第九章燃气轮机燃烧室排气污染.ppt

第九章燃气轮机燃烧室排气污染,9.1空气污染和空气污染物9.2燃气轮机排气污染物9.3污染物生成机理9.4污染物排放控制及低污染燃烧室,9.1空气污染和空气污染物,空气污染和空气污染物,由于人类活动和自然过程，引起某种物质进入大气中呈现出足够浓度、达到足够时间，因而危害了人体健康、舒适感和环境的，都叫做空气污染。能引起空气污染的物质，叫做空气污染物。空气污染物浓度的两种方法表示方式1、以气体污染物占体积的百万分之一，缩写为ppm2、单位体积内空气污染物的重量，μg/m3，每立方米中多少微克,在标准温度（25℃）和压力1atm时，两者换算关系为,空气污染和空气污染物,清洁空气与污染空气中某些成分的含量,空气污染物的组成,1、按形成过程分类,原始污染物直接从污染源排放到大气中的有害物质，常见的原始污染物有SO2、CO、NOx及颗粒物次生污染物进入大气中原始污染物之间相互作用，或它们与大气中正常组分发生一系列化学或光化学反应而后生成新的污染物，最常见的次生污染物有臭氧、醛类（甲醛、乙醛和丙烯醛等），过氧乙酰硝酸酯（PAN）以及硫酸烟雾和硝酸烟雾。,空气污染物的组成,2、按存在状态分类,颗粒状污染物除了纯水以外的任何一种以液态或固态形式存在于大气中的物质如尘、烟、雾,尘散布在气体中的固体微粒（粒径1-200μm）烟较高浓度的过饱和蒸气凝结形式的小颗粒（0.01-1μm）雾水蒸气凝结生成的悬浮小液滴烟雾具有烟、雾的二重性，即当烟雾同时形成时为烟雾,硫酸烟雾燃烧产生的SO2与SO3遇水合成硫酸雾＋烟硝酸烟雾汽车排放中NOX及HC遇水合成硝酸雾＋烟,,空气污染物的组成,2、按存在状态分类,气态污染物以SO2为主的含硫化合物，以NO和NO2为主的含氮化合物，碳的氧化物，碳氢化合物及卤素化合物等,空气污染物的来源,燃料燃烧过程工业生产过程交通运输过程,我国对烟尘、SOx、NOx和CO四种污染物的统计分析表明燃烧料燃烧产生的空气污染物约占70，其中煤燃烧污染占95工业生产产生的约占20，机动车产生约10。,空气污染的影响,1、空气污染对大气性质的影响,降低能见度形成雾及降水减少太阳辐射改变温度和风的分布,2、空气污染对原材料的影响,3、空气污染对植物的影响,酸性或碱性颗粒会腐蚀原材料臭氧极易损坏橡胶制品,破坏叶绿素，致使光合作用无法进行,空气污染的影响,4、空气污染对人类健康的影响,空气污染的影响,4、空气污染对人类健康的影响,大气环境质量标准,我国于1982年制定了第一个大气环境质量标准（GB3095－82），规定大气环境质量标准分为三级,三级标准,为保护自然生态和人民健康，在长期接触情况下，不发生任何危害性影响的空气质量要求。,一级标准,二级标准,为保护人民健康以及城市、乡村和动、植物在长期或短期接触情况下，不发生伤害的空气质量要求。,为保护人体不发生急性或慢性中毒以及城市一般动、植物能正常生长的空气质量要求。,9.2燃气轮机排气污染物,飞行用的航空发动机和工业燃气轮机的气态排放物包括完全燃烧产物二氧化碳CO2，水蒸气H2O，不完全燃烧产物或气态污染成分一氧化碳CO，未燃碳氢UHC，氮氧化物NOx和硫氧化物SOx。另外颗粒状污染物主要是燃烧室的冒烟。,民用航空燃气轮机燃烧排放标准,对于民用航空燃气轮机的污染物排放标准，是由国际民航组织InternationalCivilAviationOrganization,ICAO颁布的。对两类民航航空燃气轮机作出规定一类是用于亚声速推进的涡轮喷气和涡轮风扇发动机；另一类是用于超声速推进的涡轮喷气和涡轮风扇发动机。,,国际民航组织现行的环境保护方面的活动都有航空环境保护委员会CommitteeonAviationEnvironmentalProtection,CAEP来组织。