CN101765742A - 预混合式燃烧器和用于运行预混合式燃烧器的方法 - Google Patents

预混合式燃烧器和用于运行预混合式燃烧器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行预混合式燃烧器(1)的方法。所述预混合式燃烧器(1)包括预混合区(2)。将空气质量流(5)和燃料(6)喷入该预混合区(2)，其中会形成潜在的热燃气回流区(8)。本发明方法的特征在于，将不含燃料的流体(15)在燃料喷嘴下游喷入到预混合区(2)中。

Description

预混合式燃烧器和用于运行预混合式燃烧器的方法
技术领域
本发明涉及一种预混合式燃烧器、特别是一种合成气-预混合式燃烧器，和一种用于运行预混合式燃烧器的方法。
背景技术
预混合式燃烧器典型地包括预混合区，空气和燃料在该预混合区中被混合，然后将混合物传输到燃烧室。混合物在那里燃烧，其中产生高压的热燃气。该热燃气被进一步传输到涡轮机。关于预混合式燃烧器的运行首先要保持氮氧化物排放少并且要避免火焰反冲。
合成气-预混合式燃烧器的特征是，在该合成气-预混合式燃烧器中使用合成气作为燃料。与主要由碳氢化合物组成的、经典的涡轮机燃料天然气和石油相比，合成气的可燃成分主要是一氧化碳和氢气。根据气化方法和全部设备设计方案，合成气的热值比天然气的热值大约小5到10倍。
除了合成气的化学计量的燃烧温度，在火焰前端合成气和空气之间的混合品质是用于避免温度尖峰和由此使热的氮氧化物形成最小化的一种重要影响参数。
合成气的主要成分除了一氧化碳和氢气还有惰性成分。惰性成分是氮气和/或水蒸气和必要时还有二氧化碳。由于小的热值，因此必须将大体积流的可燃气体输入到燃烧室中。这导致，对于低热量的燃料、例如合成气的燃烧，比在通常的高热量的可燃气体的情况下需要明显更大的喷嘴横截面。
输入到燃烧室中的空气流典型地借助空气涡旋产生器打旋。将燃料经过一个或多个并排或者前后设置的圆形孔列喷入到该打旋的空气质量流中。
为了保证燃料和空气之间充分的混合，单个燃料射束必须足够深地进入到空气质量流中。与诸如天然气的高热量的可燃气体相比，要求相应更大的、自由的喷嘴横截面。这导致，燃料束敏感地干扰空气流，这最后导致在燃料束的尾流区中出现空气流的局部分离。在燃烧器中形成的回流区是不期望的并且特别是在燃烧高活性的合成气时一定要避免的。在极端情况下，在燃烧器的混合区内部的该局部回流区导致火焰反冲到预混合区并且由此导致燃烧器损坏。
火焰反冲的风险可以通过如下来最大程度地避免：在扩散运行中进行高活性的合成气的燃烧。然而为了实现低的氮氧化物的排放，必要时需要利用惰性气体、优选利用蒸汽来高度稀释。在预混合式燃烧的情况下，通过喷嘴孔的合适成形来减少在燃烧器内部尾流区或者说热燃气回流区的形成，但是不能从根本上避免。
在EP1614963A1中提出了一种在燃烧用于运行燃气轮机的低热量燃料的情况下用于降低氮氧化物排放和用于防止火焰反冲的方法，在该方法中将低热量的燃料与空气逐级地预混合。
此外，在EP1614967A1中提出了一种用于燃烧用来运行燃气轮机的低热量燃料的方法，在该方法中在预混合的范围内将低热量燃料与空气预混合为低热量的燃料-空气混合物并且避免了低热量的燃料-空气混合物的转化。
特别为了防止火焰反冲，在EP1507120A1中提出了一种具有环形燃烧室的燃气轮机，在该燃气轮机中在燃烧气体入口区域中围绕环形燃烧室的整个周边设置了一个涡旋格栅(Drallgitter)，由此与分别具有一个涡旋格栅的单个空气进入区域相比，进入的燃烧气体达到更高的流速。这产生防止火焰反冲的更高安全性和形成燃烧波动的更小趋势。
为了保证安全的预混合运行，一定要避免在燃烧器的预混合区内部的流动分离或者说回流区。但是至少这样构成潜在的不导致燃烧器损坏的回流区。通常回流区出现在燃料气体束的尾流中靠近壁的区域。
关于氮氧化物最小化，通常将特别是惰性物质流作为稀释介质加入空气质量流或者燃料质量流中(熄火)。采用低配合比的预混合技术使得可以减少所使用的稀释介质的量，这提高了设备的经济性。然而由于缺少惰性而呈现高活性的燃料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提出一种具有优势的、用于运行预混合式燃烧器的方法，在该方法中避免了热燃气回流区的形成。本发明的另一个要解决的技术问题是，提供一种具有优势的预混合式燃烧器。
