CN101220953A - 燃料灵活的三方向旋转旋流器和其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种灵活燃料的燃料空气混合器，包括：环状护盖；中心体；设置在中心体外表面周围的内旋流器；低能燃料增压室，其具有由轴向延伸并在它们之间具有间隙的内、外护盖构成的环形空间、燃料入口、设置在所述间隙内的燃料增压室旋流器；设置在燃料增压室的外护盖周围的外旋流器，其具有内周向端部；以及设置环状护盖上游端部的高能燃料增压室，其在径向方向上向外原理第二旋流器，并周向地位于环状护盖周围，所述燃料护盖与外旋流器流动连通。

Description

燃料灵活的三方向旋转旋流器和其使用方法
技术领域
本发明的实施例通常涉及燃烧器，尤其是，用在低排放量的燃烧工艺中的贫油预混燃烧器的燃料灵活、燃料空气混合器。
背景技术
在历史上，已经利用扩散控制(也称作非预混)燃烧在燃烧器内从燃料中获取能量，其中，反应物在其内初始分离，并且反应仅仅在燃料和氧化剂之间的接触面发生，在所述接触面处会出现混合和反应两种情况。这种设备的示例包括但不局限于，飞机空气轮机和用于发电、海上推进、气体压缩、联合发电以及海上平台发电等等的航改燃气轮机。在设计这些燃烧器的过程中，工程师不仅仅要挑战对保持或降低燃烧器总体尺寸的永久需求，以便增加最大操作温度和增加特定能量释放速度，还要挑战对降低规定污染物的形成和排入环境的日益增长的要求。主要目标污染物的示例包括氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃烧的或部分燃烧的碳氢化合物和温室气体(如二氧化碳(CO2))。由于难于控制在燃烧发生时依赖于流体机械混合而导致的在流动过程中局部组分的变化、与局部化学计算的燃烧相关的峰值温度、温度升高区域的保留时间、氧气利用率，所以扩散控制燃烧器在保持增加的性能的理想水平的同时还为满足目前和将来的排放要求提供了有限的能力。
进来，贫油预混燃烧器已经用于进一步降低不合适污染物的排放。在这些燃烧器中，在燃烧器内发生任何显著的化学反应之前，通过利用燃料空气混合器使合适量的燃料和氧化剂在混合室内或区域内很好的混合，从而有助于控制上述扩散控制燃烧器和其它本领域公知的困难。预混燃烧器的燃料空气混合器具有一套内、外反向旋转的旋流器，所述旋流器通常设置在混合管的上游端附近，以便向空气流传递旋转。在这种设备内注射燃料的不同方式是公知的，包括向内和/或外环形旋流器供应第一燃料，所述环形旋流器可包括中空叶片，该中空叶片具有与护罩上的燃料管汇流动连通的内腔，和/或通过中心体壁内的多个喷嘴向混合管注射第二燃料，所述中心体壁与第二燃料增压室流动连通。在这种设备中，来自压缩机的高压空气通过旋流器流体混合管，从而形成强剪切区域，并且燃料从外旋流器叶片通道和/或交叉射流内的中心体喷嘴被注射到混合管，以便在使燃料空气混合物流出混合管的下游端和进入到燃烧器内并被点燃之前使高压空气和燃料混合。尽管没有限制，但是选择用在贫油预混燃烧器内的燃料为天然气。
除了能够进一步降低规定污染物排放水平的燃烧器之外，具有燃料灵活性的贫油预混燃烧器在逐渐增加其重要性。由于世界上对能量的需求和天然气价格的持续上涨，发电厂的工作者一直在寻找替代燃料，尤其是这些从丰富的和廉价的自然资源(如煤)中获得的燃料。例如，考虑但不限制，目前对具有先进的燃烧系统的整体气化联合循环技术(IGCC)具有兴趣，其中，清洁、有效和性价比高的煤基发电系统已经显示出能够获得更高的效率水平，同时还能释放符合或超过目前规定污染物的排放水平的废气。IGCC装置的一种有意的特征为合成燃料气(也叫做合成气)，该合成燃料气为富含一氧化碳和氢气的气体，其可通过煤或其它物质的气化工艺获得。然而，如果现有的发电厂具有大量的初始资本并需要保持灵活性，那么能够燃烧天然气、合成气或两者混合气的贫油预混燃烧器是理想的选择。不过，用于燃烧天然气或任意其它高能燃料的常规燃烧器不能够燃烧合成气或任意低能燃料，并保持相同的性能和污染物形成水平，这是因为几何参数和工作参数所需的显著变化，所述参数例如但不限制于，对于给定火焰温度以及总压力降的燃料和空气的当量比、燃料注射速度以及对于给定总燃料流动的马赫数。
因此，存在一种对于用在贫油预混燃烧器内的燃料空气混合器的需求，所述燃烧器具有燃烧高能燃料和/或低能燃料的灵活性，同时还能保持或超过目前在能量输出、总效率、可操作性以及污染物的形成方面的性能水平，这种努力在发展燃气轮机燃烧器方面为一种积极的迈进，旨在最终将发电转化为氢基经济。
发明内容