CAEP1CAEP2CAEP4CAEP6值得注意的两点一是在ICAOCAEP标准中，针对的是推力在27.6kN推力以上的发动机；二是除了NOx的规定日益严格外，其他污染物如CO和UHC以及冒烟的排放规定没有变化。,目前执行的标准是CAEP2，新研发的发动机执行的标准时CAEP4,2008年以后的标准是CAEP6。,不同排放标准的比较,额定推力60kN，总增压比为30的发动机在ICAOCAEP规定的各个运行模式下的NOx排放指数。,9.3污染物生成机理,燃气轮机的污染排放物按照ICAO的规定，考虑四种污染物，包括氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢和冒烟。污染物生成机理的规律燃气轮机低功率状态，一氧化碳和未燃碳氢排放量高，但氮氧化物和冒烟生成很小；在高功率情况下，一氧化碳和未燃碳氢的排放量很小，氮氧化物和冒烟生成增加。,一氮氧化物的形成与防治,NO的生成机理,燃烧过程中所产生的氮的氧化物,,NO（占95）,NO2（占5）,,燃烧所用的空气中氮（分子氮）的氧化；（大多数燃烧装置中，这是NO的主要来源）燃料中含氮化合物（燃料氮）在火焰中热分解后再氧化（在烧原油或煤的燃烧装置中，燃料氮是NO的主要来源）燃烧生成NO按来源不同可分为,热力NO瞬发NO燃料NO,NO的生成机理,热力NO,燃烧所用的空气中氮高温氧化生成NO，称为热力NO，它的生成机理（链锁反应）是Zeldovich于1946年提出的,NO的生成机理,Zedovich热力NO生成率，与贫燃料预混火焰的实验结果吻合。,,影响焰后区NO生成的主要因素是焰后区温度、氧原子浓度和反应时间。,NO的生成机理,热力NO排放量与反应温度的关系,NO的生成机理,热力NO,限制热力NO的生成，主要是降低温度，具体措施可归纳为（1）降低燃烧温度，避免局部高温；（2）降低氧气浓度；（3）缩短在高温区的停留时间；（4）在偏离α＝1的条件下进行燃烧；,NO的生成机理,瞬发NO,大气压力下甲烷与空气预混火焰中NO的生成,NO的生成机理,瞬发NO,燃烧时燃料中碳氢化合物分解生成的CH和C等原子团，与空气中N2进行反应而生成氰化物,,氰化物生成反应活化能小，反应快，氰化物又与火焰中大量的O、OH等原子团生成NO,NO的生成机理,瞬发NO,NO的生成机理,瞬发NO,研究表明，在火焰中不仅有HCN等存在，而且还有胺化物（NH、NH2、NH3）存在，同样与OH、N等原子团反应生成NO,NO的生成机理,瞬发NO,瞬发NO生成与下列三个因素有关,（1）CH原子团的浓度及其形成过程（2）N2分子反应生成氮化物的速率与下列反应有关,（3）氮化物间相互转化率,此反应对NO的生成起重要作用（富燃料及贫燃料），可以认为,NO的生成机理,瞬发NO形成的主要途径,在温度T＜2000K时，NO生成率主要取决于CH－N2反应，即瞬发NO，随着温度增加，瞬发NO比例减小，热力NO增加，当T＞2500K时，NO生成主要按Zeldovich的热力NO生机理控制。,NO的生成机理,燃料NO,试验表明燃烧装置中所用的燃料含有氮化合物时，排出燃气中含有大量的NO，且随着燃料中N含量增加而增加。燃料中N与各种碳氢化合物结合成环状或链状化合物，与空气中N相比，其结合键较小，燃烧时易分解生成低分子含氮化合物，氧化后生成NO。,NO的生成机理,燃料NO,不同燃料中含氮量,NO的生成机理,燃料NO的形成途径,,,,NO2的生成机理,从燃气轮机燃烧室出口采样表明，NO2在出口氮氧化物的含量中，占1550，与NO的排放水平有关。NO2主要是高温环境下NO与火焰刚出现时的过氧化氢根反应形成的，这个反应如下,另外在燃烧区由于氧原子增加，NO2又转变成NO，导致NO2含量较少,二冒烟生成机理及影响因素,燃烧室的排气冒烟是主燃区内形成的碳烟以及在随后的高温区中被氧化后的结果。