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1 名家综述 文章编号 : (2018) 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 刘爱虢 ( 沈阳航空航天大学航空发动机学院 ꎬ 沈阳 ) 摘要 : 为了从科学和技术的角度展望地面用燃气轮机低排放燃烧室技术的发展方向 ꎬ 对使用气体燃料的地面用燃气轮机的低排放燃烧技术进行了介绍 ꎮ 首先介绍了工业用主要气体燃料的种类 来源及特点 ꎬ 其次简要论述了燃气轮机燃烧室中污染物的产生机理及抑制方法 ꎬ 最后 ꎬ 介绍了湿化燃烧技术 干式低排放燃烧技术和催化燃烧技术等 3 类用于地面燃气轮机燃烧室的先进低排放燃烧技术 ꎬ 并详细论述了这 3 类燃烧技术的作用原理及应用进展 ꎬ 可为国内燃气轮机低污染燃烧室的设计与研制提供技术参考 ꎮ 关键词 : 气体燃料 ꎻ 燃气轮机 ꎻ 燃烧室 ꎻ 低排放 ꎻ 地面用燃气轮机中图分类号 : V231 2 文献标志码 : A doi: / j. issn Technology development status and level of low emission combustor for gas turbine using gas fuel LIU Ai guo ( Faculty of Aero EngineꎬShenyang Aerospace UniversityꎬShenyang ꎬChina) Abstract: In order to expect the developing direction of low emission combustor technology for land gas turbine from perspective of science and technologyꎬthe low emission combustion technology for the turbine using gas fuel was introduced in detail. Firstlyꎬthe typesꎬsources and characteristics of the main gas fuel used in industry were introduced. Secondlyꎬthe formation mechanism and inhibition methods of the pollutants in the turbine combustor were discussed briefly. Finallyꎬ3 kinds of advanced combustion technology applied in low temperature combustion chamberꎬ such as wet combustion technologyꎬ dry low emission combustion technology and catalytic combustion technologyꎬwere introduced. The principle and application progress of these 3 kinds of combustion technology were further discussed in detailꎬwhich could provide technical refer ences for designing and developing low pollution combustor of domestic gas turbine. Key words: gas fuelꎻgas turbineꎻcombustorꎻlow emissionꎻland gas turbine 燃气轮机是能源动力装备领域的最高端产 品 ꎬ 燃气轮机产业是国家能源战略性产业 ꎮ 燃气 轮机产业的发展对我国先进制造业和先进能源技 术的研究至关重要 ꎬ 同时推动着我国国民经济的 发展 ꎮ 燃气轮机有着极其广泛的应用 ꎬ 是航空 舰船 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 项目编号 : )ꎬ 航空科学基金 ( 项目编号 : ) 作者简介 : 刘爱虢 ( )ꎬ 男 ꎬ 辽宁义县人 ꎬ 副教授 ꎬ 博士 ꎬ 主要研究方向 : 先进低排放燃烧技术 ꎬE mail:agliu@ sau edu cnꎮ

2 2 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 和能源的核心装备 ꎬ 直接关系到国防安全 经济发展和科技发展 ꎬ 具有极高的政治 军事和经济价值 ꎮ 当前 ꎬ 在国际上能够独立研发和制造燃气轮机的国家只有美 德 日 英 法 俄 ꎮ 这些国家在该领域投入了大量的人力 物力并进行了长期的研发 ꎬ 掌握着研发 制造燃气轮机的核心技术 ꎮ 我国对燃气轮机的研究始于上世纪五六十年代 ꎬ 自行研制了几个机型 ꎬ 但由于功率小 可靠性低 性能未能达到国际标准 ꎬ 因此仅在国内部分领域得到应用 ꎮ 目前我国尚未形成严格意义上的燃气轮机产业 ꎬ 燃气轮机整体水平落后国外 20 ~ 30 年 ꎬ 远未具备先进燃气轮机自主开发和制造的能力 [1] ꎮ 因此 ꎬ 为发展我国燃气轮机产业 ꎬ 需要对世界先进燃气轮机研制的技术和经验进行研究和借鉴 ꎮ 燃气轮机按使用对象分为航空 舰船和工业用燃气轮机 ꎬ 按功重比分为重型 轻型 微型和超微型 ꎮ 航空和舰船用燃气轮机都为轻型燃气轮机 ꎬ 工业用燃气轮机覆盖了重型燃气轮机 轻型燃气轮机和微型燃气轮机 ꎮ 重型燃气轮机市场已被美 德 日 法等国家高度垄断 ꎬ 主要研发生产单位包括美国通用公司 ( GE) 德国西门子公司( Sie mens) 日本三菱公司( MHI) 和法国 ABB 公司 ꎮ 轻型燃气轮机包括舰船用燃气轮机和地面用燃气轮机 ꎮ 地面用轻型燃气轮机的一个主要来源为航空发动机改型燃气轮机 ꎬ 如世界上航空发动机最先进的通用公司 普惠公司 罗罗公司和俄罗斯的彼尔姆公司等无一例外地将先进成熟的航空发动机改型发展为轻型燃气轮机 ꎬ 并占据了世界轻型燃气轮机的大部分市场 [2] ꎮ 以美国为首的发达国家上世纪九十年代中期率先推出了一系列先进微型燃气轮机 ꎬ 目前 ꎬ 在国际上有一定市场占有率的主要有以下微燃机生产商 : 美国 Capstone 公司 美国 Ingersoll Rand 公司 英国 Bowman Power 公司 意大利 Turbee 公司 英国 TurboGenset 公司和日本 Elliott 公司等 [3] ꎮ 无论哪种类型的燃气轮机 ꎬ 其基本原理都是将燃料的化学能转化为机械能 ꎬ 因此燃气轮机的效率 燃料灵活性和低污染物排放成为燃气轮机厂家之间的主要竞争点 ꎬ 而这三者之间又是相互联系的 ꎮ 燃料的灵活性是指同一种类型的燃气轮 机可以使用多种燃料 ꎬ 同时又能保证燃气轮机的效率和污染物排放具有竞争力 ꎮ 燃料的灵活性一直是各大燃气轮机公司研究的重点 ꎬGE Siemens 和 MHI 等都在该方面做了大量的研发工作 ꎬ 并积 [4 - 累了大量的实际运行经验 5] ꎮ 燃气轮机燃料灵活性的研究和应用对世界许多地区也都是至关重要的 [6] ꎮ 对于航空燃气轮机 ꎬ 除使用常规的航空煤油外 ꎬ 合成燃料和生物燃料已经在发动机上开始使用 ꎬ 低温燃料将成为未来发展的一种趋势 [7] ꎮ 舰船用燃气轮机和工业用燃气轮机除使用轻柴油和天然气外 ꎬ 也在寻找新的替代燃料 ꎬ 液态燃料中的含灰分燃料 挥发性燃料 重油 酒精 合成燃料 生物质燃料 ꎬ 气态燃料中的液化石油气 煤制气 鼓风炉煤气 富氢燃气 非传统天然气等都可以作为替代燃料 ꎬ 而未来的燃气轮机正向着燃用氢气的近零排放方向发 [8 - 展 9] ꎮ 除航空燃气轮机外 ꎬ 工业用燃气轮机和舰船用的燃气轮机都可以使用气体燃料 ꎬ 这是由于与液体燃料相比 ꎬ 燃气轮机使用气体燃料具有如下的优点 ꎮ (1) 环境污染小 ꎮ 气体燃料的净化处理过程相对容易 ꎬ 可在燃烧前将硫化物脱出 ꎬ 据统计在热电厂中使用气体燃料时产生 1kWh 电排放的硫化物为燃煤电厂的千分之一 ꎮ (2) 热效率高 ꎮ 普通燃煤蒸汽电厂热效率的高限一般为 40% ꎬ 由于燃气 - 蒸汽联合循环电厂采用了能量梯级利用 ꎬ 可以有效提高能源利用效率 ꎬ 目前燃气 - 蒸汽联合循环电厂的热效率已经达到 56% ꎬ 且还在继续提高 ꎮ (3) 投资少 ꎬ 见效快 ꎬ 发电成本低 ꎮ 燃气轮机电站建设周期短 ꎬ 燃气管网覆盖地区广 ꎮ 在进行联合循环电站建设时可先建设燃机电站 ꎬ 再建设蒸汽轮机电站 ꎮ 建设周期比燃煤机组少一半 ꎬ 而平均建厂投资只有燃煤机组的 1 / 2 左右 ꎻ 运行维修费用也比燃煤机组低约 1 / 3ꎮ 天然气发电机组与燃煤机组在发电装机能力以及运行时间相同时 ꎬ 其热耗量比燃煤机组约低 1 / 3ꎬ 循环效率高 40% ꎮ 中国第十三个五年规划纲要是国家战略意图的反映 ꎬ 未来五年中国计划实施的 100 个重大工

3 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 3 程及项目中 ꎬ 航空发动机及燃气轮机为 100 个重大项目中的第一个 ꎬ 简称 两机重大专项 ꎮ 我国要发展燃气轮机 ꎬ 借鉴国外燃气轮机产业发展历程是必不可少的 ꎮ 气体燃料的种类 来源较广 ꎬ 不同气体燃料具有不同的燃烧特点 ꎬ 因此本文首先对常用的气体燃料进行了介绍 ꎬ 包括常用气体燃料的来源和特点 ꎮ 其次 ꎬ 随着环保意识的加强 ꎬ 燃气轮机低污染燃烧技术已经成为各大燃气轮机公司的竞争点 ꎬ 因此本文对国际上几大燃气轮机公司所采用的低排放燃烧技术进行了总结分析 ꎬ 可为我国燃气轮机的发展提供技术参考 ꎮ 点 ꎮ 天然气水合物是一种类冰状的结晶物质 ꎬ 是近年来全世界都关注的一种能源 ꎬ 也将是未来天然气的主要来源 ꎬ 是在高压低温条件下天然气与水形成的 ꎮ 据估计目前全球的天然气水合物的储量约为 m 3 ꎬ 为天然气储量的 100 多倍 ꎮ 2017 年中国地质调查局在南海神狐海域实施了天然气水合物连续 60 天试采 ꎬ 累计产气超过 30 万 m 3 ꎬ 是世界首次成功实现泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采 ꎬ 取得了历史性突破 ꎬ 这对于我国天然气的使用几天然气市场的补充是一个极大的促进 [12] ꎮ 1 气体燃料及特点 工业上常用的气体燃料根据其来源和组成的不同 ꎬ 主要包括天然气 煤层气 垃圾填埋气 页岩气 合成气等 ꎬ 这些气体燃料的主要可燃成分包括 CH 4 CO 和 H 2 ꎮ 1 1 天然气天然气是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物 ꎬ 主要由甲烷 (85% ) 和少量乙烷 (9% ) 丙烷(3% ) 氮(2% ) 和丁烷 (1% ) 组成 ꎬ 此外一般有硫化氢 二氧化碳 氮 水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体 ꎬ 如氦和氩等 ꎮ 天然气的来源主要有 : 气田产生的天然气 油田开采中伴生的天然气 煤层中所含的天然气以及天然气与水形成的固体 ( 天然气水合物 ) 等 ꎮ 我国能源中长期发展规划明确指出 : 十二 五 期间 ꎬ 大力发展天然气 ꎬ2030 年天然气将占到一次能源的 10% ꎬ 成为我国能源发展战略中的一个亮点和绿色能源支柱之一 [10] ꎮ 截至 2016 年底 ꎬ 全球天然气探明储量为 万亿 m 3 ꎬ 近 20 年来全球天然气探明储量一直稳步增长 ꎬ2016 年比 21 世纪初增长了 23% ꎬ 年均增长率 1 3% ꎮ 同时得益于需求的快速增长 ꎬ 以及开发技术的不断进步 ꎬ 天然气产量一直快速增长 ꎬ2016 年产量达到 3 55 万亿 m 3 ꎬ 年均增长 2 4% [11] ꎮ 图 1 所示为我国 2008 年 年天然气年产量变化图 ꎬ 其中 2017 年天然气产量为 亿 m 3 ꎬ 同比增长 8 5% ꎬ 提高 6 3 个百分 图 年全国天然产量 ( 资料来源 : 国家统计局 : 全国石油天然气资源勘查开采情况通报 (2016 年度 )) 天然气是一种清洁能源 ꎬ 燃烧效率高 ꎬ 其燃烧产生的烟气温室气体排放因子仅为煤炭的 1 / 2 石油的 2 / 3ꎬ 且尾气也比较清洁 [13] ꎮ 近年来天然气消费占一次能源的比重逐渐增加 ꎬ 据预测 ꎬ 到 2030 年 ꎬ 天然气将取代煤成为世界上第二大一次能源 [14] ꎮ 为适应不断增长的天然气需求 ꎬ 我国已启动了包括 西气东输 在内的全国性大规模天然气管网建设 ꎬ 为天然气的大规模合理利用打下 [15 - 坚实的基础 16] ꎮ 1 2 煤层气煤层气是煤矿生成过程中在煤层产生的一种气体 ꎬ 是由生物质在生物和地质的作用下形成的一种可燃气体 ꎬ 其主要成分是甲烷 ꎮ 煤层气是一种非常规的天然气资源 ꎬ 根据其甲烷含量 ꎬ 煤层气 [17 - 可以划分为以下 3 种类型 18] ꎮ (1) 地面抽采煤层气 : 煤层气中成分比较稳定 ꎬ 其中甲烷的体积含量达到 80% ~ 95% ꎬ 可以在煤矿开采前由地表直接钻井抽取 ꎬ 经过简单的净化处理就可以直接使用 ꎻ