上述的一个或多个需求和本领域公知的其它需求通过燃料空气混合器而实现，所述燃料空气混合器包括：环状护盖；中心体；设置在中心体外表面周围的内旋流器；燃料增压室，其具有由轴向延伸并在它们之间具有间隙的内、外护盖构成的环形空间、至少一个燃料入口、设置在内、外护盖之间的间隙内的燃料增压室旋流器，其位于燃料增压室的下游部分，所述内护盖周向设置在内旋流器的周围；设置在燃料增压室的外护盖周围的外旋流器，所述内、外旋流器能使进入环状护盖的第一氧化剂流的第一和第二部分独立旋转；燃料护盖，其在径向方向上远离第二旋流器设置，并周向地设置在环状护盖的周围，燃料护盖与外旋流器流动连通。
本发明的另一方面，所公开的燃气轮机包括压缩机、用于燃烧燃料与空气的预混混合物并与压缩机流动连通的燃烧器，位于燃烧器的下游并使高温气流膨胀从而排出燃烧器的涡轮。这种燃气轮机的燃烧器具有燃料空气混合器，所述燃料空气混合器包括：环状护盖；中心体；设置在中心体外表面周围的内旋流器；燃料增压室，其具有由轴向延伸并在它们之间具有间隙的内、外护盖构成的环形空间、至少一个燃料入口、设置在内、外护盖之间的间隙内的燃料增压室旋流器，其位于燃料增压室的下游部分，所述内护盖周向设置在内旋流器的周围；设置在燃料增压室的外护盖周围的外旋流器，所述内、外旋流器能使进入环状护盖的第一氧化剂流的第一和第二部分独立旋转；燃料护盖，其在径向方向上远离第二旋流器设置，并周向地设置在环状护盖的周围，燃料护盖与外旋流器流动连通。
本发明的另一方面，所公开的气液系统包括：用于使氧气同空气分离的空气分离装置，用于制备天然气的气体处理装置，用于使氧气与天然气在升高的温度和压力下反应以产生富含一氧化碳和氢气的合成气的燃烧器，与燃烧器流动连通的涡轮膨胀器，所述膨胀器用于抽吸合成气并使合成气骤冷。这种气液系统的燃烧器包括燃料空气混合器，所述燃料空气混合器包括：环状护盖；中心体；设置在中心体外表面周围的内旋流器；燃料增压室，其具有由轴向延伸并在它们之间具有间隙的内、外护盖构成的环形空间、至少一个燃料入口、设置在内、外护盖之间的间隙内的燃料增压室旋流器，其位于燃料增压室的下游部分，所述内护盖周向设置在内旋流器的周围；设置在燃料增压室的外护盖周围的外旋流器，所述内、外旋流器能使进入环状护盖的第一氧化剂流的第一和第二部分独立旋转；燃料护盖，其在径向方向上远离第二旋流器设置，并周向地设置在环状护盖的周围，燃料护盖与外旋流器流动连通。
使高能燃料或低能燃料和氧化剂在燃烧系统内预混的方法也在本发明实施例的范围之内，这种方法包括如下步骤：抽吸燃料空气混合器的环状护盖内的第一股氧化剂；使第一股氧化剂的第一部分在外旋流器内的第一方向上旋转；使第一股氧化剂的第二部分在内旋流器内的第二方向上旋转；将高能燃料从燃料护盖注入燃料空气混合器，所述燃料护盖与外旋流器内的燃料入口喷嘴流动连通，或者将低能燃料从燃料增压室注入燃料空气混合器，所述燃料增压室包括由轴向延伸的内、外护盖构成的环状空间，所述内、外护盖之间具有间隙，至少一个燃料入口设置在燃料增压室的上游部分，燃料增压室旋流器设置在燃料增压室下游处内、外护盖之间的间隙内，燃料增压室的内护盖周向设置在内旋流器的外周向端部的周围。
上面简要描述了本发明的特征，以便下面的详细描述能够被更好的理解，并且以便对本领域的现有贡献能够被更好的理解。当然，本发明的其它特征将在之后被描述，并且这些将是所附权利要求书的主题。
在这一方面，在详细地说明本发明的多个优选实施例之前，可以理解，本发明并不局限于其结构细节上的应用和下面的描述和所示附图中提出的部件的布置。本发明能够具有其它实施例，并且能够以各种方式进行实施和执行。此外，还应当理解，这里所用术语和名词的目的是为了说明，而不是为了进行限制。
因此，本领域技术人员可以理解，本公开所依据的原理可被轻易地用作设计其它结构、方法和系统的基础，这些结构、方法和系统用于实施本发明的多个目的。因此，重要的是，权利要求书被认为包括这些等同的结构，因为它们未脱离本发明的主旨和范围。
此外，前述摘要的目的是使美国专利商标局和不熟悉专利和法律名词或术语的一般公众、特别的科学家、工程师和专业人员利用鼠标观看就能够快速地确认本申请的本质和技术核心。因此，摘要不用于限定本发明和本申请，也不以任何方式用于限定本发明的范围，这些都仅由权利要求书进行限定。
附图说明
当结合附图参看下面的详细说明时，能够易于和很好的理解本发明的更完整的理解和其它附属优点。
图1示出了具有燃烧器的燃气轮机的示意图，所述燃烧器具有根据本发明的燃料空气混合器；
图2示出了根据本发明的用在图1所示燃气轮机内的筒形燃烧器的示例性结构；
图3示出了根据本发明的用在图1所示燃气轮机内的环状燃烧器的另一示例性结构；
图4示出了另一示例性低排放量的环状燃烧器的局部视图，所述燃烧器具有根据本技术的燃料空气混合器；
图5示出了图4所示燃料空气混合器的视图；
图6示出了下游的观察者向上游看的图4所示燃料空气混合器的顶部视图；
