《资源节约与环保》2020年第12期改善航空发动机氮氧化物排放的技术方案研究 伍赛特
（上海汽车集团股份有限公司上海200438）
摘要：介绍了航空发动机及燃气轮机燃烧过程中所产生的排放物类型，并详尽阐述了对其排放物进行控制的 相关技术要求，同时重点针对氮氧化物（NOJ排放的生成
及优化策略进行了研究$目前，降低NO）排放主要可采用在
航空发动机及燃气轮机燃烧室中注入水或蒸汽、采用选择
性催化还原及干式低N0）排放系统等技术策略$考虑到航
空发动机及燃气轮机保有量的与日俱增，对其N0）排放进
行控制可谓势在必行，由此进行的相关研究及试验也有着
重要的$
关键词：航空发动机；燃气轮机；氮氧化物；燃烧室；排放控制；选择性催化还原
引言
航空发动机及燃气轮机中的燃烧现象是一个稳定流动过程，将8类燃料与大量的过量空气一起燃烧，从而获得温度适宜的高温燃气，并将其导入涡轮进口，实现功率输出*1+叭然而，近年来，由于逐渐认识到了工业污染导致的后果及航空发动机及燃气轮机保有量的逐渐增加，如今排放控制已成为航空发动机及燃气轮机设计过程中须考虑的重要因素［怕"
1航空发动机排放污染物类型
航空发动机的排放问题目前仍亟待解决，但是其面临的技术问题及解决方案则不同于地面燃气轮机"由于航空发动机在工作过程中会吸入大量空气，所以排气中的氧含量较高，其含氧量可通过从全部进气量中去掉用于完全燃烧所需的氧气量，而进行推断"目前，航空发动机的排气中主要含有二氧化碳（C02）、水蒸气（H2O）、氧气（。2）和氮气（N2）等几类!其成分可通过质量比或容积百分比来表示'作为一种会引起全球变暖的温室气体!世界范围内对降低C02排放的关注度也在与日俱增"
排气中的污染物包括氮氧化物（NOJ、一氧化碳（CO）、未燃碳氢化合物（0HC）等"同时，燃油中任何含有硫的成分会与氧气结合而形成硫氧化物（SOJ，通常为二氧化硫（SO?）。虽然这些气体仅占全
部排气的很小一部分，但由于排气总量较高，因此仍会产生大量污染物，对环境造成负面影响"上述污染物主要集中于航空发动机运作的区域附近"特别是NO）在光照的条件下会发生化学反应，以产生呈褐的光化学烟雾"这一问题最早曾于二十世纪四十年代出现于美国洛杉矶地区0因为汽车尾气排放量较高，且日照较为强烈，独特的地理条件及气温逆增现象使得该问题尤为严重"从而致使当地政府投入大量精力来治理汽车尾气排放造成的污染问题，并由此对各类发电站的排放量进行严格限制"不仅如此,NO）与大气中的水蒸气进行结合还可以生成
酸雨，同时使高空中的臭氧得以逐步消耗，从而致使臭氧层抗紫外线的保护作用不断减小，增加了地面居民患皮肤癌的机率" 0HC同样含有致癌物质，而过量吸入一氧化碳（CO）也会产生致死现象0随着世界范围内对交通运输需求的与日俱增，针对航空发动机及燃气轮机而开展的排放控制可谓势在必行0
2航空发动机排放控制要求
由于航空发动机及燃气轮机的工作环境复杂多变，且功率范围较为宽广，由此使其排放控制过程较为复杂"通常而言，不同结构的航空发动机有着不同的工作特性0压气机在等速和近似稳定气流的条件下运作时，单转子航空发动机的动力性能也会发生变化"如果此时功率需求发生了改变，带自由动力涡轮的燃气轮机必须适应因功率设置改变后的不同压气机速度及气流条件下的工作状态0
多转子有构的压气机会发多的问题0在过去一段时间内，燃气轮机控制系统的作用是确保在稳态和瞬态
时的所有工况下，均能精确提供所需的燃油流量，污染排放控制是燃烧室设计的一个重要功能0然而现代发动机控制系统可通过调节油气比来减少整个发动机工作范围内的污染物排放量"在不同工况下，可将燃油供给到燃烧室的不同燃烧区域，仅可通过采用复杂的数字燃油控制系统方能实现"
随着用于大型地面发电燃气轮机保有量的逐渐增多，由此消耗的燃料量也相应增多"其通常会以某个固定的功率数值进行长期运作"热电联供装置一般可被设计成全负荷连续工作模式，可将其布设于居民区附近以实现分布式发电"用于油气输送的燃气轮机通常会布设于偏远地区，并能以稳定的额定功率投入运作"目前，尽管不同用途的燃气轮机所遵循的排放标准各不相同，但仍应对其进行进一步的技术优化"
对于航空发动机而言，由于在飞机航行与地面滑跑期间会燃烧大量的燃油，因此要求其在低功率状态下仍具有较高的燃烧效率0该阶段面临的主要问题是应逐步减少UHC的排放0而在地面起飞、爬升与巡航状态下则首先需要关注NO）排放"国际民用航空组织（ICAO）制定了全世界都必须遵循的起飞/着陆循环，以及飞机在高空处于巡航飞行状态时的排放标准0为此应对机场附近的空气质量进行重点关注，其次也应关注高空大气层中臭氧的消耗量"
3航空发动机污染物的生成
多年来，尽管对于新型航空发动机及燃气轮机高效率燃烧室的设计与研发有着较高的关注度，但是该过程艰巨而又漫长，还需要为此寻求相应的解决方案"当对污染排放控制提出进一
