燃气轮机中的燃烧室的实际燃烧过程既是非理想的( 非化学过量配比, 非平衡, 高度不均匀), 又是非常复杂的, 而且有燃料以外的物质(特别是氮)参加。这些因素都会导致一些不希望的过程和燃烧产物。
空气中的主要成分是氮气和氧气, 氮气在理想状况下属于是惰性气体, 在排气中不会发生变化, 然而在燃烧室的中的高温下, 氮就可以形成少量的氮氧化物, 这是燃气轮机排气中非常主要的污染物。燃烧中碳在完全燃烧的情况下的燃烧产物是二氧化碳, 然而在实际燃烧过程中会存在不完全燃烧的情况, 这时就会产生少量的一氧化碳。燃气轮机排气的主要成分是二氧化碳、水、未燃烧的氧气和氮气。而二氧化碳就是一种温室效应污染气体, 它与一氧化碳和氮氧化物等不同, 是燃烧反应不可避免的产物。减少二氧化碳的惟一途径就是提高燃气轮机的热效率, 即为产生同样的机械能而消耗较少的燃料。
燃烧过程中产生一氧化碳和氮氧化物的反应过程属于次级反应, 这些次级反应的结构不仅会产生污染物还会导致热损失。这些次级反应主要在发生在燃烧室的高温区, 而燃烧过程中过量空气系数和温度对污染物的产生起着重要的支配作用。图1显示了过量空气系数对燃气中污染物含量的影响, 可见在最有利于燃烧过程的化学过量配比下, 氮氧化物的产生也最为严重。图2 则是燃烧反应区温度的影响, 可见温度越高氮氧化物的产生越严重, 而燃烧温度与当地过量空气系数也是互相关联的。通过图1、图2还可以知道, 过量空气系数和温度对排放物中氮氧化物和一氧化碳的产生趋势的影响在一定范围内是相反的。目前在污染控制中通常把对氮氧化物的控制放在主要的地位, 因为它的污染危害更严重, 在对其进行主要控制的同时再兼顾对一氧化碳的控制。由此可见, 为了限制这些不利的次应, 必须对燃烧过程进行精心组织, 通过控制过量空气系数和温度的分布, 达到控制燃烧排放污染物的目的。
目前国外大量文献资料介绍了名目繁多的低污染燃烧新技术, 它们可以分为以下几类:
(1) 控制火焰温度降低排放物。这项技术就是将火焰温度保持在一定范围内, 以控制CO及NOX, 均在较低水平。具体措施又可分为分级燃烧及变几何燃烧室, 即通过燃油或空气分级供给来控制合适的油气比。
(2) 干式低排放燃烧室(DLN), 也称干式低NOX 燃烧室, 这种燃烧室多用于地面轮机上, 它是相对于地面燃气轮机上采用的喷水(蒸汽)“ 湿式” 降低NOX: 技术而命名。
(3) 催化燃烧室, 这种燃烧室可以使可燃气体利用催化剂的作用在较低的温度下就可以完全燃烧,达到降低污染排放的目的。
上述各种低污染燃烧技术方案的燃烧室结构必须重新设计, 因此也称为新概念燃烧室。本文下面将分别介绍上列各项技术的研究成果及应用情况。
根据一氧化碳及氮氧化物的产生机理以及试验结果可知: 在常规燃烧室的主燃区燃烧温度为1000~2500K , 而在1670~1900K 范围内产生CO及NOX认都很少。因此, 如果能控制主燃区温度处于低排放的温度区, 就可以兼顾CO和NOX的排放量, 使之都处于低值范围。
主燃区的温度又主要取决于该区的燃料一空气当量比, 即实际油气比与化学当量油气比之比。因此, 如果能在不同工作状态下人为地控制进人主燃区的空气或燃油量, 那么就可以控制火焰温度。
现在控制燃烧温度的方法有分级燃烧室和变几何燃烧室两种, 分级燃烧室是通过控制燃油供给量来改变油气比; 变几何燃烧室则通过控制空气供给量来改变油气比。也可以说分级燃烧是燃油分级, 变几何燃烧室是空气分级, 最终达到控制火焰温度的目的。