4 4 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 (2) 井下抽采煤层气 : 在煤矿开采过程中抽取的甲烷体积浓度在 25% 到 80% 之间变化的一种可燃气体 ꎬ 气体的成分受到多种因素的影响 ꎮ 这种气体燃料可燃成分变化范围较大 ꎬ 要经过处理才能使用 ꎮ 由于该类气体储存地质情况复杂 ꎬ 国内开采技术也不成熟 ꎬ 甲烷含量尤其不稳定 ꎬ 导致使用起来很困难 ꎻ (3) 矿井乏风 : 煤矿开采过程中矿井通风气中含有一定浓度的甲烷 ꎬ 但含量很低 ꎬ 只有 0 05% ~ 0 7% ꎮ 这也是一种煤层气 ꎬ 但由于甲烷含量极低 ꎬ 导致这种煤层气难以得到有效利用 ꎬ 直接排放到大气中去 ꎬ 成为一种污染性气体 ꎮ 为掌握全球煤层气的存储情况 ꎬ 目前全世界已有近 30 个国家实施了煤层气的勘探开发 [19] ꎮ 据德国学者 Hans Holger Rogner 在 1997 年勘探的结果 ꎬ 他预测全球煤层气地质资源量约有 m 3 ꎬ 主要分布在前苏联和北美地区 [20] ꎮ 2014 年美国煤层气委员会的 MARIA Mastalerz 预测 [21] : 全世界煤层气资源最丰富的国家为俄罗斯 ꎬ 地质资源量约为 m 3 ꎻ 其次为美国 ꎬ 为 m 3 ( 其中阿拉斯加州 m 3 )ꎻ 中国地质资源量 m 3 ꎬ 全世界排名第 3ꎮ 在煤层气商业性产量和开发应用方面 ꎬ 国际能源署 ( International Energy Agencyꎬ 简称 IEA) 美国能源信息署 加拿大国家能源董事会和澳大利亚石油产量和勘探协会统计 ꎬ 截至 2014 年底 ꎬ 在全球 14 个开展煤层气商业性开发利用的国家中商业产量前 5 位的国家依次为美国 m 3 澳大利亚 m 3 加拿大 m 3 中国 m 3 ( 地面开采量 ) 和德国 m 3 [22-24] ꎮ 我国煤层气开发利用起步较早 ꎬ 最早为 1952 年在抚顺煤矿龙凤矿建立瓦斯抽放站 ꎬ 开创了煤层气开发利用的先河 ꎬ 但由于技术及管理方面的问题前期进展缓慢 ꎮ 20 世纪 80 年代 ꎬ 美国煤层气工业取得了巨大成功 ꎬ 我国也随之开始重视和支持煤层气的开发利用 ꎬ 并于 1982 年将煤层气利用工程列入国家节能基本建设投资计划 ꎬ1989 年底开始引进现代煤层气开发技术 ꎮ 2003 年 3 月辽宁省阜新刘家煤层气井组开始向居民供气 ꎬ 标 志着我国进入煤层气商业化生产阶段 ꎮ 2004 年我国煤层气地面开采量 m 3 ꎬ2009 年突破 m 3 ꎬ2016 年达到 m 3 ꎮ 截至 2016 年底 ꎬ 我国已有煤层气探矿权 106 个 ꎬ 采矿权 12 个 ꎬ 累计钻井近 口 ꎬ 形成了沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘 2 个千亿方储量的煤层气产业基地 ( 图 2) [25] ꎮ 图 2 中国重点盆地煤层气资源分布 1 3 合成气我国能源的特点为富煤 贫油 少气 ꎬ 煤炭仍然是我国能源行业的主角 ꎬ 气体燃料在火电行业中的占比非常小 ꎬ 而在欧美国家气体燃料比例高于 30% ꎮ 这主要受我国天然气储存及输运的影响 ꎬ 例如目前我国新建的基于燃气轮机的热电站主要分布在苏 浙 闽 粤等经济发达的沿海省区和内蒙古等天然气 ( 或煤层气 ) 资源丰富的内地省区 ꎬ 苏 浙燃气轮机电站的气源主要来自 西气东输 工程 ꎬ 闽 粤的气源主要是从澳大利亚和印度尼西亚进口的液化天然气 [26] ꎮ 与使用煤炭相比 ꎬ 气体燃料被公认为一种清洁能源 ꎬ 低碳化已是大势所趋 ꎬ 在大多数地区天然气供应不足的前提下 ꎬ 煤炭产业清洁化利用将是未来煤炭产业可持续发展的关键 ꎮ 合成气是一种基于煤炭的清洁利用要求 ꎬ 以煤为原料 ꎬ 以空气或氧气和蒸汽为气化介质 ꎬ 在一定的高温下 ꎬ 煤中的可燃物质 ( 碳 氢等 ) 与气化介质发生反应 ꎬ 经过不完全的氧化过程 ꎬ 使煤转化为含有 CO H 2 和 CH 4 等可燃成分的混合气体 ꎬ 再将混合气体净化 ꎬ 除去其中的硫化物 氮化物 粉尘等污染物 ꎬ 变为清洁的气体燃料 ꎮ 整体煤气化联合循环发电系统 ( Integrated Gasification Combined CycleꎬIGCC) 是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统 ꎮ

5 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 5 通过煤气化过程 ꎬ 可以将煤炭中的污染物在燃烧 前去除掉 ꎬ 再将净化后的合成气作为在 IGCC 中 燃气轮机燃料 ꎬ 这样可以有效遏制煤炭直接燃烧 所带来的严重大气污染问题 ꎮ 根据能量梯级利用 原理 ꎬ 同时将燃气轮机与汽轮机结合使用 ꎬ 使燃料 中的能量得到充分利用 ꎬ 可以有效提高能源的综 合利用热效率 ꎬ 降低单位功率机组排放的温室气 体 [27-29] ꎮ IGCC 是上世纪 90 年代发展起来的一种先 进 高效 清洁的煤炭发电技术 ꎬ 被公认为本世纪 最具发展前景的煤炭清洁发电技术 [30] ꎮ 目前全 球共有近 30 座 IGCC 示范电站在建或运行 ꎬ 总装 机容量超过 兆瓦 ꎮ 表 1 所示为一些国家 IGCC 电站的运行情况 ꎮ 我国 IGCC 电站已进入 示范项目阶段 ꎬ 华能天津 IGCC 电站为我国第一 座 IGCC 发电机组 ꎬ 于 2009 年 7 月开工建设 2011 年投入运营 ꎬ2016 年电站累计完成发电量 亿千瓦时 ꎬ 核心的气化装置最长连续运行 周期已超 100 天 ꎮ 1 4 表 1 世界上一些 IGCC 示范工程的运行现状 电站 国家 机组容量 / MW 效率 / % 可用率 / % Cool Water 美国 Buggenum 荷兰 Wabash River 美国 > 80 Peurtollano 西班牙 垃圾填埋气 垃圾填埋气是城市生活垃圾被填埋于地下之 后在厌氧条件下经生物分解产生的 ꎬ 其主要成分 是甲烷和二氧化碳 ꎬ 其中甲烷占气体组成的 40% ~ 60% ꎬ 属于生物质气的一种 ꎬ 其主要成分及 与其他燃料热值的比较如表 2 和表 3 所示 ꎮ 由表 2 可以看出 ꎬ 垃圾填埋气为一种含有气态可燃成 分 CH 4 H 2 和 CO 的可燃混合气体燃料 ꎮ 同时由 于燃料中含有 H 2 Sꎬ 在应用时需要进行脱硫处理 ꎮ 由表 3 可以看出 ꎬ 垃圾填埋气属于高热值气体燃 料 ꎮ 表 2 典型的填埋气成分与含量成分含量 / (% ) CH 4 45 ~ 60 CO 2 40 ~ 60 N 2 2 ~ 5 O ~ 1 H 2 S 0 ~ 1 NH ~ 1 H 2 0 ~ 0 2 CO 0 ~ 0 2 其他 0 01 ~ 0 6 表 3 不同燃料热值比较燃料发热量 / (kcal / Nm 3 ) 填埋气 天然气 合成气 汽油 柴油 美 英等发达国家早在上世纪 70 年代就开始了对垃圾填埋气应用的研究 ꎬ20 世纪 80 年代初便开始利用垃圾填埋气 ꎮ 尤其是近年来 ꎬ 随着环保意识的加强和能源危机的加剧 ꎬ 人们开始意识到垃圾填埋气所引起的环境问题和蕴藏在垃圾填埋气中的能量 ꎬ 开始重视对垃圾填埋气的应用 ꎮ 据统计 ꎬ 目前全世界已有近千座垃圾填埋气回收利用装置投入运行 ꎬ 主要集中在卫生填埋技术应用推广较早的发达国家 ꎮ 垃圾填埋气的主要应用方向是作为动力设备燃料和居民生活用燃料 ꎮ 如美国 英国 德国等发达国家在垃圾填埋气的应用上已经开始了商业运营模式 ꎬ 德国通过提纯的方法将垃圾填埋气提炼到和天然气一样的纯度 ꎬ 将提纯后的垃圾填埋气作为汽车用燃料 ꎬ 已经获得了成功 ꎻ 美国是通过提纯处理后将垃圾填埋气处理成为符合达到管道煤气标准的高压 高热值气体 ꎬ 并通过管道输送的方式供居民使用 ꎮ 据估算 ꎬ 美国全国天然气消费量的 1% 可以被垃圾填埋气

6 6 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 中的甲烷所代替 ꎬ 全国约有 个填埋场适合开展垃圾填埋气的利用 ꎬ 每年可产生 570 亿 m 3 的垃圾填埋气 ꎮ 近年来中国的城市化和工业化发展迅速 ꎬ 同时中国拥有全球最大的人口基数 ꎬ 城市生活垃圾的数量增长迅速 ꎮ 填埋是中国城市生活垃圾最常用的处理方式 ꎬ 几乎一半的城市生活垃圾被运送到垃圾填埋场 ꎬ 埋于地下 ꎮ 1998 年 10 月我国第一个垃圾填埋气发电厂在杭州天子岭卫生填埋场建成发电 ꎬ 年上网电量 MWhꎬ 年产值 717 万元 ꎮ 我国垃圾填埋气发电项目多集中在东部沿海 华东等经济较发达地区 ꎬ 这跟这些地方工业较发达有关 ꎬ 往往工业越发达产生的垃圾越多 ꎬ 并且垃圾的能量越高 ꎮ 同时这些地区由于全年气温比北方城市高 ꎬ 能产生出更多的填埋气 ꎬ 产气量较充足 ꎮ 1 5 页岩气页岩气是指从富有机质黑色页岩中开采的 ꎬ 或者自生自储 在页岩纳米级孔隙中连续聚集的天然气 [31] ꎬ 这部分天然气以吸附或游离的状态聚集于页岩层中 ꎬ 其中吸附状态的天然气占气体总量的 40% ~ 85% ꎬ 是一种非常规的油气资源 ꎮ 页岩气形成过程是甲烷在页岩微孔 ( 孔径小于 2 nm) 中顺序填充 ꎬ 在介孔 ( 孔径为 2 ~ 50 nm) 中多层吸附至毛细管凝聚 ꎬ 在大孔 ( 孔径大于 50 nm) 中甲烷以压缩或溶解态赋存 ꎮ 成藏中经过吸附 解吸 扩散等作用 ꎬ 有机质生成气或油裂解成气 ꎬ 天然气先在有机质孔内表面饱和吸附 ꎻ 之后解吸扩散至基质孔中 ꎬ 以吸附 游离相原位饱和聚集 ꎻ 过饱和气初次运移至上覆无机质页岩孔中 ꎻ 再饱和后 ꎬ 二次运移形成气藏 [32] ꎮ 为评估全球页岩气的储量 ꎬ 美国能源信息署 (EIA) 在 2014 年发布了一份名为 世界页岩气资源初步评价报告 ꎬ 报告表明 ꎬ 目前全球探明的可开采页岩气资源总量约为 m 3 ꎮ 其中 ꎬ 北美 加拿大 欧洲和亚洲均有丰富的页岩气资源 [33] ꎮ 在世界上开发使用页岩气的国家中 ꎬ 美国已经有 180 多年的历史 ꎬ 是使用页岩气最成功的国家之一 [34] ꎮ 我国对页岩气的研究处于起步阶段 ꎬ 目前关于页岩气矿井的资料几乎是空白 ꎬ 研究重点还在气体的累积机制和产生规律上 ꎮ 大部分 研究所用的数据是基于传统的石油和天然气资源 ꎬ 煤层气和固体矿质开采的数据也常被作为参考 ꎬ 所研究的页岩的样本大部分都来自于地表或者是近地表 [35] ꎮ 对我国页岩气资源潜力的预测是基于地质类比来实现的 ꎬ 中国 3 类富有机质页岩泛指海相 海陆交互相以及陆相页岩和泥岩 ꎬ 重点指含油气盆地中的优质泥质烃源岩 ꎬ 图 3 为依据中国页岩发育的层系和分布特点编制的 3 类页岩分布图 ꎮ 据估算 ꎬ 在我国古生界海相富有机质页岩有利领域面积为 ~ km 2 ꎬ 中新生界陆相富有机质泥页岩有利领域展布面积为 ~ km 2 ꎬ 有效页岩厚度 20 ~ 300 m ꎬ 有机碳含量 0 5% ~ 25 71% ꎬ 预测页岩气资源量 ~ m 3 ꎬ 这些预测数据都是初步结果 ꎮ 据 BP 世界能源的预测 ꎬ 中国 2030 年页岩气的开采量可以达到 m 3 / dꎬ 占中国气体燃料产量的 20% [36] ꎮ 图 3 中国 3 种主要页岩类型分布略图页岩气的一个特点是储藏深度范围广 ꎬ 从近地表到地下 m 不等 ꎬ 这使得页岩气的开采难度较大 ꎬ 同时我国地域面积大和地形地貌复杂 ꎬ 导致页岩气储藏深度范围更广 ꎬ 为页岩气的使用带来障碍 ꎮ 美国等发达国家经过多年的发展已经积累了页岩气形成机理和储藏机制的重要信息和技术 ꎬ 这些技术信息可以供我国使用 ꎬ 以解决我国页岩气开采难度大 技术不成熟等问题 ꎮ 中国政府对页岩气资源的关注程度也在不断加大 ꎬ 制订了多项促进页岩气发展的方针和政策 [37] ꎮ

