劉愛虢

(沈陽航空航天大學 航空發(fā)動機學院，沈陽 110136)

燃氣輪機是能源動力裝備領(lǐng)域的最高端產(chǎn)品，燃氣輪機產(chǎn)業(yè)是國家能源戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對我國先進制造業(yè)和先進能源技術(shù)的研究至關(guān)重要，同時推動著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展。

燃氣輪機有著極其廣泛的應(yīng)用，是航空、艦船和能源的核心裝備，直接關(guān)系到國防安全、經(jīng)濟發(fā)展和科技發(fā)展，具有極高的政治、軍事和經(jīng)濟價值。當前，在國際上能夠獨立研發(fā)和制造燃氣輪機的國家只有美、德、日、英、法、俄。這些國家在該領(lǐng)域投入了大量的人力、物力并進行了長期的研發(fā)，掌握著研發(fā)、制造燃氣輪機的核心技術(shù)。我國對燃氣輪機的研究始于上世紀五六十年代，自行研制了幾個機型，但由于功率小、可靠性低、性能未能達到國際標準，因此僅在國內(nèi)部分領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前我國尚未形成嚴格意義上的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，燃氣輪機整體水平落后國外20～30年，遠未具備先進燃氣輪機自主開發(fā)和制造的能力[1]。因此，為發(fā)展我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，需要對世界先進燃氣輪機研制的技術(shù)和經(jīng)驗進行研究和借鑒。

燃氣輪機按使用對象分為航空、艦船和工業(yè)用燃氣輪機，按功重比分為重型、輕型、微型和超微型。航空和艦船用燃氣輪機都為輕型燃氣輪機，工業(yè)用燃氣輪機覆蓋了重型燃氣輪機、輕型燃氣輪機和微型燃氣輪機。重型燃氣輪機市場已被美、德、日、法等國家高度壟斷，主要研發(fā)生產(chǎn)單位包括美國通用公司(GE)、德國西門子公司(Siemens)、日本三菱公司(MHI)和法國 ABB 公司。輕型燃氣輪機包括艦船用燃氣輪機和地面用燃氣輪機。地面用輕型燃氣輪機的一個主要來源為航空發(fā)動機改型燃氣輪機，如世界上航空發(fā)動機最先進的通用公司、普惠公司、羅羅公司和俄羅斯的彼爾姆公司等無一例外地將先進成熟的航空發(fā)動機改型發(fā)展為輕型燃氣輪機，并占據(jù)了世界輕型燃氣輪機的大部分市場[2]。以美國為首的發(fā)達國家上世紀九十年代中期率先推出了一系列先進微型燃氣輪機，目前，在國際上有一定市場占有率的主要有以下微燃機生產(chǎn)商：美國Capstone公司、美國Ingersoll Rand公司、英國Bowman Power公司、意大利Turbee公司、英國 TurboGenset公司和日本Elliott公司等[3]。

無論哪種類型的燃氣輪機，其基本原理都是將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為機械能，因此燃氣輪機的效率、燃料靈活性和低污染物排放成為燃氣輪機廠家之間的主要競爭點，而這三者之間又是相互聯(lián)系的。燃料的靈活性是指同一種類型的燃氣輪機可以使用多種燃料，同時又能保證燃氣輪機的效率和污染物排放具有競爭力。燃料的靈活性一直是各大燃氣輪機公司研究的重點，GE、Siemens和MHI等都在該方面做了大量的研發(fā)工作，并積累了大量的實際運行經(jīng)驗[4-5]。

燃氣輪機燃料靈活性的研究和應(yīng)用對世界許多地區(qū)也都是至關(guān)重要的[6]。對于航空燃氣輪機，除使用常規(guī)的航空煤油外，合成燃料和生物燃料已經(jīng)在發(fā)動機上開始使用，低溫燃料將成為未來發(fā)展的一種趨勢[7]。艦船用燃氣輪機和工業(yè)用燃氣輪機除使用輕柴油和天然氣外，也在尋找新的替代燃料，液態(tài)燃料中的含灰分燃料、揮發(fā)性燃料、重油、酒精、合成燃料、生物質(zhì)燃料，氣態(tài)燃料中的液化石油氣、煤制氣、鼓風爐煤氣、富氫燃氣、非傳統(tǒng)天然氣等都可以作為替代燃料，而未來的燃氣輪機正向著燃用氫氣的近零排放方向發(fā)展[8-9]。

除航空燃氣輪機外，工業(yè)用燃氣輪機和艦船用的燃氣輪機都可以使用氣體燃料，這是由于與液體燃料相比，燃氣輪機使用氣體燃料具有如下的優(yōu)點。

(1)環(huán)境污染小。氣體燃料的凈化處理過程相對容易，可在燃燒前將硫化物脫出，據(jù)統(tǒng)計在熱電廠中使用氣體燃料時產(chǎn)生1kWh電排放的硫化物為燃煤電廠的千分之一。

(2)熱效率高。普通燃煤蒸汽電廠熱效率的高限一般為40%，由于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠采用了能量梯級利用，可以有效提高能源利用效率，目前燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的熱效率已經(jīng)達到56%，且還在繼續(xù)提高。

(3)投資少，見效快，發(fā)電成本低。燃氣輪機電站建設(shè)周期短，燃氣管網(wǎng)覆蓋地區(qū)廣。在進行聯(lián)合循環(huán)電站建設(shè)時可先建設(shè)燃機電站，再建設(shè)蒸汽輪機電站。建設(shè)周期比燃煤機組少一半，而平均建廠投資只有燃煤機組的1/2左右；運行維修費用也比燃煤機組低約1/3。天然氣發(fā)電機組與燃煤機組在發(fā)電裝機能力以及運行時間相同時，其熱耗量比燃煤機組約低1/3，循環(huán)效率高40%。

中國第十三個五年規(guī)劃綱要是國家戰(zhàn)略意圖的反映，未來五年中國計劃實施的100個重大工程及項目中，航空發(fā)動機及燃氣輪機為100個重大項目中的第一個，簡稱“兩機重大專項”。我國要發(fā)展燃氣輪機，借鑒國外燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程是必不可少的。

氣體燃料的種類、來源較廣，不同氣體燃料具有不同的燃燒特點，因此本文首先對常用的氣體燃料進行了介紹，包括常用氣體燃料的來源和特點。其次，隨著環(huán)保意識的加強，燃氣輪機低污染燃燒技術(shù)已經(jīng)成為各大燃氣輪機公司的競爭點，因此本文對國際上幾大燃氣輪機公司所采用的低排放燃燒技術(shù)進行了總結(jié)分析，可為我國燃氣輪機的發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 氣體燃料及特點

工業(yè)上常用的氣體燃料根據(jù)其來源和組成的不同，主要包括天然氣、煤層氣、垃圾填埋氣、頁巖氣、合成氣等，這些氣體燃料的主要可燃成分包括CH4、CO和H2。

1.1 天然氣

天然氣是指天然蘊藏于地層中的烴類和非烴類氣體的混合物，主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)組成，此外一般有硫化氫、二氧化碳、氮、水氣和少量一氧化碳及微量的稀有氣體，如氦和氬等。天然氣的來源主要有：氣田產(chǎn)生的天然氣、油田開采中伴生的天然氣、煤層中所含的天然氣以及天然氣與水形成的固體(天然氣水合物)等。我國能源中長期發(fā)展規(guī)劃明確指出：“十二·五”期間，大力發(fā)展天然氣，2030年天然氣將占到一次能源的10%，成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中的一個亮點和綠色能源支柱之一[10]。

截至2016年底，全球天然氣探明儲量為186.6萬億m3，近20年來全球天然氣探明儲量一直穩(wěn)步增長，2016年比21世紀初增長了23%，年均增長率1.3%。同時得益于需求的快速增長，以及開發(fā)技術(shù)的不斷進步，天然氣產(chǎn)量一直快速增長，2016年產(chǎn)量達到3.55萬億m3，年均增長2.4%[11]。圖1所示為我國2008年-2017年天然氣年產(chǎn)量變化圖，其中2017年天然氣產(chǎn)量為1 474億m3，同比增長8.5%，提高6.3個百分點。天然氣水合物是一種類冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，是近年來全世界都關(guān)注的一種能源，也將是未來天然氣的主要來源，是在高壓低溫條件下天然氣與水形成的。據(jù)估計目前全球的天然氣水合物的儲量約為2×1016m3，為天然氣儲量的100多倍。2017年中國地質(zhì)調(diào)查局在南海神狐海域?qū)嵤┝颂烊粴馑衔镞B續(xù)60天試采，累計產(chǎn)氣超過30萬m3，是世界首次成功實現(xiàn)泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開采，取得了歷史性突破，這對于我國天然氣的使用幾天然氣市場的補充是一個極大的促進[12]。

圖1 2008-2017年全國天然產(chǎn)量 (資料來源：國家統(tǒng)計局：全國石油天然氣資源勘查開采情況通報(2016年度))

天然氣是一種清潔能源，燃燒效率高，其燃燒產(chǎn)生的煙氣溫室氣體排放因子僅為煤炭的1/2、石油的2/3，且尾氣也比較清潔[13]。近年來天然氣消費占一次能源的比重逐漸增加，據(jù)預(yù)測，到2030年，天然氣將取代煤成為世界上第二大一次能源[14]。為適應(yīng)不斷增長的天然氣需求，我國已啟動了包括“西氣東輸”在內(nèi)的全國性大規(guī)模天然氣管網(wǎng)建設(shè)，為天然氣的大規(guī)模合理利用打下堅實的基礎(chǔ)[15-16]。

1.2 煤層氣

煤層氣是煤礦生成過程中在煤層產(chǎn)生的一種氣體，是由生物質(zhì)在生物和地質(zhì)的作用下形成的一種可燃氣體，其主要成分是甲烷。煤層氣是一種非常規(guī)的天然氣資源，根據(jù)其甲烷含量，煤層氣可以劃分為以下3種類型[17-18]。

(1)地面抽采煤層氣：煤層氣中成分比較穩(wěn)定，其中甲烷的體積含量達到80%～95%，可以在煤礦開采前由地表直接鉆井抽取，經(jīng)過簡單的凈化處理就可以直接使用；

(2)井下抽采煤層氣：在煤礦開采過程中抽取的甲烷體積濃度在25%到80%之間變化的一種可燃氣體，氣體的成分受到多種因素的影響。這種氣體燃料可燃成分變化范圍較大，要經(jīng)過處理才能使用。由于該類氣體儲存地質(zhì)情況復雜，國內(nèi)開采技術(shù)也不成熟，甲烷含量尤其不穩(wěn)定，導致使用起來很困難；

(3)礦井乏風：煤礦開采過程中礦井通風氣中含有一定濃度的甲烷，但含量很低，只有0.05%～0.7%。這也是一種煤層氣，但由于甲烷含量極低，導致這種煤層氣難以得到有效利用，直接排放到大氣中去，成為一種污染性氣體。

