航空發(fā)動機催化燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢

劉愛虢,陳保東,王成軍,曾 文,李 明

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136；2.北方聯(lián)合出版?zhèn)髅?集團(tuán))股份有限公司 綜合辦公室，沈陽 110003)

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航空發(fā)動機催化燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢

劉愛虢1,陳保東1,王成軍1,曾 文1,李 明2

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136；2.北方聯(lián)合出版?zhèn)髅?集團(tuán))股份有限公司 綜合辦公室，沈陽 110003)

針對民用航空發(fā)動機污染物排放的現(xiàn)狀，介紹了催化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動機上應(yīng)用的發(fā)展趨勢?；谖廴疚锷蓹C理及控制原理闡述了催化燃燒的污染物控制方法，回顧了催化燃燒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了催化燃燒技術(shù)在民用航空發(fā)動機上應(yīng)用的可行性。采用催化燃燒技術(shù)的催化-預(yù)混分級燃燒室已經(jīng)進(jìn)行了常壓和加壓的實驗測試，其排放達(dá)到了超低排放水平，證明了催化燃燒室的發(fā)展?jié)摿?。要實現(xiàn)催化燃燒技術(shù)在民用航空發(fā)動機上的應(yīng)用還需要在地面試驗臺上對各種運行工況進(jìn)行測試，并建立可預(yù)測催化劑性能的數(shù)學(xué)模型，對燃燒室內(nèi)的混合、流動、燃燒及他們之間的相互作用開展深入的研究，建立可對催化劑老化性能進(jìn)行預(yù)測的數(shù)值模型。

航空發(fā)動機；污染物排放；分級燃燒室；催化燃燒

隨著人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展，全球航空業(yè)發(fā)展勢頭越發(fā)迅猛。目前，全球已有大約3 750 個機場，2 000 多家航空公司，每天有近23 000 架航空器在空中進(jìn)行飛行活動。我國民用航空發(fā)展很快,目前已成為全世界民航業(yè)增長最快國家之一，2006年至2010年間民航航空運輸總周轉(zhuǎn)量年均增長保持在14%左右。

據(jù)氣候變化政府間論壇(IPCC)1999年的報告，在影響全球氣候變化的溫室氣體排放量方面，航空活動對大氣的排放占全部人類活動總排放的3.5%。隨著環(huán)保意識的不斷增強，人類對航空發(fā)動機的排放提出了要求，特別是對NOX的排放要求越來越嚴(yán)格[1]。NOx對環(huán)境具有巨大的破壞作用，主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面破壞平流層(同溫層) 中的臭氧層，使之失去對紫外光輻射的屏蔽作用。同時，臭氧層的破壞也會引起地球溫暖化及氣候惡化。另外一方面NOX與SO2和粉塵共存,可生成毒性更大的硝酸或硝酸鹽氣溶膠，形成酸雨[2]。為了提高航空發(fā)動機的整機效率，燃燒室的工作壓力和溫度在不斷提高，而NOx的生成與燃燒室溫度成指數(shù)關(guān)系。因此，如何在提高發(fā)動機性能的同時，進(jìn)一步降低NOx排放量是未來先進(jìn)民用發(fā)動機燃燒室的主要研究目標(biāo)。

1 民用發(fā)動機污染物排放及控制

1.1 排氣污染的標(biāo)準(zhǔn)

表1 航空發(fā)動機的LTO循環(huán)

到現(xiàn)在為止，ICAO對發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布有1986、1993、1996和2004年生效的CAEP1,2,4和6標(biāo)準(zhǔn)等4個版本，目前執(zhí)行的是CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)[5]。因NOx的排放對環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，所有標(biāo)準(zhǔn)中對NOx的規(guī)定也日趨嚴(yán)格，以CAEP/1為基準(zhǔn)，分別與CAEP/2,4和6標(biāo)準(zhǔn)相比，相對前一個標(biāo)準(zhǔn)，后者分別降低20% 、16.5%和12%。而對于CO,HC以及冒煙的規(guī)定保持不變[6]。中國民用航空局在2002年3月頒布的CCAR-34 部中規(guī)定了新的和在用的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的排氣排出物標(biāo)準(zhǔn)，對于2002年4月19日及其后制造的額定輸出等于或大于26.7 kN的用于亞音速飛行器的發(fā)動機氣體污染物中NOX不得超過(32+1.6(rPR))克/千牛額定輸出[7]，其排放標(biāo)準(zhǔn)與CAEP/2相當(dāng)。