3
《资源节约与环保》2020年第12期
步的要求后，为此应开展足够的基础研究来确定污染物的生成机理"
火焰温度是影响NO&生成的一项重要因素0根据研究，在理论化学空燃比燃烧条件下的火焰温度最高，而在富油燃烧和贫油燃烧条件下，火焰温度都会降低0通过逐步控制油气比以偏离理论化学空燃比，可相应减少NO&的生成，但是却会增加CO和UHC的排放量0NO&生成速度与火焰温度呈指数关系，所以减少NO&的关键在于降低火焰温度0NO&的形成与燃气在燃烧室中的滞留时间存在一定关系，NO&的生成量会随滞留时间的缩短呈显著降低的趋势"然而延长滞留时间却对降低CO和UHC排放大有裨益"延长滞留时间就意味着燃烧室的横截面积或体积需要相应增大°
可通过研究得出排放与发动机增压比和涡轮进口温度等主要循环参数之间的关系°但根据相关试验得出的结论显示，为实现高效率燃烧而选择高增压比通常会对排放产生有害影响"
4降低航空发动机NO$排放的技术方案
随着燃气轮机和热电联供装置保有量的与日俱增，该类规定的约束性也在逐步提升"如日本、欧洲诸国及美国加州等国家和地区均陆续公布了相关标准"而世界范围内的各个国家和地区所提出的要求彼此相异，
有时在同一个国家的不同地区，所提出的标准要求也不尽相同"而针对民用飞机的排放标准，在全球范围内几乎达成共识，其由ICAO结合多国委员会商议之后提出的限值要求而进行制定，尤其强调飞机在起飞及着陆过程，以及高空巡航条件下的限值要求"对排放污染物的处理可在燃烧过程中进行，也可在燃烧完成后再进行净化°以燃煤蒸气设备为例，其通常会使用第二种方法!比如将已燃气体进行脱硫处理"尽管有时对尾气进行净化同样可实现低排放，但在航空发动机设计领域，则更倾向于通过设计新型燃烧室来减少污染排放"通常而言，一般有三种主要的方法可有效降低排放：(1)在燃烧室中注入水或蒸汽；(2)进行选择性催化还原(SCR)处理；(3)实现不含水的干低NO&"
4.1在燃烧室中注入水或蒸汽
正如上文所述，在燃烧室中注水的目的是大幅降低火焰温度"通常而言，供水量应为供应燃油量的一半，以此减少大约40%的NO&，但为此需要供应大量的水，而且必须使用软化水以防止沉淀物腐蚀涡轮°为使NO&的排放量进一步降低，水与油的质量比可以为1.0或者更高"同时，可通过提高进入涡轮的燃气流量以此增大整机功率，但是热效率往往会因此降低°当水与油的质量比逐步增大，且NO&排放量持续降低时，CO和UHC的排放量均会相应增多°
由于目前在世界范围内的诸多地区，水源较为稀缺且成本高昂，而部分国家的环境温度甚至会有数月持续在0!以下°因此，就上述地区的环境特点而言，难以使燃气轮机实现全年用水的目标"同时，在燃气轮机燃烧室中进行注水的方案也导致了一系列新问题，但在研究出效果更佳的方法之前，通过该策略已成
功降低了NO&排放°而注入蒸汽的方法与上述工作原理相似，其通常适用于联合循环或热电联供装置中"
4.2选择性催化还原
当所要求的NO&排放限值要求较低时，一般可采用选择性催化还原(SCR)的方法"该系统通常用于净化排气，可在系统中先加入催化剂，然后注入少量的氨水(NH.)，使NO&转化为N2和H2O°由于发生催化反应的温度范围有限，通常为285-400!，而且系统在蒸汽生的通中°于工作温度
有限，选择性催化还原通常只可通过废热回收而进行使用°
通过应用选择性催化还原系统，引起了一系列全新问题，包括成本费用增加、有害物质的处理与储存、氨水的控制以及变载荷处理等°燃用天然气的燃气轮机通常已采用选择性催化还原系统"对于采用双燃料的燃气轮机而言，配备选择性催化还原系统则有着更高的必要性"但即便如此，当干式低NO&系统逐步投入使后，催化还原系统有可而°
4.3干式低NO$排放系统
目前在燃气轮机领域，正致力于对先进燃烧室技术进行设
计优化，该类新型燃烧室可不需要水就能有效降低NO&排放的条件下工作，即为本文所述的干式低NO&
排放系统°NO&排放通常会随着火焰温度呈指数型变化，因此可在主燃区采用贫油燃烧或富油燃烧的方法，以此将火焰温度降至合适的数值°根据相
关研究，在富油燃烧过程中，可能在主燃区形成烟，为此大多数
的生商更倾向于使贫油燃烧方°贫油燃烧方来的最
大变化是在燃烧之前会将空气和燃油进行预混"贫油燃烧过程
带来的问题是如何确保稳定的燃烧过程，因此显著增加了发动
机控制系统的°
结语
在当前设工生速展的下，航空
机燃气机在相关领域有重要°于来
世界各国生态现象得以日益恶化，严重威胁到人类赖以生存的
境，为机的排放控制而开展相关研
究及试验，依然有着重要而深远的意义°
参考文献
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