，即NOx排放随第一级燃气温度降低而单调降低。
钱文凯等[17]研究发现，第二级反应物与第一级燃气混合不均时，提高第二级燃料分配比例反而可能增加NOx排放，解释了为什么上述GE单筒燃烧室的试验中NOx排放与第二级燃料分配比例是非单调的关系(图 4中绿色曲线)。此外，如果第二级反应物与第一级燃气掺混后过早燃烧，容易导致火焰附着在喷口，烧蚀第二级燃烧室内壁面。所以，优化第二级反应物的喷入方式使射流与第一级燃气充分混合后再燃烧，是分级燃烧室设计的关键，也是当前研究的重点。为解决此问题，Ansaldo GT36轴向分级燃烧室第二级采用了先喷空气给第一级燃气降温，再喷入第二级燃料的方法；西门子采用了第二级喷入的燃料空气混合物中燃料过量的方法；中国科学院大学的郑祥龙[18]提出了非均匀燃料分布的二级喷射方案。
1.3 轴向空气分级空气轴向分级即为RQL(rich burn, quick mix, lean burn)，也是在传统头部分级的基础上，增加了轴向上空气分配的自由度，属于燃烧组织方式的改进。如图 5所示，与轴向燃料分级相反，空气轴向分级将所有燃料注入第一级，将空气分为两部分，分别注入第一级和第二级燃烧。第一级(富燃级)燃料过量，维持还原性气氛抑制NOx生成。第二级(贫燃级)注入空气后，空气过量，将燃料燃尽。由于第一级和第二级都避开了高温燃烧区间，因此降低了NOx排放[19]。而且由于富燃区的存在，RQL燃烧室具有优良的低负荷稳定性。因此，RQL燃烧技术已经在航空发动机上得到了商业应用[20]。
RQL在重型燃气轮机上的应用还未见报道，但相关研究已经展开[21-24]。GE公司开发过F级燃气轮机全尺寸RQL燃烧室，并使用含有少量氨的合成气燃料进行了试验，获得了较低的NOx排放[21]。Liu等[24]的研究表明，在燃气温度低于1 600 ℃时，富燃级与贫燃级的空气分配(即富燃级当量比)是影响NOx排放的关键。随着燃气温度上升，富燃级与贫燃级的停留时间分配和快速掺混区的混合程度变得更重要。一般认为，由于快速掺混较难实现，轴向空气分级的NOx排放稍差于轴向燃料分级。但由于头部富燃，其燃料适应性优于轴向燃料分级，适合氢气、合成气等易回火燃料。
近年来，氨作为一种碳中性燃料引起了广泛兴趣。由于富燃能够有效抑制燃料氮向NOx的转化，RQL在重型燃气轮机上的应用受到重视。RQL虽然能降低氨燃烧50%的NOx排放[25]，但还是超过排放标准，而且低NOx运行区间非常狭窄[26-27]。因此，还需要进一步研究富燃区的反应机理，尤其是与NHi和NOx相关的反应机理，及其在快速掺混区与湍流混合的相互作用机理，以进一步降低NOx。
1.4 微混燃烧微混燃烧的特点是使用微混燃烧器(如图 6所示)将空气与燃料在微小的管道内预混，能够达到很高的混合程度，降低NOx排放[28]。此外，与传统旋流燃烧器的旋流火焰不同，微混燃烧器火焰小、没有回流区，减少了NOx在火焰区的生成。而且由于小管径的淬灭效应，微混反应器具有很高的抗回火能力，特别适合氢气等活性燃料，相对于旋流燃烧器的燃料适应性有明显改善。美国能源部资助GE、Parker等企业研究了合成气与氢气的微混燃烧特性[28-29]。结果表明，微混燃烧器的NOx排放明显低于传统旋流燃烧器，在F级燃气轮机满负荷工况下低至8 μmol/mol(燃料为60%H2~40%N2)。
GE公司最新的9HA燃气轮机就使用了微混燃烧器+轴向燃料分级的DLN2.6e燃烧室[30]。如图 7所示，第一级使用微混燃烧器，降低NOx排放，改善了抗回火性能，可以燃烧高氢燃料。相对于旋流贫预混燃烧室，该燃烧室具有70 ℃的NOx排放优势，有潜力在1 650 ℃燃气温度时NOx排放达标。而且该燃烧器大量使用了增材制造工艺，很大程度上减少了零部件数量。目前，该燃气轮机已经在天津军粮城燃气轮机电站并网发电。