图7示出了上游观察者向下游看的图4所示的燃料空气混合器的底部视图；
图8示出了根据本发明的另一燃料空气混合器的局部视图；
图9示出了根据本发明技术的又一燃料空气混合器的局部视图；
图10示出了图9所示燃料空气混合器的径向旋流器的视图。
具体实施方式
现在参看附图，其中相同的附图标记用于表示相同或所有附图中的相应部件，所披露的燃料空气混合器的多个实施例将被描述。在下面的说明中，将会利用用于燃气轮机的所公开的燃料空气混合器的示例性实施例。然而，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，同样的燃料空气混合器可用在其它应用中，在所述应用中，燃烧主要受到燃料和氧化剂的预混影响。
图1示出了具有压缩机14的燃气轮机10，该压缩机在工作时向低排放量燃烧器12供应高压空气。在注入到燃烧器12的燃料与空气(或其它另外的氧化剂)燃烧之后，高温高压的燃烧气体排出燃烧器12并膨胀穿过涡轮16，所述涡轮16通过轴18驱动压缩机14。正如本领域技术人员所理解到一样，这里参考使用的空气或空气流也可指任意其它的氧化剂，包括但不局限于纯氧气或氧气体积含量低于21％(如10％)的污浊空气流。在一个实施例中，燃烧器12包括筒形燃烧器。在另一实施例中，燃烧器12包括筒形环状燃烧器或者纯环状燃烧器。根据所述应用，燃烧气体可在喷嘴(未示出)内进一步膨胀，以便产生推力，或者燃气轮机10可具有附加的涡轮(未示出)以便从燃烧气体中获取驱动外部载荷的另外能量。如图1所示，燃烧器12包括限定燃烧区域的燃烧器壳体20。此外，如下面的进一步所述和图2-5所示，燃烧器12包括在燃烧区域内燃烧之前用于混合压缩空气和燃料的燃料空气混合器。
图2示出了用于图1所示燃气轮机10内的低排放量燃烧器22的示例性结构。在所示的实施例中，燃烧器22包括具有单燃料空气混合器的筒形燃烧器；然而，本领域的技术人员可以理解，根据应用和所需的输出，在给定的筒形燃烧器内还可使用多个混合器。燃烧器22包括燃烧器套筒24和设置在燃烧器套筒24内的燃烧器衬筒26。燃烧器22还包括拱形盘28和隔热罩30，该隔热罩用于降低燃烧器壁的温度。另外，燃烧器22包括在燃烧之前预混氧化剂和燃料的燃料空气混合器32。在一个实施例中，燃料空气混合器32可被用于在燃烧器26内获得分级燃料引入，从而在使用如氢气的燃料时进行应用。在工作中，燃料空气混合器32接收空气流34，空气流34与从燃料增压室引入到燃料空气混合器32内的燃料混合。然后，空气燃料的混合物在燃烧器22内被点燃产生火焰36。如图所示，稀释或冷却孔38也可设置在套筒24上。
图3示出了低排放量燃烧器40的另一示例性结构，所述燃烧器40用在图1所示燃气轮机10内。在所示的实施例中，燃烧器40包括具有单燃料空气混合器的环状燃烧器；然而，本领域的技术人员可以理解，根据所述应用和所需输出，多个周向设置的混合器也可用在给定的环状燃烧器内。如图所示，内套筒42和外套筒44限定燃烧器40内的燃烧区域。此外，燃烧器40通常包括内、外燃烧器衬筒46和48以及拱顶50。另外，燃烧器40包括与内、外燃烧器衬筒46和48相邻设置的内、外隔热罩52和54，以及扩散器段56，所述扩散器段56用于引导空气流58进入燃烧区域。燃烧器40还包括设置在燃烧区域上游的燃料空气混合器60。此外，来自燃料管线62和64的燃料与正在进入的空气流58混合，并且用于燃烧的燃料空气的混合物被输送给火焰66。
图4描述了另一示例性低排放量环状燃烧器70的局部剖视图，所述燃烧器70具有根据本发明技术方面的燃料空气混合器72。正如本领域技术人员所理解的一样，环状燃烧器70为一种连续强烈燃烧装置，其类型适用于用在燃气轮机10中并包括中空心体74，空心体74限定了其内的燃烧室76。空心体74一般呈环形并包括外衬筒48、内衬筒46、拱形端部或拱顶50。如图所示，空心体74的拱形端部50连接到燃料空气混合器72，以便允许随后将燃料空气混合物从燃料混合器72引入到燃烧室76内，其间由引燃和燃烧所产生的混合物而形成的污染物最少。除了这里所述的改进之外，燃料空气混合器72一般为美国专利US5,351,477、US5,251,447和US5,165,241中所述混合器的形式，上述专利通常受让给本发明的受让人，并且所述专利的全部内容被引入这里作为参考。
如图所示，燃料空气混合器72包括内旋流器80和外旋流器82。内、外旋流器80和82优选反向旋转。正如本领域技术人员所理解的那样，如果一个旋流器的旋转方向与另一旋流器的旋转方向相反，内旋流器80或外旋流器80使流过其中的空气在所述方向上旋转是无关紧要的。内、外旋流器80和82优选是轴向的，但是它们可以是径向的或者轴向与径向的一些组合。正如可应用领域的普通技术人员所了解到那样，内、外旋流器80和82具有叶片，所述叶片具有与燃烧器的轴向轴线约40°到约60°之间的某一角度。此外，流过内旋流器80的空气与流过外旋流器80的空气的质量比可根据设计进行调整，优选近似等于三分之一。
