預混燃燒室的NOx與未燃碳氫化合物排放性能研究

隨著工業(yè)化程度的提高，燃氣輪機排放越來越多的污染物，對地球的危害越來越大。氣態(tài)的UHC（未燃碳氫化合物）與NOx 等破壞大氣環(huán)境，給人體和生物生長帶來嚴重危害。UHC主要是低工況下，燃燒不*產生的污染物。NOx 主要產生于燃燒主燃區(qū)高溫（或局部富氧）火焰區(qū)及下游?？梢钥闯鲆霚p少NOx 排放必須要降低主燃區(qū)火焰的溫度，但是此時就會減小燃燒室燃燒強度而導致UHC的排放增加。所以如何平衡燃燒強度與NOx排放之間的矛盾就成了目前的關注焦點。通過控制預混氣中燃料的濃度能夠有效的控制火焰溫度，有利于調節(jié)燃燒器的熱負荷，抑制NOx 的生成。前人對燃料-空氣預混來降低NOx進行過很多的研究。分析出了燃料的化學性質對CO與NOx排放的影響很小，但是燃料的物理性質例如霧化質量與蒸發(fā)速率對CO與NOx排放有影響。燃燒當量比φ大于0.7～0.8而小于1.1時，NOx生成量減小，φ小于0.7～0.8時，NOx生產量增加。在1～30bar的壓力范圍下，壓力越大，NOx排放越多。本文研究了一系列過量空氣系數（0.6-1.3）下，NOx 與UHC的排放規(guī)律。 
　　1 實驗設備及方法 
　　實驗系統由燃氣系統、預混系統、測量系統和燃燒系統組成，流程圖見圖1。實驗儀器有測量丙烷和空氣的智能氣體流量計、測量火焰溫度的溫度變送器和測量煙氣成分的SV-5Q氣體分析儀。  
　　燃燒室由圓柱形預混段、矩形燃燒室、尾氣收集段三部分組成。丙烷與空氣同時通入預混段，預混段中空氣經旋流器噴出后與丙烷混合均勻進入燃燒室。在預混段出口處置有一分度為S的熱電偶，量程為0～1800℃。信號由動態(tài)數據采集卡采集、存儲、輸出。尾氣管進口置有尾氣分析儀的采樣探針，后接軟管進入SV-5Q分析儀中分析污染物濃度。實驗過量空氣系數a選擇為0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2和1.3八個值。進口丙烷與空氣均為常溫，壓力常壓。 
　　2 過量空氣系數對NOx與UHC排放的影響因素分析 
　　2.1 過量空氣系數對NOx排放的影響 
　　過量空氣系數為0.6～1.3范圍中，NOx排放量的變化曲線如圖2所示?？梢钥闯觯琣=0.6時，NOx濃度較高，原因是燃料濃度過大，生成快速型NOx[2]；在a=0.6～0.9范圍中，隨著燃料濃度的降低，快速型NOx產生量降低，由于空氣較少燃燒不充分，燃燒溫度較低，熱力型NOx[2]生成量也較少；a在0.9～1.1的范圍中NOx迅速增加，因為此時燃料與空氣接近化學當量比，燃燒的火焰溫度高，導致熱力型NOx產生；當a>1.1時，空氣的稀釋作用導致燃燒溫度下降，NOx濃度隨著a的增加迅速降低。  
　　2.2 過量空氣系數對UHC排放的影響 
　　圖3是過量空氣系數為0.6-1.3的范圍中UHC變化曲線。可以看出在此范圍中隨著過量空氣系數不斷增加，UHC排放量呈下降趨勢。因為a=0.6時，丙烷濃度過大燃燒不*，由UHC生成機理可知未燃碳氫化合物產生于O2濃度過小時，所以此時UHC濃度很高。當a>1.1時，濃度下降趨于平緩。因為隨著空氣進氣量的增加，碳氫化合物燃燒開始*。  
　　3 結論 
　　本文通過在一套預混燃燒裝置上進行實驗，研究了過量空氣系數對NOx與UHC排放規(guī)律的影響。主要結論如下： 
　?。?）在過量空氣系數為0.6-1.3的范圍內，NOx先降低到谷值，之后迅速增大到峰值，在a>1.1之后NOx濃度下降。在本實驗的條件下存在優(yōu)值a=0.9。 
　?。?）UHC在過量空氣系數為0.6-1.3的范圍內，先劇烈下降，在a>1.1之后變化平緩。在本實驗下，對于未燃碳氫化合物優(yōu)的a的取值范圍為a>1.1。 
　?。?）綜合圖2和圖3，在a>1.1時，NOx濃度開始下降，此時UHC濃度變化也比較平緩?？梢娫诮o定進氣速度的條件下存在一個優(yōu)的過量空氣系數1.1使得NOx和UHC濃度均降到較低。