相对于现有技术，微混燃烧器是针对单元燃烧器的改进，以火焰稳定性为代价，改善了NOx排放性能和燃料适应性。Haque等[31]总结了微混燃烧器的研究进展。对于微混燃烧器，管径与管间距是影响其燃烧与排放性能的关键参数。微混燃烧器产生的射流火焰，缺少回流区，其低负荷燃烧稳定性明显不如旋流火焰，而且热声振荡性能未知。因此，目前研究主要集中在如何提高其火焰稳定性，并理解其热声振荡特性。目前主要手段是使用值班火焰稳燃，并与轴向分级结合来拓宽其低负荷运行边界。
1.5 烟气循环烟气循环(exhaust gas recirculation, EGR)，是将燃气轮机烟气再循环到燃烧室进行燃烧。由于烟气中的O2含量低，因此NOx生成速率降低。而且，燃烧产物中的CO2浓度提高，可以降低碳捕捉成本。一般是将部分余热锅炉后的烟气引回压气机入口，与大气混合，再进行压缩后送入燃烧室燃烧。从原理上讲，相对于现有技术，EGR是稀释降低了O2浓度，并增强了CO2这一反应抑制剂。因此，EGR能够显著降低NOx排放，但也会导致CO排放增加，低负荷稳定性变差。
三菱[4]和GE[32-33]使用全尺寸贫预混燃烧室研究了烟气循环对污染物排放和燃烧性能的影响。结果表明：1) EGR能够显著降低NOx排放，35%的烟气回流率即可降低50%的NOx排放(F级燃气轮机满负荷工况)，效果与轴向分级相当；2) 但是过高的回流率也引起CO排放超标以及燃烧稳定性下降等问题。因此，实施EGR的关键在于调节回流率，平衡NOx和CO排放。由于EGR系统复杂，而且大量回流烟气会带来系统效率的下降，目前重型燃气轮机还没有应用，往往被作为一种有利于进行燃烧后碳捕捉的技术储备进行研究，或与富氧燃烧结合起来，降低燃烧室内反应温度。
1.6 催化燃烧最早的催化燃烧工作报道于20世纪70年代[34]。Smith等[35]对催化燃烧的进展作了详细的综述。有别于传统的燃烧，催化燃烧的化学反应借助于催化剂这一媒介实现，改变了燃烧模式。因此，催化燃烧在许多方面有着明显的优点：1) 反应能够在比传统燃烧温度低得多的温度下进行，低负荷稳定性非常好；2) 燃烧时N2不参与反应，NOx排放极低；3) 热声振荡极低。
但是，在实验中发现，燃烧室下游高温火焰的辐射传热会导致催化剂失效(钯基催化剂在750 ℃失效)，甚至在催化反应器内发生气相燃烧反应而烧毁反应器。尤其是对于富氢燃料，可能会在催化反应器中发生自着火。为解决这些问题，Precision Combustion公司提出了富燃催化燃烧的方法(如图 8所示)，即在催化反应器中使用过量燃料，从而抑制催化剂升温过高和气相反应[35]。
该富燃催化燃烧室实际上是一个RQL燃烧室，只是富燃部分用催化燃烧器代替。全部燃料与部分空气混合后在催化燃烧器中发生反应，未反应完全的燃料在下游与另外的空气混合后在贫燃燃烧室继续反应。该燃烧技术使用天然气、煤气化合成气、高炉煤气、以及炼厂气燃料的试验都取得了极低的NOx和CO排放[36-38]。在Solar Turbines全尺寸燃烧试验台上的试验表明，F级燃气轮机工况下(1.6 MPa和1 450 ℃)NOx和CO排放都低于5 μmol/mol，并在Saturn轻型燃气轮机上得到了进一步验证。西门子在F级燃气轮机满负荷工况的实验也获得了低于4 μmol/mol的NOx排放和9 μmol/mol的CO排放[38]。
富燃催化燃烧兼具RQL燃烧和催化燃烧的优点，富燃条件能避免燃料氮转化为NOx，还能防止回火，特别适合氨气、氢气等燃料。催化作用能够极大提高燃烧速率，特别适合氨、高炉煤气等反应活性比较低、传统燃烧器中难以稳定燃烧的燃料。但催化剂的使用也带来了另一个问题：不同的燃料往往需要不同的催化剂。综合考虑，其燃料适应性相对于现有燃烧技术没有改进。因此，开发能够适应多种燃料的催化剂是研究的重点。此外，催化燃烧还有许多问题没有解决，比如在燃气轮机启动时温度过低无法点火、金属催化剂多次循环后的活性降低、变工况运行对反应器和催化剂的热冲击、以及长时间循环运行后的可靠性等。
