CN108603658A - 非预混旋流燃烧器端头和燃烧策略 - Google Patents

非预混旋流燃烧器端头和燃烧策略 Download PDF

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Abstract

本发明是使用旋流燃烧器端头的燃烧策略，该燃烧策略是化学计量的反应物混合物(2H2+O2→2H2O)之一中加入高质量干蒸汽(H2O(g))作为热稀释剂。干蒸汽的量可以通过反应物的安全性要求和后火焰气体的所需温度来确定。可以理解的是，旋流燃烧器端头的设计是为了安全处理反应物以及快速彻底地混合反应物，这样在旋流燃烧器端头外部以接近预混的形态发生燃烧。H2/O2的比率被固定以在向反应物中策略性地加入干蒸汽(H2O(g))的情况下消耗所有H2和O2(化学计量)。燃烧器端头被构造为产生彼此分开的反向的反应物旋流。

Description

非预混旋流燃烧器端头和燃烧策略
技术领域
本发明涉及一种非预混旋流燃烧器端头和燃烧策略，其用于与干蒸汽与O2和/或H2混合的非预混燃烧相关的用途，以使O2能够安全处理，并且提供用于控制后火焰气体的温度的原位机构。
背景技术
本发明涉及一种非预混旋流燃烧器端头和方法，其用于与形成用于挥发性气体的燃烧策略相关的用途。在现有技术中已知使用同心或同轴的燃烧喷嘴来预混和点燃气体。在燃烧之前预混化学计量的混合物，例如但不限于氢气(H2)和氧气(O2)，将形成可能在点燃时起爆的爆炸性混合物。所产生的过压会冲破任何适当的喷嘴结构。如果发生这种情况，将导致遏制失败和极其危险的情况，这可能导致剧烈爆炸。现有的燃烧器在策略上要么预混，要么不预混。现有技术的非预混构造不能解决纯氧(O2)的反应特性。本发明的燃烧策略利用气态水与氧气(O2)和/或氢气(H2)混合来降低O2的反应性，并提供控制H2+O2燃烧反应的后火焰气体温度的机构。
虽然上述装置满足它们各自特定的目的和要求，但上述专利没有描述允许形成氢气(H2)和氧气(O2)的安全且受控的燃烧策略的非预混旋流燃烧器端头。
因此，需要一种新颖且改进的非预混旋流燃烧器端头，其可用于形成氢-氧气体的燃烧策略。在这方面，本发明实质上满足了这种需要。在这方面，根据本发明的非预混旋流燃烧器端头实质上不同于现有技术的传统概念和设计，并且这样提供了一种主要为了形成氢-氧气体的安全且受控的燃烧策略而开发的装置。
发明内容
鉴于现有技术中现有的已知类型的同心或同轴的燃烧喷嘴所固有的上述缺点，本发明提供了一种改进的非预混旋流燃烧器端头，并在应用于氢-氧燃烧系统时克服了现有技术的上述缺点和缺陷。这样，随后将更详细地描述的本发明的总体目的是提供一种新颖且改进的非预混旋流燃烧器端头和方法，其具有至此提到的现有技术的所有优点和许多新颖性特征，这些新颖性特征导致一种非预混燃烧策略，该非预混燃烧策略相对于现有技术单独或其任何组合来说没有被预期、不是显而易见的、没有教导或甚至没有隐含。
本发明基本上是以非预混形态引入发生受控的安全燃烧的混合区的H2+O2+H2O(g)的燃烧策略。在O2和可能的H2中加入干蒸汽H2O(g)被提供用于对O2进行反应性控制，并且还提供控制后火焰气体的温度的机构。干蒸汽的加入可用作热稀释剂。干蒸汽的量可以通过反应物的安全性要求和后火焰气体的所需温度来确定。H2/O2的比率被固定以在向反应物中策略性地加入干蒸汽H2O(g)的情况下消耗所有H2和O2(化学计量)。
为实现这一点，本发明本质上包括燃烧器端头，该燃烧器端头具有第一管道和同轴地设置在第一管道内的第二管道。第一管道具有能够接收第一流体的构造，同时限定中空内部和第一出口。第一管道包括从第一管道的内表面延伸到中空内部的至少一个第一螺旋叶片。第一螺旋叶片具有能够产生穿过第一管道的第一流体的第一螺旋流的构造，其中第一螺旋流在第一旋转方向上。第二管道具有能够接收第二流体的构造，同时限定中空内部和第二出口。第二管道包括从第二管道的内表面延伸到第二管道的中空内部的至少一个第二螺旋叶片。第二螺旋叶片具有能够产生穿过第二管道的第二流体的第二螺旋流的构造，其中第二螺旋流在与第一螺旋方向相反的第二旋转方向上。
可以理解的是，旋流燃烧器端头的设计是为了安全处理反应物以及快速彻底地混合反应物，这样在旋流燃烧器端头外部以接近预混的形态发生燃烧。
第一螺旋叶片可朝向第二管道的外表面延伸并与第二管道的外表面接触，以提供结构支撑。