本发明通过一种根据权利要求1的、用于运行预混合式燃烧器的方法和一种根据权利要求10的预混合式燃烧器解决上述技术问题。从属权利要求包含了本发明的其它有利的实施方式。
按照本发明的方法涉及一种具有预混合区的预混合式燃烧器。将空气质量流和燃料喷入燃烧室，其中会形成潜在的热燃气回流区。按照本发明的方法的特征是，将不含燃料的一种流体在燃料喷入处的下游喷入到预混合区中。
通过将例如冷空气局部喷入到尾流区或回流区中，最大程度地防止在燃烧器的预混合区内部形成尾流区或回流区。至少在该区域中尽可能稀释并冷却燃料，使得在燃烧器的预混合区中不会发生燃料-空气混合物的反应或者说燃烧。由此燃烧器的安全的预混合运行是可能的。
特别是可以将流体沿着预混合区的、位于潜在的热燃气回流区中的表面在主流方向上喷入到预混合区中。在主流方向上沿着构件表面喷入所述流体，防止实际上形成热燃气回流区和/或稀释并冷却那里的燃料-空气混合物，使得不存在明显的点燃条件。
特别可以将燃料沿着与空气质量流的主流方向相垂直的方向喷入预混合区中，就彻底混合空气和燃料来说，这是有利的。原则上可以将燃料在锥面(Konusseite)和/或在毂面(Nabeseite)上喷入预混合区中。还可以将燃料经过至少一个旋流叶片喷入到预混合区。燃料特别还可以是合成气。
沿着位于潜在的热燃气回流区中的表面喷入到预混合区中的流体例如可以是空气或惰性气体。作为惰性气体是指反应非常缓慢的气体，也就是只参与很少的化学反应。作为惰性气体特别可以使用二氧化碳、水蒸气、氮气，也可以使用所有的稀有气体。当要避免对于易燃的燃料的点燃条件时，使用惰性气体是特别合适的。
在使用空气作为喷入到预混合区中的流体时，比较有利的是，使用本来就喷入到预混合区中的空气质量流的空气。例如可以将输入到预混合区中的整个空气的10％分量留出并且沿着预混合区的、位于潜在的热燃气回流区中的表面喷入到预混合区中。可以任意选择沿着预混合区的、位于潜在的热燃气回流区中的表面喷入的空气的分量。在此优选要使用的空气分量的大小取决于预混合区的几何形状及尺寸，取决于空气质量流的速度和喷入的燃料的速度。
按照本发明的预混合式燃烧器具有预混合区、具有进气口的空气涡旋产生器和一个或多个燃料喷嘴。在此可以将燃料通过燃料喷嘴喷入由空气涡旋产生器在预混合区中打旋的空气质量流中，其中会形成潜在的热燃气回流区。按照本发明的预混合式燃烧器的特征是，在潜在的热燃气回流区中的预混合区表面至少具有一个开口，通过该开口可以将流体喷入预混合区中。特别是可以具有这样设置的开口，即，使得可以将流体在燃烧器的主流方向上沿着预混合区的表面喷入。
通过将流体局部喷入潜在的热燃气回流区中，可以最大限度地防止在燃烧器的预混合区内部形成热燃气回流区。至少稀释和冷却在热燃气回流区中的热燃气，使得在燃烧器的预混合区内部不会出现以空气-热燃气混合物的燃烧形式的反应。这防止了火焰反冲和减小了氮氧化物形成，也就是允许燃烧器的安全的预混合运行。
在热燃气回流区中的预混合区表面优选具有多个开口。这个开口或这些开口优选可以经过流体通道与通向空气涡旋产生器的进气口这样相连，使得通过该开口可以将一部分空气作为流体喷入燃烧室。
燃料喷嘴可以位于预混合区的锥面和/或毂面。这些燃料喷嘴优选在空气涡旋产生器下游布置成一排或依次排列的多排。由此可以分级喷入燃料。此外燃料喷嘴和/或开口还可以位于空气涡旋产生器中、优选位于至少一个旋流叶片中。
单个燃料喷嘴例如可以构造为圆形的钻孔。另一种可能性是这样构造燃料喷嘴，使得可以将燃料与空气质量流的主流方向垂直地喷入燃烧室，这促进了混合。当然还可以将燃料与空气质量流成任意的其它角度地喷入。使用的燃料特别可以是合成气。
附图说明
以下参照附图结合实施例描述本发明的其它特征、特性和优点。附图中：
图1示意性示出了通过一种预混合式燃烧器的一部分的截面，
图2示意性示出了在图1中示出的预混合式燃烧器内部的流动情况，
图3示意性示出了通过按照本发明的预混合式燃烧器的一部分的截面，
图4示意性示出了在图3中示出的预混合式燃烧器内部的流动情况，
图5示意性示出了通过旋流叶片的截面。
具体实施方式
以下参照图1至5详细描述本发明。图1示意性示出了通过通常的预混合式燃烧器1的一部分的截面。预混合式燃烧器1除了别的之外还包括外壳7、预混合区2、空气涡旋产生器10和一个或多个燃料喷嘴11。预混合区2径向对称地围绕中轴线12设置。预混合区2从中轴线12看的外侧面在以下称为锥面3。预混合区2的面向中轴线12的侧面在以下称为毂面4。