1.7 低旋燃烧现有贫预混燃烧器一般通过强旋流产生的涡破碎或回流区来稳定火焰。但回流区的存在也容易导致NOx的增加和回火[39]。Cheng[40]发明的低旋燃烧器消除了涡破碎和回流区，避免了这些问题, 并在工业燃烧炉里得到商业应用。低旋燃烧也是在单元燃烧器上进行的改进。其NOx排放和燃料适应性相对于强旋流燃烧器有明显改善，但其低负荷稳定性没有改善。Cheng[41]对低旋燃烧器有详细的综述。本文只简述其基本原理和研究现状。
如图 9所示，低旋燃烧器有内外2个流道：中心流道为射流孔板(湍流发生器)，周边流道为低旋流叶片。预混反应物通过燃烧器后，由于外侧低旋流的离心作用，中心射流也向外发散减速，最终射流速度与火焰传播速度平衡，稳定火焰。因此，低旋燃烧器产生的火焰是抬升火焰，其中心发散射流提供了很宽的减速区域，能够在燃烧室来流波动时自动调节火焰根部位置，拓宽了回火、熄火边界。此外，回流区的消除也降低了NOx排放。
低旋燃烧技术在Solar Turbines的高压试验台和Taurus 70燃气轮机上已做过验证，使用天然气燃料时，NOx排放低于5 μmol/mol (0.5~1.5 MPa, 1 650 ℃)。但研究[42]发现，在使用合成气燃料时，随着H2含量和当量比Ø的增加，火焰逐渐从抬升变为部分附着(图 10)。这是由于H2的扩散效应，进入了外侧的低旋流区导致的。因此，如何调节外流道的旋流数和速度，避免火焰附着，是低旋燃烧技术适应高氢燃料的一个重要研究方向。
此外，低旋燃烧器的流场和火焰结构与传统强旋流燃烧器完全不同，其热声振荡特性未知。Emadi[43]的初步研究表明，低旋燃烧器的放热率与压力脉动耦合会改变火焰的平衡位置，影响其稳定性。因此，热声振荡应该是其另一个重点研究方向。
1.8 柔和(无焰)燃烧柔和燃烧又被称为无焰燃烧，其主要特征是燃烧中无火焰面，反应发生在整个燃烧室区域，因此具有燃烧均匀，温度梯度小，无局部高温区的优点，有利于降低NOx排放和热声振荡。相对于现有贫预混燃烧技术，柔和燃烧是燃烧模式上的彻底改变。理论上，柔和燃烧的NOx排放比轴向分级还要低一个数量级，并且不存在火焰传播引起回火等问题，适用于氢气等活性燃料。
在燃气轮机应用中，轴向分级燃烧室的第二级有望首先实现无焰燃烧[44]。Levy等[45]通过热力学模拟发现无焰燃烧过程中，随着温度降低，燃烧室出口有CO残余，这意味着燃烧不充分。对此，Kruse等[46]研究了柔和燃烧中NOx和CO排放与当量比的关系(如图 11所示)，常压下最优当量比为0.3~0.5。而且，随着压力的增大，化学反应时间缩短，这一范围逐渐缩小。
尽管柔和燃烧在工业燃烧炉中得到了应用，然而在真实的燃气轮机燃烧室中实现柔和燃烧仍然存在巨大挑战。其主要原因在于受到燃烧室压降及尺寸的限制，难以通过强卷吸实现燃料与燃气的快速、充分预混。此外，受流量以及宽负荷稳定性等条件的限制，很难对燃烧室来流空气进行高度预热。而且难以在整个负荷范围都实现柔和燃烧，在负荷调节方面比较差。Perpignan等[47]总结了柔和燃烧在燃气轮机中的应用前景，认为柔和燃烧技术仍有许多值得开展的研究，包括积累更多的高压试验数据，设计过程如何考虑燃烧室与燃气轮机各部件间的耦合问题；以及开发新型燃烧器结构(如内涡轮燃烧器)或结合分级燃烧技术，以实现柔和燃烧。
1.9 富氧燃烧1) 常规富氧燃烧。