第一螺旋叶片可以具有能够产生第一螺旋流以形成燃烧器端头外部的燃烧区的构造，第一螺旋流沿着与第一出口的纵向轴线大体平行的第一方向上，然后沿着大体朝向第二出口的第二方向地离开第一出口。
因此，已经相当广泛地概述了本发明的更重要的特征，使得可以更好地理解随后的详细描述，并且可以更好地理解对本领域的贡献。
本发明还可包括组装在燃烧室中的多个燃烧器端头。当然，本发明的附加特征将在下文中描述，并且将形成所附权利要求的主题。
在阅读结合附图进行的本发明的目前优选的，但仍然是说明性的实施方式的以下详细描述时，对于本领域普通技术人员来说，本发明的许多目的、特征和优点将是显而易见的。在这方面，在详细说明本发明的当前实施方式之前，应该理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或在附图中说明的构造的细节和组件的设置。在这方面，在详细说明本发明的当前实施方式之前，应该理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或在附图中说明的构造的细节和组件的设置。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践和实施。还应该理解，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。
这样，本领域技术人员将理解，本发明所基于的概念可以容易地用作设计用于实现本发明的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括这样的等同结构，只要它们不脱离本发明的精神和范围。
因此，本发明的目的是提供一种新颖且改进的非预混旋流燃烧器端头，其具有现有技术的同心或同轴的燃烧喷嘴的所有优点，并且没有任何所述缺点。
本发明的另一个目的是提供一种新颖且改进的非预混旋流燃烧器端头，其可以容易且有效地制造和销售。
本发明的另一个目的是提供一种新颖且改进的非预混旋流燃烧器端头，其在材料和劳动力方面具有低制造成本，因此可以低价销售给消费公众，从而使购买公众可以经济地获得这种非预混旋流燃烧器端头。
本发明的再一个目的是提供一种新颖的非预混旋流燃烧器端头，它在现有技术的装置和方法中提供了它的一些优点，同时克服了通常与之相关的一些缺点。
本发明的另一个目的是提供一种非预混旋流燃烧器端头，用于形成氢-氧气体的燃烧策略。这允许反应流体直到离开燃烧器端头才预混。
最后，本发明的一个目的是提供一种使用燃烧器端头的新颖且改进的方法，其包括将第一流体引入第一管道的步骤，该第一管道包括从其内表面延伸的至少一个第一螺旋叶片。通过第一螺旋叶片在第一旋转方向上产生第一流体的第一螺旋流。将第二流体引入同轴地设置在第一管道内的第二管道，第二管道包括从第二管道的内表面延伸的至少一个第二螺旋叶片。通过第二螺旋叶片在第二旋转方向上产生第二流体的第二螺旋流，其中第二旋转方向与第一旋转方向相反。在第一管道和第二管道的外部形成燃烧区，第一螺旋流和第二螺旋流在该燃烧区混合。
这些目的连同本发明的其他目的以及表征本发明的各种新颖性特征，在所附的并构成本发明的一部分的权利要求中具体指出。为了更好地理解本发明，其操作优点和通过其使用获得的特定目的，应参考其中示出了本发明的实施方式的附图和说明性内容。
附图说明
在考虑本发明的下述详细描述时，本发明将更好理解并且除了上述给出的目的之外的目的将变得清楚。这样的描述参照附图，其中：
图1是包括根据本发明原理构造的非预混旋流燃烧器端头的涡轮机系统的简化框图。
图2是本发明的非预混旋流燃烧器端头的侧视图。
图3是本发明的非预混旋流燃烧器端头的前视图。
图4是沿图2中的线4-4截取的本发明的非预混旋流燃烧器端头的剖视图。
图5是本发明的燃烧室的前视图。
在各个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，任何虚线描绘了流体流动路径。
具体实施方式
现在参考附图，特别是图1至图5，本发明的非预混旋流燃烧器端头的实施方式被示出，并且总体上由附图标记2表示。
在图1中示出了涡轮机系统2，并且该涡轮机系统2将被描述为可包括本发明的新颖且改进的非预混旋流燃烧器端头30。旋流燃烧器端头30能够形成氢-氧气体的燃烧策略。该燃烧策略是使用干蒸汽与O2和/或H2混合的非预混燃烧，以使得能够安全地处理O2并提供用于控制后火焰气体的温度的原位机构。