7 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 7 2 地面用燃气轮机排放法规 针对地面用燃气轮机 ꎬ 全球多个国家以及国际间组织都颁布了污染物排放规定和标准 ꎬ 也提出了明确的减排目标 ꎮ 而目前的地面燃气轮机污染物排放水平正朝着超低排放发展 ꎮ 在我国地面燃气轮机的主要应用领域为火电行业 ꎬ 舰船虽有少量应用但还没有相关的法规来规定污染物排放标准 ꎮ 在火电行业 ꎬ 氮氧化物 ( NOx) 排放量随着行业的发展呈现不断增长的趋势 ꎬ 与世界发达国家相比 ꎬ 我国火电行业单位发电量的氮氧化物排放水平依然很高 ꎬ 若不强化控制力度 ꎬ 将无法达到 十三 五 节能减排综合工作方案确定的减排目标 ꎬ 即到 2020 年全国氮氧化物排放总量控制在 t 以下 ꎮ 对于工业燃气轮机和船用燃气轮机 ꎬ 由于各国的法律法规不同 ꎬ 现在没有一个统一的排放标准 ꎬ 都是根据各国对环境保护的具体要求而制定的 ꎮ 从世界范围内看 ꎬ 对于燃气轮机生产商 ꎬ 使用天然气为燃料时 ꎬ 能接受的标准是 : 从 100% 功率到 50% 功率 ꎬNOx 排放为 25 ppmvꎬco 排放为 50 ppmvꎮ 美国南加州和日本公众的环保意识强烈 ꎬ 要求立法将 NOx 排放控制在 9 ppmvꎬ 欧洲的排放标准大体上与美国环保局的规定类似 [38] ꎮ 为控制燃煤电厂的污染物排放 ꎬ 在 1991 年国家环保部颁布了 «燃煤电厂大气污染物排放标准» ( GB )ꎬ 之后又于 1996 年和 2003 年进行了两次修订 ꎬ 其中未涉及燃气轮机污染物排放的要求 ꎮ 随着热力电厂中燃气轮机的大量使用 ꎬ 在 2011 年颁发的 «火电厂大气污染物排放标准»(GB ) 中按照不同的燃料类别 ꎬ 进一步细化了燃气轮机组氮氧化物的排放标准 ꎮ 标准中规定以油为燃料的燃气轮机组氮氧化物 ( 以 NO 2 计 ) 控制在 120 mg / m 3 以下 ꎻ 以气体为燃料的燃气轮机组氮氧化物 ( 以 NO 2 计 ) 中以天然气为燃料时控制在 50 mg / m 3 以下 ꎬ 以其他气体燃料为燃料的机组控制在 120 mg / m 3 以下 ꎮ 此规定中 ꎬ 未考虑燃气轮机与燃气锅炉燃烧的特点 ꎬ 所制定的排放指标略高 ꎮ 除此以外 ꎬ 还有一些 地方标准也提出了对燃气轮机大气污染物排放的控制标准 ꎬ 如北京市地方标准的 «固定式燃气轮机大气污染物排放标准» ( DB11 / ) 中规定火电厂用固定式燃气轮机的氮氧化物最高允许排放浓度为 30 mg / m 3 ꎬ 上海的标准为 50 mg / m 3 ꎬ 广东的标准为 80 mg / m 3 [39] ꎮ 可见 ꎬ 北京的排放标准是最高的 ꎬ 目前我国大力推广的 F 级燃气轮机氮氧化物的排放值为 51 mg / m 3 ꎬ 仍然无法满足北京市较高的氮氧化物排放控制要求 ꎮ 因此北京市新建的 F 级燃气轮机发电机组大多数要安装脱硝装置 ꎬ 增加了额外的成本 ꎮ 3 燃气轮机污染物生成机理 3 1 NOx 在燃气轮机燃烧室的污染排放中 ꎬNOx 主要是指一氧化氮 (NO) 和二氧化氮 (NO 2 )ꎮ 燃烧过程首先产生的是 NOꎬ 再氧化为 NO 2 ꎮ NOx 的生成机理分为 5 种 : 一是热力型 (Thermal NOx)ꎬ 二是瞬发型 ( Prompt NOx )ꎬ 三是燃料型 ( Fuel NOx)ꎬ 四是氧化亚氮 ( N 2 O) 转变生成 NOꎬ 有些文献也将这种生成机理视为瞬发型的一种 ꎻ 五是二氮烯基 (NNH) 转变机理 ꎬ 与氢燃料有关 [40] ꎮ 热力型 NOx 的生成与温度有关 ꎬ 其生成的机理可以用 Zeldovich 机理来描述 ꎮ N 2 在高温燃烧条件下 ꎬ 在火焰和火焰后的高温区域内与 O 2 反应而成 ꎬ 这是燃烧室这类高温燃烧设备中产生 NOx 的主要途径 ꎮ 影响热力型 NOx 生成的因素包括火焰温度 过量空气系数 气体在高温区的停留时间等 ꎮ 生成热力型 NOx 需要较大的活化能 ꎬ 在燃烧室中 NOx 的生成区域主要位于火焰下游高温区 ꎬ 而不在火焰面上 ꎮ 影响热力型 NOx 生成量最明显的因素是温度 ꎬ 通过试验发现 ꎬ 热力型 NOx 的生成以 K 为界限 ꎬ 当温度低于 K 时生成量很少 ꎬ 而温度高于 K 时 ꎬ NOx 的生成将与温度成指数关系上升 ꎬ 温度每升高 100 Kꎬ 生成量将增大 6 ~ 7 倍 ꎮ 随着过量空气系数的增加 ꎬ 热力型 NOx 的生成量先是增加到一个最大值 ꎬ 然后再逐渐下降 ꎮ 这是由于过量空气系数对热力型 NOx 的生成有两个相反方向的影响 ꎬ 即热力型 NOx 生成量与氧浓度的平方根成正

8 8 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 比 ꎬ 所以随着过量空气系数增加 NOx 浓度增加 ꎬ 但同时过量空气系数的增加也降低火焰温度 ꎬ 所以 NOx 生成量增加到一个极值后会开始下降 ꎮ 在其它条件不变的情况下 ꎬ 气体在高温区停留时间越长 ꎬNOx 生成量就越大 ꎬ 直到达到化学平衡浓度 ꎬ 这主要是因为 NOx 生成反应速度较慢 ꎬ 较短的停留时间不会让反应达到化学平衡 ꎬ 而随着在高温区停留时间的增加 ꎬ 化学反应会逐渐达到平衡 ꎮ 瞬发型 NOx 的生成机理为 Fenimoreꎬ 以 HCN 基被氧化生成 NOx 为主要反应途径 ꎬ 在大多数情况下只占总 NOx 生成量的小部分 ꎮ 燃料型 NOx 是以化合物形式存在于燃料中的氮原子被氧化而形成的 ꎮ 它的生成过程与来源于空气中的 NOx 不同 ꎬ 其生成机理是燃料进入燃烧室后 ꎬ 由于高温分解释放出 N NH 或 CN 等各种自由基 ꎬ 由于局部区域的氧浓度不同 ꎬ 可以氧化成 NOx 或再被结合成 N 2 分子 ꎮ 一般燃料含氮量很少 ꎬ 尤其是气体燃料 ꎬ 因此燃料型 NOx 可以不考虑 ꎮ 快速型 NOx 主要在过量空气系数的时候产生 ꎬ 通常在过量空气系数达到小于 l 的数值时 ꎬ 快速型 NOx 的产生达到极值 ꎬ 随着过量空气系数的降低 ꎬ 快速型 NOx 的生成量反而降低 ꎮ 碳氢燃料的种类 压力 湍流强度是影响快速性 NOx 生成的主要因素 ꎮ 3 2 CO CO 是碳氢燃料燃烧反应过程中的一个中间产物 ꎬ 通常被认为是碳氢燃料未完全反应的一种产物 ꎬ 是完全反应的一个必经过程 ꎮ CO 的主要消耗过程是在碳氢燃料燃烧过程中 CO 与 OH 的基反应 [41] ꎮ 虽然燃料起始的裂解反应与具体燃料的化学官能团有关 ꎬ 但是裂解速率太快 ꎬ 一般不会影响到燃烧的总反应速率 ꎬ 而初始裂解后产生的 活性基团池 主要是 C 0 - C 4 小分子基团 ꎬ 它们才是决定燃烧性能及污染排放的主要因素 [42] ꎮ 3 3 UHC 除 CO 以外 ꎬ 在燃烧过程中所有没有完全燃烧的碳氢化合物总称为 UHCꎬ 即未燃碳氢化合物 ꎬ 包括反应过程中由大分子碳氢燃料裂解而成 的小分子碳氢和基团 ꎬ 也包括由于完全没有参与燃烧过程的液滴和燃油蒸汽等 ꎮ 从 UHC 的生成机理不难发现其生成过程的主要控制因素为燃烧室内的气动热力过程 ꎮ 碳氢燃料的燃烧反应机理可以划分为大分子碳氢燃料裂解为小分子碳氢燃料和小分子碳氢燃料的化学反应两个过程 ꎬ 因此 UHC 中小分子碳氢和基团的生成实质是燃烧过程中的中介产物未完全氧化 ꎬ 其影响因素与影响 CO 生成特性的因素一致 ꎮ 而未参加燃烧反应的液滴和燃油蒸汽 ꎬ 则更多与液雾喷射和掺混分布等物理过程有关 [43] ꎮ 4 燃气轮机污染物控制原理及方法 为保证燃烧的稳定性 ꎬ 传统燃烧室采用扩散燃烧的方式 ꎬ 在主燃区为化学恰当或富燃料燃烧模式 ꎮ 燃烧组织沿着一条温度逐渐升高再下降的路线运行 ꎬ 途经高 NOx 生成区域 ꎬ 导致热力型 NOx 在燃烧区的生成量极大 ꎬ 同时在出口前 NOx 的消减反应却很慢 ꎮ 这是常规燃烧室在燃烧组织方式上的特点 ꎬ 导致这种燃烧方式中 NOx 排放不能满足低排放要求 ꎮ 在燃气轮机燃烧室中 ꎬ 热力型 NOx 是 NOx 排放的主要来源 ꎬ 因此温度仍然是决定 NOx 排放的首要因素 ꎮ 理想的平衡系统中 ꎬ 在化学恰当比附近燃烧的温度最高 ꎬ 因此此处的 NOx 生成量也最大 ꎮ 图 4 所示为燃烧室的主要污染物与当量比和温度的关系 ꎮ 当量比和温度是影响污染物排放的主要因素 ꎬ 这是开展低排放燃烧室研发的最基本理论依据 ꎮ 基于污染物生成与温度关系的基本原理 ꎬ 开发了多种控制污染物生成的技术 ꎬ 主要方法有 3 种 ꎬ 如图 5 所示 ꎬ 即 :(1) 向燃烧室燃烧区中喷入水或水蒸汽 ( 或者在空气侧加湿 )ꎬ 借以降低扩散燃烧火焰的温度 ꎬ 以抑制产生 NOxꎬ 即湿化燃烧技术 ꎻ(2) 控制燃烧室内燃料与空气的混合 ꎬ 使燃烧发生在富燃料或贫燃料区 ꎬ 通过降低火焰温度来控制污染物的产生 ꎬ 即干式低排放燃烧技术 ꎻ (3) 利用催化剂降低反应活化能 ꎬ 使燃烧反应在较低的温度下就可以发生 ꎬ 减少由于高温所导致的 NOx 的生成 ꎬ 即催化燃烧技术 ꎮ

9 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 9 图 4 污染物的生成与当量比和温度的关系 湿化燃烧的基本原理就是通过向燃烧室中加入水来降低反应温度 ꎬ 因此水的加入方式可通过燃料加湿或空气加湿等来实现 ꎬ 可用于扩散燃烧和预混燃烧 ꎮ 在扩散燃烧中 ꎬ 富氢气体燃料 中低热值气体燃料及液体燃料都可以采用湿化燃烧技术 [44] ꎮ 4 2 干式低排放燃烧技术所谓干式是相对于湿式降低污染排放措施而言的 ꎬ 通过控制燃烧室内燃烧区的余气系数来控制燃烧温度 ꎬ 实现低排放 ꎮ 由图 4 所示的污染物排放与当量比的关系可知 ꎬ 富燃和贫燃都可以实现低排放 ꎬ 因此干式低排放燃烧技术又分为富燃料燃烧和贫燃料燃烧 ꎮ 富燃料燃烧富燃料燃烧和贫燃料燃烧状态都可以抑制 NOx 的生成 ꎬ 如果能在常规富燃料燃烧的基础上 ꎬ 使富燃料燃烧快速转换成贫燃料燃烧 ꎬ 在空间和时间两方面都极大地压缩化学恰当比燃烧的存在 ꎬ 就能降低 NOx 的排放 ꎬ 这种思想就是 RQLꎬ 即富油 / 焠熄 / 贫油燃烧 ꎮ RQL 燃烧技术是一种基于分级思想的低污染燃烧技术 ꎬ 图 6 为 RQL 燃烧室内当量比分配的示意图 ꎮ 其基本方法是先建立一个富油燃烧区 ꎬ 保持头部下游以空间均匀的当量比 1 4 ~ 2 0 富燃料燃烧 ꎬ 以在缺氧 富燃料低温环境中形成 活性基团池 为目的 ꎬ 然后将大量的空气与该燃烧区产物迅速混合焠熄 ꎬ 将当量比降到 0 6 ~ 0 7 的贫燃料状态燃烧 ꎬ 氧化掉碳氢基团和烟粒 ꎬ 有效回避恰当比高温燃烧 ꎬ 抑制 NOx 生成 ꎬ 当燃烧反应 [45 - 完成后排出燃烧室进入涡轮 46] ꎮ 图 5 燃气轮机 NOx 排放的控制方法 4 1 湿化燃烧技术湿化燃烧技术的作用机理在于 : 通过向燃烧室内喷入适量的水降低燃烧温度 ꎮ 稀释燃烧反应过程中氧浓度和氮气浓度及抑制燃烧反应过程中的 O 原子等来降低 NOx 的生成 ꎮ 湿空气透平循环 (Humid Air TurbineꎬHAT 循环 ) 整体煤气化湿空气透平 ( Integrated Gasification Humid Air TurbineꎬIGHAT) 循环和注蒸汽燃气轮机循环 (STIG 循环 ) 等先进燃气轮机循环中常用到湿化燃烧技术 ꎮ 图 6 RQL 低污染燃烧室当量比分布示意图美国艾利逊公司于 20 世纪 80 年代初在参与先进转换技术计划时 ꎬ 将 RQL 燃烧室作为实现低 NOx 排放的候选方案 ꎬ 最初是为了在工业燃气轮