富氧燃烧使用纯氧或高浓度氧为氧化剂，主要燃烧产物为CO2和H2O，有利于进行碳捕捉。但纯氧燃烧温度太高，燃烧室无法承受。为降低燃烧温度，需要向燃烧室回流大量的CO2。相比现有燃气轮机技术，富氧燃烧改变了空气组分。通过使用纯氧，彻底解决了NOx排放的问题，因此可以使用非预混燃烧，特别适合低热值燃料和氢燃料，具有很宽的燃料适应范围。但由于需要大量回流CO2，导致低负荷时稳定性变差，造成CO排放高、燃烧效率低等问题[48-49]，如图 12所示。因此，解决这一矛盾是富氧燃烧的首要问题。
Haque等[31]讨论了几类燃烧技术在富氧燃烧条件下的适应性。其中，环保型燃烧器和微混燃烧器两类燃烧技术因其更宽的燃料选择范围和火焰稳定性被认为前景可观，且采用掺氢燃料更高效经济。Khallaghi等[48]发现高压条件下可以抑制CO2分解，且有利于H2O凝结和收集液态CO2，但附加能耗大。Liu等[50]通过模拟给出了火焰稳定且低排放的氧气稀释比例。Qian等[51]证实了分级燃烧可以减缓CO排放以及吹熄情况，提出CO2、O2分配比例及反应时间是燃烧中的关键参数。Gunnar等[52]研究了富氧燃烧联合循环，比较了两种工质湿度不同的联合循环并给出了最佳工质分配比例。
针对富氧燃烧室低负荷时的燃烧稳定性以及燃烧效率变差的问题，李苏辉等[51, 53]提出了分级给氧的富氧燃烧室概念，将燃烧室分为3个区：主燃区、燃尽区和掺混区(图 13)，根据负荷调节主燃区和燃尽区中的O2分配比例，优化主燃区燃烧温度，提高低负荷燃烧稳定性和燃烧效率，降低CO排放。
2) 超临界富氧燃烧。
近年来，超临界二氧化碳(supercritical CO2, sCO2)循环由于效率高、功率密度大、便于碳捕捉等优点，获得了快速发展。相应地，超临界富氧燃烧研究也获得了广泛关注。但是在超临界条件下进行富氧燃烧研究难度极大。CO2的临界点在7.4 MPa和31 ℃。目前提出的典型循环[54-55]远超这个参数，燃烧室压力在15~30 MPa，透平初温1 200 ℃时，燃烧室来流温度高达750~900 ℃。在这样高的参数下，不但实验研究很难实施，数值模拟研究也因缺乏相关数据而难以开展。
美国西南研究院联合GE、佐治亚理工学院等正在开发一个1 MW的燃烧室，用于演示和验证。为此，这些单位开展了一系列数值模拟研究[56-59]，提出了自着火模式的燃烧室设计(图 14)，并搭建了一个小型的燃烧室开展验证[59]。对于自着火模式，燃料与氧气的混合非常重要。Chowdhury等[60]借助液氧/甲烷火箭技术，开展了超临界富氧燃烧室的概念设计，提出了4个独立燃料和氧气喷嘴的设计，模拟研究表明燃料与氧气和工质可以均匀混合。Manikantachari等[61]提出了一种燃料与氧气喷射混合的方法，并使用贫燃模式降低CO排放。
与常规富氧燃烧相比，超临界条件下的富氧燃烧有很大不同：1) 分子间距与分子自由程相当，对分子间的作用和流动、传热、传质特性影响未知；2) 缺乏许多燃烧产物的热力学性质数据；3) 缺乏化学反应数据。Karimi等[62]发现，现有化学反应机理在高压下的自点火时间预测结果差异较大，Aramco2.0最接近实验数据，并且接近临界温度时，不能忽略真实气体效应。
总体来讲，sCO2富氧燃烧还刚起步，大部分研究处于概念阶段，以数值模拟为主，缺乏实验数据。在系统和循环设计、热力学分析、燃烧室概念设计与可行性验证、燃烧特性、CO排放特性、热声振荡特性、反应机理、热力学和传递性质等方面都需要开展大量的工作。以自着火模式的富氧燃烧室为例，其燃烧模式是传统的自着火稳定火焰还是柔和燃烧(无焰燃烧)，都还是未知。
1.10 增压燃烧最近几十年的燃气轮机效率的提高主要依靠循环参数，即透平初温和压比的提高。三菱J级燃气轮机透平初温高达1 600 ℃，不仅对透平叶片的材料和冷却提出了苛刻的要求，对NOx减排也带来很大挑战。可以预见，将来继续通过提高循环参数来提高效率的途径变得越来越困难。因此，有必要考虑新的循环方式，通过根本的技术变革，实现未来70%的联合循环效率。
