微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室性能影響因素的探討

趙立志 汪軍

摘要：針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室性能的各種影響因素（進(jìn)氣條件、燃料熱值、燃燒室結(jié)構(gòu)等）對(duì)燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率的影響，介紹了國內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，分析了燃燒室主要污染物的生成機(jī)理和影響因素，以及降低氮氧化物排放濃度的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：微型燃?xì)廨啓C(jī);燃燒室;燃燒效率;燃燒穩(wěn)定性;氮氧化物;排放濃度

中圖分類號(hào)：TP392文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

微型燃?xì)廨啓C(jī)（micro-turbine或micro gasturbine，MGT）是一種以燃料（燃?xì)饣蛉加停┖涂諝鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率一般在25～300kW之間，并具有多臺(tái)集成擴(kuò)容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動(dòng)、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，被廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電、備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)以及民用和軍用交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一，位于壓氣機(jī)與渦輪之間，主要由擴(kuò)壓器、火焰筒、燃料噴嘴、旋流器、點(diǎn)火裝置以及燃燒室殼體等部件組成。在燃燒室內(nèi)進(jìn)行的燃燒反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括燃料與空氣的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等。由壓氣機(jī)出來的空氣首先經(jīng)過燃燒室頭部的擴(kuò)壓器，使空氣入口壓力達(dá)到進(jìn)入燃燒室的工作壓力，經(jīng)過旋流器后與由噴嘴進(jìn)入的燃料混合燃燒，形成高溫高壓燃?xì)猓龠M(jìn)入透平中膨脹做功。整個(gè)燃燒過程將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。確保在此過程中燃燒穩(wěn)定，提高燃燒效率，降低NOx排放濃度已成為目前對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室研究的重點(diǎn)。

1國內(nèi)外微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國外燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展史可追溯到20世紀(jì)30年代。1939年第一臺(tái)發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)和航空燃?xì)廨啓C(jī)先后研制成功。微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，比重型燃?xì)廨啓C(jī)晚了20多年。在1995年美國動(dòng)力年會(huì)上，AlliedSignal、Capstone和Elliott等公司各自推出了25～75kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)，其性能參數(shù)如表1所示。2003年在美國召開了機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）年會(huì)，從各廠商發(fā)布的微型燃?xì)廨啓C(jī)信息中可看出，當(dāng)時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)已有了較大發(fā)展。

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，微型燃?xì)廨啓C(jī)在結(jié)構(gòu)方面也有了較大的改變。為了減小整個(gè)機(jī)組的質(zhì)量和尺寸，采用高速永磁發(fā)電機(jī)中的空氣軸承代替滾動(dòng)軸承;為了提高機(jī)組的熱效率，采用高效緊湊型回?zé)崞?為了提高燃燒效率，采用陶瓷、硅等耐高溫材料提高燃燒室入口溫度。美國Capstone公司已成功研制了型號(hào)為C30、C65和C200的微型燃?xì)廨啓C(jī);Honeywell公司研發(fā)了75kW的Parallon75型微型燃?xì)廨啓C(jī);英國Bowman公司研發(fā)了35、60和80kW的微型燃?xì)廨啓C(jī);瑞典Turbec公司研制了100kW的T100型微型燃?xì)廨啓C(jī)。這些產(chǎn)品均已投放市場(chǎng)，并得到廣泛應(yīng)用。

相對(duì)而言，國內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究和應(yīng)用起步較晚，最初是購買國外樣機(jī)開展試驗(yàn)研究。“十五”期間開展863計(jì)劃專項(xiàng)“100kW微型燃?xì)廨啓C(jī)研制”，并成功研制了型號(hào)為WDR100的微型燃?xì)廨啓C(jī)。該燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)發(fā)電功率為100kW，發(fā)電效率不低于29%;熱電聯(lián)供熱效率達(dá)到80%以上。上海交通大學(xué)成功研制了20kW微型燃?xì)廨啓C(jī)，并與澳大利亞聯(lián)邦研究院和上海航天能源股份有限公司合作，成功研制了30、50kW低熱值微型燃?xì)廨啓C(jī)，與上海理工大學(xué)合作建成了微型燃?xì)廨啓C(jī)能源島供能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。2015年由中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司下屬哈爾濱東安科技開發(fā)公司成功研制了我國首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的WDl8微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，填補(bǔ)了國內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展史上的空白。該機(jī)功率為18kW，具有體積小、重量輕、發(fā)電速度快、發(fā)電品質(zhì)高、突加載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，我國目前市場(chǎng)上所供應(yīng)的大部分微型燃?xì)廨啓C(jī)仍以國外進(jìn)口為主，主要是美國Capstone公司的產(chǎn)品，國內(nèi)應(yīng)用近200臺(tái)。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)做了大量研究工作，具備了一定的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，但可實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的還較少，仍需進(jìn)一步研究核心技術(shù)以降低生產(chǎn)和研發(fā)成本，提高能源利用效率，才能真正將微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品推向國內(nèi)外市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

