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摘要：针对民用发动机污染排放的现状,介绍了低污染燃烧技术发展概况及趋势,分析了NOX排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施。对7种先进低污染燃烧技术的工作原理与特点、以及应用状况作了简要分析。低污染燃烧技术,虽然实现这些技术难度较大,但有广阔的应用前景。
关键词：民航发动机；污染排放；低燃烧技术
1 引言
航空发动机排放的污染物主要有CO2、NOX、CO、冒烟、HC和SOX[1]等,这些有害物质对人类及其生态环境造成严重危害.由于飞机是在高空飞行,航空发动机在空中所排放的污染物比地面动力装置排放的污染物对大气影响更为明显,更容易导致温室效应和全球气候的变化.为了使民用发动机具有更高的环境友好性,满足世界卫生组织日益严格的环保要求,在提高航空发动机性能同时,必须降低油耗,降低污染物排放;低污染燃烧技术是促使空运迅速发展的一项十分重要的关键技术.为了有效控制发动机NOX排放，ICAO对发动机排放标准陆续颁布有1986，1993，1996和2004年的生效的CEAP1，2，4和6标准。因NOx的排放对环境污染越来越严重，所有标准中对NOx的规定也日趋严格，以CEAP1基准，分别与CEAP2，4和6标准相比，相对前一个标准，后者分别降低20%，16.5%和12%[2]。
2 NOX燃烧基本规律及控制措施
航空发动机燃烧产生的排气污染中主要部分是NO和NO2，NO2是由NO氧化而成的。因此，控制燃烧产生NO，就相当于控制了燃烧室的NOX排放。为了阐述低污染燃烧室的控制措施，有必要简单地回顾一下NO在燃烧过程中的产生机理。
2.1 燃烧过程NO的生成机理
NO的生成途径主要有热力型、瞬发型、氧化型和燃烧性生成机理。由于航空煤油中的氮含量只有0.06%[3]，因此燃料型生成的NO可以忽略不计。
热力型NO生成在高温燃烧环境条件下，在火焰和火焰后的区域中，大气中的氮与氧产生反应而形成的，这个过程是一个强吸热过程，NO的生成量是燃烧温度的指数函数，对燃烧区温度非常敏感。现在比较公认的反应机理是扩展的Zeldovich机理[4]。下面为NO的形成过程：
NO生成量由以下因素决定[5]：
其中：[N2]为N2在燃烧室中的浓度；
[O2]为O2在燃烧室中的浓度；
t为燃气在燃烧区停留时间；
K1、K2为常数。
瞬发型NO是费尼莫尔（Fenimore）[6]在1971年通过实验发现的，即碳氢化燃料在富油状态下燃烧时，在燃烧的初级阶段由碳氢燃料分解成的CH、CH2及C2H等基与空气中的N2，生成HCN基，HCN基很不稳定，通过一系列反应生成NO。瞬发机理NO主要产生于碳氢化合物较高、氧浓度较低的富燃料区。
氧化型NO生成，是在贫燃料预混燃烧中，当温度降低和压力升高，当反应温度低于1500K时，氧和氮反应生成N2O，进而氧化成NO[7]。
研究表明NO的生成主要取决于发动机燃烧室内主燃区内燃料当量比，停留时间以及火焰温度，燃烧室进口温度，而这些因素又与发动机工作状态有关。通常NO随当量比减少而增加，当主燃区当量比接近于0.8—1.0时，由于此时火焰温度达到最高，故NO排放量最大。另外，NO的排放还随着燃烧室进口温度和压力增加而增加，燃气在燃烧区内停留时间越长，NO生成率也增加，但当量比 时，因混气很贫，NO生成率太小，对时间不敏感，因而影响不大。
2.2 燃烧室低NOX排放的控制策略
影响航空发动机燃烧室NOX排放的主要因素有：1）主燃区温度和当量比；2）主燃区燃烧过程的均匀度；3）主燃区的停留时间；4）中间去的作用等。降低NOX的关键在于，降低燃烧区（包括局部高温区）的温度和缩短气体在高温区的停留时间。其措施有：
（1）贫油主燃区，增加进入主燃区空气量，使主燃区在贫油下工作，从而使NO下降；
（2）均匀燃烧，在贫油情况下，改善燃油雾化和混合，使燃烧均匀，消除局部过热点或高温区，以降低NO；
（3）减少停留时间按，即缩短气体在高温燃烧区的停留时间。通常增加主燃内气流速度和缩短燃烧室长度来减少停留时间，从而降低NO。
3 燃气涡轮发动机低NOX排放燃烧技术
