燃气轮机排放的主要污染物有一氧化碳（CO）、未燃烃（UHC）、氮氧化物（NOx）、硫化物（SOx）和固体颗粒等。其中NOx的排放最难控制且危害最大，在一定条件下可能生成光化学烟雾，造成二次污染。因此对NOx排放的控制受到格外关注。美国环保局规定：以天然气为燃料的燃气轮机NOx排放上限是25ppmv。而未来南加州和日本有可能将NOx排放标准提高到9ppmv。我国虽然还没有燃气轮机排放的国家标准，但是在《火电厂大气污染物排放标准》和北京地方标准《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》中，也对燃气轮机的NOx排放做了限制。
目前较为流行的低污染燃烧技术之一是干式贫燃预混燃烧技术。该技术通过在燃烧前先将燃料与过量空气混合，形成稀态预混气体，再进行燃烧。与传统的扩散火焰相比，主燃区各部分温度均匀，避免形成局部高温区。然而该技术有其固有缺陷，比如熄火极限高、燃烧稳定性差、容易产生热声振荡等。这些不仅对燃烧室的性能，甚至对整个燃机的安全性都造成影响，需要在设计时予以规避。因此，采用该技术的燃烧室通常还需引入一定的扩散火焰作为值班火焰，以达到稳定燃烧的目的。而扩散火焰又会对排放产生不利影响。如何在两者之间取得平衡，是当今研究的一个重点。
轻型动力创新院微小型燃气轮机研究团队以ZK2000-1A（2MW）当前设计的天然气贫燃预混喷嘴为原型，通过对其值班路结构进行优化，以期达到在不改变贫燃熄火极限的前提下，改善值班路火焰占比较高时的排放特性。实现兼顾燃烧稳定性和排放的喷嘴设计。研究人员的主要思路是：在值班燃料燃烧前，先引入一定量空气与之混合，使之形成一种处于预混火焰和扩散火焰之间，并且更偏向扩散火焰的形态，以降低局部火焰温度。同时，优化了值班燃料喷入的位置，使其正好处于回流的高温燃烧产物与未燃烧的主燃空气的交界面处。此处温度较高且速度偏低，有利于燃料的稳定燃烧。
研究人员前期共提出了四种优化方案。采首先用数值模拟方法，引入详细化学反应机理，对四种模型分别进行仿真分析。计算了不同值班路比例下的喷嘴内流场、燃料空气混合情况、火焰温度场以及排放特性。根据计算结果，进一步选取了两种较优的方案进行单喷嘴全压试验验证。试验测量了不同值班路比例下的出口温度、熄火极限、排放特性。结果表明，两种优化方案在排放特性上与原方案相比都有很大改善，在全负荷工况下，Nox排放近5ppmv@15%O2，全负荷范围内低于15ppmv@15%O2，目前研究人员还在进行持续优化，提高熄火边界。
图1 值班路燃料比与NOx排放的关系
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