燃氣輪機燃燒爆炸性和排放性能的研究

魯文超+徐朝鶴

摘 要：燃氣輪機燃燒室工作時，由于局部高溫會產生大量的NOx且易產生爆炸現象。本文對預混火焰的發展過程、傳播特性、管道內預混燃燒的Tulip火焰等進行了簡要的分析，以及對NOx減排技術的介紹。

關鍵詞：預混火焰介紹；Tulip形成；NOx的排放控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.062

1 預混火焰介紹

預混火焰是一種非常基礎的燃燒現象，根據燃燒機制的不同可分為層流和湍流預混火焰。在燃氣輪機燃燒室中，采用預混燃燒可以降低燃燒室的溫度和降低NOx的排放。燃燒室是燃氣輪機最主要的部件之一，其中既有氣動、熱力學等物理問題，又包括許多復雜的化學反應問題。所以不僅要求高效，更是要穩定、安全，溫度的控制顯得尤為重要；同時隨著社會對于環保問題的愈加重視，各國對于NOx的排放標準也越來越嚴格。

總的來說，預混氣體在燃燒室中一般采用貧燃料燃燒。燃燒室是一個密閉的空間，燃燒過程產生的聲音會受到邊界的反射，與燃燒相互作用產生熱聲不穩定性。總之，溫度、當量比、穩定性等一系列因素都是預混火焰在燃燒室中燃燒應該解決的問題。

2 預混火焰的點火與發展過程

整個點火與發展的過程，開始是未燃區，氣體在這里混合均勻后向預熱區流動，預熱區內氣體受熱膨脹，密度迅速減小，并在獲得足夠的能量后燃燒。反應區在整個空間內只占很小的一部分，混合氣體快速反應完全，并向平衡區運動。溫度達到最大值，密度最小，體積膨脹，隨后從燃燒室排出進入透平做功。

3 層流火焰傳播分析

對于球形腔室，電火花在球心處點燃均相混合物，并形成想外傳播的均相火焰。未燃物來流法相速度-火焰面速度=火焰速度。所以，火焰速度并不是我們實際觀測到的火焰面的移動速度。

Tulip火焰的形成是流動與火焰共同作用的結果，標志著火焰從層流走向湍流的轉變，對防止火災爆炸事故的發生有重要作用。

4 對排放量的控制

（1）目前的燃氣輪機為了更高的效率，常常需要燃燒室在高溫高壓下工作，這會造成NOx排放量的增加；所以為了減少NOx的排放，首先就需要將燃料和空氣盡可能均勻地混合，混合的越均勻，就越能夠減少氮氧化物排放。因此研究者開發出這樣一種裝置（如圖1），利用LIF（激光誘導熒光）技術，通過對一種共振激發出的特征光譜檢測，來評價混合物的均勻度。他們認為液體燃料的預混燃燒為NOx的減排提供了一種可能性，而燃料與空氣的均勻混合對于減排有明顯的作用。一般傳統的測量方式都是針對廢氣來進行測量，但是LIF測量卻可以在一個更大的時間、空間尺度上進行檢測，更是可以針對一些特殊的物質進行含量測定；同時它使得燃料-空氣含量的測定成為可能。通過安置靜態混合器使得大的燃料渦流破碎成小的湍流模式，使得燃料沿橫截面均勻分布，來達到減排的目的。

（2）一般認為，貧燃料的預混燃燒是減少氮氧化物排放的有效方法，但是貧燃料燃燒存在很多問題，例如回火、自燃以及燃燒穩定性不好。在未來應用前景不容樂觀。所以，非預混燃燒實現低NOx的研究開始進展。

目前新設計的燃燒室采用螺旋火焰燃燒的方式，來實現更高的燃燒穩定性，同時防止自燃和回火等麻煩。螺旋火焰燃燒本質上屬于擴散燃燒，其基本原理是采用一種特殊的分級燃燒技術，在燃燒室的前段采用富油燃燒，燃燒產物中含有大量的氧化物和烴，不經過進一步處理不能從燃燒室直接排排出。所以要通過補氣孔通入空氣做進一步燃燒。補氣孔通入的空氣是燃燒室一部分的溫度急劇下降，產生所謂的猝熄效應。在發生猝熄效應的區域與穩定燃燒的區域交匯處，產生了強勁的漩渦流。強大的剪切力形成一個渦旋流，并且產生火焰拉伸現象，伴隨著溫度的驟降。從而在燃燒室出口部創造出貧油燃燒環境，使燃燒室排出的物質主要成分以二氧化碳、水、氮氣和氧氣為主，也降低了氮氧化物和一氧化碳等污染物的排放。

所以總體上說，螺旋火焰燃燒室在減少NOx排放方面有著令人滿意的表現。可以減少約50%的NOx的排放，并且能夠使火焰更加均勻，防止局部高溫。同時其他方面的一些優化也可以使這些優點進一步擴大。

（3）鈀化催化劑影響燃燒活動的參數，當然，這種燃燒方式也存在一些問題。例如材料科學沒有得到充分的發展，還不能有效得到良好的耐高溫材料和催化劑；又比如僅僅是緩慢的中毒或少量的毒藥痕跡都可能會導致催化劑的識貨。這些限制在一些方面有阻礙了甲烷催化燃燒的推廣。

Tulip火焰的形成對防止火災爆炸事故的發生有重要作用。NOx的排放對環境問題影響重大，對于NOx排放的檢測和控制一直是一個重大的科研課題。希望以上見解有益于安全與環境領域的技術創新，更希望我國燃氣輪機能發展成為熱機中的一支勁旅。

參考文獻：

[1]MEASUREMENT OF THE MIXING QUALITY IN PREMIX COMBUSTORS.

[2]Development of Low NOx Diffusive Burner Applying Spiral Flame Combustion.2003

[3]CATALYTIC COMBUSTION OF METHANE.

[4]趙士杭.燃氣輪機結構[M].清華大學出版社，1983.

[5]翁史烈.燃氣輪機性能分析[M].上海交通大學出版社，1987.

[6]孫金華，劉洋.Tulip火焰形成過程中的細微結構特性[J].燃燒科學與技術，2008.

作者簡介：魯文超（1996-），女，山東滕州人，本科，學生，主要研究方向：機械。