為掌握全球煤層氣的存儲情況，目前全世界已有近30 個國家實施了煤層氣的勘探開發(fā)[19]。據(jù)德國學者Hans-Holger Rogner在1997年勘探的結(jié)果，他預(yù)測全球煤層氣地質(zhì)資源量約有256×1012m3，主要分布在前蘇聯(lián)和北美地區(qū)[20]。2014 年美國煤層氣委員會的MARIA Mastalerz 預(yù)測[21]：全世界煤層氣資源最豐富的國家為俄羅斯，地質(zhì)資源量約為79.92×1012m3；其次為美國，為49.16×1012m3(其中阿拉斯加州29.35×1012m3)；中國地質(zhì)資源量31.13×1012m3，全世界排名第3。在煤層氣商業(yè)性產(chǎn)量和開發(fā)應(yīng)用方面，國際能源署(International Energy Agency，簡稱IEA)、美國能源信息署、加拿大國家能源董事會和澳大利亞石油產(chǎn)量和勘探協(xié)會統(tǒng)計，截至2014 年底，在全球14 個開展煤層氣商業(yè)性開發(fā)利用的國家中商業(yè)產(chǎn)量前5 位的國家依次為美國370.95×108m3、澳大利亞86.3×108m3、加拿大66.1×108m3、中國36.90×108m3(地面開采量)和德國5.80×108m3[22-24]。

我國煤層氣開發(fā)利用起步較早，最早為1952 年在撫順煤礦龍鳳礦建立瓦斯抽放站，開創(chuàng)了煤層氣開發(fā)利用的先河，但由于技術(shù)及管理方面的問題前期進展緩慢。20 世紀80 年代，美國煤層氣工業(yè)取得了巨大成功，我國也隨之開始重視和支持煤層氣的開發(fā)利用，并于1982 年將煤層氣利用工程列入國家節(jié)能基本建設(shè)投資計劃，1989 年底開始引進現(xiàn)代煤層氣開發(fā)技術(shù)。2003 年3 月遼寧省阜新劉家煤層氣井組開始向居民供氣，標志著我國進入煤層氣商業(yè)化生產(chǎn)階段。2004年我國煤層氣地面開采量0.1×108m3，2009年突破10×108m3，2016 年達到45×108m3。截至2016 年底，我國已有煤層氣探礦權(quán)106個，采礦權(quán)12 個，累計鉆井近17 000口，形成了沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣2個千億方儲量的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地(圖2)[25]。

圖2 中國重點盆地煤層氣資源分布

1.3 合成氣

我國能源的特點為富煤、貧油、少氣，煤炭仍然是我國能源行業(yè)的主角，氣體燃料在火電行業(yè)中的占比非常小，而在歐美國家氣體燃料比例高于30%。這主要受我國天然氣儲存及輸運的影響，例如目前我國新建的基于燃氣輪機的熱電站主要分布在蘇、浙、閩、粵等經(jīng)濟發(fā)達的沿海省區(qū)和內(nèi)蒙古等天然氣(或煤層氣)資源豐富的內(nèi)地省區(qū)，蘇、浙燃氣輪機電站的氣源主要來自“西氣東輸”工程，閩、粵的氣源主要是從澳大利亞和印度尼西亞進口的液化天然氣[26]。

與使用煤炭相比，氣體燃料被公認為一種清潔能源，低碳化已是大勢所趨，在大多數(shù)地區(qū)天然氣供應(yīng)不足的前提下，煤炭產(chǎn)業(yè)清潔化利用將是未來煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。合成氣是一種基于煤炭的清潔利用要求，以煤為原料，以空氣或氧氣和蒸汽為氣化介質(zhì)，在一定的高溫下，煤中的可燃物質(zhì)(碳、氫等)與氣化介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過不完全的氧化過程，使煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2和 CH4等可燃成分的混合氣體，再將混合氣體凈化，除去其中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。通過煤氣化過程，可以將煤炭中的污染物在燃燒前去除掉，再將凈化后的合成氣作為在 IGCC 中燃氣輪機燃料，這樣可以有效遏制煤炭直接燃燒所帶來的嚴重大氣污染問題。根據(jù)能量梯級利用原理，同時將燃氣輪機與汽輪機結(jié)合使用，使燃料中的能量得到充分利用，可以有效提高能源的綜合利用熱效率，降低單位功率機組排放的溫室氣體[27-29]。

IGCC 是上世紀90年代發(fā)展起來的一種先進、高效、清潔的煤炭發(fā)電技術(shù)，被公認為本世紀最具發(fā)展前景的煤炭清潔發(fā)電技術(shù)[30]。目前全球共有近30座IGCC示范電站在建或運行，總裝機容量超過8 000兆瓦。表1所示為一些國家IGCC電站的運行情況。我國IGCC 電站已進入示范項目階段，華能天津IGCC電站為我國第一座IGCC發(fā)電機組，于2009 年7月開工建設(shè)、2011年投入運營，2016年電站累計完成發(fā)電量10.78億千瓦時，核心的氣化裝置最長連續(xù)運行周期已超100天。

表1 世界上一些 IGCC 示范工程的運行現(xiàn)狀

1.4 垃圾填埋氣

垃圾填埋氣是城市生活垃圾被填埋于地下之后在厭氧條件下經(jīng)生物分解產(chǎn)生的，其主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷占氣體組成的40%～60%，屬于生物質(zhì)氣的一種，其主要成分及與其他燃料熱值的比較如表2和表3所示。由表2可以看出，垃圾填埋氣為一種含有氣態(tài)可燃成分CH4、H2和CO的可燃混合氣體燃料。同時由于燃料中含有H2S，在應(yīng)用時需要進行脫硫處理。由表3可以看出，垃圾填埋氣屬于高熱值氣體燃料。

表2 典型的填埋氣成分與含量

表3 不同燃料熱值比較

美、英等發(fā)達國家早在上世紀70年代就開始了對垃圾填埋氣應(yīng)用的研究，20 世紀80 年代初便開始利用垃圾填埋氣。尤其是近年來，隨著環(huán)保意識的加強和能源危機的加劇，人們開始意識到垃圾填埋氣所引起的環(huán)境問題和蘊藏在垃圾填埋氣中的能量，開始重視對垃圾填埋氣的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界已有近千座垃圾填埋氣回收利用裝置投入運行，主要集中在衛(wèi)生填埋技術(shù)應(yīng)用推廣較早的發(fā)達國家。垃圾填埋氣的主要應(yīng)用方向是作為動力設(shè)備燃料和居民生活用燃料。如美國、英國、德國等發(fā)達國家在垃圾填埋氣的應(yīng)用上已經(jīng)開始了商業(yè)運營模式，德國通過提純的方法將垃圾填埋氣提煉到和天然氣一樣的純度，將提純后的垃圾填埋氣作為汽車用燃料，已經(jīng)獲得了成功；美國是通過提純處理后將垃圾填埋氣處理成為符合達到管道煤氣標準的高壓、高熱值氣體，并通過管道輸送的方式供居民使用。據(jù)估算，美國全國天然氣消費量的1%可以被垃圾填埋氣中的甲烷所代替，全國約有1 000個填埋場適合開展垃圾填埋氣的利用，每年可產(chǎn)生570億m3的垃圾填埋氣。

近年來中國的城市化和工業(yè)化發(fā)展迅速，同時中國擁有全球最大的人口基數(shù)，城市生活垃圾的數(shù)量增長迅速。填埋是中國城市生活垃圾最常用的處理方式，幾乎一半的城市生活垃圾被運送到垃圾填埋場，埋于地下。1998年10月我國第一個垃圾填埋氣發(fā)電廠在杭州天子嶺衛(wèi)生填埋場建成發(fā)電，年上網(wǎng)電量14 343 MWh，年產(chǎn)值717萬元。我國垃圾填埋氣發(fā)電項目多集中在東部沿海、華東等經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，這跟這些地方工業(yè)較發(fā)達有關(guān)，往往工業(yè)越發(fā)達產(chǎn)生的垃圾越多，并且垃圾的能量越高。同時這些地區(qū)由于全年氣溫比北方城市高，能產(chǎn)生出更多的填埋氣，產(chǎn)氣量較充足。

1.5 頁巖氣

頁巖氣是指從富有機質(zhì)黑色頁巖中開采的，或者自生自儲、在頁巖納米級孔隙中連續(xù)聚集的天然氣[31]，這部分天然氣以吸附或游離的狀態(tài)聚集于頁巖層中，其中吸附狀態(tài)的天然氣占氣體總量的40%～85%，是一種非常規(guī)的油氣資源。頁巖氣形成過程是甲烷在頁巖微孔(孔徑小于2 nm)中順序填充，在介孔(孔徑為2 ～ 50 nm)中多層吸附至毛細管凝聚，在大孔(孔徑大于50 nm)中甲烷以壓縮或溶解態(tài)賦存。成藏中經(jīng)過吸附、解吸、擴散等作用，有機質(zhì)生成氣或油裂解成氣，天然氣先在有機質(zhì)孔內(nèi)表面飽和吸附；之后解吸擴散至基質(zhì)孔中，以吸附、游離相原位飽和聚集；過飽和氣初次運移至上覆無機質(zhì)頁巖孔中；再飽和后，二次運移形成氣藏[32]。

為評估全球頁巖氣的儲量，美國能源信息署(EIA)在2014年發(fā)布了一份名為“世界頁巖氣資源初步評價報告”，報告表明，目前全球探明的可開采頁巖氣資源總量約為187.6×1012m3。其中，北美、加拿大、歐洲和亞洲均有豐富的頁巖氣資源[33]。在世界上開發(fā)使用頁巖氣的國家中，美國已經(jīng)有180多年的歷史，是使用頁巖氣最成功的國家之一[34]。我國對頁巖氣的研究處于起步階段，目前關(guān)于頁巖氣礦井的資料幾乎是空白，研究重點還在氣體的累積機制和產(chǎn)生規(guī)律上。大部分研究所用的數(shù)據(jù)是基于傳統(tǒng)的石油和天然氣資源，煤層氣和固體礦質(zhì)開采的數(shù)據(jù)也常被作為參考，所研究的頁巖的樣本大部分都來自于地表或者是近地表[35]。

對我國頁巖氣資源潛力的預(yù)測是基于地質(zhì)類比來實現(xiàn)的，中國3 類富有機質(zhì)頁巖泛指海相、海陸交互相以及陸相頁巖和泥巖，重點指含油氣盆地中的優(yōu)質(zhì)泥質(zhì)烴源巖，圖3為依據(jù)中國頁巖發(fā)育的層系和分布特點編制的3 類頁巖分布圖。據(jù)估算，在我國古生界海相富有機質(zhì)頁巖有利領(lǐng)域面積為63 ×104～90 ×104km2，中新生界陸相富有機質(zhì)泥頁巖有利領(lǐng)域展布面積為23 ×104～ 33×104km2，有效頁巖厚度20～300 m ，有機碳含量0.5%～ 25.71%，預(yù)測頁巖氣資源量30 ×1012～100×1012m3，這些預(yù)測數(shù)據(jù)都是初步結(jié)果。據(jù)BP世界能源的預(yù)測，中國2030年頁巖氣的開采量可以達到1.7×108m3/d，占中國氣體燃料產(chǎn)量的20%[36]。

圖3 中國3種主要頁巖類型分布略圖

頁巖氣的一個特點是儲藏深度范圍廣，從近地表到地下3 000 m不等，這使得頁巖氣的開采難度較大，同時我國地域面積大和地形地貌復雜，導致頁巖氣儲藏深度范圍更廣，為頁巖氣的使用帶來障礙。美國等發(fā)達國家經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)積累了頁巖氣形成機理和儲藏機制的重要信息和技術(shù)，這些技術(shù)信息可以供我國使用，以解決我國頁巖氣開采難度大、技術(shù)不成熟等問題。中國政府對頁巖氣資源的關(guān)注程度也在不斷加大，制訂了多項促進頁巖氣發(fā)展的方針和政策[37]。

2 地面用燃氣輪機排放法規(guī)