主燃区是碳烟形成的发源地，由于头部喷出的油雾尚未与旋流器的空气很好的混合时，此时旋流形成的回流区将高温的燃气带回到喷嘴的附近，在这个高温缺氧的环境中，碳烟的生成量是非常可观的。燃烧室排气冒烟中的碳烟颗粒绝大部分由碳组成，占96，其余部分是氢、氧和其他元素的混合物。从尺寸来看，燃烧室排气冒烟的碳烟颗粒尺寸小于10-6m，介于1nm1um之间，大部分的研究表明该尺寸主要集中在50nm250nm之间。,燃烧室排气冒烟的主要影响因素从本质上讲，除了燃烧时的燃料空气混合物非常富的工况外，燃烧室内的碳烟形成是一个非平衡化学反应，燃烧室排气冒烟的形成，更多地受到物理过程如喷雾和混合的影响，化学动力学的因素是第二位的。燃烧室排气冒烟的主要因素包括燃料性质、燃烧室的工况以及燃烧室喷嘴的雾化方式等。,ICAO规定的冒烟数,三一氧化碳生成机理及影响因素,CO产生的化学动力学燃烧室排气中CO是由形成和氧化两个因素决定的。反应机理可用下式表示,R代表碳氢原子团。CO形成过程中的主要反应归因RCO的热分解作用。,燃气轮机燃烧室CO产生的特点,导致燃烧室产生CO的原因如下（1）在低功率状态下，燃烧室内主燃区温度低，燃料反应的停留时间不够，燃油与空气混合差，是CO大量产生的原因；（2）燃烧室内局部很富的区域，同样会产生大量的CO，在高油气比燃烧室中，CO2的高温分解，是CO产生的重要原因；（3）燃烧区火焰的末端进入火焰筒气膜中，燃烧焠熄，反应被冻结，导致大量的CO产生；（4）在同一个头部端壁装多个喷嘴，在低功率状态下，未燃烧的喷嘴进气对在燃烧的火焰焠熄，同样会导致大量的CO产生。,燃气轮机燃烧室CO的生成与燃烧室工况、雾化及主燃区的当量比有关。CO是燃烧室排气的未燃成分之一，主要影响燃烧效率。,燃烧室CO生成的影响因素,未燃碳氢（UHC）主要是指在燃烧室出口未完全燃烧的燃油颗粒、燃油蒸气以及在燃烧过程中裂解的小分子燃油成分。一部分是高沸点大分子烃，由于在燃烧室中停留时间短，来不及蒸发就排出去，另一部分是裂解后的烃，由于温度较低，未能与O2化合而被排出室外，未燃烃的生成规律类似于CO，但它的含量比CO少。,四未燃碳氢的形成机理及影响因素,9.4污染物排放控制及低污染燃烧室,燃气轮机燃烧工况变化，是由燃气轮机工作特性所决定的。飞机上用的航空燃气轮机，与飞行速度和高度有关。工业燃气轮机，与负载有关。一个基本共同规律是在大工况（推力、功率大）情况下，燃烧室进口压力高，进口温度高，燃烧室总当量比高，典型状态如起飞状态或100负载状态。在小工况（推力、功率小）情况下，燃烧室进口压力低，进口温度低，燃烧室总油气比小，典型状态如慢车状态和低负荷状态。,污染排放随燃气轮机工况变化的特性,污染排放与主燃区当量比之间的关系,一燃气轮机燃烧室NOx排放控制,控制热力NOx排放在燃气轮机燃烧室的污染排放中，最难控制的是NOx的排放。一方面，从环境保护的角度，机场和工业燃机装机的局部地区高浓度氮氧化物对人健康有直接的危害，高空氮氧化物是破坏臭氧层导致全球变暖的一个重要影响因素，ICAO将颁布更为严格的污染排放法规以控制NOx的排放。另一方面，从技术层面，燃气轮机工况变化范围宽，在大功率状态下燃气轮机燃烧室排气温度高，从NOx的生成机理分析可知，这个温度下主要的NOx排放是热力NOx，因此，低污染燃烧室最主要是要控制NOx排放，特别是热力NOx的排放。,控制NOx排放并且主要是控制热力NOx的方法有两大类，一类是通过燃烧区温度控制的方法，另一类是排气中进行处理。从用户层面的需求来看，最愿意接受的方法是从燃烧过程来控制污染排放。,b.燃烧室NOx排放的主要控制方法,降低NOx排放核心的措施是在任何工况范围条件下控制燃烧区的当量比和局部当量比的均匀性。