2燃燒室的技術(shù)特性指標(biāo)

在燃燒室研究與開發(fā)中，通常使用各種技術(shù)特性指標(biāo)衡量燃燒室工作性能的優(yōu)劣，如：燃燒效率、總壓保持系數(shù)、出口溫度分布不均勻系數(shù)、燃燒穩(wěn)定性、污染物排放濃度和使用壽命等。

一般情況下，在單個(gè)燃燒室機(jī)組中，燃燒室出口最高溫度不能比出口平均溫度高60～80℃;在多燃燒室同時(shí)運(yùn)行的機(jī)組中，還應(yīng)確保每個(gè)燃燒室出口的溫度偏差不超過15～20℃。

2.4燃燒穩(wěn)定性

燃燒穩(wěn)定性是燃燒室的一個(gè)重要性能指標(biāo)，它要求在各種可能遇到的工況下燃燒室均能維持燃燒，既不會(huì)熄火也不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的火焰脈動(dòng)。燃燒室存在兩種熄火現(xiàn)象：富油熄火，即過量空氣系數(shù)低于富油熄火極限時(shí)發(fā)生的熄火現(xiàn)象;貧油熄火，即過量空氣系數(shù)高于貧油熄火極限時(shí)發(fā)生的熄火現(xiàn)象。位于這兩個(gè)界限之內(nèi)的即為穩(wěn)定燃燒區(qū)。一般來說，貧油熄火極限與富油熄火極限之間的差值越大，燃燒穩(wěn)定性越好。

通常在燃?xì)廨啓C(jī)中不會(huì)發(fā)生富油熄火現(xiàn)象，只會(huì)出現(xiàn)貧油熄火，因此也可以用貧油熄火極限衡量燃燒穩(wěn)定性。一般要求燃燒室的貧油熄火極限至少大于25才能適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的工作需求。

2.5污染物排放量

燃燒室排氣中的污染物主要由NOr、CO、UHC（未燃碳?xì)浠衔铮┖兔盁熃M成。隨著環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，有效控制燃燒室污染物排放濃度已成為衡量燃燒室性能的重要指標(biāo)之一。美國環(huán)保局規(guī)定：燃用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)，其NO，排放體積分?jǐn)?shù)不能高于2.5×10⁵m³·m³，CO排放體積分?jǐn)?shù)不能高于5.0×10⁵m³·m³。相較于燃用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)，燃用液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)允許排放濃度的要求要低得多。

2011年，北京市頒布了固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DBll/847-2011），規(guī)定了NOr最高允許排放質(zhì)量濃度為30mg·m^-3，SO2最高允許排放質(zhì)量濃度為2mg·m^-3，煙塵最高允許排放質(zhì)量濃度為5mg·m^-3。為了更好地適應(yīng)未來的發(fā)展，應(yīng)盡快立法，制定全國統(tǒng)一的燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.6使用壽命

不同類型燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命差距較大。固定式燃?xì)廨啓C(jī)由于其燃燒強(qiáng)度較低，使用壽命較長，一般為20000～30000h;地面運(yùn)輸式機(jī)組使用壽命大約為1000～1500h;而航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒強(qiáng)度大，使用壽命僅為300～800h。

燃?xì)廨啓C(jī)失效的主要原因是燃燒室中高溫元件損壞。火焰筒壁面溫度高低對(duì)燃燒室的壽命有著決定性的影響。一般，規(guī)定火焰筒壁面溫度要低于材料長期工作所能承受的溫度水平。對(duì)于工作壽命要求較長的燃燒室，最好能把溫度控制在650～700℃左右，但在某些工作壽命較短的燃燒室中，壁面最高溫度可能會(huì)超過850℃，甚至局部最高溫度會(huì)達(dá)到900℃。同時(shí)，火焰管的溫度分布均勻程度對(duì)使用壽命也有較大的影響。在溫度分布不均勻處，火焰管容易變形或開裂，導(dǎo)致其使用壽命降低。

