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【摘要】建立了一套预混燃烧装置，进行了不同过量空气系数a下的燃烧实验，研究了不同的燃料-空气预混过量空气系数对燃烧尾气中污染物NOx与UHC（未燃碳氢化合物）浓度的影响。结果表明，当过量空气系数a>1.1时NOx与UHC排放均呈下降趋势；
【关键词】预混燃烧 过量空气系数 NOx UHC浓度
随着工业化程度的提高，燃气轮机排放越来越多的污染物，对地球的危害越来越大。气态的UHC（未燃碳氢化合物）与NOx 等破坏大气环境，给人体和生物生长带来严重危害。UHC主要是低工况下，燃烧不完全产生的污染物。NOx 主要产生于燃烧主燃区高温（或局部富氧）火焰区及下游。可以看出要想减少NOx 排放必须要降低主燃区火焰的温度，但是此时就会减小燃烧室燃烧强度而导致UHC的排放增加。所以如何平衡燃烧强度与NOx排放之间的矛盾就成了目前的关注焦点。通过控制预混气中燃料的浓度能够有效的控制火焰温度，有利于调节燃烧器的热负荷，抑制NOx 的生成。前人对燃料-空气预混来降低NOx进行过很多的研究。分析出了燃料的化学性质对CO与NOx排放的影响很小，但是燃料的物理性质例如雾化质量与蒸发速率对CO与NOx排放有影响。燃烧当量比φ大于0.7～0.8而小于1.1时，NOx生成量减小，φ小于0.7～0.8时，NOx生产量增加。在1～30bar的压力范围下，压力越大，NOx排放越多。本文研究了一系列过量空气系数（0.6-1.3）下，NOx 与UHC的排放规律。
1 实验设备及方法
实验系统由燃气系统、预混系统、测量系统和燃烧系统组成，流程图见图1。实验仪器有测量丙烷和空气的智能气体流量计、测量火焰温度的温度变送器和测量烟气成分的SV-5Q气体分析仪。
燃烧室由圆柱形预混段、矩形燃烧室、尾气收集段三部分组成。丙烷与空气同时通入预混段，预混段中空气经旋流器喷出后与丙烷混合均匀进入燃烧室。在预混段出口处置有一分度为S的热电偶，量程为0～1800℃。信号由动态数据采集卡采集、存储、输出。尾气管进口置有尾气分析仪的采样探针，后接软管进入SV-5Q分析仪中分析污染物浓度。实验过量空气系数a选择为0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2和1.3八个值。进口丙烷与空气均为常温，压力常压。
2 过量空气系数对NOx与UHC排放的影响因素分析
2.1 过量空气系数对NOx排放的影响
过量空气系数为0.6～1.3范围中，NOx排放量的变化曲线如图2所示。可以看出，a=0.6时，NOx浓度较高，原因是燃料浓度过大，生成大量快速型NOx[2]；在a=0.6～0.9范围中，随着燃料浓度的降低，快速型NOx产生量降低，由于空气较少燃烧不充分，燃烧温度较低，热力型NOx[2]生成量也较少；a在0.9～1.1的范围中NOx迅速增加，因为此时燃料与空气接近化学当量比，燃烧的火焰温度最高，导致热力型NOx大量产生；当a>1.1时，空气的稀释作用导致燃烧温度下降，NOx浓度随着a的增加迅速降低。
2.2 过量空气系数对UHC排放的影响
图3是过量空气系数为0.6-1.3的范围中UHC变化曲线。可以看出在此范围中随着过量空气系数不断增加，UHC排放量呈下降趋势。因为a=0.6时，丙烷浓度过大燃烧不完全，由UHC生成机理可知未燃碳氢化合物产生于O2浓度过小时，所以此时UHC浓度很高。当a>1.1时，浓度下降趋于平缓。因为随着空气进气量的增加，碳氢化合物燃烧开始完全。
3 结论
本文通过在一套预混燃烧装置上进行实验，研究了过量空气系数对NOx与UHC排放规律的影响。主要结论如下：
（1）在过量空气系数为0.6-1.3的范围内，NOx先降低到谷值，之后迅速增大到峰值，在a>1.1之后NOx浓度下降。在本实验的条件下存在最优值a=0.9。
（2）UHC在过量空气系数为0.6-1.3的范围内，先剧烈下降，在a>1.1之后变化平缓。在本实验下，对于未燃碳氢化合物最优的a的取值范围为a>1.1。
（3）综合图2和图3，在a>1.1时，NOx浓度开始下降，此时UHC浓度变化也比较平缓。可见在给定进气速度的条件下存在一个最优的过量空气系数1.1使得NOx和UHC浓度均降到较低。
参考文献
[1] 李孝堂，侯凌云，杨敏.现代燃气轮机技术[M].航空工业出版社，2006，243-246
[2] 刘勇.NOx的生成机理[J].油气地面工程，2007
[3] Lefebvre A H. Fuel Effects on Gas Turbine Combustion-Liner Temperature，Pattern Factor，and Pollutant Emissions[J].Journal of Aircraft，1984，21（11）；887-898
[4] Frazier T R. Fuel/Air Mixing and NOx Formation in a Lean Premixed Gas Turbine combustor[D]University of lllinois，2001：19-20