由文獻(xiàn)[8]中所統(tǒng)計月從20世紀(jì)70年代至今的所有額定推力大于89 kN的航空發(fā)動機在LTO循環(huán)內(nèi)的NOx排放取證數(shù)據(jù)可知[8]，1990年以后取證的發(fā)動機基本上都滿足CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)，但為了滿足市場需求，發(fā)動機制造商仍在不斷追求更低的排放。從2014年開始，將執(zhí)行CAEP/8標(biāo)準(zhǔn)，NOx排放進(jìn)一步降低15%，并考慮設(shè)置CO2的排放標(biāo)準(zhǔn)，對細(xì)小固體顆粒物(PM)排放限制也更加嚴(yán)格[9]。中國民航局針對低碳經(jīng)濟已成為民航業(yè)發(fā)展新趨勢的國際背景，近年來專門成立了民航節(jié)能減排辦公室，積極出臺了諸多相關(guān)政策[10]。找到一條實用且從根本上降低航空發(fā)動機NOX排放的新途徑勢在必行。

1.2 排氣污染的控制措施

低排放燃燒室已成為民用飛機發(fā)動機進(jìn)入國際市場的“門檻”技術(shù)，目前大部分航空發(fā)動機燃燒室中采用了富油擴散燃燒方式，燃燒組織沿著一條溫度逐漸升高再下降的路線運行。燃燒過程要經(jīng)歷高溫燃燒，這是常規(guī)燃燒室存在的核心問題，因而在高溫下NOX排放較多是必然的[11]。主燃區(qū)溫度對污染物排放的影響如圖1所示[4]。由圖1可以看出，要降低污染物的排放水平，需將燃燒室溫度控制在1 670～1 900 K的狹窄溫度范圍內(nèi)，這為航空低排放燃燒室的研發(fā)提供了最基本的理論基礎(chǔ)。目前大多數(shù)低排放燃燒室的研發(fā)都是基于這一基本原理。

20世紀(jì)90年代后期以來，美國和歐盟國家針對低排放燃燒技術(shù)獨立(和/或)聯(lián)合實施了一系列的研究計劃[12]。根據(jù)污染物的生成機理，不同的燃燒污染物控制方式都曾被提出并進(jìn)行了實驗測試，其中被公認(rèn)為效果最好并已開始使用的是貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)(LPP)。LPP燃燒是通過將當(dāng)量比控制在0.6～0.8的區(qū)域并使溫度分布均勻來降低燃燒溫度，使NOx和CO排放都處于可以接受的范圍。但LPP本身存在燃燒不穩(wěn)定、自燃與回火等問題，特別是隨著增壓比的不斷提高而變得更加突出[13]。

圖1 主燃區(qū)溫度對污染物排放的影響

為了保證航空發(fā)動機LPP燃燒室良好的點火、貧油熄火性能，以及工作包線內(nèi)的高燃燒效率和低污染排放，可采用分級燃燒的方式[4]。目前提出的分級形式包括軸向分級、徑向分級和中心分級等[14-15]，其目的是把燃燒室分成幾個燃燒區(qū)，在每個區(qū)單獨供燃油和空氣，并使其均勻混合?？刂聘鲄^(qū)燃燒溫度(見圖2)，使其在所有工況下都保持較低的污染物排放。但其缺點是燃燒室上游的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)可能導(dǎo)致在高進(jìn)口溫度下發(fā)生自動點火或回火，同時燃燒室要冒險運行在接近貧油熄火極限并增加了燃油控制的復(fù)雜性[16]。采用分級燃燒是實現(xiàn)低NOX排放的新途徑，但如何擴大貧油熄火極限實現(xiàn)低溫反應(yīng)成為分級燃燒室的關(guān)鍵問題。