现有的燃气轮机循环通过等压燃烧(实际是降压，考虑不可逆因素)加热工质。与之相比，通过等容燃烧(增压燃烧)加热工质可以达到更高的循环效率。如图 15所示，等容燃烧具有比等压燃烧更高的平均加热温度(mean-effective heat addition temperature，METH)，从而具有更高的理论Carnot效率[63]。但是，考虑到重型燃气轮机运行时巨大的、持续的空气流量，实现等容燃烧是很困难的。因此，有人提出了通过高频或持续的爆轰波实现增压燃烧的办法，即脉冲爆轰[64]和旋转爆轰[65]。由于脉冲爆轰需要周期性的开关阀门，需要解决许多机械上如何实现的问题，而旋转爆轰则没有这些问题。因此，近年来研究热点转向了旋转爆轰。
目前，旋转爆轰增压燃烧室的研究大多处于概念验证阶段，即如何产生持续的爆轰，并证实压力增加。由于爆轰波非稳态的本质特征，其对燃烧稳定性、压气机和涡轮的影响、污染物排放的影响还未知，需要深入研究。Anand和Gutmark[66]比较了各种增压燃烧方法的污染物排放，认为旋转爆轰的NOx排放低于其他增压燃烧方式，但是增压燃烧室中的污染物生成机理、甚至采样与计算方式等都与传统等压燃烧室中有很大不同，需要进一步研究，目前尤其缺乏CO排放方面的实验数据。关于旋转爆轰的研究近几年呈井喷式增长，相关进展请参考我国学者王建平和王兵等的综述[67-69]。
2 先进燃烧技术比较以上综述表明，相对于现有的技术，新型燃烧技术的变化可以归纳为4类：1) 改进各个燃烧器之间的组织与分级方式，比如在头部分级基础上增加了轴向分级；2) 改进单元燃烧器的性能，比如从强旋流改为低旋流或管式微混；3) 加强稀释、改变空气组分，比如烟气循环和富氧燃烧；4) 改变燃烧模式，比如催化燃烧、柔和燃烧和增压燃烧。表 1总结了这4类改进思路及其原理。至于哪一类更有效、哪一类更有发展潜力，还需要针对NOx排放、低负荷稳定性和燃料适应性这三大性能指标，开展具体分析。
| 改进思路 | 燃烧技术 | 原理 |
| 改进燃烧组织方式 | 轴向燃料分级轴向空气分级 | 增加燃料和空气分级调节自由度，减少高温区停留时间增加空气分级调节自由度，减少高温区停留时间 |
| 改进单元燃烧器 | 微混燃烧器低旋燃烧器 | 增强预混，减少回流降低火焰区流动速度，消除回流 |
| 加强稀释、改变空气组分 | 烟气回流富氧燃烧 | 降低O2浓度，提高CO2浓度消除N2这一NOx来源 |
| 改变燃烧模式 | 催化燃烧柔和燃烧增压燃烧 | 提高化学反应速率，减少N2参与反应几率降低燃烧温升利用等容燃烧提高效率 |
为便于分析和比较，本文总结了各种先进燃烧技术的成熟度和关键性能指标，并对其打分，归纳到表 2中。其中的技术成熟度参考美国航空航天局的定义：3为概念验证，5为部件级相关工况验证，7为整机验证，9为商业运行。以此为参照，其他技术性能指标也为1—9分，1分最差，9分最优，3分为现有的旋流+头部分级贫预混燃烧技术。以旋流+头部分级贫预混燃烧技术为基准，分为1—3、4—6、7—9三个等级，每级为一个代差。如果一项技术与现有基准相比有一个代差，例如轴向分级的NOx排放相比现有的旋流+头部分级贫预混燃烧技术有显著降低，可以支撑燃气温度上一个等级，分值加3。如果能够产生革命性的突破(例如柔和燃烧的NOx接近于0，相比现有技术有2个代差)，分值加6。如果只能产生较小的改善，不能产生代差，其分值加1或2。如果比现有贫预混技术还差，则减1或2。
| 燃烧技术 | 技术成熟度 | NOx排放 | 低负荷稳定性 | 燃料适应性 | 综合性能 | 综合性能增益 |
| 现有旋流+头部分级 | 9 | 3 | 3 | 3 | 3.0 | 0 |
| 轴向燃料分级 | 9 | 6 | 6 | 6 | 6.0 | 3.0 |