空气燃料混合器72还包括具有燃料入口88的燃料护盖86和设置在燃料护盖86下游的环状护盖86，燃料护盖86在混合器的上游端部周向围绕所述混合器。燃料护盖86可与外旋流器82流动连通并且从其注入的燃料可由公知的合适燃料供应和控制机构进行测量。同样，外旋流器82的叶片优选为空心设计，其具有连接到燃料护盖86的内腔和燃料通道，以通过燃料入口112(如图5所示)将燃料从燃料护盖86注入到环状护盖90中。如常规所了解的一样，尽管在附图中没有描述，燃料通道可设置在燃料护盖86上，所述燃料护盖86与内旋流器86流动连通。根据本发明的技术，燃料护盖86用于将高能燃料注入到燃料空气混合器72中。这里所公开的高能燃料为热值在30到120MJ/kg之间的低热值燃料。这种燃料的示例包括但并不局限于天然气和氢气。
进一步如图4所示，低能燃料增压室84将内、外旋流器80和82相互分隔开，允许内、外旋流器80和82共环并用于分离地旋转进入其中的空气。低能燃料增压室84包括两个同心管件94和96，所述同心管件构成了具有间隙95的环形区域。燃料增压室84的上游端100处具有燃料入口102。引入燃料增压室84的燃料通过第三旋流器104最终被注入到燃料空气混合器72中，所述第三旋流器104设置在燃料增压室84的下游端106。所示的第三旋流器104与内、外旋流器80和82基本共面。燃料空气混合器72还包括中心体108，所述中心体108为直筒状段形式或者优选从其上游端向其下游端基本均匀地收敛。中心体108的尺寸优选能够在环状护盖90的下游端90之前终止。
图5-7还示出了图4中的燃料空气混合器72。图5为透视图，其更好的示出了用于将高能燃料引入燃料空气混合器72的燃料注入喷嘴112。图5还示出了用于将低能燃料引入燃料增压室84的燃料入口102的一个实施例。在多个实施例中，燃料增压室84还包括多个燃料入口102，所述燃料入口102周向设置在燃料增压室84的周围，以便促进发生更加均匀的燃料注入燃料空气混合器72的过程，或者设置用于低能燃料的分离的圆锥形燃料增压室。这里所披露的低能燃料为热值低于30MJ/kg的燃料。这种燃料的示例包括但不局限于60/40或50/50比例混合的H2和N2、合成气的混合物。图6和7分别为图4所示的燃料空气混合器72的顶部视图(对于位于下游的观察者向上游看来说)和底部视图(对于位于上游的观察者向下游看来说)，其中示出了外旋流器82、第三旋流器104(图6)、内旋流器80、燃料增压室84的上游端100(图7)和中心体108的相对位置。
选择用于高能燃料的入口的有效面积和用于注射来自燃料增压室84的低能燃料的第三旋流器104的有效出口面积，以便允许以某种方式操作燃料空气混合器，从而使总压降最小，所述高能燃料通过内和/或外旋流器80和82而从燃料护盖86注射，所述总压降与燃料注射方法、燃料注射速度和对于燃料的给定空气设计限制的燃料流动马赫数和对于给定火焰温度的当量比相关，因而允许操作具有低能燃料、高能燃料和/或二者的组合的燃料空气混合器72。此外，本领域的普通技术人员可以理解，内、外旋流器80和82以及第三旋流器104适宜混合高和/或低能燃料的能力将会使保持在燃料空气混合器72或环状护盖90内的回火或火焰最小或消除。
对于五种不同类型燃料的燃料空气混合器参数变化的示例在下面的表I中示出，其列出了五种不同燃料的当量比、燃料质量流速、有效面积、有效面积增加的有效百分比、燃料注入速度、给定燃料压降的马赫数和2500(1371℃)的火焰温度。在表I中所列的结果，有效面积增加的百分比关于天然气的有效面积被限定，也就是，例如，由于对于天然气和纯氢气的有效面积分别为0.015和0.018in2，对于天然气的有效面积增加的百分比为零而对于氢气的有效面积增加的百分比为17.8(即17.8＝[((0.18-0.015)/0.015)*100]。如所应用领域的普通技术人员所理解的一样，由于所述燃料中可能存在除了N2之外的其它气体，例如但不局限于CO2、水蒸汽、CO等，有效面积增加的百分比可由表I所示数值进行变化。
如表I所示，对于2500(1371℃)的火焰温度来说，如果低能燃料为60/40或50/50比例混合的H2和N2，燃料增压室84的有效面积应当分别比用于注入高能燃料的燃料护盖86入口的有效面积约大4.67和7.13倍。对于合成气来说，燃料增压室84的有效面积应当比燃料护盖86的入口的有效面积约大12倍，对于纯氢气来说，燃料护盖86的入口的有效面积应当比当将天然气用作高能燃料时相同区域的有效面积大1.78倍。对于含有氢气(包括纯氢气)的燃料来说，氢气的质量流速仅仅在0.012到0.015lbm/sec之间变化，对于不同的燃料来说，其中示出了：(1)氢气的质量流速相同数量级的量值；(2)如果氢气被单独注入，对于所有燃料来说穿过燃料注入孔的压降将是相同的；以及(3)对于具有可接受到压力损失的燃料灵活性来说，氢气和其它混合物(N2或N2/CO)可被分别注入并在之后与燃料空气混合器内的空气混合。
