CN102171515A - 燃烧器和用于运行燃烧器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧器(100)和一种用于运行燃烧器(100)的方法。燃烧器(100)包括一个通道(1)，该通道具有一个混合区(2)和一个氧化剂输入件，尤其空气输入件(16)，以及具有至少一个用于喷入燃料的燃料输入件，其中，在通道(1)内设隔离装置(15)，它将通道(1)沿通道的一个纵长区分成至少两个隔开的通道，亦即第一通道(3a)和第二通道(3b)。这种燃烧器(100)的运行方法，其中燃烧器(100)包括一个通道(1)，它有一个预混区(2)，氧化剂质量流和燃料喷入其中，按本方法，借助一个在通道(1)内的隔离装置(15)以及至少两个借此隔离装置构成的隔开的第一和第二通道(3a)、(3b)，形成两个基本上独立的流动路径。

Description

燃烧器和用于运行燃烧器的方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，它包括一个通道，通道有一个混合区和一个氧化剂输入件，尤其空气输入件，以及有至少一个用于喷入燃料的燃料输入件。此外本发明还涉及这种燃烧器的工作方法。

背景技术

干天然气预混燃烧利用于低有害物排放的天然气燃烧。预混燃烧器典型地包括一个预混区，空气和燃料在其中混合，然后将混合物引入燃烧室。混合物在燃烧室燃烧，与此同时产生处于高压状态的燃气。这种燃气进一步引向涡轮机。预混合尤其对于氮氧化物排放是有利的，因为在预混火焰中基于均匀的混合形成均匀的火焰温度。氮氧化物的生成随火焰温度成指数关系增加。因此，与预混燃烧器的工作相结合，尤为重要的是保持低的氮氧化物排放量和避免失控燃烧，例如火焰反冲。

合成气燃烧器的特征在于，在其中使用合成气作为燃料。与传统的涡轮机燃料，亦即基本上由碳氢化合物组成的天然气和石油相比，合成气的可燃成分主要是一氧化碳和氢。取决于气化方法和整个设备的设计方案，合成气的热值比天然气大约小5至10倍。

除了合成气的化学计量的燃烧温度外，在火焰前缘合成气与空气之间的混合质量，对于避免温度峰值并因而对于将高温氮氧化物的生成减小到最低程度是重要的影响参数。

合成气的主要组成部分，除一氧化碳和氢外还有惰性成分。惰性成分涉及氮和/或水蒸气以及可能还有二氧化碳。因为热值低，所以必须在燃烧室内引入大容积流量的可燃气体。

当前的合成气燃烧室基于高的反应性设计为扩散燃烧室。蒸汽或氮通常用作稀释剂，目的是减少热NOx生成。在合成气燃烧时使用蒸汽/氮作为稀释剂，降低总设备的最高效率。

为了降低峰值温度并因而降低NOx排放量，迄今所有合成气燃烧器要求添加或混合一种惰性介质(蒸汽)。但是由于合成气燃烧器的设计基础是以合成气作为主燃料，所以需要量很大的惰性介质，这使得用天然气工作在经济上并没有吸引力，因为例如在用天然气工作时，使用扩散燃烧的设计方案也要添加一种惰性介质。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是，提供一种燃烧器，它不仅可以用可燃的天然气，尤其天然煤气工作，也可以用合成气工作，并且克服上面提及的那些缺点。另一个要解决的技术问题是提供一种用于运行这种燃烧器的方法。

第一个技术问题通过按权利要求1的燃烧器得以解决。涉及方法的技术问题通过提供一种按权利要求12所述的方法得以解决。从属权利要求包含本发明其他有利的设计。

按本发明的燃烧器包括一个通道，它具有混合区，尤其预混区和氧化剂输入件，尤其空气输入件，以及具有至少一个用于喷入燃料的燃料输入件，其中，在通道内设隔离装置，它将通道沿通道的纵长区分成至少两个隔开的通道，亦即第一通道和第二通道。

