CN108413444A

CN108413444A - 预混燃烧器

Info

Publication number: CN108413444A
Application number: CN201810275454.8A
Authority: CN
Inventors: 邵卫卫; 刘勋伟; 张哲巅; 俞镔; 肖云汉
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2018-08-17
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: CN108413444B

Abstract

本公开提供了一种预混燃烧器，包括：燃料室，设置于预混燃烧器内的一侧；燃料进口，设置于燃料室的一侧，与燃料室相连通，用于向燃烧器内输入燃料；空气室，设置于预混燃烧器内的另一侧；空气进口，设置于所述空气室的一侧，用于向空气室内输入空气；以及M个相对独立的单元喷嘴，一端设置于燃料室，另一端设置于空气室，用于将燃料和空气混合并喷出，其中，M≥1。相比传统燃烧器，该燃烧器各个单元喷嘴相对独立，根据负荷需求进行模块化阵列扩展，因此有较好的扩展性；并且该燃烧器的燃料和空气的进气孔均毫米级，使得单元喷嘴内燃料和空气混合更均匀，因此能够降低燃烧过程中峰值火焰温度和高温烟气停留时间，实现降低氮氧化物排放的效果。

Description

预混燃烧器

技术领域

本公开涉及燃气轮机燃烧室技术领域，尤其涉及一种预混燃烧器，用于降低氮氧化物排放。

背景技术

燃气轮机是一种高效洁净的动力机械，基于燃气轮机及其联合循环的发电量已占到全球发电总量的22％，未来还将继续攀升。为了提高燃气轮机的循环效率，燃气初温和增压比也在不断提高。以重型燃机为例，F级燃机燃气初温在1650K左右，联合循环效率为57％；H级和J级燃机燃气初温则在1750K和1850K左右，联合循环效率分别为60％和61％；下一代燃机的燃气初温将达到1950K，联合循环效率为64％。而与此矛盾的是，氮氧化物的生成量随温度的升高而剧烈升高。如何解决提高温度和降低氮氧化物间的矛盾，使排放满足环保法规要求，是燃机燃烧技术未来发展面临的主要挑战之一。

目前燃机的主流是使用干式低氮氧化物(Dry Low NOx，DLN)燃烧技术的燃烧器。它利用旋流喷嘴将过量空气和燃料混合成贫预混气体，以此抑制氮氧化物的生成，但由于喷嘴数量，分布类型，以及喷嘴上燃料和空气进气孔尺寸设置等问题，目前的燃机减排效果受到掺混均匀性和旋流喷嘴回流区的影响。燃机发展到J级，其温度水平已经接近DLN有效工作范围(1670-1900K)的临界值。若温度进一步提高，氮氧化物排放将会大幅度提升。针对这些问题，使用其他燃烧技术的燃烧器被不断推出。但目前这些燃烧器还不足以完全解决未来1850-1950K温度下燃机的燃烧及排放问题，使用清洁高效的新型低氮氧化物燃烧技术的燃机，是发展的重要方向。其中以富氢气体为燃料的低排放燃烧器的开发是当前实施燃烧前碳捕集的关键技术之一。与使用常规燃料(例如天然气等)的燃机相比，使用富氢燃料的燃机，由于氢的燃料活性强，特别是其高火焰速度、低点火能量和宽可燃性极限增加了回火、自燃和振荡的风险。而且，氢的绝热火焰温度较高，这对低氮氧化物生成是一个挑战。而对普通燃料加氢，会使燃料点火延迟时间减少，燃烧速度增加。这将导致局部温度容易较高使氮氧化物升高，火焰传播速度较快而易回火、振荡。这些性质对用于富氢燃料的先进燃烧技术和燃烧器的开发提出了挑战。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供一种预混燃烧器，以缓解现有技术中燃烧器单元喷嘴可扩展性低，燃料与空气混合不均匀，运行时时出现回火、自燃和振荡等问题，同时还缓解氮氧化物排放高的问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种预混燃烧器，包括：燃料室，设置于预混燃烧器内的一侧；燃料进口，设置于燃料室的一侧，与燃料室相连通，用于向燃烧器内输入燃料；空气室，设置于预混燃烧器内的另一侧；空气进口，设置于所述空气室的一侧，用于向空气室内输入空气；以及M个相对独立的单元喷嘴，一端设置于燃料室，另一端设置于空气室，用于将燃料和空气混合并喷出，其中，M≥1。

