燃气轮机燃烧爆炸性和排放性能的研究

工作时，由于局部高温会产生大量的NOx且易产生爆炸现象。本文对预混火焰的发展过程、传播特性、管道内预混燃烧的Tulip火焰等进行了简要的分析，以及对NOx减排技术的介绍。

关键词：预混火焰介绍；Tulip形成；NOx的排放控制

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

1 预混火焰介绍

预混火焰是一种非常基础的燃烧现象，根据燃烧机制的不同可分为层流和湍流预混火焰。在燃气轮机燃烧室中，采用预混燃烧可以降低燃烧室的温度和降低NOx的排放。燃烧室是燃气轮机最主要的部件之一，其中既有气动、热力学等物理问题，又包括许多复杂的化学反应问题。所以不仅要求高效，更是要稳定、安全，温度的控制显得尤为重要；同时随着社会对于环保问题的愈加重视，各国对于NOx的排放标准也越来越严格。

总的来说，预混气体在燃烧室中一般采用贫燃料燃燒。燃烧室是一个密闭的空间，燃烧过程产生的声音会受到边界的反射，与燃烧相互作用产生热声不稳定性。总之，温度、当量比、稳定性等一系列因素都是预混火焰在燃烧室中燃烧应该解决的问题。

2 预混火焰的点火与发展过程

整个点火与发展的过程，开始是未燃区，气体在这里混合均匀后向预热区流动，预热区内气体受热膨胀，密度迅速减小，并在获得足够的能量后燃烧。反应区在整个空间内只占很小的一部分，混合气体快速反应完全，并向平衡区运动。温度达到最大值，密度最小，体积膨胀，随后从燃烧室排出进入透平做功。

3 层流火焰传播分析

对于球形腔室，电火花在球心处点燃均相混合物，并形成想外传播的均相火焰。未燃物来流法相速度-火焰面速度=火焰速度。所以，火焰速度并不是我们实际观测到的火焰面的移动速度。

Tulip火焰的形成是流动与火焰共同作用的结果，标志着火焰从层流走向湍流的转变，对防止火灾爆炸事故的发生有重要作用。

4 对排放量的控制

（1）目前的燃气轮机为了更高的效率，常常需要燃烧室在高温高压下工作，这会造成NOx排放量的增加；所以为了减少NOx的排放，首先就需要将燃料和空气尽可能均匀地混合，混合的越均匀，就越能够减少氮氧化物排放。因此研究者开发出这样一种装置（如图1），利用LIF（激光诱导荧光）技术，通过对一种共振激发出的特征光谱检测，来评价混合物的均匀度。他们认为液体燃料的预混燃烧为NOx的减排提供了一种可能性，而燃料与空气的均匀混合对于减排有明显的作用。一般传统的测量方式都是针对废气来进行测量，但是LIF测量却可以在一个更大的时间、空间尺度上进行检测，更是可以针对一些特殊的物质进行含量测定；同时它使得燃料-空气含量的测定成为可能。通过安置静态混合器使得大的燃料涡流破碎成小的湍流模式，使得燃料沿横截面均匀分布，来达到减排的目的。

（2）一般认为，贫燃料的预混燃烧是减少氮氧化物排放的有效方法，但是贫燃料燃烧存在很多问题，例如回火、自燃以及燃烧稳定性不好。在未来应用前景不容乐观。所以，非预混燃烧实现低NOx的研究开始进展。

目前新设计的燃烧室采用螺旋火焰燃烧的方式，来实现更高的燃烧稳定性，同时防止自燃和回火等麻烦。螺旋火焰燃烧本质上属于扩散燃烧，其基本原理是采用一种特殊的分级燃烧技术，在燃烧室的前段采用富油燃烧，燃烧产物中含有大量的氧化物和烃，不经过进一步处理不能从燃烧室直接排排出。所以要通过补气孔通入空气做进一步燃烧。补气孔通入的空气是燃烧室一部分的温度急剧下降，产生所谓的猝熄效应。在发生猝熄效应的区域与稳定燃烧的区域交汇处，产生了强劲的漩涡流。强大的剪切力形成一个涡旋流，并且产生火焰拉伸现象，伴随着温度的骤降。从而在燃烧室出口部创造出贫油燃烧环境，使燃烧室排出的物质主要成分以二氧化碳、水、氮气和氧气为主，也降低了氮氧化物和一氧化碳等污染物的排放。

所以总体上说，螺旋火焰燃烧室在减少NOx排放方面有着令人满意的表现。可以减少约50%的NOx的排放，并且能够使火焰更加均匀，防止局部高温。同时其他方面的一些优化也可以使这些优点进一步扩大。

（3）钯化催化剂影响燃烧活动的参数，当然，这种燃烧方式也存在一些问题。例如材料科学没有得到充分的发展，还不能有效得到良好的耐高温材料和催化剂；又比如仅仅是缓慢的中毒或少量的毒药痕迹都可能会导致催化剂的识货。这些限制在一些方面有阻碍了甲烷催化燃烧的推广。

Tulip火焰的形成对防止火灾爆炸事故的发生有重要作用。NOx的排放对环境问题影响重大，对于NOx排放的检测和控制一直是一个重大的科研课题。希望以上见解有益于安全与环境领域的技术创新，更希望我国燃气轮机能发展成为热机中的一支劲旅。

参考文献：

[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]赵士杭.燃气轮机结构[M].清华大学出版社，1983.

[5]翁史烈.燃气轮机性能分析[M].上海交通大学出版社，1987.

[6]孙金华，刘洋.Tulip火焰形成过程中的细微结构特性[J].燃烧科学与技术，2008.

作者简介：鲁文超（1996-），女，山东滕州人，本科，学生，主要研究方向：机械。

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