3燃燒室性能影響因素分析

隨著微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展和功率的提高，為了保證在高溫、高壓工作環(huán)境下達(dá)到低排放、長壽命、高可靠性的指標(biāo)要求，燃?xì)廨啓C(jī)的相關(guān)研發(fā)工作主要集中在提高燃燒初溫、提高熱效率和降低NOx排放濃度。提高燃燒初溫的關(guān)鍵在于提高動(dòng)靜葉片的耐高溫性能;而對(duì)于提高熱效率和降低NOx排放濃度，可從進(jìn)氣條件、燃料類型、燃燒室結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究。

3.1進(jìn)氣溫度的影響

進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒室性能影響較大。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著燃燒室進(jìn)氣溫度上升，燃燒效率顯著提高，燃燒室出口氣流溫度分布不均勻系數(shù)減小;同時(shí)燃燒室出口CO、UHC排放濃度顯著降低。但由于熱阻增大，總壓保持系數(shù)有所降低。此外，當(dāng)進(jìn)氣溫度超過一定值后，若繼續(xù)提高進(jìn)氣溫度，燃燒效率的提高則變得緩慢。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，隨著進(jìn)氣溫度上升，燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率加快，使得燃燒過程在更短的時(shí)間內(nèi)完成，且由于燃料流量減少，燃燒室過量空氣系數(shù)增大，使氧氣濃度上升，促進(jìn)了燃料的完全燃燒;另一方面，隨著進(jìn)氣溫度上升，燃燒反應(yīng)速率變快，火焰長度變短，高溫燃?xì)馀c空氣摻混更加均勻。因此，燃燒室出口溫度分布更加均勻，溫度分布不均勻系數(shù)更小。但當(dāng)進(jìn)氣溫度超過一定值后，其對(duì)燃燒室燃燒效率的影響越來越弱。

3.2燃料熱值的影響

微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料一般為天然氣或柴油。鑒于全球石油儲(chǔ)備減少和能源價(jià)格上漲，為保障可持續(xù)發(fā)展，需要開發(fā)新能源以替代常規(guī)能源。因此，有必要開展對(duì)替代能源的研究和應(yīng)用，以及燃用替代燃料對(duì)燃燒室性能的影響研究。國內(nèi)外很多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)燃用不同熱值燃料的燃燒室性能進(jìn)行了研究，并對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

燃料熱值高低對(duì)燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率影響較大。氫氣作為一種優(yōu)質(zhì)燃料，在燃燒室燃燒時(shí)具有熱值高、反應(yīng)時(shí)間短、蒸發(fā)快、擴(kuò)散快、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)。Robbio以美國Capstone公司的C30為模型建模，將燃料改為氫氣與天然氣的混合物，研究發(fā)現(xiàn)：隨著氫氣占總?cè)剂媳戎氐牟粩嗌仙剂蠠嶂瞪撸紵侍岣撸襈Ox排放濃度降低。曹常青等設(shè)計(jì)了一種以富氫合成氣為燃料的100kW級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，并對(duì)燃燒室內(nèi)部冷熱流場(chǎng)、燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性等進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：該燃燒室燃燒效率高達(dá)99%，燃燒基本穩(wěn)定，滿足燃燒室的設(shè)計(jì)要求。Laranci等以Elliott公司T80微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為模型建模，對(duì)分別燃用兩種不同燃料（天然氣和植物油）的燃燒室性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：由于植物油熱值較低，從功率和燃燒效率的數(shù)據(jù)對(duì)比分析來看，天然氣的相應(yīng)參數(shù)比植物油的參數(shù)高出40%左右。