圖2 分級燃燒機理

2 催化燃燒技術(shù)原理及應(yīng)用

2.1 催化燃燒技術(shù)原理

把貧油熄火極限擴大到較低當(dāng)量比的一個方法是在燃燒室內(nèi)增加一段燃燒強化催化劑。催化燃燒是典型的氣固相催化反應(yīng)，借助催化劑可以降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)率，燃料在通常的燃料-空氣混合物可燃極限以下的溫度氧化[17]。其實質(zhì)是，空氣中的氧氣被催化劑中的活性組分活化，當(dāng)活性氧與反應(yīng)物充分接觸時發(fā)生了能量的傳遞，反應(yīng)物分子隨之被活化從而加快了氧化反應(yīng)的反應(yīng)速率[18]。在燃燒室中,使用催化劑代替一部分熱反應(yīng),使穩(wěn)定燃燒發(fā)生在比常規(guī)燃燒室的溫度低約1 000 K的溫度區(qū)間，可實現(xiàn)燃燒過程的低排放。燃燒室中NOX的生成機理主要是熱力型，生成速率與燃燒溫度成指數(shù)規(guī)律變化,因而隨燃燒溫度的降低,也就減少了NOX的排放。在動力裝置中需要降低經(jīng)過燃燒室時的壓力損失，此時只能采用蜂窩狀整體式催化燃燒室，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，是由許多平行的直徑非常小的微元管構(gòu)成。催化劑通過一定的工藝涂加到微元管內(nèi)壁上，這種催化燃燒室的特點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壓力損失小。催化反應(yīng)在單個孔通道中的壁面上進(jìn)行，孔道的壁面上涂有催化劑和輔助催化劑，支撐體為堇青石。

圖3 蜂窩狀整體式催化燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 催化燃燒技術(shù)在地面燃機上的應(yīng)用

在燃燒室中采用催化燃燒技術(shù)降低NOX的排放最早是由William Pfefferle在1975年提出的[19]，隨后美國和日本等國都積極開展了可應(yīng)用于不同尺度地面燃機燃燒室的催化技術(shù)的研究[20-22]。當(dāng)時催化劑溫度高于燃燒室出口燃?xì)鉁囟?因而引起了催化劑的失活和燒毀問題，限制了催化燃燒室的發(fā)展。90年代利用分級燃燒室的概念提出了催化燃燒和預(yù)混燃燒相結(jié)合的設(shè)計，降低了催化劑溫度，防止了催化劑的高溫失活和老化。

確定合理的催化-預(yù)混燃燒室結(jié)構(gòu)，并開展相關(guān)的常壓、高壓原型機及部件實驗測試，一直是各國開展催化-預(yù)混分級燃燒室研究的方法。催化燃燒可以降低反應(yīng)的最高溫度，但目前沒有可以在高溫下長期運行的催化材料。為保證催化劑在較低溫度下運行可采用不同的燃燒室結(jié)構(gòu)，包括二次燃?xì)獯呋紵⒍慰諝獯呋紵安糠执呋紵?。日本的Toshiba公司和Tokyo電力公司在上個世紀(jì)90年代提出了一種催化-預(yù)混分級燃燒室的概念，并共同開展了1 300 ℃級燃燒室的全尺度常壓實驗及催化劑的小尺度高壓實驗[23]。所設(shè)計的燃燒室結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，其中Z1為預(yù)燃區(qū)、Z2為預(yù)混區(qū)、Z3為催化區(qū)、Z4為氣相燃燒區(qū)，燃料分三部分進(jìn)入燃燒室：F1用于提高催化劑入口溫度，F(xiàn)2用于催化燃燒，F(xiàn)3與催化燃燒室出口尾氣混合后在氣相反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)以滿足透平入口溫度要求。常壓實驗結(jié)果表明采用所提出的燃燒室結(jié)構(gòu)可以使催化劑的工作溫度在800 ℃左右，這樣可以確保催化劑的耐久性，同時降低了燃燒室的總排放。日本中央電力研究院與Kansai電力公司從1988年開始聯(lián)合開展了應(yīng)用于高溫燃?xì)廨啓C上的催化燃燒技術(shù)，所設(shè)計的催化-預(yù)混燃燒室結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要特點是催化燃燒部分與預(yù)混部分交叉排列，在沒有催化劑的預(yù)混通道內(nèi)完成混合和預(yù)熱，催化燃燒與預(yù)混燃燒進(jìn)行軸向分級。所完成的一系列實驗結(jié)果表明， NOX主要來源于預(yù)燃室，隨燃燒室運行壓力的提高NOX排放降低，由于催化劑的老化時間及實驗條件的限制沒有明顯看出催化劑老化對反應(yīng)特性的影響[24]。