10 10 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 机上燃用重质燃料和中低热值气体燃料而开发的 ꎮ 目前 ꎬ 美国普惠公司和其他实验室仍在按照 NASA 的高速民用运输计划 ꎬ 对 RQL 燃烧室进行研究 ꎬ 目标是用于使用航空煤油的航空发动机 ꎮ 20 世纪 90 年代中期 ꎬ 美国 GE 公司在早期 RQL 燃烧室开发研究基础上 ꎬ 进一步开发应用于 IGCC 上的 RQL 燃烧室 ꎬ 目标是在 IGCC 发电用燃气轮机上采用 RQL 燃烧室 ꎬ 可燃用热值约为 kj / kg 的燃料气 ꎮ 贫燃料燃烧根据图 4 所示的 CO 和 NOx 产生的机理可知 : 在常规燃烧室的主燃区燃烧温度为 ~ Kꎬ 而在 ~ K 范围内产生 CO 及 NOx 都很少 ꎮ 因此 ꎬ 如果能控制主燃区温度处于低排放的温度区 ꎬ 则可以兼顾 CO 和 NOx 的排放量 ꎬ 使之都处于低值范围 ꎮ 主燃区的温度主要取决于该区的燃料空气比 ꎬ 因此在不同工作状态下人为地控制进入主燃区的燃料或空气量就可以控制火焰温度 ꎮ 采用分级燃烧技术 ꎬ 把不同工作状态下燃烧室内主燃区的当量比控制在 0 6 ~ 0 8 的区域 ꎬ 是采用贫燃料燃烧控制污染物排放量的核心思想 ꎮ 采用贫燃料燃烧技术时 ꎬ 关键技术之一就是要保证均匀的当量比分布 ꎬ 这样才有可能实现低 NOx 排放 [47] ꎮ 为了保证燃烧室良好的点火 贫油熄火性能 ꎬ 对于贫燃料燃烧室还需要一个能保证燃烧稳定性的装置 ꎬ 即采用分级燃烧的方法 ꎬ 在降低污染物排放的同时还能保证燃烧的稳定性 [48] ꎮ 分级的形式有很多 ꎬ 包括轴向分级 径向分级 中心分级等 ꎬ 其目的都是将不同作用的燃烧区域分开 ꎬ 在不同工况下发挥各自作用并保证工作性能 ꎮ 图 7 为 2 种贫燃预混燃烧分级方案的原理图 ꎮ 图 7 贫预混低 NOx 燃烧的两种分级方案原理图 4 3 催化燃烧技术催化燃烧是在催化剂的作用下 ꎬ 使燃料和空 气在固体催化剂表面进行非均相的完全氧化反应 ꎮ 图 8 所示为一种蜂窝状整体式催化燃烧室的内部结构原理图 ꎬ 其中催化剂附着在支撑体上 ꎬ 催化反应在催化剂表面发生 ꎮ 图 8 蜂窝状整体式催化燃烧室内部结构与明火燃烧相比 ꎬ 催化燃烧具有如下优点 : 燃料 / 空气比可调节范围大 ꎬ 燃烧稳定 ꎬ 噪音低 ꎬ 燃烧效率和能量利用率高 ꎮ 催化燃烧的反应机理与明火燃烧相比有所不同 ꎬ 在催化燃烧反应过程中的自由基不是在气相中引发 ꎬ 而在催化剂表面引发 ꎬ 不会生成电子激发态的产物 ꎬ 无可见光放出 ꎬ 从而避免了这一部分能量损失 ꎬ 提高了能量利用效率 ꎮ 此外 ꎬ 催化燃烧的一个明显优势是可以通过催化剂来降低反应的活化能 ꎬ 使燃烧反应最高燃烧温度在 ~ 的低温下进行 ꎬ 这样可以降低燃烧过程中由于高温所导致的污染物排放 ꎬ UHC CO 和 NOx 等污染物可实现超低排放甚至零排放 [49] ꎮ William Pfefferle 在 1975 年最早提出了为降低 NOx 排放 ꎬ 在燃气轮机燃烧室中采用催化燃烧技术 ꎬ 随后美国和日本等国都积极开展了可应用于不同尺度地面燃机燃烧室催化技术的研 [50 - 究 53] ꎮ 在实验清洁燃烧室计划执行的同时 ꎬ 1977 年 NASA 和美国空军制定了先进低污染催化燃烧室计划 ꎬ 并由 GE 和普惠公司实施 ꎮ 据艾利逊公司参与 ATS 规划研制的 13 5 MW 燃机使用联合燃烧室的报道 ꎬ 在 50% 以上工况时进行催化燃烧 ꎬ 表明催化燃烧技术已经进入了实用性研究阶段 ꎮ 日本 1982 年开始开展催化燃烧室的研发 ꎬ 年间针对 SIA - 2 型燃气轮机设计了两种催化燃烧室方案 ꎬ 年开展了第二个催化燃烧室研究计划 ꎬ 并设计了外部催化燃烧室 中心催化燃烧室及先进催化燃烧室等几种催化燃烧室方案 ꎮ

11 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 11 5 低排放燃烧室研发及应用 5 1 湿化燃烧技术燃烧室喷水低污染燃烧是过去工业燃气轮机减少 NOx 常用的方法 ꎬ 在美国和日本应用较广泛 ꎮ 为提高燃气轮机的出力及降低燃烧室的污染物排放 ꎬ 湿空气透平循环是日本日立公司近年来一直研究的技术 ꎮ 在 2006 年和 2012 年分别建成了 3 MW 级和 40 MW 级的湿空气涡轮循环燃气轮机试验机组 ꎬ 通过在燃烧室中加入水蒸气来实现燃烧室的低排放 [54] ꎮ 所使用的 H - 50 型燃气轮机机组及燃烧室所用的集束喷嘴燃烧器 ( Cluster nozzle burners) 如图 9 所示 ꎮ 通过机组的现场试验测试表明 ꎬ 该燃烧器可在高湿度环境下稳定燃烧 ꎬNOx 排放小于 10 ppmꎮ 图 9 H - 50 型燃气轮机及集束喷嘴燃烧器美国联合科技研究中心 (UTRC) 和美国能源署联邦能源科技中心 (DOE - FETC) 开展了湿空气的建模研究与预混火焰的实验研究 [55] ꎮ 其目的是研究应用于湿空气透平 ( HAT) 循环燃气轮机燃烧室的设计标准 ꎬ 观察湿度对燃气轮机系统稳定性及出功的影响 ꎬ 湿化燃烧对污染物排放及火焰稳定性的影响等方面 ꎮ 研究结果表明 ꎬ 当燃烧火焰温度不变时 ꎬ 随着湿度增大 ꎬNOx 排放减小 ꎬ 火焰稳定极限对应的当量比会随着湿度增大而随之增加 ꎬ 湿化燃烧对降低液体燃料燃烧的 NOx 排放更有效 ꎮ 上海交通大学对常压下的湿度较高的湿空气和燃料混合燃烧的火焰结构 温度场 浓度场 速度场和 NOx 场等方面开展了试 [56 - 验研究工作 57] ꎮ 我国在燃用半水煤气的 WZ5 发动机地面试车中回注水蒸汽量约 10% ꎬ 可降低 30% - 70% 的 NOx [58] ꎮ 国外在 LM2500 LM5000 FT80 GT11N 等燃机上均已采用喷水措施 ꎬ 其目的不仅 为降低 NOx 排放 ꎬ 还可以增加功率 [59] ꎮ 然而 ꎬ 该技术也存在以下一些弊端 ꎮ (1) 每千瓦增加成本约 10 ~ 15 美元 ꎻ (2) 燃料消耗量增加 2% ~ 3% ( 使水温升至燃烧室内温度 )ꎬ 因此多采用喷蒸汽 ꎻ (3) 水必须处理 ꎬ 机组检查维护工作量增加 ꎻ (4) 有可能使 CO UHC 增加 ꎬ 还可能产生震荡燃烧 ꎮ 燃气轮机燃烧室采用湿化燃烧技术具有降低 NOx 排放和增加输出功率的优点 ꎬ 但同时也会导致燃烧效率低 CO 排放增加及增加机组成本和复杂性 ꎮ 在降低污染物排放方面 ꎬ 测试结果表明要想将 NOx 排放降低到 25 ppm 以下 ꎬCO 的排放必然是超标的 [60] ꎮ 鉴于我国是一个缺水的国家 ꎬ 基于湿化燃烧技术的燃气轮机不适合我国 ꎮ 5 2 干式低排放燃烧技术燃烧室 RQL 燃烧室 RQL 燃烧室实际上是一种特殊的分级燃烧室 ꎬ 最早由美国艾利逊公司提出 ꎬ 并在 K 工业燃机上进行了试验测试 [61] ꎮ 结果表明当富燃区当量比为 1 3 ~ 1 4ꎬ 贫燃区当量比为 0 5 ~ 0 6 时 ꎬ 使用中热值气体燃料的 NOx 排放为 70 ~ 80 ppmꎬ 低热值燃料时为 10 ~ 15 ppmꎮ 在 1997 年欧洲的 低发散燃烧技术 研究中还有 RQL 的研究报告 ꎬ 目的是开发探索该燃烧室在减少 NOx 生成量方面的潜力 ꎬ 掌握 RQL 燃烧室设计中的关键问题 ꎮ SNECMA 公司与 VOLVO 公司曾联合设计了 5 个 RQL 燃烧室方案 ꎬ 图 10 所示为其中的 2 种典型结构 ꎬ 五种方案分别进行了高中低压的贫油熄火和排放性能试验 ꎬ 结果如表 4 所示 ꎮ 由试验结果可以看出 ꎬ 该燃烧室的燃烧效率和 NOx 排放水平都是令人满意的 ꎮ 表 4 两种 RQL 燃烧室试验结果燃烧室 RQL1B RQL2A 富油区当量比 NOx 排放指数 燃烧效率

12 １２ 第 ３５ 卷 沈阳航空航天大学学报 气作为燃料时ꎬＮＯｘ 排放降低了近 ２ / ３ꎬ同时燃料 中边界氮( ＮＨ３ ) 转化为 ＮＯｘ 的量仅为 ５ ꎮ 图 １０ 图 １１ 两种 ＲＱＬ 燃烧室 ＧＥ 公司的 ＲＱＬ２ 燃烧室 ２０ 世纪 ９０ 年代 ＧＥ 公司为用于 ＩＧＣＣ 中的 重型 燃 气 轮 机 开 发 了 ＲＱＬ 燃 烧 室ꎬ 命 名 为 ＲＱＬ２ꎬ结构示意图如图 １１ 所示 [６２] ꎮ 由于煤气化 的合成气中有大量的燃料边界氮( ＮＨ３ ) ꎬ采用常 规燃烧室会产生大量的 ＮＯｘꎬ而 ＲＱＬ 燃烧室在 富燃缺氧环境下ꎬ燃料中的氮将会还原生成 Ｎ２ ꎬ 进一步降低了燃料型 ＮＯｘ 生成量ꎮ 富燃区的燃 烧产物在收缩通道后的淬熄区内与大量空气快速 混合 淬 熄ꎬ 使 其 混 合 后 的 燃 空 当 量 比 为 ０ ５ ~ ０ ７ꎮ 由于停留时间极短ꎬ未燃尽的燃料和氧气进 入贫燃区后才得以完全燃烧ꎬ从而实现 ＮＯｘ 的低 排放ꎮ 保证空气和富燃区产物在淬熄区快速均匀 混合是 ＲＱＬ 实现低 ＮＯｘ 排放的关键ꎮ 因为富燃 区产物从当量比 ２ ０ 降至当量比约 ０ ５ꎬ必须经 过当量比 １ ０ 的阶段ꎮ 但燃烧温度和 ＮＯｘ 在化 学当量比附近时都很高ꎬ这势必要求淬熄区内的 图 １２ 空气流量比 ４０ / ６０ 时 ＮＯｘ 和 ＣＯ 排放 表５ ＲＱＬ２ 的试验测试结果 富燃级 / 贫油级空气流量比 ＮＯｘ 最低值对应的 Ｔ４ / Ｋ ＣＯ 排放 ２０ / ８０ １ ５８８ ３０ / ７０ １ ４２２ ４０ / ６０ １ ２５５ ５ １０ ６ ~ ３０ １０ ６ ( 干态ꎬ１５ Ｏ２ ) １ 高于或低于 Ｔ４ ꎬ则 ＮＯｘ 增大ꎬＮＯｘ 最低值为 ５０ １０ ６ ꎻ ２ ４０ / ６０ 时ꎬＣＯ 排放量最少 Ｄｏｕｇｌａｓ Ｌ. Ｓｔｒａｕｂ 等通过对 ＲＱＬ 燃烧室的深 入研究ꎬ提出了把 ＲＱＬ 燃烧技术与驻涡燃烧技术 混合物在当量比为 １ 左右的停留时间尽可能短ꎬ ( Ｔｒａｐｐｅｄ Ｖｏｒｔｅｘ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎꎬ ＴＶＣ) 相 结 合 的 思 试验测试结果如图 １２ 及表 ５ 所示ꎮ 从试验结果 的燃烧室( 图 １３) [６３] ꎮ 在此基础上 ＧＥ 公司开发 而且混合要很均匀ꎮ １９９６ 年对 ＲＱＬ２ 燃烧室的 可以看出ꎬ采用 ＲＱＬ２ 燃烧室ꎬ在使用相同的合成 想ꎬ并在此基础上构建了一种称之为 ＲＱＬ / ＴＶＣ 出了适用于工业燃气轮机的 ＲＱＬ / ＴＶＣ 燃烧室ꎬ