因此，按本发明单个通道分成至少两个通道，亦即第一和第二通道。形成的每个这种通道有比总通道小的容积。现在附加地通过隔离装置形成的第二通道，优选地容积较小的通道，可根据工作类型供给燃料。当在此第二通道内喷入合成气时，在这里是空气的氧化剂在此第二通道内基本上被置换。这种置换是可能的，因为涉及的是一种所谓开放的第二通道。此时它通过隔开的第一通道流动。由此基本上形成一种扩散式合成气工作模式。在第二通道中的合成气/或合成气氧化剂混合物，以与在第一通道内氧化剂相同的速度排出。由此避免不希望的切变。此外，第二通道和第一通道可以加入氧化剂，优选地空气。除此之外，紧接着可以在两个通道内都喷入天然气，它们在预混区内预混合。这与传统的用天然气工作和预混合一致。

因此借助本发明燃烧器既可以用合成气也可以用天然气工作。

此外本发明还可以使合成气的工作基本上相当于扩散式工作模式，而天然气工作基本上相当于预混合原则。由此使例如合成气燃烧器的工作，在经济上对于用天然气工作有吸引力。

优选地，规定一条中轴线，以及隔离装置同心于该中轴线。按优选的设计，隔离装置基本上处于一条流线上。由此不形成在流动技术上认为是失控的紊流。此外，与传统的标准燃烧器相比，实现所述方式仅相当于有微小的改变，这又带来突出的经济上的优点。

优选地，隔离装置由金属或金属合金，尤其金属板制成。这可以非常简单和便宜地实现，而且还有必要的耐热强度。

按优选的设计，设一个或多个用于燃料，尤其合成气的进口。它们可以在预混通道内设置在面朝中轴线的那个通道侧。此外优选地，设一个带有涡旋叶片的涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器。在这里，所述一个或多个燃料进口配置在沿主流方向的涡旋叶片上游。通过这种配置方式，得到一个开放的第二通道。

优选地，设至少一个燃料喷嘴，以及燃料，尤其天然气，可通过所述至少一个燃料喷嘴，喷入在混合区，尤其预混区内被涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器形成涡旋的氧化剂质量流内，尤其空气内。在这方面优选地，所述至少一个燃料喷嘴按一排或处于前后位置的多排，配置在涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器下游。在这里，为了使氧化剂尤其空气更好地涡旋，涡旋发生器有涡旋叶片。在这些涡旋叶片上配置至少一个燃料喷嘴是特别有利的，因为喷入的燃料可与氧化剂形成良好的混合。

优选地，第二通道就其容积而言小于第一通道。当合成气工作时若在第二通道内流入合成气，则基于所选择的容积，氧化剂，亦即空气基本上被置换。当然余留的第一通道相对于原先未分割的通道也有较小的容积。就对于合成气机器的要求而言这是非常有利的。也就是说，为了制造合成气，根据设计方案从燃气轮机压缩机出口处抽取空气，并分解为其主要成分，氧和氮。紧接着，氧使用于合成气制造。由于空气被抽取，所以最终可供使用的空气较少。

按照本发明的燃烧器运行方法，燃烧器具有一个通道，通道包括一个混合区，尤其预混区，氧化剂质量流和燃料喷入其中，其中，借助一个在通道内的隔离装置以及至少两个借此构成的隔开的第一和第二通道，形成两个基本上独立的流动路径。这些流动彼此分开。在这里，其中一个现在附加形成的流动路径，现在正好根据工作类型利用；所述附加的导引较小流动的流动路径，优选地用作合成气流动路径。于是，基于这一配置，在这一部分预混路段内置换氧化剂流并沿第二流动路径流向燃烧室。两种流动以同样的速度剖面从预混区流出，从而不出现不希望的切变。这种情况与传统的合成气工作一致。在用其他燃料，在这里尤其用天然气工作时，彼此分开的路径导致形成传统的天然气工作模式，也就是说，两个流动路径将一种燃料/氧化剂混合物导向燃烧室。附加的那个或作为合成气流动路径或作为天然气流动路径的流动路径，现在有利地与传统的天然气预混燃烧器有相同的空气动力学特性。

按优选的设计，混合区，尤其预混区包括锥体侧和毂侧和/或涡旋发生器，尤其空心的空气涡旋发生器。燃料，尤其天然气，在锥体侧和/或毂侧和/或通过涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器，喷入混合区，尤其预混区内。

优选地，燃料通过涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器的至少一个涡旋叶片，喷入混合区，尤其预混区内。按优选的设计，燃料，尤其合成气，通过一个或多个进口输入。这些进口可例如在通道内的毂侧上设在涡旋叶片前。