对于从2000到3000(或从1093℃到1649℃)的火焰温度和60/40或50/50比例混合的氢气和氮气来说，燃料增压室84的有效面积分别比用于注入作为高能燃料的天然气的燃料护盖86的入口的有效面积约大4.2到5.6倍和6.43到8.57倍。对于合成气和相同范围的火焰温度，燃料增压室84的有效面积应当比燃料护盖86入口的有效面积约大10.82到14.43倍。对于纯氢气，燃料护盖86入口的有效面积比当将火焰温度在特定温度范围内的天然气用作高能燃料时的相同区域的有效面积约大1.6到2.14倍。
与天然气相比，利用合成气操作的难点与燃烧速度所需的高体积流量相关。在这些情况下，根据合成气的气体组分，燃料流动面积需要扩大10-15倍。此外，合成气的Wobbe指标(Wobbe index)大致低于天然气的Wobbe指标。在使用中，通过使用内、外反向旋转的空气旋流器80和82，燃料空气混合器72剪切通过螺旋旋流器104引入的低能燃料，如合成气，在以涡流运动形式将燃料空气混合物传送到燃烧室增压室之前确保与流过内、外旋流器的空气正确混合。
表I-对于燃料注射的给定压降和火焰温度为2500(1371℃)条件下的燃料空气混合器72的操作和几何参数
燃料 组分 体积比％ 质量比％ Φ@T_flame  Mdot-fuel(lb/sec) 恒定ΔPfuel的AeffectlveIn2) Aeffectlve增加的％ 恒定ΔPfuel的Ufuel(ft/s) 恒定ΔPfuel的马赫数
天然气 天然气 100 100 0.477 0.029 0.015 - 653.259 0.4633605
纯氢气 H2 100 100 0.406 0.012 0.018 17.787 1885.838 0.4485317
60/40H2/N2混合物 H2 60 9.677 0.473 0.141 0.085 466.559 759.915 0.4487939
N2 40 90.323
50/50H2/N2混合物 H2 50 9.667 0.514 0.223 0.122 713.975 691.001 0.4488592
N2 50 93.333
合成气 CO 10 13.861 0.568 0.415 0.195 1202.525 595.542 0.4489847
H2 30 2.970
N2 60 83.168
尽管未示出，本领域的普通技术人员可以理解，在其它实施例中，构成环状护盖90的壁可包括一个或多个空气通道，所述空气通道与来自环状护盖90外部的压缩空气流动连通，从而使空气在环状护盖90内流动，以便给予沿着环状护盖90内表面的空气和燃料的边界层能量。不管燃料注入到空气燃料混合器72的方式或燃料与空气在其内如何混合，这些空气流通道都可实施。这是因为有这些空气通道供应的空气对于给予沿着环状护盖90的内环状表面的边界层能量是有效的，并且增加了环状护盖90内空气向前的速度。此外，所述空气还对稀释边界层内的任意燃料的浓度和其内的火焰速度有影响，所有这些都有助于降低环状护盖90内回火的可能性。
在根据本发明技术的另一实施例中，如图8所示，中心体108还可包括用于高能燃料的环状通道113，该环状通道与多个喷嘴114流动连通，所述喷嘴与内旋流器80流动连通。本领域的技术人员可以理解，在中心体上设置附加燃料入口喷嘴将会增加燃料空气混合器72内混合的程度。在另一实施例中(未示出)，多个喷嘴114优选直接位于内旋流器80的下游，燃料可从此也被注入到燃料空气混合器72中。可以理解，如果气态或液态燃料被注入到燃料空气混合器72内，气态的燃料优选通过旋流器叶片通道和喷嘴112注入，而也可燃料通过设置内旋流器80下游中心体108上的喷嘴注入。因此，可以理解，燃料类型的变化可通过增加设置在中心体108上的喷嘴而增加燃料注入的量，而相应地降低通过叶片的燃料注入量来快速简单地完成。在另一实施例(未示出)中，中心体108可优选包括穿过其顶端的通道，以便允许具有较高轴向速度的空气进入中心体108附近的燃烧室76，这一特定的实施例能够降低局部燃料/空气的比值，从而有助于向中心体顶端的下游推动火焰。