13 第４ 期 刘爱虢: 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 该燃烧室的 ＮＯｘ 排放小于 ９ ｐｐｍ [６４] ꎮ １３ 性ꎬ同时该燃烧室的燃料适应性也很好ꎬ可实现低 热值 富氢燃料的稳定 低污染燃烧 [６６] ꎮ Ｐ Ｗ 公司在进行低排放燃烧室发展方案额 选择时ꎬ首先选择了 ＲＱＬ 技术ꎬ并采用 ＲＱＬ 技术 相继发展出了 ＴＡＬＯＮ( Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｌｏｗ ＮＯｘ) 系列低排放燃烧室 [６７ꎬ６８] ꎮ 使用 ＴＡＬ ＯＮ Ｉ 和 ＴＡＬＯＮ ＩＩ 低排放燃烧室的 ＰＷ４０００ 和 ＰＷ６０００ 系列 商 用 航 空 发 动 机 已 经 取 得 了 适 航 图 １３ ＲＱＬ / ＴＶＣ 燃烧室示意图 证ꎬ并开始使用ꎮ 最新采用 ＴＡＬＯＮ Ｘ 技术的燃 烧室 的 ＮＯｘ 排 放 已 经 达 到 了 ＣＡＥＰ / ２ 标 准 的 ３０ ꎮ ５ ２ ２ 贫燃预混燃烧室 贫燃预混燃烧是目前干式低排放燃烧技术燃 烧室所采用的主要方式ꎬ其核心思想就是让燃料 与空气在反应前进行均匀的混合ꎮ 图 １５ 所示为 Ｓｏｌａｒ 公司在燃用天然气的燃气轮机上所采用的 低 ＮＯｘ 天然气喷射器ꎬ采用将主燃料安放在 １８ 个旋流叶片间 １８ 个多孔辐条( 为 １０８ φ０ ８９ 开 孔方案) 喷入的方式ꎬ燃料与旋流空气充分预混 后进入燃 烧 室 进 行 反 应ꎬ ＮＯｘ 排 放 降 低 至 低 于 １０ ５ꎮ 图 １４ ＳＧＴ ７５０ 机组燃烧室结构及 ＲＱＬ 值班级 西门子公司推出的 ＳＧＴ ７５０ 型燃气轮机的 燃烧室为 ＲＰＬ( Ｒｉｃｈ Ｐｉｏｔ Ｌｅａｎ) 型ꎬ其值班级燃烧 器在设计时也采用了 ＲＱＬ 燃烧技术 [６５] ꎮ ＳＧＴ 图 １５ Ｓｏｌａｒ 低 ＮＯｘ 天气喷射器 通常认为燃烧室的排放特性与燃烧室的温 ７５０ 型燃气轮机燃烧室被称为第四代干式低污染 度 压力 火焰停留时间及混合均匀性之间会存在 燃料下都可以实现低污染燃烧ꎮ 燃烧室所使用的 关系ꎬ ＧＥ 公 司 开 展 了 大 量 的 试 验 研 究ꎬ 获 得 了 燃烧室ꎬ其特点是具有较高的燃料适应性ꎬ在不同 一定的关系ꎬ为确定 ＮＯｘ 排放与这些参数之间的 值班燃烧器的结构如图 １４ 所示ꎬ在发动机处于全 ＮＯｘ 排放与这些参数之间的关系ꎮ 在宽广的实 ＲＱＬ 燃烧模式ꎬ在保证高燃烧稳定性的同时保持 ８００ Ｋ 及火焰停留时间 ２ ~ １００ ｍｓꎬ采用了各种火 负荷状态和变负荷状态时ꎬ值班级燃烧器可进入 较低的 ＮＯｘ 排放ꎮ 由机组试验可知ꎬ该燃烧室的 ＮＯｘ 排放小于 １５ ｐｐｍꎬ具有较好的污染物排放特 验条件:工作压力 １ ~ ３ ０ ＭＰａꎬ进气温度 ３００ ~ 焰稳定器稳定预混火焰的情况下获得的经换算的 ＮＯｘ 与火焰温度的函数关系如图 １６ 所示ꎮ

14 14 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 图 16 换算 NOx 与火焰温度的关系在不同预混度下 ꎬNOx 与平均火焰温度的关系如图 17 所示 ꎮ 以上研究结果表明 : 良好的预混气 ꎬ 燃烧时产生的 NOx 仅与火焰温度有关系 ꎬ 一般火焰温度控制在 K 以下 ꎻ 而与燃烧室进口温度 工作压力及火焰停留时间没有关系 ꎮ 因此 ꎬ 贫油预混燃烧室所具有的技术特点都是基于以上试验研究获得的理念开展的 ꎮ 图 17 燃料和空气混合均匀性对 NOx 量的影响虽然贫预混燃烧可以降低 NOx 的排放 ꎬ 但其火焰很不稳定 ꎬ 燃烧器可稳定工作的范围较窄 ꎬ 这就导致该燃烧技术在燃气轮机有高负荷调节的需求时无法被采用 ꎮ 为解决这一问题 ꎬ 提出了分区燃烧的方法 ꎬ 将燃烧室内的反应区分为几个部分 ꎬ 当机组的负荷发生变化时 ꎬ 通过控制参加反应的区的数量来实现对燃烧负荷的要求 ꎬ 而在参加反应的每个区仍保证适当的高效低污染燃烧条件 ꎬ 这样在实现低污染排放的同时也保证了燃烧的稳定性 ꎮ 这种分区燃烧方式的主要缺点就是会导致燃烧室结构变复杂 ꎬ 需要采用复杂的控制系统来实现 ꎬ 但随着环保要求的不断提高和计算机控制技术的进步 ꎬ 这些问题都得到了解决 ꎬ 发展出了实用的干式低排放燃烧技术 ꎮ (1) 轴向分级燃烧室 80 年代 ꎬ 在生成 NOx 和 CO 量最低的 K 附近的较窄火焰温度范围内 ꎬ 罗 罗公司尝试了常规燃烧室 可变几何形状燃烧室 径向分级和轴向分级供油燃烧室 ꎮ 由于常规燃烧室在低负荷工况下混合不充分以致点不着火或熄火 ꎬ 可变几何形状燃烧室在维护性和可靠性方面存在技术障碍 ꎬ 径向分级供油需要供油级多等原因 ꎬ 人们放弃了这些方案 ꎬ 进而转入着力研究轴向分级供油方案 ꎬ 并通过试验研究得出轴向分级燃烧室具有如下优点 ꎮ (1) 可为多级供油提供足够的长度 ꎻ (2) 上游级预热有利于组织燃烧和改善产生 NOx 和 CO 的温度裕度 ꎻ (3) 维持主燃区温度不变 ꎬ 使贫油熄火裕度不变 ꎬ 工作适应性好 ꎮ 1991 年 ꎬ 罗 罗公司开始研制用于工业 RB211 燃机的 DLN 燃烧室 ꎬ 如图 18 所示 ꎬ 该燃烧室为一个包括 9 个径向安装的火焰筒的单元体组件 ( 替换原机环形燃烧室布局 )ꎬ 每个火焰筒内包括一个串联二级燃烧室 ꎬ 每个火焰简装有点火器 ( 不用联焰管 )ꎮ 燃烧室的头部结构如图 19 所示 ꎮ 在主燃区头部有一个中心喷嘴产生扩散火焰 ꎬ 也可由串列的两个反向旋流的径向涡流器供入气流与第一级涡流器通道内多个喷射点供给的预混燃料产生预混火焰 ꎮ 至一定工况 ꎬ 则转入第二级预混燃烧 ꎬ 第二级燃料以一定喷射角供给 ꎬ 以保证燃料和空气均匀混合 ( 不均匀度小于 4% )ꎮ 该燃烧室燃用天然气时 ꎬNOx 排放量约为 ꎮ 由于火焰筒上没有冷却气膜孔 ꎬ 节省的空气可参与燃烧 ꎬ 也使 CO 排放量低于 [69] ꎮ 图 18 罗罗公司工业用 RB211 的 DLE04 模型

15 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 15 图 19 罗罗公司的 DLE 燃烧室 火喷嘴 第一级扩散 预混喷射器 ꎬ 第二 三级预混喷射器供给燃料 ꎮ 由专用调节系统精确地向五个总管分配燃料 ꎬ 既能响应负荷变化 ꎬ 保证火焰传递和贫态预混燃烧 ꎻ 又能对环境温度和湿度敏感 ꎬ 保持级间燃料能自动平衡调节 ꎬ 使 NOx 和 CO 总排放量降到最低 ꎮ 目前 ꎬ 罗 罗公司将工业 RB211 的三级低排放技术引入到工业 AVON 工业 TRENT 等燃机上 ꎮ 工业 TRENT 燃烧室的剖面图如图 21 所示 ꎬ 其基本结构与工业 RB211 的一致 ꎬ 并更清晰地显示了第二 三级预混气的供给管路 ꎮ 该燃烧室的工作过程是 : 在起动和低功率工作状态 ꎬ 第一级由电嘴点燃起动气体燃料形成火炬 ꎬ 再点燃从扩散火焰型喷射器喷出的燃料 ꎬ 形成第一级的扩散火焰 ꎬ 这是稳定工作和降低 CO 排放所必需的 ꎮ 在 70% 负荷左右 ꎬ 点着第二级 ꎬ 供到扩散火焰中的部分燃料转到第二级 ꎬ 在此建立稳定的燃烧 ꎮ 此时第一级扩散火焰熄灭 ꎬ 并在第 2 级实现在 K 恒定温度下的完全预混燃烧 ꎮ 它是由第一级的扩散型燃料转至预混型喷射而实现的 ꎬ 再调节第二级燃料供给量 ꎬ 以控制功率输出值 ꎮ 图 20 DLN 分级燃烧系统示意图 1994 年罗 罗公司又研制了分为三级的 DLN 燃烧室 ꎮ 级数分得越多 ꎬ 越接近理想系统 ꎬ 改进了预混贫油燃烧工作范围的调节比 ꎮ 三级燃烧室是在两级燃烧室基础上增加一个第三级燃烧室 ꎬ 其目的是减小最初扩散火焰工作的范围 ꎬ 将其转换点降至 40% 负荷 ꎬ 从而扩大了预混燃烧工作范围 ꎮ 图 20 为该方案的燃烧系统示意图 ꎬ 从图中可以看出 ꎬ 三级串联燃烧室有 5 条油路分别向点 图 21 工业 TRENT 燃烧室有必要强调的是 ꎬ 在轴向分级燃烧室中 ꎬ 首先要保证第一级贫态预混火焰不熄灭 ꎬ 这是极其重要的 ꎬ 否则整个燃烧室会熄火 ꎮ 这就依赖于第二级预混器的部分混合物被引入第一区 ꎬ 扩大了第一级熄火极限 ꎮ 另外 ꎬ 第三级则要受最低温度限制 ꎬ 保证将 CO 烧完 ꎮ GE 公司也设计研发了一种轴向分级的 DLE 燃烧室 ꎬ 结构示意图如图 22 所示 ꎮ 该燃烧室由两个燃烧区组成 : 第一区由六个彼此分隔 环绕在中心体 5 之外 各自有燃料喷嘴 2 的预混室 4 组成 ꎻ 第二区布置在文氏管通道 9 之前 ꎬ 喷嘴 1 装在中心体前端 ꎮ 该燃烧室既可烧天然气 ꎬ 也可烧轻油 ꎮ 该燃烧室在烧天然气时 ꎬ 如 LM6000 上的 DLE 燃烧器一样按机组负荷安排工作模式 ꎬ 如图 23 所示 ꎮ 各种模式的各区燃烧供给的百分比是指负荷所要求的燃料量的比例 ꎮ (2) 径向分级燃烧室美国 GE 公司于 20 世纪 70 年代中期开始研