在本公开的一些实施例中，其中，所述预混燃烧器的单元喷嘴包括：顶盖，设置于单元喷嘴处于燃料室内的一侧；燃料进气孔，环所述顶盖壁面设置，用于将燃料室中的燃料通过该燃料进气孔输入单元喷嘴内部；空气进气孔，环单元喷嘴处于空气室内的主体壁面设置，用于将空气通过该孔输入单元喷嘴的内部。

在本公开的一些实施例中，所述预混燃烧器的单元喷嘴的通道横截面为圆形或椭圆形，内径为5～12mm，长为15～120mm。

在本公开的一些实施例中，所述预混燃烧器，其中，单元喷嘴50的空气进气孔的孔宽0.5～6mm，长2.5～36mm，形状为长条状孔，设置数量为2～8个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置。

在本公开的一些实施例中，所述燃料进气孔形状为圆形或椭圆形孔，孔径为0.25～2.5mm，设置数量为2～10个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置。

在本公开的一些实施例中，其中，所述旋流进气方式，气流旋流角度为5～45°。

在本公开的一些实施例中，其中，所述单元喷嘴的燃料进气孔和空气进气孔的间距为5～60mm。

在本公开的一些实施例中，其中，所述单元喷嘴的空气进气孔距离单元喷嘴的出口截面为5～108mm。

在本公开的一些实施例中，其中，相邻单元喷嘴间的距离为5.5～60mm，单元喷嘴的阵列排布方式为正交阵列、方形阵列或圆形阵列。

在本公开的一些实施例中，其中，所述单元喷嘴布置方向与燃烧器轴向的夹角为θ，其中，0°≤θ≤60°。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的一种降低氮氧化物排放的预混燃烧器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)相比传统燃烧器，该燃烧器各个单元喷嘴相对独立，根据负荷需求进行模块化阵列扩展，因此有较好的扩展性。

(2)燃料进气孔和空气进气孔均毫米级设置，通过将燃料和空气在毫米尺度混合，有效地提高燃料-空气的掺混均匀性。

(3)相对传统旋流预混燃烧器，该燃烧器单元喷嘴内燃料和空气混合更均匀，因此能够降低燃烧过程中的峰值火焰温度，降低高温烟气停留时间，从而实现相比传统干式低氮氧化物贫预混喷嘴降低氮氧化物排放的效果。

(4)由于多个单元喷嘴以阵列形式分布，因此喷出的火焰在径向相对分散，放热相对均匀，减小了热声耦合几率，可有效避免燃烧不稳定问题。

(5)单元喷嘴结构、间距和阵列方式可根据需要调整扩展，保证燃料和空气在燃烧前掺混均匀，并稳定低排燃烧。

附图说明

图1为本公开预混燃烧器的结构示意图；

图2为燃烧器内燃料与空气的流动及燃烧区示意图；

图3A为单元喷嘴四空气进气孔直喷进气示意图；

图3B为单元喷嘴六空气进气孔直喷进气示意图；

图3C为单元喷嘴六空气进气孔旋流进气示意图；

图4A为单元喷嘴顶盖四燃料进气孔直喷进气示意图；

图4B为单元喷嘴顶盖四燃料进气孔旋流进气示意图；

图5A为单元喷嘴以正交阵列方式分布的燃烧器示意图；

图5B为单元喷嘴以方形阵列方式分布的燃烧器示意图；

图5C为单元喷嘴以圆形阵列方式分布的燃烧器示意图；

图5D为单元喷嘴以多圈圆形阵列方式分布的燃烧器示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-燃料室；20-燃料进口；

30-空气室；40-空气进口；

50-单元喷嘴

51-顶盖；

52-燃料进气孔；

53-空气进气孔；

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明，本公开提供了一种预混燃烧器。该燃烧器适用于以体积分数为60％H₂-40％CH₄的合成气等富氢燃料。

在本公开的实施例中，图1为根据本公开实施例预混燃烧器的结构示意图；如图1所示，本实施例所述预混燃烧器包括：燃料室10；燃料进口20；空气室30；空气进口40；以及单元喷嘴50。