[5] Biagioli F，Güthe F. Effect of pressure and fuel-air unmixedness on NOx emissions from industrial gas turbine burners[J].Combustion and Flame，2007，151（1）；274-288
【关键词】预混燃烧 过量空气系数 NOx UHC浓度
随着工业化程度的提高，燃气轮机排放越来越多的污染物，对地球的危害越来越大。气态的UHC（未燃碳氢化合物）与NOx 等破坏大气环境，给人体和生物生长带来严重危害。UHC主要是低工况下，燃烧不完全产生的污染物。NOx 主要产生于燃烧主燃区高温（或局部富氧）火焰区及下游。可以看出要想减少NOx 排放必须要降低主燃区火焰的温度，但是此时就会减小燃烧室燃烧强度而导致UHC的排放增加。所以如何平衡燃烧强度与NOx排放之间的矛盾就成了目前的关注焦点。通过控制预混气中燃料的浓度能够有效的控制火焰温度，有利于调节燃烧器的热负荷，抑制NOx 的生成。前人对燃料-空气预混来降低NOx进行过很多的研究。分析出了燃料的化学性质对CO与NOx排放的影响很小，但是燃料的物理性质例如雾化质量与蒸发速率对CO与NOx排放有影响。燃烧当量比φ大于0.7～0.8而小于1.1时，NOx生成量减小，φ小于0.7～0.8时，NOx生产量增加。在1～30bar的压力范围下，压力越大，NOx排放越多。本文研究了一系列过量空气系数（0.6-1.3）下，NOx 与UHC的排放规律。
1 实验设备及方法
实验系统由燃气系统、预混系统、测量系统和燃烧系统组成，流程图见图1。实验仪器有测量丙烷和空气的智能气体流量计、测量火焰温度的温度变送器和测量烟气成分的SV-5Q气体分析仪。
燃烧室由圆柱形预混段、矩形燃烧室、尾气收集段三部分组成。丙烷与空气同时通入预混段，预混段中空气经旋流器喷出后与丙烷混合均匀进入燃烧室。在预混段出口处置有一分度为S的热电偶，量程为0～1800℃。信号由动态数据采集卡采集、存储、输出。尾气管进口置有尾气分析仪的采样探针，后接软管进入SV-5Q分析仪中分析污染物浓度。实验过量空气系数a选择为0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2和1.3八个值。进口丙烷与空气均为常温，压力常压。
2 过量空气系数对NOx与UHC排放的影响因素分析
2.1 过量空气系数对NOx排放的影响
过量空气系数为0.6～1.3范围中，NOx排放量的变化曲线如图2所示。可以看出，a=0.6时，NOx浓度较高，原因是燃料浓度过大，生成大量快速型NOx[2]；在a=0.6～0.9范围中，随着燃料浓度的降低，快速型NOx产生量降低，由于空气较少燃烧不充分，燃烧温度较低，热力型NOx[2]生成量也较少；a在0.9～1.1的范围中NOx迅速增加，因为此时燃料与空气接近化学当量比，燃烧的火焰温度最高，导致热力型NOx大量产生；当a>1.1时，空气的稀释作用导致燃烧温度下降，NOx浓度随着a的增加迅速降低。
2.2 过量空气系数对UHC排放的影响
图3是过量空气系数为0.6-1.3的范围中UHC变化曲线。可以看出在此范围中随着过量空气系数不断增加，UHC排放量呈下降趋势。因为a=0.6时，丙烷浓度过大燃烧不完全，由UHC生成机理可知未燃碳氢化合物产生于O2浓度过小时，所以此时UHC浓度很高。当a>1.1时，浓度下降趋于平缓。因为随着空气进气量的增加，碳氢化合物燃烧开始完全。
3 结论
本文通过在一套预混燃烧装置上进行实验，研究了过量空气系数对NOx与UHC排放规律的影响。主要结论如下：
（1）在过量空气系数为0.6-1.3的范围内，NOx先降低到谷值，之后迅速增大到峰值，在a>1.1之后NOx浓度下降。在本实验的条件下存在最优值a=0.9。
（2）UHC在过量空气系数为0.6-1.3的范围内，先剧烈下降，在a>1.1之后变化平缓。在本实验下，对于未燃碳氢化合物最优的a的取值范围为a>1.1。
（3）综合图2和图3，在a>1.1时，NOx浓度开始下降，此时UHC浓度变化也比较平缓。可见在给定进气速度的条件下存在一个最优的过量空气系数1.1使得NOx和UHC浓度均降到较低。
参考文献
[1] 李孝堂，侯凌云，杨敏.现代燃气轮机技术[M].航空工业出版社，2006，243-246
[2] 刘勇.NOx的生成机理[J].油气地面工程，2007
[3] Lefebvre A H. Fuel Effects on Gas Turbine Combustion-Liner Temperature，Pattern Factor，and Pollutant Emissions[J].Journal of Aircraft，1984，21（11）；887-898
[4] Frazier T R. Fuel/Air Mixing and NOx Formation in a Lean Premixed Gas Turbine combustor[D]University of lllinois，2001：19-20
[5] Biagioli F，Güthe F. Effect of pressure and fuel-air unmixedness on NOx emissions from industrial gas turbine burners[J].Combustion and Flame，2007，151（1）；274-288