根据本发明技术的又一实施例中，如图9所示，在燃料护盖86与环状护盖90之间，燃料空气混合器72包括径向旋流器116。引入内旋流器80或外旋流器82的燃料可倾向于向环状护盖90的表面聚集，从而产生在环状护盖90的下游端96处产生高浓度的燃料。在环状护盖90的出口附近，增加了的燃料浓度不仅仅增加了进入环状护盖90的回火可能性，而且还增加了燃烧室76内形成的NOx的量。径向旋流器116的一个有意特征为引入其中的空气增强了环状护盖90表面附近燃料空气的混合，从而降低和/或消除了环状护盖90出口附近具有高燃料浓度的区域，因此降低了燃烧室76内所形成的NOx的总量。
如图10所示，径向旋流器116包括设置在其上游端的第一环118，该第一环118具有多个位于外表面122上的叶片120。每一叶片120被设置在外表面122上以便在空气燃料混合器72的轴向轴线A周围周向延伸，每一叶片120的第一端部或尾缘124从每一叶片120的第二端部或前缘125径向向内设置并位于第一环118外缘126附近。如图所示，第一环118还包括从第一环118的内缘轴向延伸的环状凸缘128。径向旋流器116的另一构件为轴向远离第一环118设置的第二环130，以便在它们之间形成沿着径向方向和轴向方向延伸的间隙。如图所示，第二环130的第一表面132径向向内延伸，与第一环118的外表面122形成径向延伸的间隙134，在该间隙内设置有多个叶片120。第二环的第二表面136轴向延伸，以便与第一环118的环状凸缘128形成轴向延伸的间隙138。第二环130还包括套管140，当组装燃料空气混合器72时将燃料空气混合器72的环状护盖90设置在所述套管140内。
相对于内、外旋流器80和82的位置和/或离开径向旋流器92的空气流的径向旋转程度，沿着燃料空气混合器72的径向旋流器116的轴向位置根据燃料空气混合器72的下游端110处所需燃料空气混合物的混合程度而定，尤其是在环状护盖92的壁附近区域内。此外，根据所需的预混效率和操作条件，包括如下因素，例如但不局限于燃料压力、燃料温度、进入空气的温度、燃料注入速度，可选择/优化径向旋流器116的几何参数和尺寸。燃料的示例包括天然气、高氢气体、氢气、沼气、一氧化碳和合成气。然而，也可使用各种其它燃料。
在所有可应用领域的技术人员可以理解，图4-10所公开的燃料空气混合器的有益特征可用在除所示实施例之外的替换组合中。例如，所公开的本发明范围内的燃料空气混合器的另一实施例可包括与径向旋流器结合的第三旋流器，而不需穿过中心体引入燃料。此外，可以理解，所公开的设计和它们的等同物可用在所述的各种燃料类型的操作中。例如，高能燃料可为通过所公开的高能燃料注入口注入的天然气和/或纯氢气。在另一示例中，燃料空气混合器可与通过所公开的低能燃料注入口供应当氢气/氮气或合成气(氢气/一氧化碳/氮气)一同操作。这些燃料空气混合器还可用于局部预混模式达到100％预混的合成气燃烧，从而与目前的IGCC燃烧系统相比确保低的NOx燃烧。这种混合器具有喷嘴，所述喷嘴用于燃烧从100％的氢气到一氧化碳与氢气和水蒸气或其它惰性气体(如二氧化碳)的混合物以与合成气的局部预混或完全预混模式操作，同时不需要任何水蒸气的注入来控制NOx。
燃料空气混合器72的上述实施例尤其适用于用作整体气化联合循环或IGCC中，其是具有由燃料燃烧驱动的燃气轮机的循环，所述燃料来源于固体燃料(如煤)的气化，而燃气轮机排出的废气与水/水蒸气进行热交换从而产生驱动蒸汽轮机的超热水蒸气。IGCC发电厂的气化部分产生清洁的煤气，所述煤气是通过使煤和氧气在气化炉中结合从而产生气态燃料而形成的，所述气态燃料主要为氢气和一氧化碳或合成气。气体的清洁工艺之后净化所述合成气，所述合成气之后被用在燃气轮机的燃烧器中以便进行发电。IGCC发电厂通常具有较高的效率和较低的排放量以及较高的输出。当将由空气分离装置或ASU获得的氮气引入燃气轮机的燃烧器时，从而增加了通过燃气轮机的质量流量并通过损害用于燃烧的空气降低了总的燃烧温度和氧气浓度，因此在IGCC发电厂内就实现了较高的输出。根据本发明实施例的燃料空气混合器72适用于IGCC发电厂内。尤其是，燃料空气混合器72可用在燃气轮机燃烧器中，并且在燃烧合成气时可将氮气引入径向旋流器116内，从而有助于降低所述壁附近的高燃料浓度并有助于增加燃料空气混合的性质。这一径向旋流器还可被应用以便氮气流过并在纯氢气燃烧期间在护盖内与氢气和空气混合，再次避免燃料空气混合器出口处出现局部高的当量比区域。
在典型的IGCC燃气轮机燃烧器中，氢气和氮气一起通过内、外旋流器80和82的燃料注入口而被引入。在一些实施例中，不是氢气与氮气混合和通过燃料口引入所述混合物，而是氢气被输送到燃料口并且氮气由径向旋流器注入或利用进入的空气进行供应，从而损害所述空气以便降低氧气的总体有用性，因此与常规的水平相比可使NOx的水平降低70％。在本发明的一个实施例中，燃烧器出口处的NOx水平为3-5ppm或更低。这一性能上的改进被实现了，同时受损的空气增强了阻止回火和在燃料空气混合器72内保持的火焰的阻力。然而，尽管IGCC发电厂的上述优点是清晰的，但是本领域的技术人员还可以理解，所公开的燃料空气混合器可用于更新目前生产燃气轮机的发电燃烧器。