| 轴向空气分级 | 9 | 5 | 6 | 7 | 6.2 | 3.2 |
| 微混燃烧 | 9 | 6 | 1 | 6 | 4.3 | 1.3 |
| 烟气循环 | 5 | 6 | 1 | 3 | 3.6 | 0.6 |
| 催化燃烧(富燃) | 5 | 6 | 9 | 3 | 6.3 | 3.3 |
| 低旋燃烧 | 5 | 6 | 3 | 6 | 5.0 | 2.0 |
| 柔和燃烧 | 3 | 9 | 1 | 6 | 5.6 | 2.6 |
| 常规富氧燃烧 | 4 | 9 | 1 | 6 | 6.3 | 3.3 |
| 超临界富氧燃烧 | 3 | 9 | 1 | 6 | 6.3 | 3.3 |
| 增压燃烧 | 3 |
表 2中的综合性能得分为除技术成熟度之外的性能指标得分加权平均：
| $ {P_{\rm{t}}} = C \times \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}{P_i}} }}{n}. $ | (1) |
其中：Pt为综合性能得分，Pi为第i项技术性能得分，Wi为该项的权重，n为性能指标的数量，
式(1)表明，综合性能得分不但与各项性能得分相关，还与其权重相关。这些性能指标权重的选取，取决于具体的应用和研发需求。例如，如果电厂只想把燃气轮机作为基本负荷使用，那么低负荷稳定性权重就可以给得很低。如果电厂需要将燃气轮机作为调峰工具，随动补偿太阳能和风电波动，那么低负荷稳定性的权重就要增加。如果燃气轮机需要燃烧煤气化合成气，而气化炉的产气组分波动一般比天然气管道中的气体组分波动大，这时就要相应提高燃料灵活性的权重。本文最关注NOx排放性能，因此给其权重为1。可以预见，将来可再生能源大规模应用后，电厂对燃气轮机的随动补偿性能会有很高要求，因此将低负荷稳定性的权重设为0.8。而对于燃料灵活性的要求，目前看来比NOx排放和低负荷稳定性稍低，因此其权重设为0.6。
以现有旋流贫预混燃烧技术的综合性能得分为参考基准，还可以得到综合性能增益：
| $ P_{\rm{t}}^{\rm{G}} = {P_{\rm{t}}} - P_{\rm{t}}^{\rm{R}}. $ | (2) |
其中：PtG为某项燃烧技术成功实施后相对于现有基准技术的增益，PtR为基准技术(现有旋流+头部分级)的综合性能得分。式(1)和(2)可以作为一种分析方法，用于各种燃烧技术综合性能的比较，为技术路线和攻关方向的筛选提供参考依据。这里的打分只考虑技术性能，没有考虑经济成本和对系统的影响。
表 2显示，从综合性能增益看，轴向分级燃烧、催化燃烧和富氧燃烧(包括常规和超临界)这3项技术都超过了3分, 柔和燃烧也超过了2分。与表 1相联系，可知改变燃烧组织方式、燃烧模式以及空气组分这3种方法对综合性能有最大的提升。但如果考虑到经济成本，富氧燃烧和催化燃烧的得分会有所降低。而单独改变燃烧器对总体性能的提升有限，比如微混燃烧和低旋燃烧。单纯的稀释(EGR)对性能提升更小。
从单项性能得分看，只有轴向燃料分级和轴向空气分级的每项都超过了5分，其中又以轴向燃料分级最为均衡，每项都是6分。其他技术尽管在个别指标上表现特别突出，但在某些方面也特别低。例如柔和燃烧与富氧燃烧的NOx性能有9分，但其低负荷稳定性只有1分，这两种燃烧技术在各方面性能的均衡性上不如轴向分级燃烧。此中原因还要结合燃烧室各项性能的相互关系和表 1来分析。
如图 16所示，燃烧室的运行窗口必须兼顾各方面性能，而这些性能之间是相互影响、甚至是相互矛盾的。以NOx排放和低负荷稳定性为例，为了降低NOx排放而采用的预混燃烧和空气稀释，会导致低负荷时燃烧温度过低，从而产生很高的CO排放，甚至导致熄火，即低负荷稳定性差，严重时甚至引起燃烧振荡。同样，预混燃烧容易受燃料组分(或Wobbe数)变化的影响，发生熄火或回火，表现为燃料灵活性变差。因此，为兼顾各方面性能，需要同时运用多种燃烧技术。