16 16 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 制 DLE 燃烧室 ꎬ 在 NASA 主持的试验清洁燃烧室计划和高效节能发动机计划 (E3) 下 ꎬ 在航空发动机 CF6-50C 基础上经过多种方案探索 ꎬ 最终为径向分级燃烧室 ꎬ 也称为双环腔燃烧室 ꎮ 图 24 所示为在航空发动机上使用的双环腔径向分级燃烧室 ꎮ 有该型号燃烧室的首台 LM6000 在比利时的格感特 (Gent) 电站投入商业运行 ꎮ 输出功率 43MWꎬ 效率 40% NOx 排放为 22 4 mg / m 3 ꎬ CO 为 7 5 mg / m 3 ꎬUHC 为 1 4 mg / m 3 ꎮ 图 22 GE 公司的轴向分级 DLE 燃烧室示意图 图 25 LM6000 三环腔燃烧室及分区工作模式 1 - 反应区 Aꎻ2 - 反应区 Bꎻ3 - 反应区 Cꎻ4 - 预混器 ꎻ 5 - 扩压器 ꎻ6 - 外机匣 ꎻ7 - 燃烧室火焰筒 图 23 不同负荷下的燃烧模式图 24 双环腔径向分级燃烧室 1990 年初 ꎬ 在双环腔径向分级燃烧室的基础上 ꎬGE 公司开始研制三环腔燃烧室 ꎬ 用于 LM6000 型地面燃气轮机的三环腔径向分级燃烧室及其分区工作模式如图 25 所示 ꎮ 1995 年 ꎬ 装 LM6000 与 CF6-80C2 ( CF6-50C 的发展型 ) 有 90% 的共同性 ꎬ 而新型燃气预混燃烧室使燃气轮机降低排气污染技术登上新台阶 ꎬ 在具体技术设计中有重大突破 ꎬ 表现在如下几方面 ꎮ (1) 三环腔比双环腔燃燃烧室又前进一步 ꎮ 双环腔仅可照顾慢车状态和全功率状态在合适的当量比下工作 ꎬ 而中间状态污染物的控制不够理想 ꎮ LM6000 型的 DLN 燃烧室在径向分为三个区域 ꎬ 按照它的操作模式 ꎬ 可以照顾各功率状态 ꎬ 使之处于最佳工作状态 ꎬ 保证低污染物排放 ꎮ (2) 燃料与空气预混 : 燃料通过空心轴向旋流片进入预混器 4ꎬ 在与空气混合之前通过后缘孔 ꎬ 保持在预混器出口处的剩余涡流有助于稳定下游的预混火焰 ꎮ 这种设计保证燃料与空气很均匀地混合 ꎬ 是保证低 NOx 排放的主要手段 ꎮ (3) 短环形燃烧室火焰筒设计 ꎬ 使冷却空气量减到最小 ꎬ 壁面采用对流冷却 ꎬ 并涂覆隔热涂层 ꎮ 这一措施避免了气膜冷却区形成大量 CO 和 UHCꎮ 绝大部分空气用于与燃料混合 ꎬ 该燃烧室出口温度达到 ꎮ

17 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 17 (4) 燃烧室进口导叶调整和压气机放气 ꎬ 使火焰温度在发动机整个运行范围内几乎不变 ꎬ 使 NOx 和 CO 排放量均为最低值 ꎮ 由于该燃烧室采取了上述措施 ꎬ 试验结果表明 : 形成的 NOx 的数量不随燃气压力变化 ꎬNOx 的排放量不是燃绕室进口温度的函数 ꎬNOx 的数量不随火焰停留时间的增加而增加 ꎮ 也就是说 ꎬ 该燃烧室的设计成功地解决了高压比 高温升燃烧室排气污染的问题 ꎮ 从 1991 年开始 ꎬGE 公司针对天然气燃料燃气轮机的低排放问题 ꎬ 相继发展了 DLN1 和 DLN2 两个系列的燃烧室 ꎬ 包括 DLN1 0 DLN1 0 + DLN2 0 DLN2 0 + DLN2 5 DLN2 6 DLN2 6 + 等 ꎮ 其中 DLN1 系列是针对 E 级燃气轮机 ( 透平进气温度 ) 开发的 ꎬ 包括 7Eꎬ EAꎬ9Eꎬ6Bꎬ52Dꎬ51P 和 32Jꎬ 当机组超过 50% 额定负荷时 ꎬ 其 NOx 的排放浓度可控制在 mg / m 3 下 ꎮDLN2 系列是针对 F 级燃气轮机 ( 透平进气温度 ) 开发的 ꎬ 但也被应用在 EC 和 H 燃机 ꎮ 组件分界 ꎬ 文丘里组件前端是一级燃烧区 ꎻ 文丘里组件后端是二级燃烧区 ꎮ 文丘里组件作用是提高掺混的天然气向二级燃烧区的喷射速度 ꎬ 防止回火 ꎻ 在文丘里组件后部钝角处形成回流区稳定火焰 ꎮ 火焰筒尾部稀释孔孔径是关系到 NOx 排放量的重要因素 ꎬ 稀释孔起到分流压气机排气的作用 ꎬ 孔径大小影响着火焰筒的预混空气量 ꎮ 当孔径变大时 ꎬ 预混空气量会变少 ꎬ 燃空比变大 ꎬ 燃烧温度升高 ꎬNOx 排放增大 ꎮ 在 DLN 1 0 的基础上重新设计了二级燃料喷嘴发展出了 DLN 系统燃烧室 ꎬ 该燃烧室还通过优化文丘里组件来加强燃料和空气的预混 ꎬ 提高了燃料和空气混合的均匀性 ꎮ 同时 ꎬ 火焰筒末端的二次空气掺冷孔向后移动 ꎬ 并采用分级掺冷技术 ꎬ 将燃气轮机 NOx 的排放控制在了更低的水平 ꎮ 图 27 所示为 DLN 2 系列燃烧室 ꎮ 与 DLN1 系列相比 ꎬ 该燃烧室的主要特点是只有一个燃烧区域 [70] ꎮ 此外 ꎬ 为减少用于掺混和冷却的空气用量 ꎬDLN 2 系列燃烧室取消了 DLN 1 系列燃烧室中需要空气冷却的文丘里和中心体组件 ꎮ 图 26 DLN1 燃烧室头部分级方案 DLN1 燃烧室分级方案如图 26 所示 ꎬ 在中心体两侧为第 1 级 ꎬ 第 1 级装有各自的旋流器与燃料喷嘴 ꎬ 通过中心体安装合并 ꎮ 第 2 级在中心体上 ꎬ 装有一个旋流器与燃料喷嘴 ꎮ 第 1 级的燃料在燃烧后通过文丘里组合件之后 ꎬ 与中心体处的第 2 级燃料混合 ꎬ 在二次燃烧区进行燃烧 ꎮ 通过分级燃烧的方式 ꎬ 可以有效降低 NOx 排放 ꎮ 一级燃料喷嘴有 6 个周向均布的燃料出口 ꎬ 天然气从这 6 个出口旋转射入一级燃烧区 ꎮ 二级燃料喷嘴位于一级燃料喷嘴中央 ꎬ 插入火焰筒的中心 ꎬ 提供值班火焰 ꎮ 火焰筒分为一 二级燃烧区 ꎬ 以文丘里 图 27 GE 公司 DLN2 系列燃烧室

18 18 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 在 DLN 2 燃烧室的基础上 ꎬ 在燃烧室中心轴方向增加了 1 个较小的喷嘴 ꎬ 形成了 DLN 2 6 燃烧系统 ꎮ 其中 ꎬ 所增加喷嘴的燃料流量和燃料空气比可独立调节 ꎬ 且该喷嘴始终处于工作状态 ꎬ 好处是一方面能保证机组在低负荷运行范围内稳定燃烧 ꎬ 另一方面也可以增加燃气在燃烧室内的停留时间 ꎬ 使 CO 得到充分完全燃烧 ꎬ 可有效降低 CO 排放 [71] ꎮ 除了燃料喷嘴布置方式的变化外 ꎬ DLN 2 6 燃烧系统也对燃烧模式进行了优化 ꎬ 采用了全预混燃烧模式 ꎬ 简化了燃烧室结构 ꎮ 在 DLN2 0 和 DLN 2 6 的基础上 ꎬ 通过取消布置在燃烧室边缘的四次气燃料喷嘴 ꎬ 同时采用了新设计的 swozzle 燃料喷嘴代替了 swirler / peg 喷嘴 ꎬGE 公司又提出了 DLN 和 DLN2 6 + 燃烧系统 [72] ꎮ 图 28 所示为在 DLN2 0 基础上设计的 DLN2 0 + 燃烧室结构 ꎬ 气体燃料喷嘴剖面结构如图 29 所示 ꎮ 每个燃烧室都有一个盖板 ꎬ 每个盖板上布置 5 只燃料喷嘴 ꎬ 每只燃料喷嘴内有 2 个燃料通道 : 预混燃烧通道和扩散燃烧通道 ꎮ 喷嘴工作时预混气体燃料经周向分布的燃料通道供入 ꎬ 经布置于旋流叶片直线段内的燃料喷嘴喷入 ꎬ 与旋流器流出的空气混合 ꎬ 充满整个预混管 ꎮ 每个旋流器叶片由旋转叶片和一个位于上游的直线段叶片组成 ꎬ 它是中空的 ꎬ 内装为有许多喷射孔的燃料管道 ꎮ 此外 ꎬ 在燃烧器的预混燃料通道的下游有一圈整流片 ꎬ 可以防止回火 ꎬ 如图 30 所示 ꎮ 图 29 DLN 燃烧室气体燃料喷嘴布置图图 30 DLN 燃烧室喷嘴示意图 图 31 各 DLN 燃烧室燃料喷嘴布置图 图 28 DLN2 0 + 燃烧室结构图 swozzle 喷嘴将燃料喷射口与旋流器叶片结合在一起 ꎬ 所有这些都在燃料喷嘴本体内 ꎬ 因此提供了一个混合更好 更稳定的燃烧区域 ꎮ DLN 2 0 DLN DLN 2 6 DLN 燃烧系统各燃料喷嘴布置见图 31ꎮ 图 32 所示为采用了径向分级燃烧技术的西门子公司 SGT H 燃烧室结构简图 [73] ꎮ 在该燃烧室内按照工作用途有三种不同类型的喷嘴 : 即值班喷嘴 主燃烧喷嘴和高负荷喷嘴 ( C 级喷嘴 )ꎮ 其中 ꎬ 值班喷嘴内部又分为两级 : 扩散式值班喷嘴和预混式值班喷嘴 ( D 级喷嘴 )ꎮ 主燃烧喷嘴也分为 A B 两级 ꎬ 在每级内各有 4 个预混喷嘴 ꎮ 高负荷喷嘴 ( C 级喷嘴 ) 的功能是提高燃

19 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 19 烧室高负荷下的燃烧稳定性 ꎬ 位置位于值班喷嘴与主燃烧喷嘴下游 ꎮ 工作过程中 ꎬ 该燃烧室采用如下工作方式实现分级燃烧 : 从点火到同步工况 ( 额定转速空载工况 ) 阶段 ꎬ 扩散式值班喷嘴与 A 级燃烧喷嘴同时运行 ꎻ 从同步工况到 25% 负荷 ꎬD 级喷嘴投入运行 ꎻ 从 25% 负荷到 45% 负荷 ꎬB 级打开 ꎬ 此时值班喷嘴与主燃喷嘴全部投入使用 ꎻ 从 45% 负荷到设计负荷 ꎬC 级喷嘴也打开投入使用 ꎮ 通过以上的燃烧分级控制策略 ꎬ 保证了燃烧室在全工况下的燃烧低污染特性 ꎮ 独立的两组 ꎬ 分别为第二路和第三路 ꎻ 在喷嘴来流上游的导流衬套上设有圆管型燃料管道 ꎬ 开有若干燃料喷口 ꎬ 为第四路 ꎻ 为保证燃烧的稳定性 ꎬ 在燃烧室的整个工况范围内第一路的值班喷嘴一直供应燃料 ꎮ 火焰筒上设有旁通阀 ꎬ 用于调节低负荷下的当量比 ꎬ 保证燃烧稳定性 ꎮ 对于压比为 16 透平一级动叶前温度为 的 SGT6-5000F 燃气轮机 ꎬ 在 60% - 100% 的负荷范围内 ꎬ 生成的 NOx CO 的体积分数低于 [74] ꎮ 在此基础上 ꎬ 通过对 SGT6-5000F 燃烧室做局部优化 ꎬ 优化值班喷嘴的气动性能 ꎬ 拓宽扩散燃烧的稳定燃烧边界 ꎬ 在 32% ~ 100% 的负荷范围内 ꎬ SGT6-6000G 燃气轮机生成的 NOx CO 的体积分数低于 [75-76] ꎮ 图 33 西门子公司 DLE 燃烧器配气结构 图 32 西门子 SGT H 燃烧系统结构图及喷嘴 (3) 中心分级燃烧室图 33 所示西门子公司为 SGT6-5000F 燃气轮所设计的采用中心分级技术的燃烧室结构 ꎮ 其中 ꎬ 中心级采用了扩散燃烧模式 ꎬ 称为值班喷嘴 ꎬ 在中心级周围布置了 8 个预混喷嘴 ꎬ 称为主喷嘴 ꎻ 为保证值班级的火焰稳定性 ꎬ 值班级喷嘴采用了强旋流气动设计 ꎬ 在燃烧室出口形成回流区 ꎬ 降低污染物的排放以在主喷嘴出口处不形成回流区 ꎮ 燃料分四路由不同的喷嘴进入燃烧室 ꎬ 其中值班喷嘴为第一路 ꎬ 值班喷嘴外围的 8 个主喷嘴分成 MHI( 日本三菱 ) 公司于 1994 年开始研制 G 型燃机 ꎮ 1997 年前后相继推出 51G ( 50 Hz) 701G(60 Hz) 型燃机 ꎮ 他们采用新研制的逆流环管 DLE 燃烧室 (DLN Mk7-4)ꎬ 其中 501G 型有 15 个火焰筒 ꎬ701G 有 20 个火焰筒 [77] ꎮ MHI 公司研制的 DLE 燃烧室类似西门子公司的 DLE 燃烧器 ꎬ 也有置于中心部分的值班喷嘴 ꎬMHI 公司称为导向喷嘴 ꎮ 在导向喷嘴外围有 8 个彼此独立的主喷嘴 ꎬ 也称为多向喷嘴 ꎬ 供给预混的混合气 ꎬ 如图 34 所示 [78] ꎮ 值班级喷嘴的作用是保证燃烧的稳定性 ꎬ 即在较低的燃空比下也能保证燃烧的稳定性 ꎬ 为此值班喷嘴采用了旋流进气 ꎬ 出口为扩张锥形型面 ꎬ 这样在燃烧室出口可以形成稳定的回流区 ꎬ 以保证燃烧稳定性 ꎻ 外围为