在碳氢燃料能够稳定燃烧的范围内，有两个低NOx排放的区间，一个是贫油燃烧区，另一个是富油燃烧区。,目前正在研究中的能够比ICAOCAEP2规定的NOx排放低50以上的超低NOx排放控制的方法有富油燃烧-焠熄-贫油燃烧Richburn-Quench-Leanburn,RQL;贫油预混蒸发燃烧LeanPremixedPrevaporizedCombustion,LPP;贫油直接混合燃烧LeanDirectMixingCombustion,LDM或称为贫油直接喷射燃烧LeanDirectInjectionCombustion,LDI;可变几何燃烧室VariableGeometryCombustion,VGC,1RQL低污染燃烧方法,富油燃烧-焠熄-贫油燃烧低污染燃烧方式,采用RQL低污染燃烧方式减少NOx排放的基本原理是在发动机高功率状态下，一方面富油燃烧时燃烧温度低，并且在燃烧过程中缺氧，这种环境下大气中的氮生成NO的主要成分减少，抑制了热力NO的产生；富油情况下的燃烧能够有效地抑制燃料NO的产生。大量的掺混空气经焠熄区通道收缩的进入，迅速与富油主燃区的富油燃烧产物混合，形成均匀的贫油油气混合物进入贫油燃烧区，避免形成局部接近恰当比的区域而使NOx大量生成。,2）LPP低污染燃烧方法,贫油预混预蒸发燃烧低污染燃烧技术,降低NOx排放的终极手段是一个贫燃料燃烧、预先混合均匀的以及对液体燃料预先蒸发完全的燃烧方式，这就是LPP燃烧方式。贫油预混预蒸发燃烧方式分为三个阶段第一个阶段是燃料喷射阶段；第二个阶段是喷射出来的燃油进入到一个预混预蒸发段；第三个阶段是燃烧阶段。,3）LDM或LDI低污染燃烧方法,贫油直接混合低污染燃烧方式,贫油直接混合低污染燃烧的基本方法是燃油直接喷入燃烧区进行燃烧，或燃油预先与空气有一定程度混合后喷入燃烧区进行燃烧。燃烧区处于贫油状态。火焰筒壁上没有主燃孔，全部进入燃烧区的空气都从头部进入。LDM降低污染排放的原理是在燃料燃烧的贫油状态下的低污染燃烧区间里。这个区间的油气比范围内燃烧，NOx的排放将大大降低。另外一个重要的影响因素是油气混合率。研究表明，燃烧区当量比小于0.7，混合率低于0.25，将对减少NOx排放大大有利。LDM是最有希望成为下一代超低污染燃烧室的燃烧方式。,通过可调几何的燃烧室部件，如旋流器和掺混孔，来维持整个燃烧室工况内燃烧区合适的流量分配，从而控制燃烧区的温度，以达到低污染燃烧的目的。一种方法是通过采用可调的旋流器，调整头部的空气流量，从而维持燃烧区的当量比在低污染燃烧的区间内；另外一种方法是调整掺混孔的流通面积，同样达到上述目的。从技术角度看，变几何低污染燃烧室不是一个发展方向。,4）可变几何燃烧室,CO和UHC这两种污染物，主要是在小状态下出现。CO是燃烧的中间产物，只要燃烧碳氢燃料，就会出现。UHC是未完全发生化学反应的燃料和燃料裂解物，它们与主燃区的当量比密切相关。研究证实，CO和UHC在主燃区当量比大体为0.9时，排放量最低。因此，在低污染燃烧室中，要控制CO和UHC的排放量，就需要调整主燃区在不同工况下的当量比。,二CO和UHC控制的措施,GE90发动机双环腔燃烧室,一种是采用分级燃烧的方法，在GE公司研发的双环腔低污染燃烧室上得到使用，小状态时仅一个燃烧区工作，提高主燃区的油气比；,对于民机燃烧室，现在已经发展的方法主要有两种,另一种是RQL方法或近似RQL方法，主燃区在设计点上工作在富油区域，在小状态时，主燃区油气比高，降低了CO和UHC的排放。,对于CO和UHC，另外一种主要的方法是减少冷却空气量的使用。冷却空气减少，对CO和UHC的降低，有明显的作用。还有一种方法，通过改变主燃区的流态，来解决热燃烧产物进入气膜焠熄而导致CO和UHC排放增加。,