其中，所述燃料室10，设置于预混燃烧器内的一侧；所述燃料进口20设置于燃料室10的一侧，与燃料室10相连通，用于向燃烧器内输入燃料；所述空气室30，设置于预混燃烧器内的另一侧；所述空气进口40，设置于所述空气室30的一侧，用于向空气室30内输入空气。以及M个相对独立的单元喷嘴(50)，一端设置于燃料室，另一端设置于空气室，用于将燃料和空气混合并喷出，其中，M≥1。

所述单元喷嘴50的通道内径为5～12mm，长为15～120mm，该单元喷嘴50包括：顶盖51，设置于单元喷嘴30处于燃料室10内的一侧；燃料进气孔52，环所述顶盖51壁面设置，用于将燃料室10中的燃料通过该燃料进气孔52输入单元喷嘴50内部。空气进气孔53，环单元喷嘴50处于空气室30内的主体壁面设置，用于将空气通过该孔输入单元喷嘴50的内部。

通过上述燃烧器的各部件的作用，实现将燃料和空气在单元喷嘴内充分均匀的混合。

在本实施例中，图2为燃烧器内燃料与空气的流动及燃烧区示意图；如图2所示，燃料通过燃料进口20进入燃料室10，然后又通过设置于燃料室10中的单元喷嘴50的顶盖51的壁面设置的燃料进气孔52进入单元喷嘴20内部；而空气通过空气进口40进入空气室30中，然后进一步通过设置于单元喷嘴50主体壁面的空气进气孔53进入单元喷嘴50的内部与燃料混合，再经单元喷嘴50喷出后点燃。

在本实施例中，图3A为单元喷嘴50设置四空气进气孔53的结构示意图，如图3A所示，所述空气进气孔53为4个，采用直喷进气方式设置。

在本实施例中，图3B为单元喷嘴50设置六空气进气孔53的结构示意图，如图3B所示，所述空气进气孔53为6个，采用直喷进气方式设置；

在本实施例中，图3C为单元喷嘴50设置六空气进气孔53的另一种结构示意图，如图3C所示，所述空气进气孔53为6个，采用旋流进气方式设置。

每个单元喷嘴50上空气进气孔53可设置数量为2～8个，形状为长条状孔，单个孔宽0.5～6mm，长2.5～36mm。

所述空气进气孔53设置为旋流进气方式时，空气旋流角度为5～45°。

燃料氢含量越低，空气旋流角推荐设置越大。燃料氢含量较高时，推荐直喷。

在本实施例中，图4A为单元喷嘴顶盖51为四燃料进气孔52的结构示意图，如图4A所示，所述燃料进气孔52为4个，采用直喷进气方式设置。

在本实施例中，图4B为单元喷嘴顶盖51为四燃料进气孔的另一种的结构示意图，如图4B所示，所述燃料进气孔52为4个，采用旋流进气方式设置。

每个单元喷嘴顶盖51上燃料进气孔52可设置数量为2～10个，形状为圆形孔或椭圆形孔，单个孔孔径为0.25～2.5mm。所述燃料进气孔52设置为旋流进气方式时，气流旋流角度为5～45°。

所述单元喷嘴50的燃料进气孔52和空气进气孔53的间距为5～60mm，间距越小掺混效果越好。

所述单元喷嘴50的空气进气孔53距离单元喷嘴50的出口截面为5～108mm，间距越长，预混均匀性效果越好，但同时也会增加自点火和回火风险。

图5A为燃烧器的单元喷嘴以正交阵列方式分布的结构示意图。

图5B为燃烧器的单元喷嘴以方形阵列方式分布的结构示意图。

图5C为燃烧器的单元喷嘴以圆形阵列方式分布的结构示意图。

图5D为燃烧器的单元喷嘴以多圈圆形阵列方式分布的结构示意图。

如图5A-5D所示，单元喷嘴50可采用正交阵列、方形阵列、圆形阵列等多种方式排布，单元喷嘴50间的距离为5.5～6mm，对氢含量较低的燃料，推荐在考虑加工条件的前提下，单元喷嘴50间的距离尽量小。