附图说明

下面参见附图借助实施例说明本发明的其他特征、特性和优点。

其中：

图1表示部分按本发明燃烧器的剖面图；以及

图2表示按本发明燃烧器另一种实施例的一部分的剖面图。

具体实施方式

下面参见图1详细说明本发明。图1示意表示部分具有通道1的燃烧器剖面图。通道1主要包括一个混合区2、一个在这里设计为空气涡旋发生器10的涡旋发生器10以及一个或多个燃料喷嘴11。混合区2围绕中轴线12径向对称地设置。区域2从中轴线12出发看的外侧，下文称为锥体侧3。预混区2面朝中轴线12的那一侧，下文称为毂侧4。

一种氧化剂质量流，尤其空气质量流5，通过输入件，尤其空气输入件16，到达空气涡旋发生器10；用箭头5表示供给的空气质量流的流动方向。在这里它也可能已经涉及一种富集的空气/燃料混合物。空气涡旋发生器10使空气质量流5形成涡旋并将其进一步引入区域2。从那里起，空气质量流5沿主流方向9进一步导向燃烧室(未表示)。

一个或多个燃料喷嘴11处于混合区2的毂侧4。燃料，尤其天然气，或垂直于主流方向9或沿相对于主流方向9的任何不同的角度引入预混区2内。原则上，燃料喷嘴11既可以处于预混区2锥体侧3也可以处于其毂侧4，或还可以处于涡旋叶片10内。

除此之外，按本发明的燃烧器100还包括一个或多个用于气态燃料，在这里优选地用于合成气的进口14(只表示在燃烧器100上部)，它们优选地沿主流方向9处于涡旋叶片10的上游。

在燃烧器100内，在通道1中同心于中轴线12设隔离装置15(只表示在燃烧器100上部)，它将通道1沿通道1的纵长区分成至少两个隔开的通道3a和3b。在这里，隔离装置15优选地由金属板制成。在这种情况下隔离装置15设计为，使毂侧的通道3b形成容积较小的通道，也就是说，毂侧通道3b沿轴A的横截面17，小于通道3a的横截面18。若燃烧器用合成气工作，则通道3b正好加入所述的合成气。由于所选择的这些横截面，因此空气5在通道3b内基本上被置换，以及此时它主要通过外部较大的通道3a流动。由此基本上造成一种扩散式合成气工作模式。但与传统的没有隔离装置15的通道相比，通道3a也有一个较小的横截面18，这同样有利于合成气燃烧器的工作，因为在合成气燃烧器内由空气析取的氧使用于制造合成气。为此优选地从压缩机抽取空气。

除此之外，有利地，极富集燃料的合成气/空气混合物，以与通道3a中的空气大体相同的速度剖面从通道3b排出。这导致避免不希望的切变。

在正常的可燃气工作时，尤其天然气工作时，毂侧的通道3b加入空气，以及可以与通道3a一样与燃料预混合。

优选地，隔离装置15定位在其中一条流线(在流动技木上为分界线)上。与传统的可燃气燃烧器相比，这种定位方式在工作时只发生最小的改变。因此它们也可以集成在现有的燃烧器内。

图2表示按本发明燃烧器100的另一种实施例。它在通道3b的上游有一个管道20。管道20例如是一根管子。一个活门或调节阀21可处于管道20内部。管道20的上游端与燃气轮机连接为，使得在这里同样可以流过空气质量流5。因此管道20的上游端例如与全机和/或与压缩机和/或压缩机出口连接，从而可以流过所述的空气质量流5。

若图2所示按本发明的燃烧器现在用合成气工作，则关闭活门或阀20，所以空气流5不能流过。因此通道3b唯一地加入合成气。但除此之外通道3a仍与图1中一样，加入空气质量流5。阀或活门20可以手操纵或自动控制。若图2所示按本发明的燃烧器现在例如用天然气工作，则打开活门/阀20。因此空气质量流5也通过通道3b流动。高热量的燃料通过标准的天然气进口喷入。因此燃烧器重新相当于一个低NOx值的标准天然气预混燃烧器。