針對地面用燃氣輪機，全球多個國家以及國際間組織都頒布了污染物排放規(guī)定和標準，也提出了明確的減排目標。而目前的地面燃氣輪機污染物排放水平正朝著超低排放發(fā)展。在我國地面燃氣輪機的主要應(yīng)用領(lǐng)域為火電行業(yè)，艦船雖有少量應(yīng)用但還沒有相關(guān)的法規(guī)來規(guī)定污染物排放標準。

在火電行業(yè)，氮氧化物(NOx)排放量隨著行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，與世界發(fā)達國家相比，我國火電行業(yè)單位發(fā)電量的氮氧化物排放水平依然很高，若不強化控制力度，將無法達到“十三·五”節(jié)能減排綜合工作方案確定的減排目標， 即到 2020 年全國氮氧化物排放總量控制在1 574×104t以下。

對于工業(yè)燃氣輪機和船用燃氣輪機，由于各國的法律法規(guī)不同，現(xiàn)在沒有一個統(tǒng)一的排放標準，都是根據(jù)各國對環(huán)境保護的具體要求而制定的。從世界范圍內(nèi)看，對于燃氣輪機生產(chǎn)商，使用天然氣為燃料時，能接受的標準是：從100%功率到50%功率，NOx排放為25 ppmv，CO排放為50 ppmv。美國南加州和日本公眾的環(huán)保意識強烈，要求立法將NOx排放控制在9 ppmv，歐洲的排放標準大體上與美國環(huán)保局的規(guī)定類似[38]。

為控制燃煤電廠的污染物排放，在1991年國家環(huán)保部頒布了《燃煤電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-1991)，之后又于 1996 年和2003 年進行了兩次修訂，其中未涉及燃氣輪機污染物排放的要求。隨著熱力電廠中燃氣輪機的大量使用，在2011 年頒發(fā)的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)中按照不同的燃料類別，進一步細化了燃氣輪機組氮氧化物的排放標準。標準中規(guī)定以油為燃料的燃氣輪機組氮氧化物(以NO2計)控制在120 mg/m3以下；以氣體為燃料的燃氣輪機組氮氧化物(以NO2計)中以天然氣為燃料時控制在50 mg/m3以下，以其他氣體燃料為燃料的機組控制在120 mg/m3以下。此規(guī)定中，未考慮燃氣輪機與燃氣鍋爐燃燒的特點，所制定的排放指標略高。除此以外，還有一些地方標準也提出了對燃氣輪機大氣污染物排放的控制標準，如北京市地方標準的《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》(DB11/847-2011)中規(guī)定火電廠用固定式燃氣輪機的氮氧化物最高允許排放濃度為30 mg/m3，上海的標準為50 mg/m3，廣東的標準為80 mg/m3[39]。可見，北京的排放標準是最高的，目前我國大力推廣的F級燃氣輪機氮氧化物的排放值為51 mg/m3，仍然無法滿足北京市較高的氮氧化物排放控制要求。因此北京市新建的F級燃氣輪機發(fā)電機組大多數(shù)要安裝脫硝裝置，增加了額外的成本。

3 燃氣輪機污染物生成機理

3.1 NOx

在燃氣輪機燃燒室的污染排放中，NOx主要是指一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。燃燒過程首先產(chǎn)生的是NO，再氧化為NO2。NOx的生成機理分為5種：一是熱力型(Thermal NOx)，二是瞬發(fā)型(Prompt NOx)，三是燃料型(Fuel NOx)，四是氧化亞氮(N2O)轉(zhuǎn)變生成NO，有些文獻也將這種生成機理視為瞬發(fā)型的一種；五是二氮烯基(NNH)轉(zhuǎn)變機理，與氫燃料有關(guān)[40]。

熱力型NOx的生成與溫度有關(guān)，其生成的機理可以用Zeldovich機理來描述。N2在高溫燃燒條件下，在火焰和火焰后的高溫區(qū)域內(nèi)與O2反應(yīng)而成，這是燃燒室這類高溫燃燒設(shè)備中產(chǎn)生NOx的主要途徑。影響熱力型NOx生成的因素包括火焰溫度、過量空氣系數(shù)、氣體在高溫區(qū)的停留時間等。生成熱力型NOx需要較大的活化能，在燃燒室中NOx的生成區(qū)域主要位于火焰下游高溫區(qū)，而不在火焰面上。影響熱力型NOx生成量最明顯的因素是溫度，通過試驗發(fā)現(xiàn)，熱力型NOx的生成以1 800 K為界限，當溫度低于1 800 K時生成量很少，而溫度高于1 800 K時，NOx的生成將與溫度成指數(shù)關(guān)系上升，溫度每升高100 K，生成量將增大6～7倍。隨著過量空氣系數(shù)的增加，熱力型NOx的生成量先是增加到一個最大值，然后再逐漸下降。這是由于過量空氣系數(shù)對熱力型NOx的生成有兩個相反方向的影響，即熱力型NOx生成量與氧濃度的平方根成正比，所以隨著過量空氣系數(shù)增加NOx濃度增加，但同時過量空氣系數(shù)的增加也降低火焰溫度，所以NOx生成量增加到一個極值后會開始下降。在其它條件不變的情況下，氣體在高溫區(qū)停留時間越長，NOx生成量就越大，直到達到化學平衡濃度，這主要是因為NOx生成反應(yīng)速度較慢，較短的停留時間不會讓反應(yīng)達到化學平衡，而隨著在高溫區(qū)停留時間的增加，化學反應(yīng)會逐漸達到平衡。

瞬發(fā)型NOx的生成機理為Fenimore，以 HCN基被氧化生成NOx為主要反應(yīng)途徑，在大多數(shù)情況下只占總NOx生成量的小部分。

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。它的生成過程與來源于空氣中的NOx不同，其生成機理是燃料進入燃燒室后，由于高溫分解釋放出N、NH或CN等各種自由基，由于局部區(qū)域的氧濃度不同，可以氧化成NOx或再被結(jié)合成N2分子。一般燃料含氮量很少，尤其是氣體燃料，因此燃料型NOx可以不考慮。

快速型NOx主要在過量空氣系數(shù)的時候產(chǎn)生，通常在過量空氣系數(shù)達到小于l的數(shù)值時，快速型NOx的產(chǎn)生達到極值，隨著過量空氣系數(shù)的降低，快速型NOx的生成量反而降低。碳氫燃料的種類、壓力、湍流強度是影響快速性NOx生成的主要因素。

3.2 CO

CO是碳氫燃料燃燒反應(yīng)過程中的一個中間產(chǎn)物，通常被認為是碳氫燃料未完全反應(yīng)的一種產(chǎn)物，是完全反應(yīng)的一個必經(jīng)過程。CO的主要消耗過程是在碳氫燃料燃燒過程中CO與OH的基反應(yīng)[41]。雖然燃料起始的裂解反應(yīng)與具體燃料的化學官能團有關(guān)，但是裂解速率太快，一般不會影響到燃燒的總反應(yīng)速率，而初始裂解后產(chǎn)生的“活性基團池”主要是C0-C4小分子基團，它們才是決定燃燒性能及污染排放的主要因素[42]。

3.3 UHC

除CO以外，在燃燒過程中所有沒有完全燃燒的碳氫化合物總稱為UHC，即未燃碳氫化合物，包括反應(yīng)過程中由大分子碳氫燃料裂解而成的小分子碳氫和基團，也包括由于完全沒有參與燃燒過程的液滴和燃油蒸汽等。

從UHC的生成機理不難發(fā)現(xiàn)其生成過程的主要控制因素為燃燒室內(nèi)的氣動熱力過程。碳氫燃料的燃燒反應(yīng)機理可以劃分為大分子碳氫燃料裂解為小分子碳氫燃料和小分子碳氫燃料的化學反應(yīng)兩個過程，因此UHC中小分子碳氫和基團的生成實質(zhì)是燃燒過程中的中介產(chǎn)物未完全氧化，其影響因素與影響CO生成特性的因素一致。而未參加燃燒反應(yīng)的液滴和燃油蒸汽，則更多與液霧噴射和摻混分布等物理過程有關(guān)[43]。

4 燃氣輪機污染物控制原理及方法

為保證燃燒的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)燃燒室采用擴散燃燒的方式，在主燃區(qū)為化學恰當或富燃料燃燒模式。燃燒組織沿著一條溫度逐漸升高再下降的路線運行，途經(jīng)高 NOx生成區(qū)域，導致熱力型 NOx在燃燒區(qū)的生成量極大，同時在出口前 NOx的消減反應(yīng)卻很慢。這是常規(guī)燃燒室在燃燒組織方式上的特點，導致這種燃燒方式中 NOx排放不能滿足低排放要求。在燃氣輪機燃燒室中，熱力型NOx是NOx排放的主要來源，因此溫度仍然是決定NOx排放的首要因素。理想的平衡系統(tǒng)中，在化學恰當比附近燃燒的溫度最高，因此此處的NOx生成量也最大。圖4所示為燃燒室的主要污染物與當量比和溫度的關(guān)系。當量比和溫度是影響污染物排放的主要因素，這是開展低排放燃燒室研發(fā)的最基本理論依據(jù)。

基于污染物生成與溫度關(guān)系的基本原理，開發(fā)了多種控制污染物生成的技術(shù)，主要方法有3種，如圖5所示，即：(1)向燃燒室燃燒區(qū)中噴入水或水蒸汽(或者在空氣側(cè)加濕)，借以降低擴散燃燒火焰的溫度，以抑制產(chǎn)生NOx，即濕化燃燒技術(shù)；(2)控制燃燒室內(nèi)燃料與空氣的混合，使燃燒發(fā)生在富燃料或貧燃料區(qū)，通過降低火焰溫度來控制污染物的產(chǎn)生，即干式低排放燃燒技術(shù)；(3)利用催化劑降低反應(yīng)活化能，使燃燒反應(yīng)在較低的溫度下就可以發(fā)生，減少由于高溫所導致的NOx的生成，即催化燃燒技術(shù)。

圖4 污染物的生成與當量比和溫度的關(guān)系

圖5 燃氣輪機NOx排放的控制方法

4.1 濕化燃燒技術(shù)

濕化燃燒技術(shù)的作用機理在于：通過向燃燒室內(nèi)噴入適量的水降低燃燒溫度。稀釋燃燒反應(yīng)過程中氧濃度和氮氣濃度及抑制燃燒反應(yīng)過程中的O原子等來降低NOx的生成。濕空氣透平循環(huán)(Humid Air Turbine，HAT 循環(huán))、整體煤氣化濕空氣透平(Integrated Gasification Humid Air Turbine，IGHAT)循環(huán)和注蒸汽燃氣輪機循環(huán)(STIG 循環(huán))等先進燃氣輪機循環(huán)中常用到濕化燃燒技術(shù)。

濕化燃燒的基本原理就是通過向燃燒室中加入水來降低反應(yīng)溫度，因此水的加入方式可通過燃料加濕或空氣加濕等來實現(xiàn)，可用于擴散燃燒和預(yù)混燃燒。在擴散燃燒中，富氫氣體燃料、中低熱值氣體燃料及液體燃料都可以采用濕化燃燒技術(shù)[44]。

4.2 干式低排放燃燒技術(shù)

所謂干式是相對于濕式降低污染排放措施而言的，通過控制燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)的余氣系數(shù)來控制燃燒溫度，實現(xiàn)低排放。由圖4所示的污染物排放與當量比的關(guān)系可知，富燃和貧燃都可以實現(xiàn)低排放，因此干式低排放燃燒技術(shù)又分為富燃料燃燒和貧燃料燃燒。

