航空发动机催化燃烧技术发展趋势

刘爱虢,陈保东,王成军,曾 文,李 明

(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136；2.北方联合出版传媒(集团)股份有限公司 综合办公室，沈阳 110003)



航空发动机催化燃烧技术发展趋势

刘爱虢1,陈保东1,王成军1,曾 文1,李 明2

(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136；2.北方联合出版传媒(集团)股份有限公司 综合办公室，沈阳 110003)

针对民用航空发动机污染物排放的现状，介绍了催化燃烧技术在航空发动机上应用的发展趋势。基于污染物生成机理及控制原理阐述了催化燃烧的污染物控制方法，回顾了催化燃烧技术的发展现状，并分析了催化燃烧技术在民用航空发动机上应用的可行性。采用催化燃烧技术的催化-预混分级燃烧室已经进行了常压和加压的实验测试，其排放达到了超低排放水平，证明了催化燃烧室的发展潜力。要实现催化燃烧技术在民用航空发动机上的应用还需要在地面试验台上对各种运行工况进行测试，并建立可预测催化剂性能的数学模型，对燃烧室内的混合、流动、燃烧及他们之间的相互作用开展深入的研究，建立可对催化剂老化性能进行预测的数值模型。

航空发动机；污染物排放；分级燃烧室；催化燃烧

随着人类社会和经济的发展，全球航空业发展势头越发迅猛。目前，全球已有大约3 750 个机场，2 000 多家航空公司，每天有近23 000 架航空器在空中进行飞行活动。我国民用航空发展很快,目前已成为全世界民航业增长最快国家之一，2006年至2010年间民航航空运输总周转量年均增长保持在14%左右。

据气候变化政府间论坛(IPCC)1999年的报告，在影响全球气候变化的温室气体排放量方面，航空活动对大气的排放占全部人类活动总排放的3.5%。随着环保意识的不断增强，人类对航空发动机的排放提出了要求，特别是对NOX的排放要求越来越严格[1]。NOx对环境具有巨大的破坏作用，主要表现在两个方面，一方面破坏平流层(同温层) 中的臭氧层，使之失去对紫外光辐射的屏蔽作用。同时，臭氧层的破坏也会引起地球温暖化及气候恶化。另外一方面NOX与SO2和粉尘共存,可生成毒性更大的硝酸或硝酸盐气溶胶，形成酸雨[2]。为了提高航空发动机的整机效率，燃烧室的工作压力和温度在不断提高，而NOx的生成与燃烧室温度成指数关系。因此，如何在提高发动机性能的同时，进一步降低NOx排放量是未来先进民用发动机燃烧室的主要研究目标。

1 民用发动机污染物排放及控制

1.1 排气污染的标准

表1 航空发动机的LTO循环

到现在为止，ICAO对发动机排放标准陆续颁布有1986、1993、1996和2004年生效的CAEP1,2,4和6标准等4个版本，目前执行的是CAEP/6标准[5]。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CAEP/1为基准，分别与CAEP/2,4和6标准相比，相对前一个标准，后者分别降低20% 、16.5%和12%。而对于CO,HC以及冒烟的规定保持不变[6]。中国民用航空局在2002年3月颁布的CCAR-34 部中规定了新的和在用的航空燃气涡轮发动机的排气排出物标准，对于2002年4月19日及其后制造的额定输出等于或大于26.7 kN的用于亚音速飞行器的发动机气体污染物中NOX不得超过(32+1.6(rPR))克/千牛额定输出[7]，其排放标准与CAEP/2相当。

由文献[8]中所统计月从20世纪70年代至今的所有额定推力大于89 kN的航空发动机在LTO循环内的NOx排放取证数据可知[8]，1990年以后取证的发动机基本上都满足CAEP/6标准，但为了满足市场需求，发动机制造商仍在不断追求更低的排放。从2014年开始，将执行CAEP/8标准，NOx排放进一步降低15%，并考虑设置CO2的排放标准，对细小固体颗粒物(PM)排放限制也更加严格[9]。中国民航局针对低碳经济已成为民航业发展新趋势的国际背景，近年来专门成立了民航节能减排办公室，积极出台了诸多相关政策[10]。找到一条实用且从根本上降低航空发动机NOX排放的新途径势在必行。