上述降低NOX排放的措施适合于对原发动机进行改造，亦可以在新设计发动机上采用，但在原发动机上改造，其结果往往是采用污染和其他性能兼顾的折中方案。因此，为了控制航空发动机NOX排放污染，发展新型发动机技术，设计先进低污染燃烧室是非常需要的，下面对几种低NOX排放燃烧室作简要的介绍。
3.1分级燃烧技术[8]
将燃烧所需的空气量分成两级送入，其余空气在燃烧器附近适当位置送入，使燃烧分两级完成。由于一级燃烧区空气量不足，因而火焰温度较低，从而抑制了“热力”NOX的生成，对“燃料”NOX，由于缺氧，中间产物也不可能氧化成NO，同样能抑制其增加，分级燃烧的主要技术在于一次与二次空气量的比例以及二次送入位置。
3.2贫油预混蒸发燃烧技术（Lean Premixed Prevaporized Combustor，LPP）[9][10]
LPP技术是把燃油预先蒸发，预先与空气混合，然后在主燃烧室内形成均匀贫油油混气（ 0.5）进行燃烧。这样由于燃烧温度低，温度分布均匀，NOX排放明显降低，是目前NOX生成最低的燃烧技术。但这种技术存在容易回火和燃烧稳定性差的问题，在高温升燃烧室中，燃烧接近化学恰当比下进行，保持很低的油气比很困难。
3.3富油 快速淬熄 贫油燃烧技术（Rich-Burn/Quick-Quench/Lean-Burn Combustor，RQL）[11][12]
为了适应馏分放宽的烃油，减少由于燃油馏分放宽后带来“燃料”氧化氮的生成，发展了RQL燃烧室，一般该类燃烧室是是由富燃区、淬熄混合区和贫燃区三部分组成。RQL技术先将全部燃油和空气进行富油燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的NOX，然后富油燃气快速与二股空气混合进行贫油燃烧。由于贫油燃烧区中有大量已燃气体，燃烧温度低，从而降低NOX生成，特别是瞬发NOX的生成，RQL技术有两个关键技术问题：火焰筒壁面不能用气膜冷却，富油燃气与空气要进行快速充分均匀的混合。
3.4双环预混旋流燃烧技术（Twin Annular Premixing Swirler，TAPS）[13]
为了进一步减低NOX的排放量且不影响其他设计要求，20世纪90年代中期，GE公司开发了一种新型燃烧室——双环预混旋流燃烧室（TAPS），其特点是：两个同轴的环形旋流射流（主旋流和值班旋流）分别由其头部的一个主混合器和值班旋流器产生，主混合器由1个轴向旋流或径向旋流器、1个空腔构成，值班旋流器由1个高流量数压力雾化喷嘴与2个围绕在其周围的同向双级旋流器组成。同向双级旋流的功用可以改善起动和低功率工况下的雾化效果，以满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求。
起动时，值班旋流主要受燃油喷嘴几何形状控制，后与主旋流相互作用，形成一个满足燃烧室设计要求的燃烧区。除了冷却燃烧室头部和火焰筒所需的空气外，其他空气都流经值班旋流器和主旋流器。燃油在值班级和主燃级之间分级是由燃油喷嘴完成，通过“可控压力燃油喷嘴”控制规律，按预先确定的流量分配，值班供油量可从低功率下的100%到最大功率下的5%-10%。为了使TAPS的空气和燃油在燃烧之前预先混合，从高压压气机的空气通过两个围绕在燃油喷嘴周围的同轴旋流器直接进入燃烧室。该燃烧室已经完成了大量的试验验证，将应用于GENX发动机上。与以前的喷气发动机设计相比，其燃烧温度更低，NOX也大幅度降低。
3.5催化燃烧室（Catalytic combustor）[14]
为了降低NOX，催化燃烧室已被研制，它是由预燃烧区、预混区、催化燃烧区和变几何掺混区四部分组成。在低功率工况下由主油路供油，把燃料喷入预燃烧区，在那里电话燃烧。随着发动机所需功率的增加，副油路开始供油，燃料在预混区和燃气混合，进入催化区，在催化剂作用下氧化燃烧。由于催化剂有效工作温度范围为623K~1373K，当在大功率时，燃烧室出口温度较高时，通过控制变几何掺混区空气流量，保持催化剂在有效范围内工作，这种催化燃烧室的优点是低NOX排放，高燃烧效率。
另一种富油催化贫油燃烧（RCL）的催化燃烧室方案，它是由一个回流环形预混器、催化反应器、后混合管和燃烧室四部分组成，回流环形预混器提供预混富油混气进入催化反应器进行催化后，在后混合管与空气混合，进入燃烧区进行燃烧，此种燃烧室可使燃气温度在13500C时NOX<10-6。
3.6燃料再燃烧技术