4.2.1 富燃料燃燒

富燃料燃燒和貧燃料燃燒狀態(tài)都可以抑制 NOx的生成，如果能在常規(guī)富燃料燃燒的基礎(chǔ)上，使富燃料燃燒快速轉(zhuǎn)換成貧燃料燃燒，在空間和時間兩方面都極大地壓縮化學恰當比燃燒的存在，就能降低 NOx的排放，這種思想就是RQL，即富油/焠熄/貧油燃燒。

RQL燃燒技術(shù)是一種基于分級思想的低污染燃燒技術(shù)，圖6為RQL燃燒室內(nèi)當量比分配的示意圖。其基本方法是先建立一個富油燃燒區(qū)，保持頭部下游以空間均勻的當量比1.4～2.0富燃料燃燒，以在缺氧、富燃料低溫環(huán)境中形成“活性基團池”為目的，然后將大量的空氣與該燃燒區(qū)產(chǎn)物迅速混合焠熄，將當量比降到0.6～0.7的貧燃料狀態(tài)燃燒，氧化掉碳氫基團和煙粒，有效回避恰當比高溫燃燒，抑制 NOx生成，當燃燒反應(yīng)完成后排出燃燒室進入渦輪[45-46]。

圖6 RQL低污染燃燒室當量比分布示意圖

美國艾利遜公司于20世紀80年代初在參與先進轉(zhuǎn)換技術(shù)計劃時，將RQL燃燒室作為實現(xiàn)低NOx排放的候選方案，最初是為了在工業(yè)燃氣輪機上燃用重質(zhì)燃料和中低熱值氣體燃料而開發(fā)的。目前，美國普惠公司和其他實驗室仍在按照NASA的高速民用運輸計劃，對RQL燃燒室進行研究，目標是用于使用航空煤油的航空發(fā)動機。20世紀90年代中期，美國GE公司在早期RQL燃燒室開發(fā)研究基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)應(yīng)用于IGCC上的RQL燃燒室，目標是在IGCC發(fā)電用燃氣輪機上采用RQL燃燒室，可燃用熱值約為4 000 kJ/kg的燃料氣。

4.2.2 貧燃料燃燒

根據(jù)圖4所示的CO和NOx產(chǎn)生的機理可知：在常規(guī)燃燒室的主燃區(qū)燃燒溫度為1 000～2 500 K，而在1 670～1 900 K范圍內(nèi)產(chǎn)生CO及NOx都很少。因此，如果能控制主燃區(qū)溫度處于低排放的溫度區(qū)，則可以兼顧CO和NOx的排放量，使之都處于低值范圍。主燃區(qū)的溫度主要取決于該區(qū)的燃料空氣比，因此在不同工作狀態(tài)下人為地控制進入主燃區(qū)的燃料或空氣量就可以控制火焰溫度。采用分級燃燒技術(shù)，把不同工作狀態(tài)下燃燒室內(nèi)主燃區(qū)的當量比控制在0.6～0.8的區(qū)域，是采用貧燃料燃燒控制污染物排放量的核心思想。

采用貧燃料燃燒技術(shù)時，關(guān)鍵技術(shù)之一就是要保證均勻的當量比分布，這樣才有可能實現(xiàn)低NOx排放[47]。為了保證燃燒室良好的點火、貧油熄火性能，對于貧燃料燃燒室還需要一個能保證燃燒穩(wěn)定性的裝置，即采用分級燃燒的方法，在降低污染物排放的同時還能保證燃燒的穩(wěn)定性[48]。分級的形式有很多，包括軸向分級、徑向分級、中心分級等，其目的都是將不同作用的燃燒區(qū)域分開，在不同工況下發(fā)揮各自作用并保證工作性能。圖7為2種貧燃預(yù)混燃燒分級方案的原理圖。

圖7 貧預(yù)混低NOx燃燒的兩種分級方案原理圖

4.3 催化燃燒技術(shù)

催化燃燒是在催化劑的作用下，使燃料和空氣在固體催化劑表面進行非均相的完全氧化反應(yīng)。圖8所示為一種蜂窩狀整體式催化燃燒室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，其中催化劑附著在支撐體上，催化反應(yīng)在催化劑表面發(fā)生。

圖8 蜂窩狀整體式催化燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

與明火燃燒相比，催化燃燒具有如下優(yōu)點：燃料/空氣比可調(diào)節(jié)范圍大，燃燒穩(wěn)定，噪音低，燃燒效率和能量利用率高。催化燃燒的反應(yīng)機理與明火燃燒相比有所不同，在催化燃燒反應(yīng)過程中的自由基不是在氣相中引發(fā)，而在催化劑表面引發(fā)，不會生成電子激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物，無可見光放出，從而避免了這一部分能量損失，提高了能量利用效率。此外，催化燃燒的一個明顯優(yōu)勢是可以通過催化劑來降低反應(yīng)的活化能，使燃燒反應(yīng)最高燃燒溫度在1 200～1 300 ℃的低溫下進行，這樣可以降低燃燒過程中由于高溫所導致的污染物排放，UHC 、CO 和NOx等污染物可實現(xiàn)超低排放甚至零排放[49]。

William Pfefferle在1975年最早提出了為降低NOx排放，在燃氣輪機燃燒室中采用催化燃燒技術(shù)，隨后美國和日本等國都積極開展了可應(yīng)用于不同尺度地面燃機燃燒室催化技術(shù)的研究[50-53]。在實驗清潔燃燒室計劃執(zhí)行的同時，1977年NASA和美國空軍制定了先進低污染催化燃燒室計劃，并由GE和普惠公司實施。據(jù)艾利遜公司參與ATS規(guī)劃研制的13.5 MW燃機使用聯(lián)合燃燒室的報道，在50%以上工況時進行催化燃燒，表明催化燃燒技術(shù)已經(jīng)進入了實用性研究階段。日本1982年開始開展催化燃燒室的研發(fā)，1982-1988年間針對SIA-2型燃氣輪機設(shè)計了兩種催化燃燒室方案，1988-1993年開展了第二個催化燃燒室研究計劃，并設(shè)計了外部催化燃燒室、中心催化燃燒室及先進催化燃燒室等幾種催化燃燒室方案。

5 低排放燃燒室研發(fā)及應(yīng)用

5.1 濕化燃燒技術(shù)燃燒室

噴水低污染燃燒是過去工業(yè)燃氣輪機減少NOx常用的方法，在美國和日本應(yīng)用較廣泛。為提高燃氣輪機的出力及降低燃燒室的污染物排放，濕空氣透平循環(huán)是日本日立公司近年來一直研究的技術(shù)。在2006 年和2012 年分別建成了3 MW 級和40 MW 級的濕空氣渦輪循環(huán)燃氣輪機試驗機組，通過在燃燒室中加入水蒸氣來實現(xiàn)燃燒室的低排放[54]。所使用的H-50型燃氣輪機機組及燃燒室所用的集束噴嘴燃燒器(Cluster nozzle burners)如圖9所示。通過機組的現(xiàn)場試驗測試表明，該燃燒器可在高濕度環(huán)境下穩(wěn)定燃燒，NOx排放小于10 ppm。

圖9 H-50型燃氣輪機及集束噴嘴燃燒器

美國聯(lián)合科技研究中心(UTRC)和美國能源署聯(lián)邦能源科技中心(DOE-FETC)開展了濕空氣的建模研究與預(yù)混火焰的實驗研究[55]。其目的是研究應(yīng)用于濕空氣透平(HAT)循環(huán)燃氣輪機燃燒室的設(shè)計標準，觀察濕度對燃氣輪機系統(tǒng)穩(wěn)定性及出功的影響，濕化燃燒對污染物排放及火焰穩(wěn)定性的影響等方面。研究結(jié)果表明，當燃燒火焰溫度不變時，隨著濕度增大，NOx排放減小，火焰穩(wěn)定極限對應(yīng)的當量比會隨著濕度增大而隨之增加，濕化燃燒對降低液體燃料燃燒的NOx排放更有效。上海交通大學對常壓下的濕度較高的濕空氣和燃料混合燃燒的火焰結(jié)構(gòu)、溫度場、濃度場、速度場和NOx場等方面開展了試驗研究工作[56-57]。

我國在燃用半水煤氣的WZ5發(fā)動機地面試車中回注水蒸汽量約10%，可降低30%-70%的NOx[58]。國外在LM2500、LM5000、FT80、GT11N等燃機上均已采用噴水措施，其目的不僅為降低NOx排放，還可以增加功率[59]。然而，該技術(shù)也存在以下一些弊端。

(1)每千瓦增加成本約10～15美元；

(2)燃料消耗量增加2%～3%(使水溫升至燃燒室內(nèi)溫度)，因此多采用噴蒸汽；

(3)水必須處理，機組檢查維護工作量增加；

(4)有可能使CO、UHC增加，還可能產(chǎn)生震蕩燃燒。

燃氣輪機燃燒室采用濕化燃燒技術(shù)具有降低NOx排放和增加輸出功率的優(yōu)點，但同時也會導致燃燒效率低、CO排放增加及增加機組成本和復雜性。在降低污染物排放方面，測試結(jié)果表明要想將NOx排放降低到25 ppm以下，CO的排放必然是超標的[60]。鑒于我國是一個缺水的國家，基于濕化燃燒技術(shù)的燃氣輪機不適合我國。

5.2 干式低排放燃燒技術(shù)燃燒室

5.2.1 RQL燃燒室

RQL燃燒室實際上是一種特殊的分級燃燒室，最早由美國艾利遜公司提出，并在570-K工業(yè)燃機上進行了試驗測試[61]。結(jié)果表明當富燃區(qū)當量比為1.3～1.4，貧燃區(qū)當量比為0.5～0.6時，使用中熱值氣體燃料的NOx排放為70～80 ppm，低熱值燃料時為10～15 ppm。在1997年歐洲的“低發(fā)散燃燒技術(shù)”研究中還有RQL的研究報告，目的是開發(fā)探索該燃燒室在減少NOx生成量方面的潛力，掌握RQL燃燒室設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

SNECMA公司與VOLVO公司曾聯(lián)合設(shè)計了5個RQL燃燒室方案，圖10所示為其中的2種典型結(jié)構(gòu)，五種方案分別進行了高中低壓的貧油熄火和排放性能試驗，結(jié)果如表4所示。由試驗結(jié)果可以看出，該燃燒室的燃燒效率和NOx排放水平都是令人滿意的。

表4 兩種RQL燃燒室試驗結(jié)果

圖10 兩種RQL燃燒室

圖11 GE公司的RQL2燃燒室

20世紀90年代GE公司為用于IGCC中的重型燃氣輪機開發(fā)了RQL燃燒室，命名為RQL2，結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示[62]。由于煤氣化的合成氣中有大量的燃料邊界氮(NH3)，采用常規(guī)燃燒室會產(chǎn)生大量的NOx，而RQL燃燒室在富燃缺氧環(huán)境下，燃料中的氮將會還原生成N2，進一步降低了燃料型NOx生成量。富燃區(qū)的燃燒產(chǎn)物在收縮通道后的淬熄區(qū)內(nèi)與大量空氣快速混合淬熄，使其混合后的燃空當量比為0.5～0.7。由于停留時間極短，未燃盡的燃料和氧氣進入貧燃區(qū)后才得以完全燃燒，從而實現(xiàn)NOx的低排放。保證空氣和富燃區(qū)產(chǎn)物在淬熄區(qū)快速均勻混合是RQL實現(xiàn)低NOx排放的關(guān)鍵。因為富燃區(qū)產(chǎn)物從當量比2.0降至當量比約0.5，必須經(jīng)過當量比1.0的階段。但燃燒溫度和NOx在化學當量比附近時都很高，這勢必要求淬熄區(qū)內(nèi)的混合物在當量比為1左右的停留時間盡可能短，而且混合要很均勻。1996年對RQL2燃燒室的試驗測試結(jié)果如圖12及表5所示。從試驗結(jié)果可以看出，采用RQL2燃燒室，在使用相同的合成氣作為燃料時，NOx排放降低了近2/3，同時燃料中邊界氮(NH3)轉(zhuǎn)化為NOx的量僅為5%。