1.2 排气污染的控制措施

低排放燃烧室已成为民用飞机发动机进入国际市场的“门槛”技术，目前大部分航空发动机燃烧室中采用了富油扩散燃烧方式，燃烧组织沿着一条温度逐渐升高再下降的路线运行。燃烧过程要经历高温燃烧，这是常规燃烧室存在的核心问题，因而在高温下NOX排放较多是必然的[11]。主燃区温度对污染物排放的影响如图1所示[4]。由图1可以看出，要降低污染物的排放水平，需将燃烧室温度控制在1 670～1 900 K的狭窄温度范围内，这为航空低排放燃烧室的研发提供了最基本的理论基础。目前大多数低排放燃烧室的研发都是基于这一基本原理。

20世纪90年代后期以来，美国和欧盟国家针对低排放燃烧技术独立(和/或)联合实施了一系列的研究计划[12]。根据污染物的生成机理，不同的燃烧污染物控制方式都曾被提出并进行了实验测试，其中被公认为效果最好并已开始使用的是贫油预混预蒸发燃烧技术(LPP)。LPP燃烧是通过将当量比控制在0.6～0.8的区域并使温度分布均匀来降低燃烧温度，使NOx和CO排放都处于可以接受的范围。但LPP本身存在燃烧不稳定、自燃与回火等问题，特别是随着增压比的不断提高而变得更加突出[13]。

图1 主燃区温度对污染物排放的影响

为了保证航空发动机LPP燃烧室良好的点火、贫油熄火性能，以及工作包线内的高燃烧效率和低污染排放，可采用分级燃烧的方式[4]。目前提出的分级形式包括轴向分级、径向分级和中心分级等[14-15]，其目的是把燃烧室分成几个燃烧区，在每个区单独供燃油和空气，并使其均匀混合。控制各区燃烧温度(见图2)，使其在所有工况下都保持较低的污染物排放。但其缺点是燃烧室上游的预混预蒸发可能导致在高进口温度下发生自动点火或回火，同时燃烧室要冒险运行在接近贫油熄火极限并增加了燃油控制的复杂性[16]。采用分级燃烧是实现低NOX排放的新途径，但如何扩大贫油熄火极限实现低温反应成为分级燃烧室的关键问题。

图2 分级燃烧机理

2 催化燃烧技术原理及应用

2.1 催化燃烧技术原理

把贫油熄火极限扩大到较低当量比的一个方法是在燃烧室内增加一段燃烧强化催化剂。催化燃烧是典型的气固相催化反应，借助催化剂可以降低反应的活化能加快反应率，燃料在通常的燃料-空气混合物可燃极限以下的温度氧化[17]。其实质是，空气中的氧气被催化剂中的活性组分活化，当活性氧与反应物充分接触时发生了能量的传递，反应物分子随之被活化从而加快了氧化反应的反应速率[18]。在燃烧室中,使用催化剂代替一部分热反应,使稳定燃烧发生在比常规燃烧室的温度低约1 000 K的温度区间，可实现燃烧过程的低排放。燃烧室中NOX的生成机理主要是热力型，生成速率与燃烧温度成指数规律变化,因而随燃烧温度的降低,也就减少了NOX的排放。在动力装置中需要降低经过燃烧室时的压力损失，此时只能采用蜂窝状整体式催化燃烧室，其内部结构如图3所示，是由许多平行的直径非常小的微元管构成。催化剂通过一定的工艺涂加到微元管内壁上，这种催化燃烧室的特点是结构稳定、压力损失小。催化反应在单个孔通道中的壁面上进行，孔道的壁面上涂有催化剂和辅助催化剂，支撑体为堇青石。

图3 蜂窝状整体式催化燃烧室内部结构

2.2 催化燃烧技术在地面燃机上的应用

在燃烧室中采用催化燃烧技术降低NOX的排放最早是由William Pfefferle在1975年提出的[19]，随后美国和日本等国都积极开展了可应用于不同尺度地面燃机燃烧室的催化技术的研究[20-22]。当时催化剂温度高于燃烧室出口燃气温度,因而引起了催化剂的失活和烧毁问题，限制了催化燃烧室的发展。90年代利用分级燃烧室的概念提出了催化燃烧和预混燃烧相结合的设计，降低了催化剂温度，防止了催化剂的高温失活和老化。