这是国外发展了另一种分级燃烧技术，成为再燃烧法。通过对燃料分级，用来控制NOX的生成。此法将燃烧室分为三个区域：主燃区，送入80~85%燃料并以正常余气系数（1.05）进行燃烧，再燃烧区，在主燃区上部（火焰的下游）把其余的15~20%燃烧作为二次燃烧喷入，燃烧过程在还原气下进行，利用碳氢化合物基团CH等部分NO还原成N2（大约有70%~90%的NO被还原）；燃尽区，送入二次空气把残余的燃料烧完。
3.7烟气再循环技术
烟气再循环法让一部分温度较低的烟气直接送入燃烧室内与燃烧用的空气混合，使燃烧区内惰性气体含量增加，稀释氧的浓度，使燃烧速度和燃烧室温度降低，从而抑制了“热力NO”的生成。氧浓度的降低减少了中间产物含氮基团和氧的反应，也有利于减少“燃料NO”的生成。
4 总结
燃料燃烧所引起的对大气环境污染，其中污染物NOX较难处理，为此，世界各国对NOX的污染给予高度重视。随着人们对环保意识加强,民用航空发动机的环保性在适航要求中越来越突出；降低污染、延长寿命是民机的主要发展目标，因此，发展新型燃烧技术以减少NOX污染排放刻不容缓。
参考文献：
[1]. ICAO Aircraft Engine Emission[S], International Civil Aviation Organization, 1993.
[2]. Mongia H C. TAPS-A4thgeneration propulsion combustor technology for low emissions [J]. AIAA 2003-2657, 2003.
[3]. 刘治中等.液体燃料的性质及应用[M], 中国石化出版社, 2000.
[4]. Glassman, O. Combustion[J], Academic Press, 1995.
[5]. MacKinnon, D. J. Nitric oxide formation at high temperature[J]. Air Pollution Control, March 1974.
[6]. Fenimore, C.P. Formation of Nitric Oxide in Premixed Hydrocarbon Flames[Z], 13th Symposium on Combustion, Vo.13, pp.373-380.1971.
[7]. Nicol, David G，Maltese, Philip C, Steele, Robert C. Simplified Models for NOX Production Rates in Lean-Premixed Combustion[J]. ASME 94-GT-142, 1994.
[8]. 赵坚行.热动力装置的排放与噪声[M], 科学出版社, 1995.
[9]. G. Marier，S. Witting.Fuel Preparation and Emission Characteristics of a Pressure Loaded LPP Combustor[J] , AIAA 99-3774.
[10]. Y. Michou，C. Chauver，I. Gokalp.”Experimental Study of Lean Premixed Turbulent Spray Combustion”[J], AIAA 99-0332.
[11]. G.J. Micklow, S.Roychoudhury, H.L.Nguyen, M.C.Cline. Emission Reduction by Varying the Swirler Airflow Split in Advanced Gas Turbine Combustors[J] . ASME 92-3339.
[12]. N. Zarzalis, F.Joos, B.Glaeser. NOX-Reduction by Rich-Lean Combustion[J]. AIAA 92-3339.
[13]. H.C. Mongia. TASP-A4th Generation Propulsion Combustor Technology for Low Emission[J]. AIAA 2003-2657.