圖12 空氣流量比40/60時NOx和CO排放

富燃級/貧油級空氣流量比20/8030/7040/60NOx最低值對應(yīng)的T4/K1 5881 4221 255CO排放5×10-6～30×10-6(干態(tài),15%O2)

1.高于或低于T4，則NOx增大，NOx最低值為50×10-6；

2.40/60時，CO排放量最少

Douglas L.Straub 等通過對RQL燃燒室的深入研究，提出了把RQL燃燒技術(shù)與駐渦燃燒技術(shù)(Trapped Vortex Combustion，TVC)相結(jié)合的思想，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種稱之為RQL/TVC的燃燒室(圖13)[63]。在此基礎(chǔ)上GE 公司開發(fā)出了適用于工業(yè)燃氣輪機的RQL/TVC 燃燒室，該燃燒室的NOx排放小于9 ppm[64]。

圖13 RQL /TVC 燃燒室示意圖

圖14 SGT-750 機組燃燒室結(jié)構(gòu)及RQL值班級

西門子公司推出的SGT-750 型燃氣輪機的燃燒室為RPL(Rich Piot Lean)型，其值班級燃燒器在設(shè)計時也采用了RQL燃燒技術(shù)[65]。SGT-750 型燃氣輪機燃燒室被稱為第四代干式低污染燃燒室，其特點是具有較高的燃料適應(yīng)性，在不同燃料下都可以實現(xiàn)低污染燃燒。燃燒室所使用的值班燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖14所示，在發(fā)動機處于全負荷狀態(tài)和變負荷狀態(tài)時，值班級燃燒器可進入RQL燃燒模式，在保證高燃燒穩(wěn)定性的同時保持較低的NOx排放。由機組試驗可知，該燃燒室的 NOx排放小于15 ppm，具有較好的污染物排放特性，同時該燃燒室的燃料適應(yīng)性也很好，可實現(xiàn)低熱值、富氫燃料的穩(wěn)定、低污染燃燒[66]。

P&W公司在進行低排放燃燒室發(fā)展方案額選擇時，首先選擇了RQL技術(shù)，并采用RQL技術(shù)相繼發(fā)展出了TALON(Technology for Advanced Low NOx)系列低排放燃燒室[67,68]。 使用TALON I和TALON II低排放燃燒室的PW4000和PW6000系列商用航空發(fā)動機已經(jīng)取得了適航證，并開始使用。最新采用TALON X 技術(shù)的燃燒室的NOx排放已經(jīng)達到了CAEP/2標準的30%。

5.2.2 貧燃預(yù)混燃燒室

貧燃預(yù)混燃燒是目前干式低排放燃燒技術(shù)燃燒室所采用的主要方式，其核心思想就是讓燃料與空氣在反應(yīng)前進行均勻的混合。圖15所示為Solar公司在燃用天然氣的燃氣輪機上所采用的低NOx天然氣噴射器，采用將主燃料安放在18個旋流葉片間18個多孔輻條(為108×φ0.89開孔方案)噴入的方式，燃料與旋流空氣充分預(yù)混后進入燃燒室進行反應(yīng)，NOx排放降低至低于10-5。

圖15 Solar低NOx天氣噴射器

通常認為燃燒室的排放特性與燃燒室的溫度、壓力、火焰停留時間及混合均勻性之間會存在一定的關(guān)系，為確定NOx排放與這些參數(shù)之間的關(guān)系，GE公司開展了大量的試驗研究，獲得了NOx排放與這些參數(shù)之間的關(guān)系。在寬廣的實驗條件：工作壓力1～3.0 MPa，進氣溫度300～800 K及火焰停留時間2～100 ms，采用了各種火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定預(yù)混火焰的情況下獲得的經(jīng)換算的NOx與火焰溫度的函數(shù)關(guān)系如圖16所示。

圖16 換算NOx與火焰溫度的關(guān)系

在不同預(yù)混度下，NOx與平均火焰溫度的關(guān)系如圖17所示。以上研究結(jié)果表明：良好的預(yù)混氣，燃燒時產(chǎn)生的NOx僅與火焰溫度有關(guān)系，一般火焰溫度控制在1 900 K以下；而與燃燒室進口溫度、工作壓力及火焰停留時間沒有關(guān)系。因此，貧油預(yù)混燃燒室所具有的技術(shù)特點都是基于以上試驗研究獲得的理念開展的。

圖17 燃料和空氣混合均勻性對NOx量的影響

雖然貧預(yù)混燃燒可以降低NOx的排放，但其火焰很不穩(wěn)定，燃燒器可穩(wěn)定工作的范圍較窄，這就導致該燃燒技術(shù)在燃氣輪機有高負荷調(diào)節(jié)的需求時無法被采用。為解決這一問題，提出了分區(qū)燃燒的方法，將燃燒室內(nèi)的反應(yīng)區(qū)分為幾個部分，當機組的負荷發(fā)生變化時，通過控制參加反應(yīng)的區(qū)的數(shù)量來實現(xiàn)對燃燒負荷的要求，而在參加反應(yīng)的每個區(qū)仍保證適當?shù)母咝У臀廴救紵龡l件，這樣在實現(xiàn)低污染排放的同時也保證了燃燒的穩(wěn)定性。這種分區(qū)燃燒方式的主要缺點就是會導致燃燒室結(jié)構(gòu)變復雜，需要采用復雜的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，但隨著環(huán)保要求的不斷提高和計算機控制技術(shù)的進步，這些問題都得到了解決，發(fā)展出了實用的干式低排放燃燒技術(shù)。

(1)軸向分級燃燒室

80年代，在生成NOx和CO量最低的1 800 K附近的較窄火焰溫度范圍內(nèi)，羅·羅公司嘗試了常規(guī)燃燒室、可變幾何形狀燃燒室、徑向分級和軸向分級供油燃燒室。由于常規(guī)燃燒室在低負荷工況下混合不充分以致點不著火或熄火，可變幾何形狀燃燒室在維護性和可靠性方面存在技術(shù)障礙，徑向分級供油需要供油級多等原因，人們放棄了這些方案，進而轉(zhuǎn)入著力研究軸向分級供油方案，并通過試驗研究得出軸向分級燃燒室具有如下優(yōu)點。

(1)可為多級供油提供足夠的長度；

(2)上游級預(yù)熱有利于組織燃燒和改善產(chǎn)生NOx和CO的溫度裕度；

(3)維持主燃區(qū)溫度不變，使貧油熄火裕度不變，工作適應(yīng)性好。

1991年，羅·羅公司開始研制用于工業(yè)RB211燃機的DLN燃燒室，如圖18所示，該燃燒室為一個包括9個徑向安裝的火焰筒的單元體組件(替換原機環(huán)形燃燒室布局)，每個火焰筒內(nèi)包括一個串聯(lián)二級燃燒室，每個火焰簡裝有點火器(不用聯(lián)焰管)。燃燒室的頭部結(jié)構(gòu)如圖19所示。在主燃區(qū)頭部有一個中心噴嘴產(chǎn)生擴散火焰，也可由串列的兩個反向旋流的徑向渦流器供入氣流與第一級渦流器通道內(nèi)多個噴射點供給的預(yù)混燃料產(chǎn)生預(yù)混火焰。至一定工況，則轉(zhuǎn)入第二級預(yù)混燃燒，第二級燃料以一定噴射角供給，以保證燃料和空氣均勻混合(不均勻度小于4%)。該燃燒室燃用天然氣時，NOx排放量約為17.4×10-6。由于火焰筒上沒有冷卻氣膜孔，節(jié)省的空氣可參與燃燒，也使CO排放量低于5×10-6[69]。

圖18 羅羅公司工業(yè)用RB211的DLE04模型

圖19 羅羅公司的DLE燃燒室

該燃燒室的工作過程是：在起動和低功率工作狀態(tài)，第一級由電嘴點燃起動氣體燃料形成火炬，再點燃從擴散火焰型噴射器噴出的燃料，形成第一級的擴散火焰，這是穩(wěn)定工作和降低CO排放所必需的。在70%負荷左右，點著第二級，供到擴散火焰中的部分燃料轉(zhuǎn)到第二級，在此建立穩(wěn)定的燃燒。此時第一級擴散火焰熄滅，并在第2級實現(xiàn)在1 800 K恒定溫度下的完全預(yù)混燃燒。它是由第一級的擴散型燃料轉(zhuǎn)至預(yù)混型噴射而實現(xiàn)的，再調(diào)節(jié)第二級燃料供給量，以控制功率輸出值。

圖20 DLN分級燃燒系統(tǒng)示意圖

1994年羅·羅公司又研制了分為三級的DLN燃燒室。級數(shù)分得越多，越接近理想系統(tǒng)，改進了預(yù)混貧油燃燒工作范圍的調(diào)節(jié)比。三級燃燒室是在兩級燃燒室基礎(chǔ)上增加一個第三級燃燒室，其目的是減小最初擴散火焰工作的范圍，將其轉(zhuǎn)換點降至40%負荷，從而擴大了預(yù)混燃燒工作范圍。圖20為該方案的燃燒系統(tǒng)示意圖，從圖中可以看出，三級串聯(lián)燃燒室有5條油路分別向點火噴嘴、第一級擴散、預(yù)混噴射器，第二、三級預(yù)混噴射器供給燃料。由專用調(diào)節(jié)系統(tǒng)精確地向五個總管分配燃料，既能響應(yīng)負荷變化，保證火焰?zhèn)鬟f和貧態(tài)預(yù)混燃燒；又能對環(huán)境溫度和濕度敏感，保持級間燃料能自動平衡調(diào)節(jié)，使NOx和CO總排放量降到最低。

目前，羅·羅公司將工業(yè)RB211的三級低排放技術(shù)引入到工業(yè)AVON、工業(yè)TRENT等燃機上。工業(yè)TRENT燃燒室的剖面圖如圖21所示，其基本結(jié)構(gòu)與工業(yè)RB211的一致，并更清晰地顯示了第二、三級預(yù)混氣的供給管路。

圖21 工業(yè)TRENT燃燒室

有必要強調(diào)的是，在軸向分級燃燒室中，首先要保證第一級貧態(tài)預(yù)混火焰不熄滅，這是極其重要的，否則整個燃燒室會熄火。這就依賴于第二級預(yù)混器的部分混合物被引入第一區(qū)，擴大了第一級熄火極限。另外，第三級則要受最低溫度限制，保證將CO燒完。

GE公司也設(shè)計研發(fā)了一種軸向分級的DLE燃燒室，結(jié)構(gòu)示意圖如圖22所示。該燃燒室由兩個燃燒區(qū)組成：第一區(qū)由六個彼此分隔、環(huán)繞在中心體5之外、各自有燃料噴嘴2的預(yù)混室4組成；第二區(qū)布置在文氏管通道9之前，噴嘴1裝在中心體前端。該燃燒室既可燒天然氣，也可燒輕油。