所谓“干式” 是相对于较早采用的“湿式” 降低污染排放措施而言的。针对氮氧化物的生成机理, 曾经采取向燃烧室中注人少量蒸汽或水以降低燃烧区温度的措施。这些措施虽然能够控制氮氧化物的生成, 但降低了燃气轮机效率, 同时需要增加相应的设备和从而提高成本。所, 目前已成功地发展了一些干式低排放(DLN) 的燃烧室方案。
干式低污染燃烧的基本措施就是“ 贫预混” , 即以适当的过量空气系数将空气与燃料预先混合均匀后再进人燃烧室燃烧, 这就从根本上改变了传统的以扩散燃烧为主的概念。预混燃烧的特点是反应区内的燃料浓度和反应温度都是相对均匀的, 也是预先通过燃料和预混空气的配比加以严格控制的。如果将燃烧温度控制在1800K 左右, 则氮氧化物和一氧化碳这两种污染物的综合排放最低, 也就是说, 预混的可燃气体是按照大于1 的过量空气系数构成的。实际上这个温度还可以控制得高一些, 以免燃烧效率下降过多, 只要燃烧温度不高于1920 K, 在排放物中NOX的含量就可以控制在低于50mg/m3 的范围内。
这种燃烧方案比较简单, 可以实现对排放污染进行有效的控制, 但当负荷降低时, 燃烧区内过量空气系数会普遍加大, 燃烧温度会普遍降低, 燃烧的效率就会迅速恶化, 而且燃烧的稳定工作范围变得很窄,不能满足燃气轮机的工作要求。解决这个问题办法是将燃烧分区进行, 当负荷发生变化时, 每个区仍能够保证适当的高效低污染燃烧条件, 而通过控制参加工作的分区的多少来适应负荷的变化。显然, 通过这种方法燃烧室结构将变得相对复杂, 对控制系统也提出了更高的要求, 但随着环保要求的不断提高和计算机控制技术的进步, 这些问题都得到了相应的解决, 并发展出了实用的干式低排放燃烧技术。目前,这种实用的干式低排放燃烧技术的基本型式有两种: 一种是将数个燃烧区串联, 称为“ 申联分级” ; 另一种是将燃烧区并联, 称为“ 并联分级” 。每个燃烧区各自供人燃料和助燃空气, 在各自的预混区混合后再进人燃烧区燃烧。
2.3催化燃烧室
催化燃烧是多相催化反应中的完全氧化反应, 可燃气体( 或混合气) 借助催化剂的作用可以在低温下完全氧化, 是一种“ 弱火焰” 过程, 允许燃烧氧化在低于正常贫油火焰稳定极限的油气比对应的温度下进行。它是新近引人燃气轮机燃烧中的环保技术。其基本思想是在燃烧室的适当部位引人催化燃烧组件(模块), 这种组件实际上是由金属薄片衬底构成的蜂窝结构, 衬底上涂敷催化剂, 可燃混合物通过时与催化剂有很大的接触面积。催化剂组件由多个截面区域组成, 每个区域具有专门的功能, 以达到特定的燃烧温度, 因此不论可燃混合物浓度如何, 即使燃料一空气比很高, 在催化剂组件中进行无焰燃烧时也可以控制在较低的反应温度, 从而将氮氧化物的产生控制在极低的水平。因此这种催化燃烧系统也叫做Xonon系统。
这种燃烧室对气流速度的要求较低, 结构尺寸相对较大, 将会牺牲高燃烧强度的性能。但同时可以减小总压损失, 这是非常有价值的收获, 而且与其他复杂的低污染燃烧系统相比, 结构相对简单, 制造成本也较。
在现代燃气轮机低污染排放的燃烧室设计中, 通过控制火焰温度达到降低排气污染物的目的, 主要采用了干式低排放(DLN) 燃烧室和催化(Xonon) 燃烧室两种减排设计, 这两种设计可以对燃气轮机排放物中的氮氧化物的含量进行有效的控制, 并且不会降低燃气轮机效率, 其成本也相对较低。通过减排嫩烧室可以有效的减小燃气轮机工作中排气对大气环境的污染。
来源：吉林省第七届科学技术学术年会
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