空气质量流5通过进气口16到达空气涡旋产生器10。空气涡旋产生器10旋动空气质量流5并且将其继续传输到预混合区2中。空气质量流从那里沿主流方向9被继续传输到燃烧室(未示出)。
在预混合区2的毂面4上有一个或多个燃料喷嘴11。在本实施例中将燃料6通过这些燃料喷嘴11与空气质量流5的主流方向9垂直地传输到预混合区2中。此时在主流方向9上在燃料喷嘴11的下游形成热燃气回流区8。代替与空气质量流5的主流方向9垂直的喷嘴，还可以将燃料6与主流方向9成任意的其它角度喷入。
喷入的燃料的流动方向通过箭头6表示，输入的空气质量流的流动方向通过箭头5来表示。在预混合区2内部的主流方向通过箭头9来标记。
在图2中示意性示出在预混合区2内部的流动情况。在图2中可以看出从预混合区2内部看的燃料喷嘴11的俯视图。流经燃料喷嘴的空气质量流的主流方向通过箭头9来表示。此时沿主流方向9在燃料喷嘴11下游形成热燃气回流区8。回流的热燃气的流动方向通过箭头13表示。
图3示意性示出了通过按照本发明的预混合式燃烧器1的一部分的截面。在图3中示出的预混合式燃烧器1的基本结构和基本工作原理基本上相应于图1示出的预混合式燃烧器的基本结构和基本工作原理。
除了图1描述的预混合式燃烧器的结构外，按照本发明的预混合式燃烧器还包括沿主流方向9处于燃料喷嘴下游的一个或多个流体入口14。流体入口14通入预混合区2中。在本实施例中通过这些流体入口14将流体，例如空气或者惰性气体沿主流方向9喷入到预混合区2中。喷入的流体的流动方向通过箭头15表示。在此，该喷入方向15在预混合区2内部基本上平行于主流方向9延伸。喷入的流体防止了如在图1所示的预混合式燃烧器中出现的热燃气回流区的形成。
在图4中示意性示出了在图3中示出的预混合区2内部的流动情况。在图4中可以看出从预混合区2看的燃料喷嘴11和流体入口14的俯视图。由涡旋产生器10向燃料喷嘴11和流体入口14方向流动的空气的主流方向通过箭头9来表示。通过流体入口14喷入的流体的流动方向通过箭头15表示。通过流入的流体，热燃气13也一起沿主流方向9被传输。以这种方式有效防止热燃气13相对主流方向9的回流。
在本实施例中，经过流体入口14喷入的流体是空气，其经过流体通道与空气质量流5相连并且从空气质量流5中分流。就避免热燃气回流来说有利的是，将全部输入到预混合区2的空气的大约5％至20％、优选10％，经过流体入口14输入到预混合区2中。替代空气，还可以经过流体入口14将惰性气体，例如二氧化碳、水蒸气或者氮气喷入预混合区2中。原则上还可以喷入稀有气体。
可以将燃料可选地垂直于空气质量流5的主流方向9喷入预混合区2，如结合图1和图3描述的，或者将燃料与空气质量流的主流方向9成任意角度地喷入预混合区2中。燃料喷嘴11原则上既可以位于预混合区2的锥面3也可以位于毂面4或者位于旋流叶片17中。在燃料喷嘴11位于预混合区2的锥面3的情况下，具有优势的是，也将流体入口14相应地置于锥面3上。流体入口14仍应该沿主流方向9位于燃料喷嘴下游，并且使得可以沿主流方向9喷入所述流体。
燃料喷嘴11可以在空气涡旋产生器10下游布置成一排或依次排列的多排。它们有利地可以构造为圆形的钻孔。通过这些喷嘴喷入的燃料尤其也可以是合成气。
以下描述本发明的另一个实施方式变型方案，在该实施方式变型方案中，将燃料6和不含燃料的流体15经过旋流叶片17喷入预混合区中。在图5中示意性示出了通过旋流叶片17的截面。旋流叶片17在其内部具有燃料流通道18和沿主流方向9在该燃料流通道18下游的流体流通道19。
将燃料6经过燃料流通道18通过燃料喷嘴11从旋流叶片17喷入预混合区2中。将流体15、优选是惰性气体，经过流体流通道19通过流体入口20、21、22喷入预混合区2中。在此，流体入口20、21、22沿主流方向9位于燃料喷嘴11下游。
在本实施方式变型方案中，将流体15的一部分通过在燃料喷嘴11旁下游设置的流体入口20，基本上与主流方向9相对向地喷入预混合区2中。通过在该流体入口20旁边下游设置的流体入口21，将流体15的一部分几乎垂直于主流方向9地喷入预混合区2中。在所述流体入口21旁边下游设置另一个流体入口22，通过该流体入口22将流体15的一部分基本上沿主流方向9喷入预混合区2中。
通过流体入口20、21、22的所述设置，避免了在燃料喷嘴11下游形成热燃气回流区，并且允许燃烧器可靠地预混合运行。

Claims (18)