圖4 Toshiba公司設(shè)計的催化燃燒室

美國能源部先進(jìn)渦輪系統(tǒng)計劃提出了采用催化燃燒降低排放的計劃，并在Solar和西門子-西屋公司分別實施了實驗與理論研究[25]。Solar的實驗結(jié)果確定了在催化燃燒室入口獲得燃料與空氣的均勻混合是非常重要的，同時兩個公司的實驗都表明在催化燃燒中催化劑的持久性、老化特性及反應(yīng)器的設(shè)計都是需要進(jìn)一步研發(fā)的工作。在長時間工作下，催化劑會發(fā)生老化導(dǎo)致催化活性下降，這是影響催化燃燒可靠性及可維護(hù)性的重要因素。影響催化劑老化性能的因素較多，同時對老化性能的研究也是耗時的。采用數(shù)學(xué)手段建立催化劑老化性能模型，用于預(yù)測催化劑的反應(yīng)特性及對催化燃燒室的可靠性進(jìn)行預(yù)測是一個重要的研究課題。GE、Kawasaki等采用商業(yè)化XONON催化劑模塊，分別在GE10-1、Kawasaki的M1A-13A和13X發(fā)動機上分別進(jìn)行了現(xiàn)場測試(圖6)。目的是測試催化劑模塊的可靠性、可獲得性、可維護(hù)性及通過8 000小時的連續(xù)運行確認(rèn)催化劑材料上的進(jìn)展對催化劑持久性的影響[26-28]。結(jié)果表明，催化燃燒室可靠性的提高很大程度上取決于溫度場和濃度場的改善，影響催化劑持久性的因素較多，催化劑持久性模型的建立與完善還需要對更多實驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。

圖5 日本中央電力研究院設(shè)計的催化燃燒室

圖6 帶有XONON催化劑模塊的催化燃燒室

2003-2006年歐盟開展了由10個成員國參與的CATHLEAN項目，通過成員之間的協(xié)作開發(fā)一種具有低NOX排放、高部分負(fù)荷穩(wěn)定性及低熱聲脈動的發(fā)動機燃燒室(如圖7所示)[29-33]。項目的全尺度實驗表明，催化-預(yù)混分級燃燒室的概念是可行的，催化轉(zhuǎn)化提高了燃燒室的性能。

圖7 CATHLEAN分級燃燒室結(jié)構(gòu)圖

但在催化劑持久性及發(fā)動機運行條件對持久性的影響方面，該項目沒有進(jìn)行詳細(xì)的研究。

催化-預(yù)混分級燃燒室概念的可行性通過各國的實驗研究已得到了認(rèn)可，其優(yōu)秀的低排放特性也吸引了人們的注意。在這類燃燒室的研究中，各國研究人員提出了不同的燃燒室結(jié)構(gòu)來滿足運行條件對燃燒室的要求。在各國對催化燃燒室的實驗研究中，所暴露出來的一個主要問題是催化劑的低溫活性、高溫持久性及老化性能對燃燒室性能的影響。

制約催化燃燒技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用的主要技術(shù)難題還是催化劑及載體在長時間應(yīng)用過程中所產(chǎn)生的性能及結(jié)構(gòu)的變化，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行成功的預(yù)測及解決將是催化燃燒技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。俄羅斯的Borekov催化研究所和瑞典的皇家技術(shù)研究院提出了通過采用改變催化劑微粒的形狀、尺寸及催化燃燒室內(nèi)整體式反應(yīng)器的連接方式來改變催化劑的低溫及高溫特性，并開展了最高壓力為13.5 bar的實驗測試[34-35]。實驗結(jié)果表明，采用不同的催化劑組合方式可以實現(xiàn)催化劑的低溫活性及高溫穩(wěn)定性，在保證燃料轉(zhuǎn)化率的同時可以實現(xiàn)不同入口溫度下的超低排放。將數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合，分析催化劑內(nèi)傳熱傳質(zhì)及表面反應(yīng)特性也是對催化燃燒進(jìn)行研究的重要手段，對實驗研究可起到輔助與指導(dǎo)作用[36-40]。

對催化燃燒的研究國內(nèi)已開展多年，研究的重點大多集中在催化劑、催化通道的特性及運行參數(shù)對催化反應(yīng)特性的影響上[41-43]。目前，只有上海交通大學(xué)開展了采用催化燃燒技術(shù)的以煤礦通風(fēng)瓦斯氣為燃料的微型燃?xì)廨啓C技術(shù)的研究[44-45]。