所述单元喷嘴50在组成阵列排布时，各个单元喷嘴50可在尺寸要求范围内不同尺寸设置。

本公开实施例燃烧器中，单元喷嘴内部燃料-空气预混通道直径取9mm。单元喷嘴整体长度L取63mm，其中，单元喷嘴燃料进气孔和单元喷嘴空气进气孔间距L₁取18mm，单元喷嘴空气进气孔距离单元喷嘴出口截面L₂取45mm。中心单元喷嘴结构与周围单元喷嘴相同，单个单元喷嘴上的空气进气孔孔数为4个，燃料进气孔为4个，燃料、空气均采用直喷进气。空气进气孔孔宽1.8mm，孔长9mm。燃料进气孔孔径1.8mm。单元喷嘴之间的中心距取27mm。单元喷嘴阵列方式采用多圈圆形阵列，圈数由热负荷需求决定，每圈单元喷嘴个数为1，6，12，24，...。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)针对氢含量较低的燃料，各单元喷嘴布置方向与燃烧器轴线方向还可设置一定的夹角θ，其中，0°≤θ≤60°，从而在喷嘴出口产生整体上旋流，以增加火焰稳定性；

(2)为增加掺混均匀性，单元喷嘴形状可根据燃料种类不同而适当改变，如喷嘴内部预混通道截面由圆形改为椭圆形；

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开的预混燃烧器有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的一种低氮氧化物排放的预混燃烧器，可有效地提高燃料-空气的掺混均匀性，降低燃烧过程中的峰值火焰温度，降低高温烟气停留时间，从而实现相比传统干式低氮氧化物贫预混喷嘴降低氮氧化物排放的效果，同时有效避免针对富氢燃料燃烧中的回火和振荡的问题。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种预混燃烧器，其中，包括：

燃料室(10)，设置于预混燃烧器内的一侧；

燃料进口(20)，设置于燃料室(10)的一侧，与燃料室(10)相连通，用于向燃烧器内输入燃料；

空气室(30)，设置于预混燃烧器内的另一侧；

空气进口(40)，设置于所述空气室(30)的一侧，用于向空气室(30)内输入空气；以及

M个相对独立的单元喷嘴(50)，一端设置于燃料室，另一端设置于空气室，用于将燃料和空气混合并喷出，其中，M≥1。

2.根据权利要求1所述的预混燃烧器，其中，所述单元喷嘴(50)包括：

顶盖(51)，设置于单元喷嘴(30)处于燃料室(10)内的一侧；

燃料进气孔(52)，环所述顶盖(51)壁面设置，用于将燃料室(10)中的燃料通过该燃料进气孔(52)输入单元喷嘴(50)内部；以及

空气进气孔(53)，环单元喷嘴(50)处于空气室(30)内的主体壁面设置，用于将空气通过该孔输入单元喷嘴(50)的内部。

3.根据权利要求2所述的预混燃烧器，其中，所述空气进气孔(53)的孔宽0.5～6mm，长2.5～36mm，形状为长条状孔，设置数量为2～8个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置。

4.根据权利要求2所述的预混燃烧器，其中，所述燃料进气孔(52)形状为圆形或椭圆形孔，孔径为0.25～2.5mm，设置数量为2～10个，采用直喷进气方式或旋流进气方式设置。

5.根据权利要求2所述的预混燃烧器，其中，所述单元喷嘴(50)的燃料进气孔(52)和空气进气孔(53)的间距为5～60mm。

6.根据权利要求2所述的预混燃烧器，其中，所述单元喷嘴(50)的空气进气孔(53)距离单元喷嘴(50)的出口截面为5～108mm。

7.根据权利要求3或4所述的预混燃烧器，其中，所述旋流进气方式，气流旋流角度为5～45°。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的预混燃烧器，其中，所述单元喷嘴(50)的通道横截面为圆形或椭圆形，内径为5～12mm，长为15～120mm。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的预混燃烧器，其中，相邻单元喷嘴(50)间的距离为5.5～60mm，单元喷嘴(50)的阵列排布方式为正交阵列、方形阵列或圆形阵列。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的预混燃烧器，单元喷嘴(50)布置方向与燃烧器轴向的夹角为θ，其中，0°≤θ≤60°。