确定合理的催化-预混燃烧室结构，并开展相关的常压、高压原型机及部件实验测试，一直是各国开展催化-预混分级燃烧室研究的方法。催化燃烧可以降低反应的最高温度，但目前没有可以在高温下长期运行的催化材料。为保证催化剂在较低温度下运行可采用不同的燃烧室结构，包括二次燃气催化燃烧、二次空气催化燃烧及部分催化燃烧。日本的Toshiba公司和Tokyo电力公司在上个世纪90年代提出了一种催化-预混分级燃烧室的概念，并共同开展了1 300 ℃级燃烧室的全尺度常压实验及催化剂的小尺度高压实验[23]。所设计的燃烧室结构简图如图4所示，其中Z1为预燃区、Z2为预混区、Z3为催化区、Z4为气相燃烧区，燃料分三部分进入燃烧室：F1用于提高催化剂入口温度，F2用于催化燃烧，F3与催化燃烧室出口尾气混合后在气相反应区中反应以满足透平入口温度要求。常压实验结果表明采用所提出的燃烧室结构可以使催化剂的工作温度在800 ℃左右，这样可以确保催化剂的耐久性，同时降低了燃烧室的总排放。日本中央电力研究院与Kansai电力公司从1988年开始联合开展了应用于高温燃气轮机上的催化燃烧技术，所设计的催化-预混燃烧室结构如图5所示。主要特点是催化燃烧部分与预混部分交叉排列，在没有催化剂的预混通道内完成混合和预热，催化燃烧与预混燃烧进行轴向分级。所完成的一系列实验结果表明， NOX主要来源于预燃室，随燃烧室运行压力的提高NOX排放降低，由于催化剂的老化时间及实验条件的限制没有明显看出催化剂老化对反应特性的影响[24]。

图4 Toshiba公司设计的催化燃烧室

美国能源部先进涡轮系统计划提出了采用催化燃烧降低排放的计划，并在Solar和西门子-西屋公司分别实施了实验与理论研究[25]。Solar的实验结果确定了在催化燃烧室入口获得燃料与空气的均匀混合是非常重要的，同时两个公司的实验都表明在催化燃烧中催化剂的持久性、老化特性及反应器的设计都是需要进一步研发的工作。在长时间工作下，催化剂会发生老化导致催化活性下降，这是影响催化燃烧可靠性及可维护性的重要因素。影响催化剂老化性能的因素较多，同时对老化性能的研究也是耗时的。采用数学手段建立催化剂老化性能模型，用于预测催化剂的反应特性及对催化燃烧室的可靠性进行预测是一个重要的研究课题。GE、Kawasaki等采用商业化XONON催化剂模块，分别在GE10-1、Kawasaki的M1A-13A和13X发动机上分别进行了现场测试(图6)。目的是测试催化剂模块的可靠性、可获得性、可维护性及通过8 000小时的连续运行确认催化剂材料上的进展对催化剂持久性的影响[26-28]。结果表明，催化燃烧室可靠性的提高很大程度上取决于温度场和浓度场的改善，影响催化剂持久性的因素较多，催化剂持久性模型的建立与完善还需要对更多实验测试数据进行统计。

图5 日本中央电力研究院设计的催化燃烧室

图6 带有XONON催化剂模块的催化燃烧室

2003-2006年欧盟开展了由10个成员国参与的CATHLEAN项目，通过成员之间的协作开发一种具有低NOX排放、高部分负荷稳定性及低热声脉动的发动机燃烧室(如图7所示)[29-33]。项目的全尺度实验表明，催化-预混分级燃烧室的概念是可行的，催化转化提高了燃烧室的性能。

图7 CATHLEAN分级燃烧室结构图

但在催化剂持久性及发动机运行条件对持久性的影响方面，该项目没有进行详细的研究。

催化-预混分级燃烧室概念的可行性通过各国的实验研究已得到了认可，其优秀的低排放特性也吸引了人们的注意。在这类燃烧室的研究中，各国研究人员提出了不同的燃烧室结构来满足运行条件对燃烧室的要求。在各国对催化燃烧室的实验研究中，所暴露出来的一个主要问题是催化剂的低温活性、高温持久性及老化性能对燃烧室性能的影响。

