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 进行的，生成速率如下式所示：
N2在高温下氧化，是通过如下一组不分支的链式反应
世2= 3幻0\"凶][2严 exp(-542000/^7')
di
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， 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
反应较
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I00K，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，
数的增加，NOx生成量先增加，到达一个极值后下降。
从总体趋势上来看， 随着过量空气系
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
尔道维奇机理来说明，并提出快速型 成的重要中间产物。
弗尼摩尔等研究了减压甲烷火焰内
Fenimore等人认为不能用扩大的泽
NOx(P — NOx)的生成机理且，HCN是P-NOx生 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 N O x机理不
同。快速型NOx主要在a<1的时候产生，基本上在火焰带的后端产生，通常在过量空 气系数达到一个小于I的数值时，快速型 NOx的产生达到极值，随着过量空气系数的 降低，虽然碳氢化合物产生的自由基增加了，但由于氧浓度大大降低，导致
HCN向 NOx的生
N2转变，从而使快速型 NOx的生成量反而降低。碳氢燃料的种类对快速型
成影响较大，但对非碳氢燃料基本没有影响。
火焰温度对快速型 NOx生成的影响不大，
但随着压力的增大，快速型 Nox会有所增加。另外，火焰带附近的快速型 随湍流强度的增大而增大。 原因是己燃的循环气体与未燃的气体之间存在热交换， 应带附近，由于未燃气体与己燃气体的快速混合，使
NOx生成量
在反
O、OH原子团的浓度超过平衡浓
NOx生成的影响在绝
度，从而导致了快速型 NOx生成量的增加。然而，湍流对快速型 大多数情况下处于次要地位，且其影响机理还有待进一步深入的研究。
3•燃料型NOx生成机理
天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等低分子量的烷烃 化氢、二氧化碳、氢、氮等气体。常用的天然气含甲烷
,还含有少量的硫
85%以上。
NO x。
燃用含氮燃料也会排放出 NOx，这部分氮氧化物通常被称之为燃料型
图T. 10燃烧过程中烘料氯的转化路径
岑可法等对温度对燃料型 NOx生成的影响进行了实验研究，结果表明，随着燃烧 温度的升高，燃料氮的转化率不断升高，但主要发生在
700 — 800C的温度区间内。这
氧
是因为燃料型 NOx既可以通过均相反应产生，也可以通过多相反应产生，燃烧温度较 低时，绝大多数氮固定在焦炭内，
而温度较高时绝大多数氮又以挥发分的形式析出。
浓度对挥发分氮向 NOx转化率影响很大，但对焦炭中氮的转化却基本没什么影响。另 外，燃料的存在形式、氮含量、燃料含氧量、挥发分含量、金属氧化物含量以及含水量 均对燃料型NOx的生成有较大影响。
.改善措施：
近三十年来，世界各大研究机构与燃气轮机制造商均投入大量的人力物力对降低
NOx 进行了大量研究工作，开发出了多种燃气轮机燃烧室低排放
如燃烧室内喷水或者喷蒸汽、选择性催化还原
（ 尤其是低 NOx） 技术，
（SCR）、干式低排放技术（d ry 1 ow em
i s s i o n）,以及燃油预混预蒸发技术等。
微型燃气轮机对制造成本以及结构紧凑型要求较为苛刻， 很难采用一些复杂和高成 本的燃烧室低排放技术， 如往燃烧室内喷水或者喷蒸汽、 选择性催化还原等， 而是对成 本低、控制简单且不需要添加辅助子系统的低排放技术比较偏好。
对于采用气体燃料的微型燃气轮机燃烧室， 通常采用贫预混燃烧技术来降低污染物
排放。燃气轮机燃烧室的主燃区火焰温度通常在
1000 一 2500K之间，而在1670 — 1900K
的温度范围内产生的 CO和NOx含量均很少。基于此原理，在燃烧室的结构设计中， 可以通过调节燃烧区燃料空气比， 将燃烧室内火焰温度保持在一定的范围内， 即可达到 同时将CO、UHC和NOx排放均保持在较低水平的目的。
传统的燃气轮机燃烧室一般采用扩散燃烧技术，火焰温度高达 1800 —2 000°C,
NOx排放
N O x排放含量很高，在燃用天然气时 N O x排放可达140 一 220ppm，燃用液体燃料时
N O x排放甚至可达300ppm以上，对大气造成了极为严重的污染。为了降低
水平， 必须降低燃烧火焰温度。 采用贫预混燃烧可以有效降低燃烧室内火焰温度。 将一 定量的空气和燃料预混均匀后再燃烧， 将燃烧室内部火焰温度控制在合适的范围内， 从 而达到降低 NOx 生成量的目的 ;另外预混过程不受组分扩散的制约， 焰更高的燃烧效率，可大大缩小燃烧器的体积
能够达到比扩散火
;再者，采用预混燃烧技术后，燃烧室内
燃烧更为充分，在降低 NOx 生成量的同时，不易生成 CO、 UHC 以及碳黑，燃烧效率 比扩散火焰更高，而且更为清洁。
虽然贫预混燃烧可以降低 Nox 的排放，但其火焰以容易出现不稳定的情况．相对 于扩散火焰， 它的燃烧稳定范围较窄， 因此在贫预混燃烧室的设计过程中， 需要考虑燃 烧不稳定性。
M.Adzic 等人通过实验研究了贫预混条件对微型燃气轮机燃烧室排放影响。
NOx排放，但燃烧室负荷对NOx排放的影响不大，且相
实验结
果表明， 低负荷下燃烧室 NOx 排放受进气旋流数的影响很小， 但大于 85%负载工况时， 提高进气旋流数有利于降低
同条件下，环形燃烧室在高当量比
（＞0.7）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 NOx 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 室燃烧效率的前提下，在一个较宽的运行范围内获得超低的
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
Nox 排放 ;燃烧效率可保证
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有减少大量 CO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 勺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
NO）量极低。美国能源部
NOX勺排
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，
放量比传统的燃气轮机的要减少 5倍以上。
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