該燃燒室在燒天然氣時，如LM6000上的DLE燃燒器一樣按機組負荷安排工作模式，如圖23所示。各種模式的各區(qū)燃燒供給的百分比是指負荷所要求的燃料量的比例。

(2)徑向分級燃燒室

美國GE公司于20世紀70年代中期開始研制DLE燃燒室，在NASA主持的試驗清潔燃燒室計劃和高效節(jié)能發(fā)動機計劃(E3)下，在航空發(fā)動機CF6-50C基礎(chǔ)上經(jīng)過多種方案探索，最終為徑向分級燃燒室，也稱為雙環(huán)腔燃燒室。圖24所示為在航空發(fā)動機上使用的雙環(huán)腔徑向分級燃燒室。

圖22 GE公司的軸向分級DLE燃燒室示意圖

圖23 不同負荷下的燃燒模式

圖24 雙環(huán)腔徑向分級燃燒室

1990年初，在雙環(huán)腔徑向分級燃燒室的基礎(chǔ)上，GE公司開始研制三環(huán)腔燃燒室，用于LM6000型地面燃氣輪機的三環(huán)腔徑向分級燃燒室及其分區(qū)工作模式如圖25所示。1995年，裝有該型號燃燒室的首臺LM6000在比利時的格感特(Gent)電站投入商業(yè)運行。輸出功率43MW，效率40%、NOx排放為22.4 mg/m3，CO為7.5 mg/m3，UHC為1.4 mg/m3。

圖25 LM6000三環(huán)腔燃燒室及分區(qū)工作模式1-反應(yīng)區(qū)A；2-反應(yīng)區(qū)B；3-反應(yīng)區(qū)C；4-預(yù)混器；5-擴壓器；6-外機匣；7-燃燒室火焰筒

LM6000與CF6-80C2(CF6-50C的發(fā)展型)有90%的共同性，而新型燃氣預(yù)混燃燒室使燃氣輪機降低排氣污染技術(shù)登上新臺階，在具體技術(shù)設(shè)計中有重大突破，表現(xiàn)在如下幾方面。

(1)三環(huán)腔比雙環(huán)腔燃燃燒室又前進一步。 雙環(huán)腔僅可照顧慢車狀態(tài)和全功率狀態(tài)在合適的當量比下工作，而中間狀態(tài)污染物的控制不夠理想。LM6000型的DLN燃燒室在徑向分為三個區(qū)域，按照它的操作模式，可以照顧各功率狀態(tài)，使之處于最佳工作狀態(tài)，保證低污染物排放。

(2)燃料與空氣預(yù)混：燃料通過空心軸向旋流片進入預(yù)混器4，在與空氣混合之前通過后緣孔，保持在預(yù)混器出口處的剩余渦流有助于穩(wěn)定下游的預(yù)混火焰。這種設(shè)計保證燃料與空氣很均勻地混合，是保證低NOx排放的主要手段。

(3)短環(huán)形燃燒室火焰筒設(shè)計，使冷卻空氣量減到最小，壁面采用對流冷卻，并涂覆隔熱涂層。這一措施避免了氣膜冷卻區(qū)形成大量CO和UHC。 絕大部分空氣用于與燃料混合，該燃燒室出口溫度達到1 288℃。

(4)燃燒室進口導葉調(diào)整和壓氣機放氣，使火焰溫度在發(fā)動機整個運行范圍內(nèi)幾乎不變，使NOx和CO排放量均為最低值。

由于該燃燒室采取了上述措施，試驗結(jié)果表明：形成的NOx的數(shù)量不隨燃氣壓力變化，NOx的排放量不是燃繞室進口溫度的函數(shù)，NOx的數(shù)量不隨火焰停留時間的增加而增加。也就是說，該燃燒室的設(shè)計成功地解決了高壓比、高溫升燃燒室排氣污染的問題。

從1991年開始，GE公司針對天然氣燃料燃氣輪機的低排放問題，相繼發(fā)展了DLN1和DLN2兩個系列的燃燒室，包括DLN1.0、DLN1.0+、DLN2.0、DLN2.0+、DLN2.5、DLN2.6、DLN2.6+等。其中DLN1系列是針對E 級燃氣輪機(透平進氣溫度1 093 ℃)開發(fā)的,包括7E，EA，9E，6B，52D，51P和32J，當機組超過50%額定負荷時，其NOx的排放濃度可控制在51.25 mg/m3下。DLN2系列是針對F 級燃氣輪機(透平進氣溫度1 326 ℃)開發(fā)的，但也被應(yīng)用在EC 和H 燃機。

圖26 DLN1燃燒室頭部分級方案

DLN1燃燒室分級方案如圖26所示，在中心體兩側(cè)為第1級，第1級裝有各自的旋流器與燃料噴嘴，通過中心體安裝合并。第2級在中心體上，裝有一個旋流器與燃料噴嘴。第1級的燃料在燃燒后通過文丘里組合件之后，與中心體處的第2級燃料混合，在二次燃燒區(qū)進行燃燒。通過分級燃燒的方式，可以有效降低NOx排放。一級燃料噴嘴有6個周向均布的燃料出口，天然氣從這6個出口旋轉(zhuǎn)射入一級燃燒區(qū)。二級燃料噴嘴位于一級燃料噴嘴中央，插入火焰筒的中心，提供值班火焰?；鹧嫱卜譃橐弧⒍壢紵齾^(qū)，以文丘里組件分界，文丘里組件前端是一級燃燒區(qū)；文丘里組件后端是二級燃燒區(qū)。文丘里組件作用是提高摻混的天然氣向二級燃燒區(qū)的噴射速度，防止回火；在文丘里組件后部鈍角處形成回流區(qū)穩(wěn)定火焰。火焰筒尾部稀釋孔孔徑是關(guān)系到NOx排放量的重要因素，稀釋孔起到分流壓氣機排氣的作用，孔徑大小影響著火焰筒的預(yù)混空氣量。當孔徑變大時，預(yù)混空氣量會變少，燃空比變大，燃燒溫度升高，NOx排放增大。

在DLN 1.0的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了二級燃料噴嘴發(fā)展出了DLN 1.0+系統(tǒng)燃燒室，該燃燒室還通過優(yōu)化文丘里組件來加強燃料和空氣的預(yù)混，提高了燃料和空氣混合的均勻性。同時，火焰筒末端的二次空氣摻冷孔向后移動，并采用分級摻冷技術(shù)，將燃氣輪機NOx的排放控制在了更低的水平。

圖27所示為DLN 2 系列燃燒室。與DLN1系列相比，該燃燒室的主要特點是只有一個燃燒區(qū)域[70]。此外，為減少用于摻混和冷卻的空氣用量，DLN 2 系列燃燒室取消了DLN 1 系列燃燒室中需要空氣冷卻的文丘里和中心體組件。

圖27 GE公司DLN2系列燃燒室

在DLN 2 燃燒室的基礎(chǔ)上，在燃燒室中心軸方向增加了1個較小的噴嘴，形成了DLN 2.6燃燒系統(tǒng)。其中，所增加噴嘴的燃料流量和燃料空氣比可獨立調(diào)節(jié)，且該噴嘴始終處于工作狀態(tài)，好處是一方面能保證機組在低負荷運行范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒，另一方面也可以增加燃氣在燃燒室內(nèi)的停留時間，使CO 得到充分完全燃燒，可有效降低CO 排放[71]。除了燃料噴嘴布置方式的變化外，DLN 2.6燃燒系統(tǒng)也對燃燒模式進行了優(yōu)化，采用了全預(yù)混燃燒模式，簡化了燃燒室結(jié)構(gòu)。

在DLN2.0 和DLN 2.6的基礎(chǔ)上，通過取消布置在燃燒室邊緣的四次氣燃料噴嘴，同時采用了新設(shè)計的swozzle燃料噴嘴代替了swirler /peg噴嘴，GE公司又提出了DLN 2.0+和DLN2.6+燃燒系統(tǒng)[72]。圖28所示為在DLN2.0基礎(chǔ)上設(shè)計的DLN2.0+燃燒室結(jié)構(gòu)，氣體燃料噴嘴剖面結(jié)構(gòu)如圖29所示。每個燃燒室都有一個蓋板，每個蓋板上布置5只燃料噴嘴，每只燃料噴嘴內(nèi)有2個燃料通道：預(yù)混燃燒通道和擴散燃燒通道。噴嘴工作時預(yù)混氣體燃料經(jīng)周向分布的燃料通道供入，經(jīng)布置于旋流葉片直線段內(nèi)的燃料噴嘴噴入，與旋流器流出的空氣混合，充滿整個預(yù)混管。每個旋流器葉片由旋轉(zhuǎn)葉片和一個位于上游的直線段葉片組成，它是中空的，內(nèi)裝為有許多噴射孔的燃料管道。此外，在燃燒器的預(yù)混燃料通道的下游有一圈整流片，可以防止回火，如圖30所示。

圖28 DLN2.0+燃燒室結(jié)構(gòu)圖

swozzle噴嘴將燃料噴射口與旋流器葉片結(jié)合在一起，所有這些都在燃料噴嘴本體內(nèi)，因此提供了一個混合更好、更穩(wěn)定的燃燒區(qū)域。DLN 2.0、DLN 2.0+、DLN 2.6、DLN 2.6+燃燒系統(tǒng)各燃料噴嘴布置見圖31。

圖29 DLN-2.0+燃燒室氣體燃料噴嘴布置圖

圖30 DLN-2.0+燃燒室噴嘴示意圖

圖31 各DLN燃燒室燃料噴嘴布置圖

圖32所示為采用了徑向分級燃燒技術(shù)的西門子公司SGT-8000H燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖[73]。在該燃燒室內(nèi)按照工作用途有三種不同類型的噴嘴：即值班噴嘴、主燃燒噴嘴和高負荷噴嘴(C 級噴嘴)。其中，值班噴嘴內(nèi)部又分為兩級：擴散式值班噴嘴和預(yù)混式值班噴嘴(D 級噴嘴)。主燃燒噴嘴也分為A、B兩級，在每級內(nèi)各有4 個預(yù)混噴嘴。高負荷噴嘴(C 級噴嘴)的功能是提高燃燒室高負荷下的燃燒穩(wěn)定性，位置位于值班噴嘴與主燃燒噴嘴下游。工作過程中，該燃燒室采用如下工作方式實現(xiàn)分級燃燒：從點火到同步工況(額定轉(zhuǎn)速空載工況)階段，擴散式值班噴嘴與A 級燃燒噴嘴同時運行；從同步工況到25%負荷，D 級噴嘴投入運行；從25% 負荷到45%負荷，B 級打開，此時值班噴嘴與主燃噴嘴全部投入使用；從45% 負荷到設(shè)計負荷，C 級噴嘴也打開投入使用。通過以上的燃燒分級控制策略，保證了燃燒室在全工況下的燃燒低污染特性。