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| 图 16 满足各项性能约束的燃烧室运行窗口示意图 |
表 1对各项燃烧技术的拆分表明，轴向分级是在原有贫预混燃烧基础上增加了轴向分级的自由度，即旋流燃烧、预混燃烧、空气稀释、头部分级和轴向分级等5种燃烧技术的组合。这5种燃烧技术分别针对燃烧室某方面的性能进行优化，从而达到综合性能的优化和均衡。而柔和燃烧、富氧燃烧等技术在单方面改变很大，却忽视了多方面的综合平衡。比如柔和燃烧改变了燃烧模式，从高温升火焰改为无焰燃烧，虽然带来了NOx排放极低的好处，但也降低了低负荷稳定性。由此可见，为满足多种应用场景的需求，考虑到各方面性能的平衡，多项燃烧技术的组合依然是未来燃气轮机燃烧室的发展路线。
3 未来技术发展路径根据表 2的性能得分，可以分析比较各项技术的优缺点，提出适用于下一代高效低排放燃气轮机的技术发展路线，并进一步考虑未来碳减排的需要，探讨有潜力的技术发展路线。
3.1 下一代燃气轮机燃烧技术技术路线的选择，不但要考虑实施后的性能增益，还要考虑实施的难易程度。而技术成熟度可以作为一个实施难易程度的参考。技术成熟度越高，意味着研发风险越低，研发周期越短。因此，以综合性能增益为横轴，以技术成熟度为纵轴，将上述各技术显示在图 17中。
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| 图 17 各项燃烧技术综合性能与技术成熟度比较 |
其中增压燃烧各项性能未知，不参与评比。以性能增益得分2和技术成熟度5为分界线，可以将这10项燃烧技术分布在4个区域。右上角的区域代表性能好、技术成熟度最高(研发风险低)，应该作为优先发展路线；右下角的区域代表性能好，但是离商业应用还有相当距离，还需要深入研究和验证；左上角可以作为辅助方法考虑，左下角不值得考虑。
燃料轴向分级和空气轴向分级技术成熟度最高，已经实现商业运行，研发风险最小。改变燃烧模式(如催化燃烧)也有很高的增益，但其技术成熟度较低，实施中有很多不确定性，需要在整机上充分验证。改变空气组分的方法(富氧燃烧)虽然增益非常高，但需要有空气分离装置，显著降低系统效率。如果不考虑碳捕捉的需要，则没必要使用富氧燃烧。
以上分析表明，通过增加分级和燃烧器组合来改变燃烧组织方式最容易实现，也能得到很好的效果。因此，轴向分级是我国研制下一代燃气轮机的首选技术路线。
此外，表 1中的4类改进方法，有些可以联合使用以达到最大增益。正如在节2.2中分析过的，轴向分级燃烧是在旋流预混+头部分级的基础上增加了轴向分级的自由度，从而获得了很好的性能改善。参照这个思路，可以考虑改进轴向分级燃烧室中的单元燃烧器，以期获得更大的性能增益。微混燃烧器和低旋燃烧器是2个很好的选择，不但能够进一步降低NOx排放，还适合高氢燃料。因此，综合考虑下一代燃气轮机NOx减排和燃氢的需要，当前应该大力发展以微混燃烧器或低旋燃烧器与轴向分级相结合的路线。考虑到微混燃烧器的技术成熟度比低旋燃烧器高，微混燃烧器与轴向分级的路线应是最优路线。
其他的燃烧技术也可以参照这个思路进行改进，强化增益，弥补缺陷。比如催化燃烧的性能得分很高，尤其是适合反应活性低的燃料，但是存在催化剂受热失效的问题。可以与轴向空气分级相结合，将催化剂置于富燃区，降低催化剂温度，并且防止回火。
柔和燃烧的得分也比较高，但其技术成熟度还很低，需要进一步在相关条件(高压)下展开研究。可以考虑与烟气循环结合，在燃烧室内部实现烟气循环，加热并稀释反应物，达到无焰燃烧条件。