針對(duì)生物質(zhì)氣、低熱值合成氣等燃料燃燒效率低的問題，許多學(xué)者對(duì)燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。張巍等將生物質(zhì)氣應(yīng)用于原本燃用天然氣的C30微型燃燒室，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明：由于生物質(zhì)氣熱值較低，降低了主燃區(qū)溫度，顯著降低了NOx排放濃度，但局部高溫區(qū)變大;流場(chǎng)前部流速加大，高溫燃?xì)庵苯記_擊內(nèi)筒壁，且出口溫度不均勻系數(shù)變大;這些問題仍需在后續(xù)研究中進(jìn)行改進(jìn)。Sadig等針對(duì)兩種不同成分的生物質(zhì)氣進(jìn)行研究，在雙燃料模式下采用軸向和徑向兩種注入方式，并采用分級(jí)燃燒方式，有效提高了燃燒效率。

研究表明，可采取以下措施改善燃料熱值對(duì)燃燒室內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率的影響：

（1）適當(dāng)改變摻混孔布局，減少摻混孔數(shù)量，以提高燃燒室出口溫度。

（2）適當(dāng)延長燃燒室軸線長度，使高溫燃?xì)馀c空氣在燃燒室內(nèi)混合更加均勻，增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性，減小出口溫度分布不均勻系數(shù)。

（3）盡量將燃燒工況維持在滿工況狀態(tài)，并改進(jìn)燃燒室外壁的冷卻效果。

3.3燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室性能的影響

3.3.1噴嘴

在燃用液體燃料的微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，燃料噴射、霧化以及與空氣的預(yù)混均勻程度對(duì)燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率有著決定性作用。一般而言，液體燃料的霧化效果好，霧滴顆粒越細(xì)且均勻，燃燒效率越高。傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的噴嘴有離心式噴嘴、空氣霧化噴嘴、甩油盤噴嘴和蒸發(fā)管噴嘴。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，在燃用液體燃料時(shí)必須確保在有限空間中迅速實(shí)現(xiàn)液體燃料的噴射、霧化和預(yù)混燃燒，所以，為了確保燃燒穩(wěn)定性，提高燃燒效率，需要對(duì)原噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的開發(fā)，許多學(xué)者研發(fā)了新型噴嘴或?qū)鹘y(tǒng)噴嘴進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)和優(yōu)化。為了滿足某微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行400h的長試要求，馮占祥設(shè)計(jì)了一種燃油噴嘴，填補(bǔ)了我國在空氣霧化噴嘴技術(shù)上的空白;崔運(yùn)靜等在Danfoss噴嘴基礎(chǔ)上通過外加渦旋方式進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在加入外部渦旋的情況下可增大噴嘴的出口霧化角，降低內(nèi)部霧滴碰撞再聚合的機(jī)率，保證燃燒室內(nèi)燃燒穩(wěn)定性;由于傳統(tǒng)噴嘴具有固定的旋流數(shù)，所以在低功率工況下會(huì)對(duì)燃燒性能產(chǎn)生影響。針對(duì)該問題，徐永國等設(shè)計(jì)了一種可在相同雷諾數(shù)下得到不同旋流數(shù)的渦旋式噴嘴，并采用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了其在低功率工況下的燃燒效率，為噴嘴設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。光輝等設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的離心式多孔蒸發(fā)管噴嘴，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)進(jìn)入蒸發(fā)管的溫度高于480K時(shí)，蒸發(fā)率達(dá)到100%。Rajpara等在現(xiàn)有燃燒室模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模，采用反向燃油噴射方式加強(qiáng)燃料與空氣的摻混，研究表明：噴嘴長度對(duì)摻混效果、停留時(shí)間和污染物排放濃度有較大影響，并存在一個(gè)最佳噴嘴長度使燃燒效率和總壓恢復(fù)系數(shù)達(dá)到最佳。

3.3.2旋流器

當(dāng)氣流流經(jīng)旋流器時(shí)，氣體的流動(dòng)狀態(tài)由軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心力作用下形成低壓區(qū)，從而形成一個(gè)回流區(qū)穩(wěn)定燃燒。旋流器還可增大氣流和燃油的相對(duì)速度，優(yōu)化油滴霧化和與空氣的預(yù)混，同時(shí)為燃燒室頭部提供適量空氣，保證燃燒室頭部具有合適的余氣系數(shù)，所以旋流器的選取在燃燒室設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