制约催化燃烧技术在工业上应用的主要技术难题还是催化剂及载体在长时间应用过程中所产生的性能及结构的变化，能够对其进行成功的预测及解决将是催化燃烧技术得到广泛应用的基础。俄罗斯的Borekov催化研究所和瑞典的皇家技术研究院提出了通过采用改变催化剂微粒的形状、尺寸及催化燃烧室内整体式反应器的连接方式来改变催化剂的低温及高温特性，并开展了最高压力为13.5 bar的实验测试[34-35]。实验结果表明，采用不同的催化剂组合方式可以实现催化剂的低温活性及高温稳定性，在保证燃料转化率的同时可以实现不同入口温度下的超低排放。将数值模拟与实验研究相结合，分析催化剂内传热传质及表面反应特性也是对催化燃烧进行研究的重要手段，对实验研究可起到辅助与指导作用[36-40]。

对催化燃烧的研究国内已开展多年，研究的重点大多集中在催化剂、催化通道的特性及运行参数对催化反应特性的影响上[41-43]。目前，只有上海交通大学开展了采用催化燃烧技术的以煤矿通风瓦斯气为燃料的微型燃气轮机技术的研究[44-45]。

3 催化燃烧技术在民用发动机上的应用研究及前景分析

大涵道比涡扇发动机将是民用航空器的主要动力源，提高发动机排放标准势在必行，发动机排放也将是各大发动机公司的竞争点。在大涵道比涡扇发动机中采用催化-预混分级燃烧室，降低发动机飞行包线内尾气排放，同时保证发动机的可靠性具有重要意义。美国空军空气推进实验室在1978年提出了可用于涡扇、涡喷发动机上的富燃预混-催化燃烧室，并进行了发动机空转实验测试[46]。所提出的燃烧室结构如图8所示。由实验结果可以看出满足发动机从空转到满负荷运行的低排放分级燃烧室是完全可行的，尾气排放可以满足1979年的排放标准。NASA的清洁催化燃烧室计划完成了大量的关于航空发动机催化燃烧室的实验，所获得的重要结论是催化燃烧室连续的高温运行是主要限制性因素[47]。Volvo航空公司的Richard Avellan提出了将催化燃烧室与预混燃烧室并联的分级燃烧方案，并采用发动机在持续工作状态下采用催化燃烧，起飞和降落过程采用预混燃烧室运行的分级燃烧方式。这样在充分发挥催化燃烧室优势的前提下又避免了催化燃烧室在高温下持续工作，确保了燃烧室的可靠性[48]。

图8 美国空军实验室富燃预混-催化燃烧室

国内外对民用航空所制定的严格环保法规和标准，给民用航空低排放燃烧技术的发展带来巨大的挑战和机遇。随着催化剂相关技术的突破，在航空发动机上采用催化燃烧技术降低污染物排放将指日可待。但航空发动机的“安全性”永远是设计考虑的首要问题，考虑航空发动机的实际运行特性，对催化燃烧技术在航空发动机上的应用应开展针对性的研究。借鉴在地面燃气轮机上已广泛开展研究的催化-预混分级燃烧室的概念，对用于大涵道比涡扇发动机的催化-预混分级燃烧室进行研究。开展基于催化反应实验台探寻航空发动机在持续工作状态、不同负荷状态及发动机停车再启动状态时催化燃烧室的反应性能，结合基于实验数据建立的催化燃烧室老化性能模型，阐明催化燃烧室应用于航空发动机上的可靠性。这些技术一旦突破，将给未来低排放燃烧室的研发带来极大收益。

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(责任编辑：宋丽萍 英文审校：刘敬钰)

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

国家自然科学基金(项目编号：51476106)；航空科学基金(项目编号：2014ZB54009)

刘爱虢(1979-)，男，辽宁义县人，讲师，主要研究方向：先进动力系统及低排放燃烧技术研究，E-mail:agliu@sau.edu.cn。

2095-1248(2015)04-0006-08

V231.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.002