3 催化燃燒技術(shù)在民用發(fā)動機上的應(yīng)用研究及前景分析

大涵道比渦扇發(fā)動機將是民用航空器的主要動力源，提高發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)勢在必行，發(fā)動機排放也將是各大發(fā)動機公司的競爭點。在大涵道比渦扇發(fā)動機中采用催化-預(yù)混分級燃燒室，降低發(fā)動機飛行包線內(nèi)尾氣排放，同時保證發(fā)動機的可靠性具有重要意義。美國空軍空氣推進(jìn)實驗室在1978年提出了可用于渦扇、渦噴發(fā)動機上的富燃預(yù)混-催化燃燒室，并進(jìn)行了發(fā)動機空轉(zhuǎn)實驗測試[46]。所提出的燃燒室結(jié)構(gòu)如圖8所示。由實驗結(jié)果可以看出滿足發(fā)動機從空轉(zhuǎn)到滿負(fù)荷運行的低排放分級燃燒室是完全可行的，尾氣排放可以滿足1979年的排放標(biāo)準(zhǔn)。NASA的清潔催化燃燒室計劃完成了大量的關(guān)于航空發(fā)動機催化燃燒室的實驗，所獲得的重要結(jié)論是催化燃燒室連續(xù)的高溫運行是主要限制性因素[47]。Volvo航空公司的Richard Avellan提出了將催化燃燒室與預(yù)混燃燒室并聯(lián)的分級燃燒方案，并采用發(fā)動機在持續(xù)工作狀態(tài)下采用催化燃燒，起飛和降落過程采用預(yù)混燃燒室運行的分級燃燒方式。這樣在充分發(fā)揮催化燃燒室優(yōu)勢的前提下又避免了催化燃燒室在高溫下持續(xù)工作，確保了燃燒室的可靠性[48]。

圖8 美國空軍實驗室富燃預(yù)混-催化燃燒室

國內(nèi)外對民用航空所制定的嚴(yán)格環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，給民用航空低排放燃燒技術(shù)的發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn)和機遇。隨著催化劑相關(guān)技術(shù)的突破，在航空發(fā)動機上采用催化燃燒技術(shù)降低污染物排放將指日可待。但航空發(fā)動機的“安全性”永遠(yuǎn)是設(shè)計考慮的首要問題，考慮航空發(fā)動機的實際運行特性，對催化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用應(yīng)開展針對性的研究。借鑒在地面燃?xì)廨啓C上已廣泛開展研究的催化-預(yù)混分級燃燒室的概念，對用于大涵道比渦扇發(fā)動機的催化-預(yù)混分級燃燒室進(jìn)行研究。開展基于催化反應(yīng)實驗臺探尋航空發(fā)動機在持續(xù)工作狀態(tài)、不同負(fù)荷狀態(tài)及發(fā)動機停車再啟動狀態(tài)時催化燃燒室的反應(yīng)性能，結(jié)合基于實驗數(shù)據(jù)建立的催化燃燒室老化性能模型，闡明催化燃燒室應(yīng)用于航空發(fā)動機上的可靠性。這些技術(shù)一旦突破，將給未來低排放燃燒室的研發(fā)帶來極大收益。

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(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉敬鈺)

Development of catalytic combustion technology for aero engine

LIU Ai-guo1,CHEN Bao-dong1,WANG Cheng-jun1,ZENG Wen1,LI Ming2

(1.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China；2.Comprehensive office,North United Publishing & Media (Group) Co.Ltd,Shenyang 110003,China)

The development of the catalytic combustion technology for aero engine has been introduced aimed at the pollutant emission status.The pollutant emission control method of catalytic combustion was expounded based on the pollutant formation mechanism and control principle.The current situation of the catalytic combustion technology development has been reviewed,and the feasibility of the application of catalytic combustion technology to civil aviation engine has been analyzed.Tests on staged combustors using catalytic combustion technology have been carried out at atmospheric and pressurized cases,whose emissions reached the ultra low emission levels,proving the development potential of catalytic combustion chamber.To realize the application of catalytic combustion technology to civil aviation engine,tests on a variety of operating conditions on the ground test bench are needed,and a mathematical model that can predict the performance of catalysts established.The in-depth research on the mixture,flow,combustion and the interaction between them should be conducted,and a numerical model based on the prediction of the catalyst aging should be built.

aero engine;pollutant emission;staged combustor;catalytic combustion

2014-12-22

國家自然科學(xué)基金(項目編號：51476106)；航空科學(xué)基金(項目編號：2014ZB54009)

劉愛虢(1979-)，男，遼寧義縣人，講師，主要研究方向：先進(jìn)動力系統(tǒng)及低排放燃燒技術(shù)研究，E-mail:agliu@sau.edu.cn。

2095-1248(2015)04-0006-08

V231.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.002