旋流強(qiáng)度決定了氣流的旋流流動(dòng)。流場(chǎng)中回流區(qū)的形成、發(fā)散角度以及氣體在燃燒室中的停留時(shí)間均取決于旋流強(qiáng)度。傳統(tǒng)的單級(jí)旋流器已不再適用于高推質(zhì)比發(fā)動(dòng)機(jī)，雙級(jí)旋流器以及三級(jí)旋流器正逐步取代單級(jí)旋流器。我國部分學(xué)者對(duì)雙級(jí)旋流器和三級(jí)旋流器的旋向進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：在雙級(jí)旋流器中，旋向相反時(shí)氣流摻混造成較大的能量損失，空氣與燃料的摻混效果變差，且由于預(yù)混效果變差導(dǎo)致高溫區(qū)增大，NOx排放濃度增大，出口溫度分布不均勻系數(shù)增大，燃燒性能不如旋向相同時(shí);但在三級(jí)旋流器中，當(dāng)中間級(jí)旋流器和外級(jí)旋流器與內(nèi)級(jí)旋流器旋向不同時(shí)，空氣與燃料預(yù)混均勻性較好，燃燒性能更佳。在對(duì)旋流器的研究中還發(fā)現(xiàn)，通過改變旋流器安裝角度可改變旋流數(shù)大小，選擇適當(dāng)?shù)男鲾?shù)能維持流場(chǎng)和燃燒的穩(wěn)定性;當(dāng)旋流數(shù)過低時(shí)不會(huì)形成回流區(qū)，燃燒穩(wěn)定性較差;但當(dāng)旋流數(shù)過高時(shí)噴嘴處氣體過于稀薄，回流區(qū)氣體容易向上游直沖導(dǎo)致回火，使燃燒過程存在安全隱患。

3.3.3其他結(jié)構(gòu)

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有較大影響。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者均致力于優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改善性能。Farokhipour等在燃燒室內(nèi)設(shè)置了一些噴水噴頭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燃燒性能有了較大改善，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同的噴頭位置、方向和水的質(zhì)量流率下的燃燒性能進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：當(dāng)噴頭位于主燃區(qū)末端、噴射角度α=120°、水的質(zhì)量流率為1kg·s^-1。時(shí)，燃燒性能達(dá)到最佳。Xing等將一個(gè)可調(diào)節(jié)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用于某-30kW級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)中，通過改變可調(diào)節(jié)燃料特征數(shù)u進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明，隨著u增大，總壓保持系數(shù)不變，出口溫度分布不均勻系數(shù)減小，且燃燒效率逐漸增大，最大可達(dá)99.995%。De Paepe等在Turber T100微型燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的濕式燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)概念，在燃燒室中進(jìn)行廢熱回收優(yōu)化;由于廢熱回收增加，在恒定轉(zhuǎn)速時(shí)有更高的電力輸出或在輸出相同電能時(shí)燃料消耗更少，使發(fā)電效率更高。Peng等以氫氣為燃料，采用非預(yù)混燃燒方式，研究壁厚和多孔介質(zhì)對(duì)圓柱形微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室性能的影響，結(jié)果表明：設(shè)置多孔介質(zhì)或增加壁厚可增強(qiáng)熱傳遞，提高燃燒穩(wěn)定性，有利于改善外壁溫度和提高能源利用率。Ansari等研究了一臺(tái)帶有擋板和圓柱組合的新型平面微型燃?xì)廨啓C(jī)，結(jié)果表明：擋板厚度決定了火焰位置;圓柱直徑較小或擋板與圓柱間距過小時(shí)會(huì)影響燃燒穩(wěn)定性;擋板長度和壁面導(dǎo)熱率能有效改善燃燒效率和熵產(chǎn)。

4No，排放濃度的影響因素及控制措施

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在燃燒過程中產(chǎn)生的污染物主要有CO、CO2、SOx、UHC以及NOx等。其中CO和UHC來源于燃料的未完全燃燒，CO2來源于燃料與O2之間的氧化反應(yīng)，SOx來源于燃料中s元素與O2之間的反應(yīng)，NOx來源于空氣中N2與O2，之間的反應(yīng)。在NOx排放濃度的問題上，美國、日本等發(fā)達(dá)國家要求將其排放質(zhì)量濃度限制在2.5mg·m^-3以下;相對(duì)而言，我國對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的排放限制較寬，要求NO，最大排放質(zhì)量濃度為30mg·m^-3。