1.一种用于运行预混合式燃烧器(1)的方法，所述预混合式燃烧器(1)包括一预混合区(2)，空气质量流(5)和燃料(6)喷入该预混合区，其中可能会形成潜在的热燃气回流区(8)，其特征在于，将一种不含燃料的流体(15)在燃料喷入处的下游喷入到该预混合区(2)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述流体(15)沿着所述预混合区(2)的、位于潜在的热燃气回流区中(8)的表面在主流方向(9)上喷入到所述预混合区(2)中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述燃料(6)沿着与空气质量流(5)的主流方向(9)相垂直的方向喷入所述预混合区(2)中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述预混合区(2)包括锥面(3)和毂面(4)，并且燃料(6)在该锥面(3)和/或在该毂面(4)上喷入所述预混合区(2)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料(6)经过至少一个旋流叶片(17)喷入到所述预混合区(2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料(6)是合成气。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体(15)是空气或惰性气体。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述惰性气体是稀有气体、二氧化碳、水蒸气或氮氧化物。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述流体(15)是空气并且将输入到所述预混合区(2)的所有空气的10％沿着所述预混合区的、位于热燃气回流区(8)中的表面喷入。
10.一种预混合式燃烧器(1)，包括一预混合区(2)、一具有进气口(16)的空气涡旋产生器(10)和至少一个燃料喷嘴(11)，其中，可将燃料(6)通过燃料喷嘴(11)喷入由空气涡旋产生器(10)在预混合区(2)中旋动的空气质量流中，其中可能会形成潜在的热燃气回流区(8)，其特征在于，所述燃烧器表面在潜在的热燃气回流区(8)中具有至少一个开口(14)，通过该开口可以将一种流体(15)喷入该预混合区(2)中。
11.根据权利要求10所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，所述开口(14)经过流体通道与通向所述空气涡旋产生器(10)的所述进气口(16)这样相连，使得可以将一部分空气作为流体(15)通过所述开口(14)喷入所述预混合区(2)。
12.根据权利要求10或11所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，所述预混合区(2)包括锥面(3)和毂面(4)，并且所述燃料喷嘴(11)位于所述预混合区(2)的该锥面(3)和/或该毂面(4)上。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，所述燃料喷嘴(11)在所述空气涡旋产生器(10)的下游布置成一排或依次排列的多排。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，所述燃料喷嘴(11)和/或所述开口(14)位于所述空气涡旋产生器(10)中。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，所述燃料喷嘴(11)构造为圆形的钻孔。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，这样构造所述燃料喷嘴(11)，使得可以将所述燃料(6)沿着与所述空气质量流的主流方向(9)垂直的方向喷入所述预混合区(2)。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，所述燃料(6)是合成气。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的预混合式燃烧器(1)，其特征在于，具有开口，通过所述开口可以将所述流体(15)按照位于所述预混合区(2)中的空气质量流的主流方向沿着预混合区(2)的表面喷入所述预混合区(2)中。
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