圖32 西門子SGT-8000H燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及噴嘴

(3)中心分級燃燒室

圖33所示西門子公司為SGT6-5000F燃氣輪所設(shè)計的采用中心分級技術(shù)的燃燒室結(jié)構(gòu)。其中，中心級采用了擴散燃燒模式，稱為值班噴嘴，在中心級周圍布置了8個預(yù)混噴嘴，稱為主噴嘴；為保證值班級的火焰穩(wěn)定性，值班級噴嘴采用了強旋流氣動設(shè)計，在燃燒室出口形成回流區(qū)，降低污染物的排放以在主噴嘴出口處不形成回流區(qū)。燃料分四路由不同的噴嘴進入燃燒室，其中值班噴嘴為第一路，值班噴嘴外圍的8個主噴嘴分成獨立的兩組，分別為第二路和第三路；在噴嘴來流上游的導流襯套上設(shè)有圓管型燃料管道，開有若干燃料噴口，為第四路；為保證燃燒的穩(wěn)定性，在燃燒室的整個工況范圍內(nèi)第一路的值班噴嘴一直供應(yīng)燃料?；鹧嫱采显O(shè)有旁通閥，用于調(diào)節(jié)低負荷下的當量比，保證燃燒穩(wěn)定性。對于壓比為16、透平一級動葉前溫度為1 332 ℃的SGT6-5000F燃氣輪機，在60%-100%的負荷范圍內(nèi)，生成的NOx、CO的體積分數(shù)低于25×10-6[74]。在此基礎(chǔ)上，通過對SGT6-5000F燃燒室做局部優(yōu)化，優(yōu)化值班噴嘴的氣動性能，拓寬擴散燃燒的穩(wěn)定燃燒邊界，在32%～100%的負荷范圍內(nèi)，SGT6-6000G燃氣輪機生成的NOx、CO的體積分數(shù)低于25×10-6[75-76]。

圖33 西門子公司DLE燃燒器配氣結(jié)構(gòu)

MHI(日本三菱)公司于1994年開始研制G型燃機。1997年前后相繼推出51G(50 Hz)、701G(60 Hz)型燃機。他們采用新研制的逆流環(huán)管DLE燃燒室(DLN Mk7-4)，其中501G型有15個火焰筒，701G有20個火焰筒[77]。

MHI公司研制的DLE燃燒室類似西門子公司的DLE燃燒器，也有置于中心部分的值班噴嘴，MHI公司稱為導向噴嘴。在導向噴嘴外圍有8個彼此獨立的主噴嘴，也稱為多向噴嘴，供給預(yù)混的混合氣，如圖34所示[78]。值班級噴嘴的作用是保證燃燒的穩(wěn)定性，即在較低的燃空比下也能保證燃燒的穩(wěn)定性，為此值班噴嘴采用了旋流進氣，出口為擴張錐形型面，這樣在燃燒室出口可以形成穩(wěn)定的回流區(qū)，以保證燃燒穩(wěn)定性；外圍為預(yù)混噴嘴，采用了在旋流葉片下游的中心體上開設(shè)若干個燃料噴口，燃料直接噴射到通過旋流器的空氣中去，在旋流作用下實現(xiàn)燃料與空氣的充分預(yù)混。為預(yù)防回火，需要對旋流角度進行優(yōu)化。外圍噴嘴的出口為扇形，即混合通道從圓環(huán)形轉(zhuǎn)為扇形。為調(diào)節(jié)點火、加速及低負荷下的燃燒區(qū)當量比，同樣在火焰筒上布置了旁通閥，以保證燃燒的穩(wěn)定性。

圖34 MHI公司的環(huán)形DLE燃燒室1-導向噴嘴；2-多向主噴嘴(預(yù)混)；3-喇叭形組件；4-空氣旁路閥；5-過渡段；6-火焰管

為進一步降低污染物排放，MHI公司又為M501G1、M701G2燃氣輪機設(shè)計了更先進的DLN燃燒室方案：DLN Mk8-4燃燒室。DLN Mk8-4燃燒室是通過對早期的DLN Mk7-4燃燒室進行了幾個方面的優(yōu)化來進一步降低污染物排放的：其一，對噴嘴進口前來流的均勻性進行了優(yōu)化；其二，通過采用透平葉片設(shè)計工具對外圍預(yù)混噴嘴的旋流葉片進行了優(yōu)化，并將燃料噴口開設(shè)在旋流葉片上，稱為“V”型噴嘴。該種設(shè)計的好處是可以大大提升燃料/空氣的混合均勻度，并使噴嘴內(nèi)部速度分布與當量比分布更加匹配，從而降低回火風險；其三，對燃燒室內(nèi)的氣動特性進行了優(yōu)化，通過增大值班噴嘴出口面積以提升擴散火焰穩(wěn)定性，保證在極低的燃料空氣比下仍能穩(wěn)定燃燒；其四，對燃燒室外壁面形狀進行了優(yōu)化，減小預(yù)混噴嘴出口外圍附近的回流區(qū)面積，從而縮小高溫區(qū)范圍來降低NOx排放；其五，采用聲學諧振裝置，在火焰筒上設(shè)置抑制高頻振蕩的多孔諧振腔，在旁通閥通道上設(shè)置抑制低頻振蕩的諧振腔。通過實際測試表明，在60%-100%的負荷范圍內(nèi)，M501G1、M701G2燃氣輪機生成的NOx體積分數(shù)低于15×10-6，聯(lián)合循環(huán)效率達到58.7%，具有較好的點火性能及整個工況范圍內(nèi)較低水平的燃燒振蕩[79-80]。圖35為MHI公司的DLN Mk7-4、DLN Mk8-4燃燒室示意圖。

圖35 MHI低排放燃燒室

MHI公司的G/H級燃氣輪機的燃燒室燃燒組織方案與西門子公司基本相同，且都是在F級天然氣燃燒室基礎(chǔ)上進行局部優(yōu)化發(fā)展起來的，主要的優(yōu)化除了外圍預(yù)混噴嘴的燃料/空氣混合效果、值班噴嘴的穩(wěn)火邊界，還設(shè)置了抑制熱聲振蕩的諧振腔及旁通閥諧振裝置。

(4)低旋流貧預(yù)混燃燒技術(shù)燃燒室

低旋流貧預(yù)混燃燒最早是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室Cheng 等人開發(fā)的一種超低NOx排放燃燒技術(shù)，與其他燃燒技術(shù)相比，具有的優(yōu)點包括：燃燒效率高、火焰區(qū)域溫度低、燃燒穩(wěn)定、不易“返火”和“吹熄”等[81-82]。降低NOx排放的基本原理為采用貧預(yù)混及減少燃燒反應(yīng)停留時間。采用低旋流預(yù)混技術(shù)的燃燒器結(jié)構(gòu)和工作時所產(chǎn)生的火焰照片如圖36所示。從燃燒器的結(jié)構(gòu)特點看，該類燃燒器采用了軸對稱結(jié)構(gòu)，中心處為帶有多孔擋板的圓管，圓管外側(cè)為旋流葉片，燃燒器的旋流強度可以通過對多孔擋板的阻塞比及葉片安裝角度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。在工作過程中，燃料與空氣的混合氣體由燃燒器下側(cè)進入，經(jīng)旋流葉片和中心圓管后由射流孔射出，在燃燒器噴口下方形成一個穩(wěn)定的推舉火焰，穩(wěn)定燃燒。由圖可以看出，燃料/空氣預(yù)混氣體經(jīng)過燃燒器射出后由于旋流的作用會產(chǎn)生氣流擴散，流速迅速減小。預(yù)混火焰的推舉位置可以通過調(diào)節(jié)多孔擋板的阻塞比和葉片的安裝角度來實現(xiàn)。

圖36 LSC燃燒器結(jié)構(gòu)及火焰照片

低旋流貧預(yù)混(LSC)燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)的干式貧預(yù)混燃燒技術(shù)在技術(shù)原理上有一定的差別，與貧預(yù)混燃燒技術(shù)相比LSC是一種簡單經(jīng)濟的低NOx技術(shù)。傳統(tǒng)的干式貧預(yù)混燃燒技術(shù)需要采用強旋流來建立回流區(qū)，LSC沒有回流區(qū)，而是利用低旋流的方法來穩(wěn)定火焰。這種方法的優(yōu)點是不僅縮短了煙氣在高溫區(qū)停留的時間，減少了NOx的排放量，而且避免了常規(guī)不穩(wěn)定燃燒等問題。傳統(tǒng)的高旋流貧預(yù)混超低排放燃燒技術(shù)遇到的主要障礙包括貧油熄火邊界與火焰不穩(wěn)定燃燒邊界，而低旋流燃燒技術(shù)通過發(fā)展氣動力學，克服了這一障礙，燃燒流場中無回流區(qū)，避免了不穩(wěn)定燃燒，不存在不穩(wěn)定燃燒邊界，其可燃邊界緊靠理論燃燒邊界[83]。

Cheng與Solar公司在2006年進行了合作，在Solar Taurus 70型燃氣輪機上采用了LSC燃燒技術(shù)，試驗測試結(jié)果表明采用LSC技術(shù)后燃燒室NOx排放<5 ppm。為對比LSC 燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒技術(shù)的對比的差別，將這2種燃燒技術(shù)在表6中進行了對比。由對比可以看出，對LSC燃燒器起控制作用的主要參數(shù)為預(yù)混氣的出口旋流數(shù)與湍流火焰速度，這是與傳統(tǒng)貧預(yù)混高旋流燃燒技術(shù)的主要不同。LSC對燃料氣的熱值、品質(zhì)等無特殊要求，所以十分適合中低熱值合成氣或純氫燃料的清潔高效燃燒[84]。

表6 LSC 燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒技術(shù)對比

(5)EV燃燒器

EV燃燒器(EV為英文“環(huán)境”的縮寫)是由ABB-Alstom公司研制的一種錐形預(yù)混式燃燒器，工作原理圖如圖37所示[85]。工作原理是利用兩個偏心錐體的縫隙形成空氣切向強旋流。燃用天然氣時，天然氣從開縫處的許多小孔進入錐體，與空氣均勻混合為可燃氣體，在錐端面出口的回流區(qū)形成預(yù)混燃燒。若用液體燃料，燃料從錐頂供入，在空氣旋流作用下霧化、蒸發(fā)，與空氣混合，在錐端燃燒。此時僅為擴散式燃燒，還需噴水或蒸汽才可降低NOx。

圖37 EV燃燒器工作原理1-氣體燃料；2-燃燒空氣；3-摻混空氣；4-液體燃料；5-油霧蒸發(fā)；6-點火；7-回流渦；8-火焰前鋒；9-氣體噴射孔；10-旋流噴嘴；11-氣體燃料

EV燃燒器是一個燃燒單元體，每臺機組可根據(jù)需要多個并聯(lián)使用。1991年，在該公司的GT11N改型燃機上，采用37個EV燃燒器組成的豎井式燃燒室，如圖38所示。1993年，又在GT13E2型燃機上采用。

圖38 帶EV燃燒器的豎井式燃燒室

1995年該公司在GT24/GT26型燃機上采用順序相連的EV燃燒室，其間安排高壓渦輪，如圖39所示，組成順序燃燒系統(tǒng)(SCS)。在第一級EV燃燒器中供入60%的燃料，產(chǎn)生貧態(tài)預(yù)混式燃燒；在第二級再補入40%的燃料及部分空氣，在渦輪排出的燃氣中燃燒，在較高的溫度下實現(xiàn)了低NOx、CO的排放。燒天然氣時，NOx為25×10-6，CO為15×10-6[86]。圖40所示為采用EV燃燒器的環(huán)形燃燒室，分別為GT24，GT26和GT8C2上使用的環(huán)形燃燒室。

5.3 催化燃燒技術(shù)燃燒室

美國在實驗清潔燃燒室計劃(ECCP)執(zhí)行的同時，1977年NASA和美國空軍制定了先進低污染催化燃燒室計劃，并由GE和普·惠公司實施。

美國GE和普·惠公司分別提出了六個設(shè)想的催化燃燒室方案。GE公司經(jīng)分析研究篩選出其中最有希望的兩種方案，如圖41所示。它們類似于E3發(fā)動機徑向分級的先進技術(shù)發(fā)動機燃燒室方案[87]。圖中(a)方案為基本平行分級，內(nèi)側(cè)為催化燃燒室；(b)方案為環(huán)管回流平行分級，外側(cè)為催化燃燒室。普·惠公司也對六種方案進行了分析與評價，它們包括：基本的單純催化反應(yīng)器，富態(tài)前端混合式，基本的徑向分級，帶變幾何的軸向分級，帶變幾何的環(huán)管式徑向分級等。