[14]. Smith L.L. Rich-catalytic Lean-burn Combustion for Low-singht-digit NOX Gas Turbines[J]. ASME J. of engineering for gas turbines and power ,V.127,2005.
关键词：民航发动机；污染排放；低燃烧技术
1 引言
航空发动机排放的污染物主要有CO2、NOX、CO、冒烟、HC和SOX[1]等,这些有害物质对人类及其生态环境造成严重危害.由于飞机是在高空飞行,航空发动机在空中所排放的污染物比地面动力装置排放的污染物对大气影响更为明显,更容易导致温室效应和全球气候的变化.为了使民用发动机具有更高的环境友好性,满足世界卫生组织日益严格的环保要求,在提高航空发动机性能同时,必须降低油耗,降低污染物排放;低污染燃烧技术是促使空运迅速发展的一项十分重要的关键技术.为了有效控制发动机NOX排放，ICAO对发动机排放标准陆续颁布有1986，1993，1996和2004年的生效的CEAP1，2，4和6标准。因NOx的排放对环境污染越来越严重，所有标准中对NOx的规定也日趋严格，以CEAP1基准，分别与CEAP2，4和6标准相比，相对前一个标准，后者分别降低20%，16.5%和12%[2]。
2 NOX燃烧基本规律及控制措施
航空发动机燃烧产生的排气污染中主要部分是NO和NO2，NO2是由NO氧化而成的。因此，控制燃烧产生NO，就相当于控制了燃烧室的NOX排放。为了阐述低污染燃烧室的控制措施，有必要简单地回顾一下NO在燃烧过程中的产生机理。
2.1 燃烧过程NO的生成机理
NO的生成途径主要有热力型、瞬发型、氧化型和燃烧性生成机理。由于航空煤油中的氮含量只有0.06%[3]，因此燃料型生成的NO可以忽略不计。
热力型NO生成在高温燃烧环境条件下，在火焰和火焰后的区域中，大气中的氮与氧产生反应而形成的，这个过程是一个强吸热过程，NO的生成量是燃烧温度的指数函数，对燃烧区温度非常敏感。现在比较公认的反应机理是扩展的Zeldovich机理[4]。下面为NO的形成过程：
NO生成量由以下因素决定[5]：
其中：[N2]为N2在燃烧室中的浓度；
[O2]为O2在燃烧室中的浓度；
t为燃气在燃烧区停留时间；
K1、K2为常数。
瞬发型NO是费尼莫尔（Fenimore）[6]在1971年通过实验发现的，即碳氢化燃料在富油状态下燃烧时，在燃烧的初级阶段由碳氢燃料分解成的CH、CH2及C2H等基与空气中的N2，生成HCN基，HCN基很不稳定，通过一系列反应生成NO。瞬发机理NO主要产生于碳氢化合物较高、氧浓度较低的富燃料区。
氧化型NO生成，是在贫燃料预混燃烧中，当温度降低和压力升高，当反应温度低于1500K时，氧和氮反应生成N2O，进而氧化成NO[7]。
研究表明NO的生成主要取决于发动机燃烧室内主燃区内燃料当量比，停留时间以及火焰温度，燃烧室进口温度，而这些因素又与发动机工作状态有关。通常NO随当量比减少而增加，当主燃区当量比接近于0.8—1.0时，由于此时火焰温度达到最高，故NO排放量最大。另外，NO的排放还随着燃烧室进口温度和压力增加而增加，燃气在燃烧区内停留时间越长，NO生成率也增加，但当量比 时，因混气很贫，NO生成率太小，对时间不敏感，因而影响不大。
2.2 燃烧室低NOX排放的控制策略
影响航空发动机燃烧室NOX排放的主要因素有：1）主燃区温度和当量比；2）主燃区燃烧过程的均匀度；3）主燃区的停留时间；4）中间去的作用等。降低NOX的关键在于，降低燃烧区（包括局部高温区）的温度和缩短气体在高温区的停留时间。其措施有：
（1）贫油主燃区，增加进入主燃区空气量，使主燃区在贫油下工作，从而使NO下降；
（2）均匀燃烧，在贫油情况下，改善燃油雾化和混合，使燃烧均匀，消除局部过热点或高温区，以降低NO；
（3）减少停留时间按，即缩短气体在高温燃烧区的停留时间。通常增加主燃内气流速度和缩短燃烧室长度来减少停留时间，从而降低NO。
3 燃气涡轮发动机低NOX排放燃烧技术
上述降低NOX排放的措施适合于对原发动机进行改造，亦可以在新设计发动机上采用，但在原发动机上改造，其结果往往是采用污染和其他性能兼顾的折中方案。因此，为了控制航空发动机NOX排放污染，发展新型发动机技术，设计先进低污染燃烧室是非常需要的，下面对几种低NOX排放燃烧室作简要的介绍。