由此按这种燃烧器设计，可以有控制地在合成气与天然气之间做出非常迅速的选择。

按本发明可以将一个设有隔离装置的通道分成至少两个通道，其中两个通道之一，优选地按容积较小的通道，可用作合成气通道，或可用作第二空气通道。有利地，在天然气工作时这种隔离装置有与在传统的燃烧器内相同的空气动力学特性。因此燃烧器可以按本发明同时用作合成气燃烧器和天然气(预混)燃烧器进行工作。取代天然气也可以使用其他任何高热量燃料，例如石油。

因此通过按本发明的隔离装置公开了一种燃烧器，它不仅在合成气工作时，而且在正常的天然气预混工作时，可以产生低NOx值。

Claims (21)

1.一种燃烧器(100)，包括一个通道(1)，该通道具有混合区、尤其预混区(2)和氧化剂输入件、尤其空气输入件(16)，以及具有至少一个用于喷入燃料的燃料输入件，其特征为：在通道(1)内设隔离装置(15)，它将通道(1)沿通道的纵长区分成至少两个隔开的通道，亦即第一通道(3a)和第二通道(3b)。

2.按照权利要求1所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，规定一条中轴线(12)，所述隔离装置(15)同心于该中轴线(12)。

3.按照权利要求2所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，所述隔离装置(15)基本上处于其中一条流线上。

4.按照权利要求1-3之一所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，所述隔离装置(15)由金属或金属合金，尤其金属板制成。

5.按照前列诸权利要求之一所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，设有一个或多个用于燃料、尤其合成气的进口(14)。

6.按照权利要求5所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，设有带有涡旋叶片的涡旋发生器，以及沿主流方向9在涡旋叶片(10)上游配置一个或多个燃料进口(14)。

7.按照前列诸权利要求之一所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，设有涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器(10)。

8.按照权利要求7所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，设有至少一个燃料喷嘴(11)，以及燃料、尤其天然气可通过所述至少一个燃料喷嘴(11)，喷入在混合区、尤其预混区(2)内被涡旋发生器、尤其空气涡旋发生器(10)形成涡旋的氧化剂质量流内，尤其空气(5)内。

9.按照权利要求8所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，所述至少一个燃料喷嘴(11)按一个或多个前后相继的位置设置在涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器(10)内。

10.按照权利要求8或9所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，至少一个燃料喷嘴(11)处于涡旋发生器，尤其空气涡旋发生器(10)内。

11.按照前列诸权利要求之一所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，通道(3b)就其容积而言小于通道(3a)。

12.按照前列诸权利要求之一所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，通道(3b)下游包括一个管道(20)，尤其一根管子。

13.按照权利要求12所述包括一个通道(1)的燃烧器(100)，其特征为，管道(20)包括一个阀/活门(21)。

14.一种具有按照前列诸权利要求之一所述燃烧器(100)的燃气轮机。

15.一种用于运行燃烧器(100)的方法，所述燃烧器具有一个通道(1)，该通道(1)包括一个混合区，尤其预混区(2)，氧化剂质量流和燃料喷入其中，其特征为：借助一个在通道(1)内的隔离装置(15)以及至少两个借此隔离装置构成的隔开的第一和第二通道(3a)、(3b)，形成两个基本上独立的流动路径。

16.按照权利要求15所述的用于运行燃烧器(100)的方法，其特征为，所述氧化剂是空气(5)。

17.按照权利要求15-16之一所述的用于运行燃烧器(100)的方法，其特征为，所述混合区、尤其预混区(2)包括锥体侧(3)和毂侧(4)和/或涡旋发生器、尤其空气涡旋发生器(10)；以及，燃料、尤其天然气在锥体侧(3)和/或毂侧(4)和/或通过涡旋发生器、尤其空气涡旋发生器(10)喷入预混区(2)内。

18.按照权利要求17所述的方法，其特征为，燃料(6)通过涡旋发生器、尤其空气涡旋发生器(10)的至少一个涡旋叶片喷入混合区内、尤其预混区(2)内。

19.按照权利要求15-18之一所述的方法，其特征为，燃料(6)、尤其合成气通过一个或多个进口14输入。

20.按照权利要求15-19之一所述的方法，其特征为，在用合成气工作时，其中一个通道(3b)加入合成气，而另一个通道(3a)加入氧化剂。

21.按照权利要求15-20之一所述的方法，其特征为，在用天然气工作时，两个通道(3a)、(3b)加入天然气和一种氧化剂，尤其空气(5)。

Images