上述的燃料空气混合器还可用在气液系统中，以便在所述系统的燃烧器内在反应之前增强氧气与天然气的与预混。通常，所述气液系统包括空气分离装置、气体处理装置和燃烧器。在操作中，空气分离装置将氧气同空气分离开，所述气体处理装置制备用于在燃烧器内转化的天然气。来自空气分离装置的氧气和来自气体处理装置的天然气直接流到燃烧器，所述天然气和氧气在燃烧器内以升高的度温度和压力进行反应从而产生合成气。在该实施例中，燃料空气混合器连接到燃烧器上以便在燃烧器内在反应之前促进氧气与天然气的预混。此外，燃料空气混合器的径向旋流器116有助于携带进入的天然气，从而以高的燃料氧气当量比(约3.5到约4，甚至以上)使天然气与氧气混合，以便使合成气的产量最高，并使保留时间最短。在特定的实施例中，可将水蒸气添加到氧气或燃料中以增加处理的效率。
之后，使所述合成气骤冷并将其引入到Fischer-Tropsh处理装置中，氢气和一氧化碳在该处理装置内通过催化剂被重新合成长链液态烃。最后，所述液态烃在裂化装置中被转化和裂解为产品。有意的是，具有径向旋流器的燃料空气混合器使天然气和氧气快速预混并在气液系统中产生很短的保留时间。
上述方法的各个方面在不同的应用中具有实用性，如用于燃气轮机和加热设备(如锅炉)内的燃烧器。此外，这里所述的技术在燃烧之前增强了燃料和空气的预混，因而大大地降低了排放量并增加了燃气轮机系统的效率。所述预混技术可被用于不同的燃料，例如但不局限于高和低体积热量值的气态化石燃料，包括天然气、烃、一氧化碳、氢气、沼气以及合成气。因此，如上所述，燃料空气混合器可被用在用于整体气化联合循环(1GCC)的燃料灵活的燃烧器中以降低污染物的排放量。在特定的实施例中，所述燃料空气混合器被用在飞机发动机氢燃烧器中或用于航改和笨重机器的其它燃气轮机燃烧器中。另外，所述燃料空气混合器可用于促进水蒸气(如氧化燃料)的部分预混，这对于一氧化碳自由循环和废气再循环尤其有用。
因此，根据上述的附加径向旋流器的预混技术能够加强燃烧器内的预混和火焰稳定性。此外，本技术能够降低排放量，尤其是来自这种燃烧器的NOx的排放量，因而以环境较好的方式影响燃气轮机的操作。在特定的实施例中，这种技术有助于使穿过燃烧器，尤其是氢气燃烧器的压降最小。另外，通过附加径向旋流器而获得的加强预混促进了燃烧器的加强减弱、回火阻力和增加的燃烧中断边缘。
在所示的实施例中，燃料和空气的更好混合使得更好减弱并允许对当量比低至约0.2的天然气和空气的混合物进行操作。此外，与现有的系统相比，燃烧中断边缘得到显著改善。另外，如前所述，这一系统可与各种燃料一同使用，因而提供了加强的燃料灵活性。例如，上述的有效面积范围允许所述系统能够使用作为高能燃料的天然气或氢气和/或作为低能燃料的合成气。这种系统的燃料灵活性消除了对硬件变化或具有不同燃料所需的不同燃料口的复杂结构的需求。如上所述，所述的燃料空气混合器可利用各种燃料，因而提供了所述系统的燃料灵活性。另外，上述的技术可用在现有的筒形或筒形环状燃烧器中，以便降低排放量和燃烧器内的任意动态振荡和转变。此外，所示的设备还作为引火用于现有的燃烧器中。
在燃烧系统内预混高能燃料或低能燃料和氧化剂的方法也在所公开的本发明的实施例范围内，这些方法包括如下步骤：抽吸燃料空气混合器的环状护盖内的第一股氧化剂；使外旋流器内的第一股氧化剂的第一部分在第一方向上旋转；使内旋流器内的第一股氧化剂的第二部分在第二方向上旋转；第二方向与第一方向相反；并且将高能燃料从燃料护盖注射入燃料空气混合器或将低能燃料从燃料增压室注射入燃料空气混合器，所述燃料护盖与燃料入口喷嘴流动连通，所述燃料增压室包括由之间具有间隙的轴向延伸的内、外护盖形成的环形空间、设置在燃料增压室上游部分的至少一个燃料入口、设置形成在内、外护盖之间的位于燃料增压室下游部分的燃料增压室旋流器，所述燃料增压室的内护盖周向设置在内旋流器的外圆周端部周围。
关于上述描述，应当意识到，本发明部件的最优尺寸关系，包括大小变化、形状函数、操作、组装和使用的方式，确信对于本领域技术人员是很显然和显而易见的，因此，与附图所示和说明书所述内容等同的所有关系都应当仅有所附权利要求书所包含。另外，尽管本发明已经被附图示出并利用与目前确信可实践的内容相联系的特征和细节和多个本发明示例性实施例在上面进行详尽的描述，对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离这里所提出的原理和构思的情况下可对本发明作出多种改变。因此，本发明合适的范围应当仅由所附权利要求书的最宽解释所确定，以便包含所有这些改变和等同替换。