4.1NOx的形成機(jī)理

燃燒過程中產(chǎn)生的NOx可分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。，其中NO約占95%。熱力型NOx是指在高溫條件下O2與N，發(fā)生反應(yīng)生成NO，是燃燒過程中NO形成的主要來源。熱力型NOx的生成與燃燒區(qū)溫度、氧氣濃度以及反應(yīng)物在燃燒區(qū)的停留時(shí)間等密切相關(guān)。當(dāng)燃燒區(qū)溫度超過1800℃時(shí)，其排放濃度將急劇增大。快速型NOx是碳?xì)浠衔锶剂戏纸獬蒀H、C2H、CH2等基團(tuán)后與N，經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)后生成的NO;燃料型NO，是指當(dāng)燃料中含有的N元素與碳?xì)浠鶊F(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成NO的過程。其生成原理與快速型NOx的生成原理基本相同。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料一般為天然氣或柴油，不含氮元素，且燃燒過程中熱力型NOx所占比例較大，所以此處僅分析影響熱力型NOx排放濃度的因素。4.2NOx排放濃度的影響因素

影響燃燒室出口NOx排放濃度的因素有很多。部分學(xué)者針對(duì)燃燒室入口進(jìn)氣溫度和壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：燃燒室的進(jìn)氣溫度和壓力對(duì)NOx生成的影響較大。隨著進(jìn)氣溫度的上升，燃料密度發(fā)生變化，使燃料在燃燒區(qū)的停留時(shí)間增加，燃燒更加充分，但燃燒區(qū)溫度上升，使NOx排放濃度增大;同時(shí)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，由于燃燒室體積不變，壓力變化將引起溫度變化，而溫度變化對(duì)熱力型NOx生成影響巨大，所以隨著壓力升高，燃燒更加充分，使主燃區(qū)溫度上升，NOx排放濃度也隨之上升。

同時(shí)，過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒室出口NOx排放濃度也有較大影響。工程實(shí)踐中，在主燃區(qū)內(nèi)布置一個(gè)內(nèi)部循環(huán)的連續(xù)空氣分級(jí)器，將燃燒所需的空氣分成兩級(jí)送入燃燒室，第一級(jí)空氣和全部燃料過濃燃燒，其余空氣作為第二級(jí)空氣在火焰下游送人，使燃料完全燃燒。隨著過量空氣系數(shù)增加，空氣流量的增加降低了燃燒區(qū)內(nèi)溫度，使NOx排放濃度逐漸下降。

與傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒相比，采用預(yù)混燃燒可降低主燃區(qū)溫度，從而降低燃燒室出口NOx排放濃度。但預(yù)混燃燒的燃燒范圍較窄，在低功率工況下燃燒不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致熄火，可以考慮加入值班區(qū)火焰。值班區(qū)火焰采用擴(kuò)散燃燒的方式，可起到穩(wěn)定燃燒的作用。值班區(qū)與主燃區(qū)的燃料配比問題成為這一技術(shù)的關(guān)鍵所在，要既能保證燃燒穩(wěn)定性又能降低燃燒室出口NOx排放濃度。研究表明：當(dāng)值班區(qū)燃料配比較低時(shí)，燃燒室頭部不會(huì)形成高溫區(qū)，整個(gè)燃燒室溫度場(chǎng)分布均勻，NOx排放濃度也較低，但燃燒效率也相對(duì)較低;隨著值班區(qū)燃料配比增大，燃燒室頭部的高溫區(qū)逐漸擴(kuò)大，溫度上升，同時(shí)NOx排放濃度也隨之急劇上升。所以需要選定一個(gè)合適的燃料配比，以盡量避免這些問題的出現(xiàn)。

4.3降低NOx排放濃度的措施

綜上所述，降低燃燒室出口NO，排放濃度的措施有：①在不影響燃燒效率的情況下，盡可能降低進(jìn)氣溫度和壓力;②選取適宜的值班區(qū)與主燃區(qū)燃料配比;③設(shè)置空氣分級(jí)器，適當(dāng)增大過量空氣系數(shù);④在燃燒區(qū)與稀釋區(qū)之間合理布置摻混孔。

5結(jié)束語

通過分析微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室各種影響因素，討論了進(jìn)氣條件、燃料熱值、燃燒室結(jié)構(gòu)等對(duì)燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率的影響;根據(jù)燃燒室出口NOx的形成原因，分析了造成熱力型NOx排放濃度較高的影響因素并提出了優(yōu)化建議，為后續(xù)微型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供借鑒。