3.1分级燃烧技术[8]
将燃烧所需的空气量分成两级送入，其余空气在燃烧器附近适当位置送入，使燃烧分两级完成。由于一级燃烧区空气量不足，因而火焰温度较低，从而抑制了“热力”NOX的生成，对“燃料”NOX，由于缺氧，中间产物也不可能氧化成NO，同样能抑制其增加，分级燃烧的主要技术在于一次与二次空气量的比例以及二次送入位置。
3.2贫油预混蒸发燃烧技术（Lean Premixed Prevaporized Combustor，LPP）[9][10]
LPP技术是把燃油预先蒸发，预先与空气混合，然后在主燃烧室内形成均匀贫油油混气（ 0.5）进行燃烧。这样由于燃烧温度低，温度分布均匀，NOX排放明显降低，是目前NOX生成最低的燃烧技术。但这种技术存在容易回火和燃烧稳定性差的问题，在高温升燃烧室中，燃烧接近化学恰当比下进行，保持很低的油气比很困难。
3.3富油 快速淬熄 贫油燃烧技术（Rich-Burn/Quick-Quench/Lean-Burn Combustor，RQL）[11][12]
为了适应馏分放宽的烃油，减少由于燃油馏分放宽后带来“燃料”氧化氮的生成，发展了RQL燃烧室，一般该类燃烧室是是由富燃区、淬熄混合区和贫燃区三部分组成。RQL技术先将全部燃油和空气进行富油燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的NOX，然后富油燃气快速与二股空气混合进行贫油燃烧。由于贫油燃烧区中有大量已燃气体，燃烧温度低，从而降低NOX生成，特别是瞬发NOX的生成，RQL技术有两个关键技术问题：火焰筒壁面不能用气膜冷却，富油燃气与空气要进行快速充分均匀的混合。
3.4双环预混旋流燃烧技术（Twin Annular Premixing Swirler，TAPS）[13]
为了进一步减低NOX的排放量且不影响其他设计要求，20世纪90年代中期，GE公司开发了一种新型燃烧室——双环预混旋流燃烧室（TAPS），其特点是：两个同轴的环形旋流射流（主旋流和值班旋流）分别由其头部的一个主混合器和值班旋流器产生，主混合器由1个轴向旋流或径向旋流器、1个空腔构成，值班旋流器由1个高流量数压力雾化喷嘴与2个围绕在其周围的同向双级旋流器组成。同向双级旋流的功用可以改善起动和低功率工况下的雾化效果，以满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求。
起动时，值班旋流主要受燃油喷嘴几何形状控制，后与主旋流相互作用，形成一个满足燃烧室设计要求的燃烧区。除了冷却燃烧室头部和火焰筒所需的空气外，其他空气都流经值班旋流器和主旋流器。燃油在值班级和主燃级之间分级是由燃油喷嘴完成，通过“可控压力燃油喷嘴”控制规律，按预先确定的流量分配，值班供油量可从低功率下的100%到最大功率下的5%-10%。为了使TAPS的空气和燃油在燃烧之前预先混合，从高压压气机的空气通过两个围绕在燃油喷嘴周围的同轴旋流器直接进入燃烧室。该燃烧室已经完成了大量的试验验证，将应用于GENX发动机上。与以前的喷气发动机设计相比，其燃烧温度更低，NOX也大幅度降低。
3.5催化燃烧室（Catalytic combustor）[14]
为了降低NOX，催化燃烧室已被研制，它是由预燃烧区、预混区、催化燃烧区和变几何掺混区四部分组成。在低功率工况下由主油路供油，把燃料喷入预燃烧区，在那里电话燃烧。随着发动机所需功率的增加，副油路开始供油，燃料在预混区和燃气混合，进入催化区，在催化剂作用下氧化燃烧。由于催化剂有效工作温度范围为623K~1373K，当在大功率时，燃烧室出口温度较高时，通过控制变几何掺混区空气流量，保持催化剂在有效范围内工作，这种催化燃烧室的优点是低NOX排放，高燃烧效率。
另一种富油催化贫油燃烧（RCL）的催化燃烧室方案，它是由一个回流环形预混器、催化反应器、后混合管和燃烧室四部分组成，回流环形预混器提供预混富油混气进入催化反应器进行催化后，在后混合管与空气混合，进入燃烧区进行燃烧，此种燃烧室可使燃气温度在13500C时NOX<10-6。
3.6燃料再燃烧技术
这是国外发展了另一种分级燃烧技术，成为再燃烧法。通过对燃料分级，用来控制NOX的生成。此法将燃烧室分为三个区域：主燃区，送入80~85%燃料并以正常余气系数（1.05）进行燃烧，再燃烧区，在主燃区上部（火焰的下游）把其余的15~20%燃烧作为二次燃烧喷入，燃烧过程在还原气下进行，利用碳氢化合物基团CH等部分NO还原成N2（大约有70%~90%的NO被还原）；燃尽区，送入二次空气把残余的燃料烧完。
