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1、燃气轮机 NOx 生成机理及降低措施一 燃烧过程中 NOx 生成机理1.热力型 NOx 生成机理（泽尔道维奇机理）热力型 NOx 是指空气中的 N2 在高温条件下氧化生成的氮氧化物，其主要成分是 NO。按照这一机理，空气中的 N2 在高温下氧化，是通过如下一组不分支的链式反应进行的，生成速率如下式所示：生成 NO 所需的活化能很大，通常氧原子与燃料中可燃成分之间的活化能较小，反应较快，因此，NO 通常不在火焰面上生成，主要生成区域位于火焰下游高温区。温度对热力型 NOx 的影响是非常明显的，当温度低于 1800K 时，热力型 NOx 生成量很少，当温度高于 1800K 时，反应逐渐明显，而且随
2、着温度的升高，NOx 生成量急剧升高。从图中可以大致看出，温度在 1800K 左右时，温度每升高 l00K，反应速度将增大 6一 7 倍。由于在实际燃烧过程中，燃烧室内温度分布通常是不均匀的，如果有局部的高温区域，则在这个区域会生成较多的 NOx，它可能会对整个燃烧室内的 NOx 生成起到关键的作用。因此，在实际的燃烧器设计过程中应尽量避免局部高温区的形成。过量空气系数对热力型 NOx 的影响也是非常明显的，热力型 NOx 生成量与氧浓度的平方根成正比，即氧浓度增大，在较高的温度下会使氧分子分解的氧原子浓度增加，从而使热力型 NOx 的生成量增加。但在实际燃烧过程中情况会更复杂一些，因为过量空
3、气系数的增加一方面增加了氧浓度，另一方面也降低了火焰温度，从总体趋势上来看，随着过量空气系数的增加，NOx 生成量先增加，到达一个极值后下降。气体在高温区域的停留时间对热力型 NOx 生成也有影响，主要是因为 Nox 生成反应速度较慢，没有达到化学平衡所致。在其它条件不变的情况下，气体在高温区停留时间越长，NOx 生成量就越大，直到达到化学平衡浓度。2.快速型 NOx 生成机理有关快速型 NOx 的生成机理到目前为止尚有争议，其基本现象是碳氢燃料在过量空气系数小于 1 的情况下，在火焰面内急剧生成大量的 NOx，而 CO, H2 等非碳氢燃料在空气中燃烧却没有发生这种现象。对于这种现象 Fen
4、imore 等人认为不能用扩大的泽尔道维奇机理来说明，并提出快速型 NOx(P 一 NOx)的生成机理且，HCN 是 P-NOx生成的重要中间产物。弗尼摩尔等研究了减压甲烷火焰内 HCN 浓度和温度变化规律，发现随着燃烧温度的上升，首先出现 HCN，并在火焰面内达到最大值，然后再下降。在 HCN 浓度降低的同时，NOx 的生成量急剧上升，这说明快速型 NOx 的生成机理与热力型 Nx 机理不同。快速型 NOx 主要在 a0.7) 时排放性能优于单管燃烧室 ;预混燃烧室CO 排放浓度很低，然而较高的进气旋流数可导致燃烧室火焰稳定性下降。另有文献对贫预混燃气轮机燃烧室的火焰稳定以及排放特性进行了实
5、验研究，该实验在常压下、实验室条件下进行，采用的是单管燃烧器，主要研究了燃料与空气混合度对燃烧室排放特性的影响。实验结果表明，燃料与空气混合不均匀度的增加在整个贫预混条件下均可增大燃烧室 Nox 的排放，而且氧原子浓度的增加对 NO 生成浓度的增加的贡献占 50%以上;实验还表明混合不均匀度的增加可显著降低燃烧室的稳定燃烧边界，这是因为一方面混合不均匀度的增加增强了燃烧室内燃烧的震荡，另一方面提高了燃烧室的贫熄火极限;最后通过实验观察发现，在燃烧室不稳定燃烧过程中，火焰呈周期性运动，其火焰特性以及不稳定机理显著依赖于化学当量比以及混合不均匀度。Sadamasa Adachi 提出了一种超低 N
6、Ox 的三级模型，燃烧室沿轴向分为三级，考虑到火焰稳定性，第一级仍采用湍流扩散燃烧方式，第二级和第三级均先将空气和燃料混合后再通入燃烧室，分别各有两个相对的混合喷嘴。预混空气先经通过一个径向旋流通道，然后进入火焰筒，燃料则直接通入旋流通道中，与空气混合后进入燃烧室。由于燃料和空气预先混合，再加上进入火焰筒后立即与上一级的燃气接触后急剧升温，从而发生化学反应。此时由于混合空燃比较高，反应区温度较低(低于 1500K )，几乎无可见明火，从而抑制了 NOx 的产生，同时又由于反应的初始温度较高，高的燃烧效率也得以保证。实验结果表明由上一级燃气加热燃料和空气的混合物并参与反应，可以在保证燃烧室燃烧效
7、率的前提下，在一个较宽的运行范围内获得超低的 Nox 排放;燃烧效率可保证在 98%以上，NO 通常在第一级产生，并且很快在下一级被氧化为 NOZ，这也是模型燃烧室中 Nox 的最主要的组份，将其折合到巧 %含氧量下，燃烧室出口排放的 NOx小于 10ppmv。由此可见，将预混分级技术应用到微型燃气轮机燃烧室中来，可以取得良好的低排放效果，文中还提到，如果燃料使用生物质气化气或者沼气的话，燃料中的 CO2 能进一步抑制初始 NOx 的生成。对于采用液体燃料的微型燃气轮机燃烧室，预混预蒸发技术(LPP)是降低其污染物排放浓度的有效措施之一。其机理是分离液体燃料的蒸发气化过程和燃烧过程，燃料的蒸发
8、过程先于燃烧过程发生。由于在燃烧前燃料己完全蒸发并以气体状态实现了和空气的均匀混合，实现了均相反应，既又助于燃料的燃烬，也避免了燃烧时因局部高温而产生的热力型 NOx。目前 LPP 系统中燃油预蒸发方式主要有两种，液雾蒸发与液膜蒸发，液雾蒸发原理是利用燃油雾化喷嘴将将燃油在蒸发管内雾化。液膜蒸发的原理是将燃料喷射到蒸发管内壁后，在一定旋度的来流空气作用下在蒸发管内壁面上形成相对厚度比较均一的液膜( 约 100 微米厚)，然后利用高温气体加热蒸发管壁面，使其完全蒸发或者部分蒸发。相对于雾滴在高温来流空气中，液膜蒸发最大行程得以大大降低。低速喷射器低速喷射器能燃烧多种燃料，用于发电厂的燃气轮机上具
9、有减少大量CO 2和NOx排放物的潜力。该低速漩涡喷射器为简单的机械装置，没有活动部件，成本低。其能有效减少温室效应气体的秘诀是低温燃烧。在燃气轮机中，低速漩涡喷射器让气态燃料和空气的混合物缓慢旋转喷出，火焰稳定在燃烧室出口外。事实上，低速漩涡喷射器不仅让火焰稳定，而且燃烧的温度比传统的燃烧室更低。由于NOx的产生严重依赖于高温，因此具有低速漩涡喷射器的燃烧室在燃料燃烧时，低温火焰产生的NOx量极低。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员将低速漩涡喷射器安装于太阳涡轮机公司生产的Taurus70燃气轮机上并进行测试，以纯氢作为燃料共发电数兆瓦，结果表明，NOx的排放量比传统的燃气轮机的要减少5倍以上。