Claims (10)

1.一种空气燃料混合器，包括：环状护盖，其具有沿轴向方向延伸的轴线、沿径向方向延伸的径向轴线、上游和下游端部；
中心体，其沿着环状护盖的轴向轴线延伸；
内旋流器，其具有设置在中心体外表面周围的内周向端部，所述内旋流器设置在环状护盖的上游端；
燃料增压室，其具有由轴向延伸并在它们之间具有间隙的内、外护盖构成的环形空间，燃料入口，设置在燃料增压室的下游部分处位于内、外护盖之间的间隙内的燃料增压室旋流器、周向设置在内旋流器外周向端部分周围的内护盖；
外旋流器，其具有设置在燃料增压室的外护盖周围的内周向端部分，所述内、外旋流器被构型为使在环形护盖的上游端部进入环状护盖的第一氧化剂流的第一和第二部分分别独立旋转；以及
燃料护盖；其设置在环状护盖的上游端部，并在径向方向上远离第二旋流器和周向地设置在环状护盖的周围，所述燃料护盖与外旋流器内的多个燃料注入口流动连通。
2.如权利要求1所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述的燃料空气混合器被构型为使空气与燃料混合，所述燃料选自由高能燃料、低能燃料和它们的组合所构成的组。
3.如权利要求2所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述燃料增压室被构型为通过燃料增压室旋流器将用于注入的低能燃料传送到燃料空气混合器内。
4.如权利要求3所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述燃料护盖被构型为通过所述多个外旋流器内的燃料注入口将高能燃料传送到燃料空气混合器内。
5.如权利要求4所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述低能燃料为氢气和氮气的50/50比例混合的混合物，或者所述高能燃料为天然气，并且燃料增压室旋流器的有效面积比外旋流器内的用于注入天然气的多个燃料注入口的有效面积约大6.43到8.57倍，以便火焰温度在2000到3000(或者从1093℃到1649℃)的范围内。
6.如权利要求4所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述低能燃料为氢气和氮气的60/40比例混合的混合物，或者所述高能燃料为天然气，并且燃料增压室旋流器的有效面积比外旋流器内的用于注入天然气的多个燃料注入口的有效面积约大4.2到5.6倍，以便火焰温度在2000到3000(或者从1093℃到1649℃)的范围内。
7.如权利要求4所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述低能燃料为合成气或者所述高能燃料为天然气，并且燃料增压室旋流器的有效面积比外旋流器内的用于注入天然气的多个燃料注入口的有效面积约大10.82到14.43倍，以便火焰温度在2000到3000(或者从1093℃到1649℃)的范围内。
8.如权利要求4所述的燃料空气混合器，其特征在于：所述高能燃料为纯氢气，并且用于注入所述纯氢气的外旋流器内的多个燃料注入口的有效面积比当高能燃料为天然气时的相同有效面积约大1.6到2.14倍。
9.一种在燃烧系统内使高能燃料或低能燃料与氧化剂预混的方法，包括：
通过空气混合器上的氧化剂入口抽吸环状护盖内第一股氧化剂；
使外旋流器内第一股氧化剂的第一部分在第一方向上旋转；
使内旋流器内的第一股氧化剂的第二部分在第二方向上旋转，该第二方向与所述第一方向相对；以及
将高能燃料从燃料护盖注入到燃料空气混合器内，所述燃料护盖与外旋流器内的燃料入口喷嘴流动连通，所述燃料护盖一般与第一和第二旋流器位于相同的轴向位置；或者
将低能燃料从燃料增压室注入到燃料空气混合器内，所述燃料增压室包括由轴向延伸的内、外护盖所构成的环状空间，所述内、外护盖之间具有间隙，燃料入口设置在燃料增压室的上游部分，并且燃料增压室旋流器设置在燃料增压室下游处的内、外护盖之间的间隙内，所述燃料增压室的内护盖周向设置在内旋流器的外周向端部的周围。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
抽吸环状护盖内的第二气流，以及
使第二气流在径向旋流器内旋转，所述径向旋流器设置在燃料护盖和内、外旋流器的轴向位置的上游，所述第二气流被从环状护盖外的区域内抽吸，并且所述第二气流的旋转能够控制环状护盖出口处环状护盖的壁附近的燃料浓度。
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