3.7烟气再循环技术
烟气再循环法让一部分温度较低的烟气直接送入燃烧室内与燃烧用的空气混合，使燃烧区内惰性气体含量增加，稀释氧的浓度，使燃烧速度和燃烧室温度降低，从而抑制了“热力NO”的生成。氧浓度的降低减少了中间产物含氮基团和氧的反应，也有利于减少“燃料NO”的生成。
4 总结
燃料燃烧所引起的对大气环境污染，其中污染物NOX较难处理，为此，世界各国对NOX的污染给予高度重视。随着人们对环保意识加强,民用航空发动机的环保性在适航要求中越来越突出；降低污染、延长寿命是民机的主要发展目标，因此，发展新型燃烧技术以减少NOX污染排放刻不容缓。
参考文献：
[1]. ICAO Aircraft Engine Emission[S], International Civil Aviation Organization, 1993.
[2]. Mongia H C. TAPS-A4thgeneration propulsion combustor technology for low emissions [J]. AIAA 2003-2657, 2003.
[3]. 刘治中等.液体燃料的性质及应用[M], 中国石化出版社, 2000.
[4]. Glassman, O. Combustion[J], Academic Press, 1995.
[5]. MacKinnon, D. J. Nitric oxide formation at high temperature[J]. Air Pollution Control, March 1974.
[6]. Fenimore, C.P. Formation of Nitric Oxide in Premixed Hydrocarbon Flames[Z], 13th Symposium on Combustion, Vo.13, pp.373-380.1971.
[7]. Nicol, David G，Maltese, Philip C, Steele, Robert C. Simplified Models for NOX Production Rates in Lean-Premixed Combustion[J]. ASME 94-GT-142, 1994.
[8]. 赵坚行.热动力装置的排放与噪声[M], 科学出版社, 1995.
[9]. G. Marier，S. Witting.Fuel Preparation and Emission Characteristics of a Pressure Loaded LPP Combustor[J] , AIAA 99-3774.
[10]. Y. Michou，C. Chauver，I. Gokalp.”Experimental Study of Lean Premixed Turbulent Spray Combustion”[J], AIAA 99-0332.
[11]. G.J. Micklow, S.Roychoudhury, H.L.Nguyen, M.C.Cline. Emission Reduction by Varying the Swirler Airflow Split in Advanced Gas Turbine Combustors[J] . ASME 92-3339.
[12]. N. Zarzalis, F.Joos, B.Glaeser. NOX-Reduction by Rich-Lean Combustion[J]. AIAA 92-3339.
[13]. H.C. Mongia. TASP-A4th Generation Propulsion Combustor Technology for Low Emission[J]. AIAA 2003-2657.
[14]. Smith L.L. Rich-catalytic Lean-burn Combustion for Low-singht-digit NOX Gas Turbines[J]. ASME J. of engineering for gas turbines and power ,V.127,2005.