20 20 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 预混喷嘴 ꎬ 采用了在旋流叶片下游的中心体上开设若干个燃料喷口 ꎬ 燃料直接喷射到通过旋流器的空气中去 ꎬ 在旋流作用下实现燃料与空气的充分预混 ꎮ 为预防回火 ꎬ 需要对旋流角度进行优化 ꎮ 外围喷嘴的出口为扇形 ꎬ 即混合通道从圆环形转为扇形 ꎮ 为调节点火 加速及低负荷下的燃烧区当量比 ꎬ 同样在火焰筒上布置了旁通阀 ꎬ 以保证燃烧的稳定性 ꎮ 到 58 7% ꎬ 具有较好的点火性能及整个工况范围 内较低水平的燃烧振荡 [79-80] ꎮ 图 35 为 MHI 公 司的 DLN Mk7-4 DLN Mk8-4 燃烧室示意图 ꎮ 图 34 MHI 公司的环形 DLE 燃烧室 1 - 导向喷嘴 ꎻ2 - 多向主喷嘴 ( 预混 )ꎻ3 - 喇叭形组件 ꎻ 4 - 空气旁路阀 ꎻ5 - 过渡段 ꎻ6 - 火焰管 为进一步降低污染物排放 ꎬMHI 公司又为 M501G1 M701G2 燃气轮机设计了更先进的 DLN 燃烧室方案 : DLN Mk8-4 燃烧室 ꎮ DLN Mk8-4 燃烧室是通过对早期的 DLN Mk7-4 燃烧室进行了几个方面的优化来进一步降低污染物排放的 : 其一 ꎬ 对喷嘴进口前来流的均匀性进行了优化 ꎻ 其二 ꎬ 通过采用透平叶片设计工具对外围预混喷嘴的旋流叶片进行了优化 ꎬ 并将燃料喷口开设在旋流叶片上 ꎬ 称为 V 型喷嘴 ꎮ 该种设计的好处是可以大大提升燃料 / 空气的混合均匀度 ꎬ 并使喷嘴内部速度分布与当量比分布更加匹配 ꎬ 从而降低回火风险 ꎻ 其三 ꎬ 对燃烧室内的气动特性进行了优化 ꎬ 通过增大值班喷嘴出口面积以提升扩散火焰稳定性 ꎬ 保证在极低的燃料空气比下仍能稳定燃烧 ꎻ 其四 ꎬ 对燃烧室外壁面形状进行了优化 ꎬ 减小预混喷嘴出口外围附近的回流区面积 ꎬ 从而缩小高温区范围来降低 NOx 排放 ꎻ 其五 ꎬ 采用声学谐振装置 ꎬ 在火焰筒上设置抑制高频振荡的多孔谐振腔 ꎬ 在旁通阀通道上设置抑制低频振荡的谐振腔 ꎮ 通过实际测试表明 ꎬ 在 60% - 100% 的负荷范围内 ꎬM501G1 M701G2 燃气轮机生成的 NOx 体积分数低于 ꎬ 联合循环效率达 图 35 MHI 低排放燃烧室 MHI 公司的 G / H 级燃气轮机的燃烧室燃烧组织方案与西门子公司基本相同 ꎬ 且都是在 F 级天然气燃烧室基础上进行局部优化发展起来的 ꎬ 主要的优化除了外围预混喷嘴的燃料 / 空气混合效果 值班喷嘴的稳火边界 ꎬ 还设置了抑制热声振荡的谐振腔及旁通阀谐振装置 ꎮ (4) 低旋流贫预混燃烧技术燃烧室低旋流贫预混燃烧最早是由美国劳伦斯伯克利国家实验室 Cheng 等人开发的一种超低 NOx 排放燃烧技术 ꎬ 与其他燃烧技术相比 ꎬ 具有的优点包括 : 燃烧效率高 火焰区域温度低 燃烧稳定 不 [81 - 易 返火 和 吹熄 等 82] ꎮ 降低 NOx 排放的基本原理为采用贫预混及减少燃烧反应停留时间 ꎮ 采用低旋流预混技术的燃烧器结构和工作时所产生的火焰照片如图 36 所示 ꎮ 从燃烧器的结构特点看 ꎬ 该类燃烧器采用了轴对称结构 ꎬ 中心处

21 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 21 为带有多孔挡板的圆管 ꎬ 圆管外侧为旋流叶片 ꎬ 燃烧器的旋流强度可以通过对多孔挡板的阻塞比及叶片安装角度的调节来实现 ꎮ 在工作过程中 ꎬ 燃料与空气的混合气体由燃烧器下侧进入 ꎬ 经旋流 的出口旋流数与湍流火焰速度 ꎬ 这是与传统贫预混高旋流燃烧技术的主要不同 ꎮ LSC 对燃料气的热值 品质等无特殊要求 ꎬ 所以十分适合中低热值合成气或纯氢燃料的清洁高效燃烧 [84] ꎮ 叶片和中心圆管后由射流孔射出 ꎬ 在燃烧器喷口 下方形成一个稳定的推举火焰 ꎬ 稳定燃烧 ꎮ 由图可以看出 ꎬ 燃料 / 空气预混气体经过燃烧器射出后由于旋流的作用会产生气流扩散 ꎬ 流速迅速减小 ꎮ 预混火焰的推举位置可以通过调节多孔挡板的阻塞比和叶片的安装角度来实现 ꎮ 表 6 火焰稳定原理 稳焰方式 LSC 燃烧技术与传统贫预混燃烧技术对比 低旋流贫预混燃烧 火焰以湍流燃烧速度进行传播 利用扩散的气流稳焰 ꎬ 无回流 高旋流贫预混燃烧 漩涡将高温反应产物回流 ꎬ 形成新鲜预混燃气的连续点火源 利用回流区稳焰 火焰 / 湍流间的作用 火焰内部湍动具有各 项同性 ꎬ 具有很低的剪切应力 ꎬ 不容易产生火焰破碎现象 火焰流场具有高剪切应力区域 ꎬ 会导致火焰破碎与瞬时分离现象 燃烧不稳定性 由于无回流区 ꎬ 因此无明显的特征频率 ꎬ 不会产生不稳定燃烧 由于回流涡的作用 ꎬ 具有特征频率 ꎬ 会产生不稳定燃烧 图 36 LSC 燃烧器结构及火焰照片低旋流贫预混 (LSC) 燃烧技术与传统的干式贫预混燃烧技术在技术原理上有一定的差别 ꎬ 与贫预混燃烧技术相比 LSC 是一种简单经济的低 NOx 技术 ꎮ 传统的干式贫预混燃烧技术需要采用强旋流来建立回流区 ꎬLSC 没有回流区 ꎬ 而是利用低旋流的方法来稳定火焰 ꎮ 这种方法的优点是不仅缩短了烟气在高温区停留的时间 ꎬ 减少了 NOx 的排放量 ꎬ 而且避免了常规不稳定燃烧等问题 ꎮ 传统的高旋流贫预混超低排放燃烧技术遇到的主要障碍包括贫油熄火边界与火焰不稳定燃烧 (5)EV 燃烧器 EV 燃烧器 (EV 为英文 环境 的缩写 ) 是由 ABB Alstom 公司研制的一种锥形预混式燃烧器 ꎬ 工作原理图如图 37 所示 [85] ꎮ 工作原理是利用两个偏心锥体的缝隙形成空气切向强旋流 ꎮ 燃用天然气时 ꎬ 天然气从开缝处的许多小孔进入锥体 ꎬ 与空气均匀混合为可燃气体 ꎬ 在锥端面出口的回流区形成预混燃烧 ꎮ 若用液体燃料 ꎬ 燃料从锥顶供入 ꎬ 在空气旋流作用下雾化 蒸发 ꎬ 与空气混合 ꎬ 在锥端燃烧 ꎮ 此时仅为扩散式燃烧 ꎬ 还需喷水或蒸汽才可降低 NOxꎮ 边界 ꎬ 而低旋流燃烧技术通过发展气动力学 ꎬ 克服了这一障碍 ꎬ 燃烧流场中无回流区 ꎬ 避免了不稳定燃烧 ꎬ 不存在不稳定燃烧边界 ꎬ 其可燃边界紧靠理论燃烧边界 [83] ꎮ Cheng 与 Solar 公司在 2006 年进行了合作 ꎬ 在 Solar Taurus 70 型燃气轮机上采用了 LSC 燃烧技术 ꎬ 试验测试结果表明采用 LSC 技术后燃烧 室 NOx 排放 < 5 ppmꎮ 为对比 LSC 燃烧技术与传统贫预混燃烧技术的对比的差别 ꎬ 将这 2 种燃烧技术在表 6 中进行了对比 ꎮ 由对比可以看出 ꎬ 对 LSC 燃烧器起控制作用的主要参数为预混气 图 37 EV 燃烧器工作原理 1 - 气体燃料 ꎻ2 - 燃烧空气 ꎻ3 - 掺混空气 ꎻ4 - 液体燃料 ꎻ5 - 油雾蒸发 ꎻ6 - 点火 ꎻ7 - 回流涡 ꎻ8 - 火焰前锋 ꎻ9 - 气体喷射孔 ꎻ 10 - 旋流喷嘴 ꎻ11 - 气体燃料

22 ２２ 第 ３５ 卷 沈阳航空航天大学学报 ＥＶ 燃烧器是一个燃烧单元体ꎬ每台机组可 的轴向分级ꎬ带变几何的环管式径向分级等ꎮ 根据需要 多 个 并 联 使 用ꎮ １９９１ 年ꎬ 在 该 公 司 的 ＧＴ１１Ｎ 改型燃机上ꎬ采用 ３７ 个 ＥＶ 燃烧器组成的 竖井 式 燃 烧 室ꎬ 如 图 ３８ 所 示ꎮ １９９３ 年ꎬ 又 在 ＧＴ１３Ｅ２ 型燃机上采用ꎮ 图 ３９ ＧＴ２４ / ２６ 燃气轮机及其顺序燃烧系统 图 ４０ 图 ３８ 使用 ＥＶ 燃烧器的环形燃烧室 带 ＥＶ 燃烧器的竖井式燃烧室 １９９５ 年该公司在 ＧＴ２４ / ＧＴ２６ 型燃机上采用 顺序相连的 ＥＶ 燃烧室ꎬ其间安排高压涡轮ꎬ如图 ３９ 所示ꎬ 组 成 顺 序 燃 烧 系 统 ( ＳＣＳ) ꎮ 在 第 一 级 ＥＶ 燃烧器中供入 ６０ 的燃料ꎬ产生贫态预混式 燃烧ꎻ在第二级再补入 ４０ 的燃料及部分空气ꎬ 在涡轮排出的燃气中燃烧ꎬ在较高的温度下实现 了低 ＮＯｘ ＣＯ 的排放ꎮ 烧天然气时ꎬＮＯｘ 为 ２５ １０ ６ ꎬＣＯ 为 １５ １０ ６ [８６] ꎮ 图 ４０ 所示为采用 ＥＶ 燃烧器的环形燃烧室ꎬ分别为 ＧＴ２４ꎬＧＴ２６ 和 ＧＴ８Ｃ２ 上使用的环形燃烧室ꎮ ５ ３ 催化燃烧技术燃烧室 美国在实验清洁燃烧室计划( ＥＣＣＰ) 执行的 同时ꎬ１９７７ 年 ＮＡＳＡ 和美国空军制定了先进低污 染催化燃烧室计划ꎬ并由 ＧＥ 和普 惠公司实施ꎮ 图 ４１ 美国 ＧＥ 和普 惠公司分别提出了六个设想 ＧＥ 公司的催化燃烧室方案 的催化燃烧室方案ꎮ ＧＥ 公司经分析研究筛选出 两个公司的催化燃烧室方案的基本构思是采 其中最有希望的两种方案ꎬ如图 ４１ 所示ꎮ 它们类 用燃料分级ꎬ即采取常规燃烧室与催化燃烧室组 似于 Ｅ３ 发动机径向分级的先进技术发动机燃烧 合ꎮ 在低工况下使用常规燃烧室ꎬ而在全负荷状 ꎮ 图中( ａ) 方案为基本平行分级ꎬ内侧 态下大部分或全部温升是通过催化燃烧室达到 为催化燃烧室ꎻ( ｂ) 方案为环管回流平行分级ꎬ外 的ꎮ 这种分级方法要求仔细控制空气流量分配ꎬ 侧为催化燃烧室ꎮ 普 惠公司也对六种方案进行 保持所要求的催化床的温度及压力损失ꎮ 因此ꎬ 了分析与评价ꎬ它们包括:基本的单纯催化反应 还需要利用变几何调控空气ꎬ以便与燃料配置相 器ꎬ富态前端混合式ꎬ基本的径向分级ꎬ带变几何 协调ꎮ 室方案 [８７]