增压燃烧在提高效率方面有独特的优势，如果能够实现，则是一种颠覆性的技术，但是目前技术成熟度最低，还需要在基础研究和概念验证方面开展更多工作，阐明其机理问题。
3.2 适用于碳捕捉的燃烧技术与燃烧相关的碳捕捉方法，可以分为两类[70]: 1) 燃烧前捕捉，即脱除碳氢燃料的碳进行捕捉，燃料转化氢燃料后进行燃烧；2) 燃烧后碳捕捉，即将燃烧产物中的CO2分离出来进行捕捉。本文针对这两类方法，分别讨论适用的燃烧技术。
适用于燃烧前碳捕捉的燃烧技术需要能够燃烧氢燃料。目前可行性比较大的是氢气和氨气。这两种燃料的燃烧特性迥异。氢气活性非常高，强旋流预混燃烧中极易发生回火。而氨气活性很低，极易熄火，而且由于燃料氮的存在，贫预混燃烧的NOx排放很高。由此可见，现有的强旋流贫预混燃烧技术不适合这两种氢燃料。
对于氢气，需要考虑燃烧时的回火问题。相对于强旋流燃烧器，微混燃烧器的回流区很弱，甚至没有。再加上管壁的淬灭效应，管式微混燃烧器有很好的抗回火能力，可以考虑将其与轴向燃料分级技术联合，降低头部的燃料空气比，避免回火。此外，富燃(氧气不足)可以有效避免回火，适合高氢燃料[50]。因此，可以进一步用管式微混燃烧器与RQL结合，获得更好的抗回火能力。
EGR与富氧燃烧可以富集燃烧产物中的CO2，提高碳捕捉效率。尤其是富氧燃烧，在碳减排方面有优势，需要加大研究投入。其中常规富氧燃烧需要进一步在部件级试验台开展满负荷工况的验证，而超临界富氧燃烧则需要集中在概念研究和燃烧器规模的验证，解决基础科学问题。富氧燃烧可以与分级燃烧或催化燃烧相结合，以改善其低负荷稳定性和燃烧效率。
除了这些常规的燃烧手段，还可以考虑将燃烧与燃料电池相结合，在提高碳捕捉效率的同时，提高系统的能源转换效率。燃料电池的氧化剂与燃料有物理隔离，反应产物中的CO2与空气中的氮气是分离的，十分有利于碳捕捉。而且，燃料电池的能源转换效率比燃气轮机高，NOx排放很低。但是，燃料电池对燃料的要求比较高，不能使用传统的碳氢燃料，如天然气。因此，可以将RQL燃烧室与燃料电池相结合，组成RFQL (rich-burn, fuel cell, quick mix, lean-burn) 融合式燃烧室[71]。如图 18所示，碳氢燃料在富燃区转化为CO与H2，进入燃料电池中反应。未反应完全燃料可以进入燃烧室的贫燃区进一步燃烧，产生的热量驱动涡轮和压气机，为RFQL提供空气。
4 结论
本文基于未来的环保要求和碳减排趋势，分析了燃气轮机的技术发展趋势。结果表明，目前基于强旋流+头部分级的贫预混燃烧室已经不能满足未来燃气轮机在NOx排放、宽负荷运行性能和燃料适应性等方面的发展需求。必须发展新的燃烧技术，以适应未来燃气轮机发展的要求，即提高效率的同时降低污染物排放，拓宽燃料适应性和低负荷运行稳定性，并降低碳捕捉成本。
为此，本文对10种先进燃烧技术展开综述，从原理、技术成熟度、污染物排放等多个方面分析其发展现状和应用前景，并提出下一步需要研究的问题。在此基础上，拆解分析各项技术的原理，讨论未来燃气轮机燃烧技术的发展方向。考虑到多方面性能的平衡，未来先进燃烧室将是多种燃烧技术的组合。进一步提出了一种评价方法，定量分析和比较各技术的综合性能和实施难易程度，为技术路线和攻关方向的筛选提供参考依据。轴向分级与微混燃烧相结合可以作为目前的技术主攻方向。为降低风险，可以分两步走：第一步实现轴向分级，第二步实现微混燃烧。该方案的实施，能够满足短期内降低NOx排放和拓宽可调比、提高燃氢能力的要求。
考虑到未来碳减排及进一步提高效率的发展趋势，富氧燃烧、催化燃烧、增压燃烧以及轴向分级-燃料电池融合是值得研究的重点方向。尤其是超临界富氧燃烧、增压燃烧和轴向分级-燃料电池融合，技术成熟度很低，需要在基础研究和关键技术验证上持续投入。
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