圖39 GT24/26燃氣輪機及其順序燃燒系統(tǒng)

圖40 使用EV燃燒器的環(huán)形燃燒室

圖41 GE公司的催化燃燒室方案

兩個公司的催化燃燒室方案的基本構(gòu)思是采用燃料分級，即采取常規(guī)燃燒室與催化燃燒室組合。在低工況下使用常規(guī)燃燒室，而在全負荷狀態(tài)下大部分或全部溫升是通過催化燃燒室達到的。這種分級方法要求仔細控制空氣流量分配，保持所要求的催化床的溫度及壓力損失。因此，還需要利用變幾何調(diào)控空氣，以便與燃料配置相協(xié)調(diào)。

兩個公司所采用的催化床材料、結(jié)構(gòu)也各具特點：GE公司是采用Engelhard工業(yè)試驗計劃評價過的DXE-441型催化反應(yīng)器，它是將鈀浸漬到穩(wěn)定的氧化鋁(釩土)片中，再覆蓋到蜂窩狀氧化鋯復合材料支承件上。蜂窩結(jié)構(gòu)為平均每平方厘米14.1個孔，每孔承力直徑為1.7 mm，開孔面積比為54.2%。普·惠公司選擇了氧化鋯作為單片基底材料，該材料可以承受1 900 K高溫。這兩個公司的試驗結(jié)果表明：燃燒效率隨催化床長度(100～170 mm)的增加而增大。

這兩個公司提出的方案經(jīng)評估仍有如下主要技術(shù)問題：一是催化床進口混氣速度、溫度及混合必須均勻，要求90%～95%的燃料蒸發(fā)；二是催化床在長時間內(nèi)保持熱耐久性及性能穩(wěn)定性；三是由于第一項的要求，必須防止自動點火和回火，因此要求燃料快速蒸發(fā)和混合。

解決上述問題難度很大，因此，20世紀80年代很少見到該方案的深入研究報告。據(jù)資料介紹，GE公司在FT4C-3F型燃機上采用的催化燃燒室如圖42所示，與圖41所示方案不同。它是將原來的8個火焰筒的直流式分管燃燒室改為尺寸更大的回流式燃燒室，如圖所示由4部分組成。前置燃燒室用于燃機起動和加速階段，為擴散燃燒，也可采用DLN系統(tǒng)。燃料注入器控制燃料與助燃空氣均勻混合，在催化組件中進行無焰燃燒，形成高溫燃氣，在燃盡段進行完全燃燒。預(yù)計此方案在T4為1 500 ℃時，NOx可控制在4～6 mg/m3，真可謂超低NOx燃燒室。Xonon代表NO-NOx，即無NOx的反拼寫。

圖42 FT4C-3F的催化燃燒室(Xonon)示意圖

GE公司采用商業(yè)化XONON催化劑模塊，在GE10-1發(fā)動機上分別進行了現(xiàn)場測試(圖43)。目的是測試催化劑模塊的可靠性、可獲得性、可維護性及通過8 000小時的連續(xù)運行確認催化劑材料上的進展對催化劑持久性的影響[88-90]。結(jié)果表明，催化燃燒室可靠性的提高很大程度上取決于溫度場和濃度場的改善，影響催化劑持久性的因素較多，催化劑持久性模型的建立與完善還需要對更多實驗測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

圖43 帶有XONON催化劑模塊的催化燃燒室

據(jù)最近報道：艾利遜公司參與ATS規(guī)劃，在研制效率為40%的13.5 MW燃機時，采用了聯(lián)合燃燒室，在空轉(zhuǎn)和低負荷下由預(yù)混的貧態(tài)混氣燃燒，在50%以上工況進行催化燃燒。該燃機增壓比為30，T4可達1 430 ℃，表明催化燃燒技術(shù)已進入實用性研究階段。該種組合燃燒室類似圖41(b)所示的方案。

美國Precision Combustion 公司與Solar 公司合作，對燃氣輪機催化燃燒室開展了系統(tǒng)的研究，開發(fā)出了可用于純氫燃料的RCL 催化燃燒室，并將該燃燒室在Solar 公司的燃氣輪機機組上進行了高壓試驗。結(jié)果表明，RCL催化燃燒室可用于純氫燃料的燃燒，未發(fā)現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定問題，污染物排放可以達到超低排放標準[91]。

西門子公司開發(fā)了基于富油催化燃燒技術(shù)(Rich catalytic lean burn，RCL)的催化燃燒室，并在SGT6-3000E 和SGT6-6000F 機組上進行了運行試驗[92]。試驗結(jié)果表明，該燃燒室運行高效、穩(wěn)定，NOx排放低于4 ppm，CO排放不高于9 ppm。圖44所示為SGF5000F 機組催化燃燒室結(jié)構(gòu)及照片。

圖44 SGT-5000F機組催化燃燒室結(jié)構(gòu)及照片

日本研究開發(fā)催化燃燒室是在美國低污染催化燃燒室計劃之后，于1982年開始的[93-94]。從1982年至今堅持研究開發(fā)小型通過式方案，其優(yōu)點是催化床在低于燃燒室出口溫度下完成燃燒過程，因而改善了催化床的可靠性，并延長了壽命。1982-1988年間，針對SIA-02型燃氣輪機設(shè)計了兩種催化燃燒室結(jié)構(gòu)方案，并進行了燃燒室及發(fā)動機試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主要存在催化劑活性衰退及結(jié)構(gòu)可靠性問題。1988-1993年日本開展了第二個催化燃燒室研究計劃，并總結(jié)了前一計劃的經(jīng)驗。

(1)催化劑越大，機械和熱穩(wěn)定性越差，因此采取增加數(shù)量而減小尺寸的對策，這樣即使用于尺寸較大的燃燒室，也不會犧牲結(jié)構(gòu)可靠性。

(2)利用貧態(tài)預(yù)混燃燒，有利于降低NOx，并且可以防止催化劑因加熱而老化。因此，有必要保持催化劑在低溫下工作，并保持均勻的燃料/空氣混合。

日本中央電力研究院與Kansai電力公司從1988年開始聯(lián)合開展了應(yīng)用于高溫燃氣輪機上的催化燃燒技術(shù)，所設(shè)計的催化-預(yù)混燃燒室結(jié)構(gòu)如圖45所示。主要特點是催化燃燒部分與預(yù)混部分交叉排列，在沒有催化劑的預(yù)混通道內(nèi)完成混合和預(yù)熱，催化燃燒與預(yù)混燃燒進行軸向分級。所完成的一系列實驗結(jié)果表明， NOx主要來源于預(yù)燃室，隨燃燒室運行壓力的提高NOx排放降低，由于催化劑的老化時間及實驗條件的限制，沒有明顯看出催化劑老化對反應(yīng)特性的影響[95]。

在總結(jié)上述經(jīng)驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了幾種催化燃燒室方案，并分別進行了試驗，主要結(jié)論如下。

(1)外部催化燃燒室(OCT型)，由于催化燃燒的燃氣與預(yù)混區(qū)噴射的混氣混合得不充分，燃燒穩(wěn)定性和燃燒室出口溫度場均勻性都不好。

(2)中心催化燃燒室(CCT型)，該燃燒室與OCT型的差別，除催化劑置于中心外，還取消了催化劑后陶瓷擋板(作為混合裝置)，因此難以穩(wěn)定燃燒，并且引起壓力損失增加。

(3)先進催化燃燒室(ACC100型)如圖43所示，它是由一個環(huán)形預(yù)熱室、六個催化燃燒段、六個預(yù)混噴嘴、一個預(yù)混燃燒段及一個旁路閥門組成。它克服了CCT型存在的問題，當燃用天然氣時，在大氣壓下，改變?nèi)剂狭髁亢团月烽y門開度以保持催化床恒定溫度，NOx排放量低于10×10-6，Δp/p小于3%，燃燒室出口溫度可達1 570 K。

圖45 日本中央電力研究院設(shè)計的催化燃燒室

日本的Toshiba公司和Tokyo電力公司在上個世紀90年代提出了一種催化-預(yù)混分級燃燒室的概念，并共同開展了1 300 ℃級燃燒室的全尺度常壓實驗及催化劑的小尺度高壓實驗[96]。所設(shè)計的燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖如圖46所示，其中Z1為預(yù)燃區(qū)、Z2為預(yù)混區(qū)、Z3為催化區(qū)、Z4為氣相燃燒區(qū)，燃料分三部分進入燃燒室：F1用于提高催化劑入口溫度，F(xiàn)2用于催化燃燒，F(xiàn)3與催化燃燒室出口尾氣混合后在氣相反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)以滿足透平入口溫度要求。常壓實驗結(jié)果表明采用所提出的燃燒室結(jié)構(gòu)可以使催化劑的工作溫度在800 ℃左右，這樣可以確保催化劑的耐久性，同時降低了燃燒室的總排放。

圖46 Toshiba公司設(shè)計的催化燃燒室

2003-2006年歐盟開展了由10個成員國參與的CATHLEAN項目，通過成員之間的協(xié)作開發(fā)一種具有低NOx排放、高部分負荷穩(wěn)定性及低熱聲脈動的發(fā)動機燃燒室(如圖47所示)[97-99]。項目的全尺度實驗表明，催化-預(yù)混分級燃燒室的概念是可行的，催化轉(zhuǎn)化提高了燃燒室的性能。但在催化劑持久性及發(fā)動機運行條件對持久性的影響方面，該項目沒有進行詳細的研究[100]。

圖47 CATHLEAN分級燃燒室結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié) 論

氣體燃料是目前地面用燃氣輪機的主要燃料，而在現(xiàn)代燃氣輪機設(shè)計過程中，低排放燃燒室設(shè)計是其中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文首先介紹了工業(yè)上常用的幾種氣體燃料，分析了不同氣體燃料的來源及特點；然后對燃氣輪機燃燒室中污染物的產(chǎn)生機理及抑制方法進行了簡要論述，介紹了目前采用的3類降低燃氣輪機燃燒室污染物排放的燃燒技術(shù)，對這些低排放燃燒技術(shù)的作用原理及應(yīng)用進展進行了詳細論述，以期為國內(nèi)燃氣輪機低污染燃燒室的設(shè)計與研制提供技術(shù)參考?；谏鲜龇治觯疚奶岢鲆韵?點建議。

(1)氣體燃料將是地面用燃氣輪機的首選燃料，我國氣體燃料資源豐富，天然氣、煤層氣、合成氣、垃圾填埋氣和頁巖氣都可以作為燃氣輪機的燃料。不同氣體燃料的可燃成分不同，導致燃燒性能有所差異。因此，電廠在引進燃氣輪機發(fā)電機組時首先應(yīng)因地制宜確定所要使用的氣體燃料，并采用相應(yīng)的燃氣輪機組。

(2)我國發(fā)展燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，應(yīng)借鑒國外的相關(guān)燃燒技術(shù)，首先從使用天然氣的低排放燃燒室開展相關(guān)的科研工作，在使用天然氣的低排放燃燒室基礎(chǔ)上，基于不同氣體燃料的特點，開發(fā)使用不同氣體燃料的低排放燃燒室。