23 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 23 两个公司所采用的催化床材料 结构也各具特点 :GE 公司是采用 Engelhard 工业试验计划评价过的 DXE 型催化反应器 ꎬ 它是将钯浸渍到稳定的氧化铝 ( 钒土 ) 片中 ꎬ 再覆盖到蜂窝状氧化锆复合材料支承件上 ꎮ 蜂窝结构为平均每平方厘米 14 1 个孔 ꎬ 每孔承力直径为 1 7 mmꎬ 开孔面积比为 54 2% ꎮ 普 惠公司选择了氧化锆作为单片基底材料 ꎬ 该材料可以承受 K 高温 ꎮ 这两个公司的试验结果表明 : 燃烧效率随催化床长度 (100 ~ 170 mm) 的增加而增大 ꎮ 这两个公司提出的方案经评估仍有如下主要技术问题 : 一是催化床进口混气速度 温度及混合必须均匀 ꎬ 要求 90% ~ 95% 的燃料蒸发 ꎻ 二是催化床在长时间内保持热耐久性及性能稳定性 ꎻ 三是由于第一项的要求 ꎬ 必须防止自动点火和回火 ꎬ 因此要求燃料快速蒸发和混合 ꎮ 解决上述问题难度很大 ꎬ 因此 ꎬ20 世纪 80 年代很少见到该方案的深入研究报告 ꎮ 据资料介绍 ꎬGE 公司在 FT4C - 3F 型燃机上采用的催化燃烧室如图 42 所示 ꎬ 与图 41 所示方案不同 ꎮ 它是将原来的 8 个火焰筒的直流式分管燃烧室改为尺寸更大的回流式燃烧室 ꎬ 如图所示由 4 部分组成 ꎮ 前置燃烧室用于燃机起动和加速阶段 ꎬ 为扩散燃烧 ꎬ 也可采用 DLN 系统 ꎮ 燃料注入器控制燃料与助燃空气均匀混合 ꎬ 在催化组件中进行无焰燃烧 ꎬ 形成高温燃气 ꎬ 在燃尽段进行完全燃烧 ꎮ 预计此方案在 T4 为 时 ꎬ NOx 可控制在 4 ~ 6 mg / m 3 ꎬ 真可谓超低 NOx 燃烧室 ꎮ Xonon 代表 NO - NOxꎬ 即无 NOx 的反拼写 ꎮ 43)ꎮ 目的是测试催化剂模块的可靠性 可获得性 可维护性及通过 小时的连续运行确认催化剂材料上的进展对催化剂持久性的影 [88 - 响 90] ꎮ 结果表明 ꎬ 催化燃烧室可靠性的提高很大程度上取决于温度场和浓度场的改善 ꎬ 影响催化剂持久性的因素较多 ꎬ 催化剂持久性模型的建立与完善还需要对更多实验测试数据的统计 ꎮ 图 43 带有 XONON 催化剂模块的催化燃烧室据最近报道 : 艾利逊公司参与 ATS 规划 ꎬ 在研制效率为 40% 的 13 5 MW 燃机时 ꎬ 采用了联合燃烧室 ꎬ 在空转和低负荷下由预混的贫态混气燃烧 ꎬ 在 50% 以上工况进行催化燃烧 ꎮ 该燃机增压比为 30ꎬT4 可达 ꎬ 表明催化燃烧技术已进入实用性研究阶段 ꎮ 该种组合燃烧室类似图 41(b) 所示的方案 ꎮ 美国 Precision Combustion 公司与 Solar 公司合作 ꎬ 对燃气轮机催化燃烧室开展了系统的研究 ꎬ 开发出了可用于纯氢燃料的 RCL 催化燃烧室 ꎬ 并将该燃烧室在 Solar 公司的燃气轮机机组上进行了高压试验 ꎮ 结果表明 ꎬRCL 催化燃烧室可用于纯氢燃料的燃烧 ꎬ 未发现燃烧不稳定问题 ꎬ 污染物排放可以达到超低排放标准 [91] ꎮ 西门子公司开发了基于富油催化燃烧技术 (Rich catalytic lean burnꎬrcl) 的催化燃烧室 ꎬ 并在 SGT6-3000E 和 SGT6-6000F 机组上进行了运行试验 [92] ꎮ 试验结果表明 ꎬ 该燃烧室运行高效 稳定 ꎬNOx 排放低于 4 ppmꎬco 排放不高于 9 ppmꎮ 图 44 所示为 SGF5000F 机组催化燃烧室结构及照片 ꎮ 图 42 FT4C - 3F 的催化燃烧室 (Xonon) 示意图 GE 公司采用商业化 XONON 催化剂模块 ꎬ 在 GE10-1 发动机上分别进行了现场测试 ( 图 图 44 SGT F 机组催化燃烧室结构及照片

24 24 沈阳航空航天大学学报第 35 卷 日本研究开发催化燃烧室是在美国低污染催 [93 - 化燃烧室计划之后 ꎬ 于 1982 年开始的 94] ꎮ 从 1982 年至今坚持研究开发小型通过式方案 ꎬ 其优点是催化床在低于燃烧室出口温度下完成燃烧过程 ꎬ 因而改善了催化床的可靠性 ꎬ 并延长了寿命 ꎮ 年间 ꎬ 针对 SIA - 02 型燃气轮机设计了两种催化燃烧室结构方案 ꎬ 并进行了燃烧室及发动机试验 ꎮ 结果发现 ꎬ 主要存在催化剂活性衰退及结构可靠性问题 ꎮ 年日本开展了第二个催化燃烧室研究计划 ꎬ 并总结了前一计划的经验 ꎮ (1) 催化剂越大 ꎬ 机械和热稳定性越差 ꎬ 因此采取增加数量而减小尺寸的对策 ꎬ 这样即使用于尺寸较大的燃烧室 ꎬ 也不会牺牲结构可靠性 ꎮ (2) 利用贫态预混燃烧 ꎬ 有利于降低 NOxꎬ 并且可以防止催化剂因加热而老化 ꎮ 因此 ꎬ 有必要保持催化剂在低温下工作 ꎬ 并保持均匀的燃料 / 空气混合 ꎮ 日本中央电力研究院与 Kansai 电力公司从 1988 年开始联合开展了应用于高温燃气轮机上的催化燃烧技术 ꎬ 所设计的催化 - 预混燃烧室结构如图 45 所示 ꎮ 主要特点是催化燃烧部分与预混部分交叉排列 ꎬ 在没有催化剂的预混通道内完成混合和预热 ꎬ 催化燃烧与预混燃烧进行轴向分级 ꎮ 所完成的一系列实验结果表明 ꎬ NOx 主要来源于预燃室 ꎬ 随燃烧室运行压力的提高 NOx 排放降低 ꎬ 由于催化剂的老化时间及实验条件的限制 ꎬ 没有明显看出催化剂老化对反应特性的影响 [95] ꎮ 在总结上述经验的基础上设计了几种催化燃烧室方案 ꎬ 并分别进行了试验 ꎬ 主要结论如下 ꎮ (1) 外部催化燃烧室 ( OCT 型 )ꎬ 由于催化燃烧的燃气与预混区喷射的混气混合得不充分 ꎬ 燃烧稳定性和燃烧室出口温度场均匀性都不好 ꎮ (2) 中心催化燃烧室 ( CCT 型 )ꎬ 该燃烧室与 OCT 型的差别 ꎬ 除催化剂置于中心外 ꎬ 还取消了催化剂后陶瓷挡板 ( 作为混合装置 )ꎬ 因此难以稳定燃烧 ꎬ 并且引起压力损失增加 ꎮ (3) 先进催化燃烧室 ( ACC100 型 ) 如图 43 所示 ꎬ 它是由一个环形预热室 六个催化燃烧段 六个预混喷嘴 一个预混燃烧段及一个旁路阀门组成 ꎮ 它克服了 CCT 型存在的问题 ꎬ 当燃用天然 气时 ꎬ 在大气压下 ꎬ 改变燃料流量和旁路阀门开度以保持催化床恒定温度 ꎬNOx 排放量低于 ꎬ Δp / p 小于 3% ꎬ 燃烧室出口温度可达 Kꎮ 图 45 日本中央电力研究院设计的催化燃烧室日本的 Toshiba 公司和 Tokyo 电力公司在上个世纪 90 年代提出了一种催化 - 预混分级燃烧室的概念 ꎬ 并共同开展了 级燃烧室的全尺度常压实验及催化剂的小尺度高压实验 [96] ꎮ 所设计的燃烧室结构简图如图 46 所示 ꎬ 其中 Z1 为预燃区 Z2 为预混区 Z3 为催化区 Z4 为气相燃烧区 ꎬ 燃料分三部分进入燃烧室 :F1 用于提高催化剂入口温度 ꎬF2 用于催化燃烧 ꎬF3 与催化燃烧室出口尾气混合后在气相反应区中反应以满足透平入口温度要求 ꎮ 常压实验结果表明采用所提出的燃烧室结构可以使催化剂的工作温度在 800 左右 ꎬ 这样可以确保催化剂的耐久性 ꎬ 同时降低了燃烧室的总排放 ꎮ 图 46 Toshiba 公司设计的催化燃烧室 年欧盟开展了由 10 个成员国参与的 CATHLEAN 项目 ꎬ 通过成员之间的协作开发一种具有低 NOx 排放 高部分负荷稳定性及低热声脉动的发动机燃烧室 ( 如图 47 所示 ) [97-99] ꎮ 项目的全尺度实验表明 ꎬ 催化 - 预混分级燃烧室的概念是可行的 ꎬ 催化转化提高了燃烧室的性能 ꎮ

25 第 4 期刘爱虢 : 气体燃料燃气轮机低排放燃烧室技术发展现状及水平 25 但在催化剂持久性及发动机运行条件对持久性的影响方面 ꎬ 该项目没有进行详细的研究 [100] ꎮ 图 47 CATHLEAN 分级燃烧室结构图 6 结论 气体燃料是目前地面用燃气轮机的主要燃料 ꎬ 而在现代燃气轮机设计过程中 ꎬ 低排放燃烧室设计是其中的一个关键环节 ꎮ 本文首先介绍了工业上常用的几种气体燃料 ꎬ 分析了不同气体燃料的来源及特点 ꎻ 然后对燃气轮机燃烧室中污染物的产生机理及抑制方法进行了简要论述 ꎬ 介绍了目前采用的 3 类降低燃气轮机燃烧室污染物排放的燃烧技术 ꎬ 对这些低排放燃烧技术的作用原理及应用进展进行了详细论述 ꎬ 以期为国内燃气轮机低污染燃烧室的设计与研制提供技术参考 ꎮ 基于上述分析 ꎬ 本文提出以下 2 点建议 ꎮ (1) 气体燃料将是地面用燃气轮机的首选燃料 ꎬ 我国气体燃料资源丰富 ꎬ 天然气 煤层气 合成气 垃圾填埋气和页岩气都可以作为燃气轮机的燃料 ꎮ 不同气体燃料的可燃成分不同 ꎬ 导致燃烧性能有所差异 ꎮ 因此 ꎬ 电厂在引进燃气轮机发电机组时首先应因地制宜确定所要使用的气体燃料 ꎬ 并采用相应的燃气轮机组 ꎮ (2) 我国发展燃气轮机产业 ꎬ 应借鉴国外的相关燃烧技术 ꎬ 首先从使用天然气的低排放燃烧室开展相关的科研工作 ꎬ 在使用天然气的低排放燃烧室基础上 ꎬ 基于不同气体燃料的特点 ꎬ 开发使用不同气体燃料的低排放燃烧室 ꎮ 参考文献 (References): [ 1 ] 翁一武 ꎬ 闻雪友 ꎬ 翁史烈. 燃气轮机技术及发展 [ J]. 自然杂志 ꎬ2017ꎬ39(1): [ 2 ] 李孝堂. 航机改型燃气轮机设计及试验技术 [ J]. 北京 : 航空工业出版社 ꎬ2016 [ 3 ] 刁正纲. 微型燃气轮机走向商业化 [ J]. 燃气轮机技术 ꎬ2000ꎬ13(4): [ 4 ] LACY BꎬZIMISKYY WꎬLIPINSKI Jꎬet al. Low E missions Combustion System Development for the GE Energy High Hydrogen Turbine Program [ C ] / / ASME Turbo Expo 2008: Power for Landꎬ Seaꎬ and Air. 2008: [ 5 ] EBERHARD DEUKERꎬ ROGER WALDINGERꎬ HORST UWE RAUHꎬ 等. 西门子 3A 系列燃气轮机的多燃料运行 [ C] / / Asia - Paxific Symposium on Gas Turbine Power Generation Application & Gaseous Fuel Technology [ 6 ] MOLIERE M. Expanding fuel flexibility of gas tur bines[ J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A Journal of Power & Energyꎬ2005ꎬ 219(219): [ 7 ] 刘爱虢 ꎬ 陈欣 ꎬ 陈保东 ꎬ 等. 液化天然气作为航空燃料的发展趋势及特点分析 [ J]. 航空动力学报 ꎬ 2016ꎬ31(6): [ 8 ] 宋权斌. 多旋流合成气燃烧室燃烧特性的实验研究 [D]. 北京 : 中国科学院研究生院 ( 工程热物理研究所 )ꎬ2009. [ 9 ] 蒋洪德. 重型燃气轮机的现状和发展趋势 [ J]. 热力透平 ꎬ2012ꎬ41(2): [10] 顾安忠. 迎向 十二五 中国 LNG 的新发展 [ J]. 天然气工业 ꎬ2011(6):1-11. [11] 范照伟. 全球天然气发展格局及我国天然气发展方向分析 [J]. 中国矿业 ꎬ2018(4) [12] 王彧嫣 ꎬ 景东升 ꎬ 韩志强 年国内外油气资源形势分析 [J]. 中国矿业 ꎬ2018(4) [13] 陈希. 我国天然气发展问题与对策思考 [ J]. 生态经济 ꎬ2011(2): ꎬ140. [14] 江怀友 ꎬ 钟太贤 ꎬ 宋新民 ꎬ 等. 世界天然气资源现状与展望 [J]. 中国能源 ꎬ2009ꎬ31(3): [15] 郑得文 ꎬ 张光武 ꎬ 等. 国内外天然气资源现状与发展趋势 [J]. 2008ꎬ38(1): [16] 杨占玄 ꎬ 许立飞. 我国天然气勘探开发现状与前景分析 [J]. 2010(9): [17] 冯明 ꎬ 陈力 ꎬ 徐承科 ꎬ 等. 中国煤层气资源与可持续发展战略 [J]. 资源科学 ꎬ2007ꎬ29(3): [18] 刘文革 ꎬ 韩甲业 ꎬ 赵国泉. 我国矿井通风瓦斯利用潜力及经济性分析 [ J]. 中国煤层气 ꎬ2009ꎬ6(6):3-8. [19] 穆福元 ꎬ 仲伟志 ꎬ 赵先良 ꎬ 等. 中国煤层气产业发展战略思考 [J]. 天然气工业 ꎬ2015ꎬ35(6): [20] RONGE R H. An assessment of world hydrocarbon re sources[ J]. Annual Review Energy the Environmentꎬ 1997ꎬ22(1):

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