涡轮机系统2可包括第一发电机4、压缩机6、包括旋流燃烧器端头30的涡流稳定室、涡轮机8和汽轮机回路10。在一个实施方式中，压缩机6接收第一工作混合物12，其可包括氧化剂14(例如O2)和低温高质量干蒸汽16。在进入压缩机6之前混合氧化剂和干蒸汽。干蒸汽16由与汽轮机回路10相关联的热交换器/分离器18产生。来自热交换器/分离器18的水可以返回到电解槽，而热水可以被泵20送到涡轮机8中，以使用水喷射系统26进行热边界层温度控制的水喷射。可以将蒸汽保持在高于可能发生冷凝的温度下。这可以通过催化燃烧器(catyalitic burner)注入少量氢气来实现，这将升高气体温度并向第一流体中加入受控量的干蒸汽。
离开压缩机6的第一反应物混合物(O2+H2O(g))12具有高压力并进入旋流燃烧器端头30。第二反应物22(例如H2)通过与第一反应物混合物12分开的管线进入旋流燃烧器端头30。在进入旋流燃烧器端头30之前或在旋流燃烧器端头30内，第二反应物22可以进一步与额外的干蒸汽16混合以形成第二反应物混合物24。旋流燃烧器端头30产生被引入涡轮机8中的高压、高温度燃烧产物(工作流体)。
众所周知，纯O2是非常活泼的，并且出于安全原因需要用惰性组分稀释以产生类似于空气的反应性质。上述氧化剂14与干蒸汽16的组合实现了这一点，例如在20％O2和80％干蒸汽(H2O(g))的范围内。
图2至图4最佳地示出了旋流燃烧器端头30，其包括与第二反应物混合物管线或管道40为同轴或同心关系的第一反应物混合物管线或管道32。第一管道32被构造为接收第一反应物混合物12，并且第二管道40与第一管道32同轴地设置在第一管道32内并且被构造为接收第二反应物混合物24。第一混合物12和第二混合物24以不预混的形态分别进入旋流燃烧器端头30。第一管道32包括至少一个内部第一螺旋叶片34和出口36。第一螺旋叶片34在顺时针或逆时针的第一旋转方向上产生第一反应物混合物12的旋流。
第二管道40包括至少一个内部第二螺旋叶片42以及设置在第一管道32的内部的出口44。第二螺旋叶片42在与第一反应物混合物12的第一方向相反的第二旋转方向上产生第二反应物混合物24的旋流。
可以理解的是，第一管道32的出口36可以或可以不纵向延伸超过第二管道40的出口44。第一管道32的第一螺旋叶片34可以延伸到第二管道40的外表面并与该外表面接触，以向位于其中的第二管道40提供结构支撑。第二反应物混合物24的旋流分量可以比第一反应物混合物12的旋流更弱或更强。
旋流燃烧器端头30的同轴构造从第一管道32的出口36向外产生第一反应物混合物12(O2+H2O(g))的第一旋流模式，从而产生沿中心轴线向下回到第二管道40上的二次流动模式，以与离开第二管道40的第二反应物混合物24的第二旋流模式混合，从而形成燃烧区46。在燃烧区46中发生混合和预混/部分预混的燃烧，该燃烧区46是主动受控混合区。
可以向反应物中加入额外的干蒸汽(H2O(g))，以将来自旋流燃烧器端头30的后火焰气体中的温度控制到任何所需的水平。额外的H2O(g)将取决于涡轮机8的温度限制。这种构造将不需要后火焰下游喷射系统来控制温度，因为这将在燃烧区46中完成。可以理解，水稀释可用于反应物12、24的安全处理和燃烧的安全控制以及通过热稀释剂对后火焰气体进行温度控制。
旋流燃烧器端头30的燃烧策略是化学计量的2H2+O2→2H2O(g)之一中加入高质量干蒸汽(质量＝1；H2O(g))作为反应物流中的热稀释剂。H2O(g)的量可以通过反应物的安全性要求和后火焰气体的所需温度来确定。可以理解，非预混旋流燃烧器端头30的设计是为了安全处理反应物12、24。旋流燃烧器端头30的另一种设计是为了快速彻底地混合反应物12、24，这样在旋流燃烧器端头30外部以接近预混的形态发生燃烧。H2/O2的比率被固定为在向反应物12、24中策略性地加入干蒸汽(H2O(g))的情况下消耗所有H2和O2(化学计量)。
如图5中最佳示出的那样，多个旋流燃烧器端头30可以组装成阵列以形成燃烧室50。燃烧室50的直径或尺寸面积将取决于涡轮机8的燃烧部分的几何形状。几个燃烧室50可以组装在涡轮机8的燃烧部分中并且尺寸设计成满足所需的输出功率。
虽然已经详细描述了非预混旋流燃烧器端头的实施方式，但应清楚的是，可以对其进行修改和变化，所有这些修改和变化都落入本发明的真正精神和范围内。因此，关于以上描述，应认识到，本发明的部件的最佳尺寸关系(包括尺寸、材料、形状、形式、功能和操作、组装和使用的方式的变化)被认为对于本领域技术人员来说容易明白并且显而易见，并且所有与附图中所示的和说明书中所述的那些等同的关系都旨在被本发明所涵盖。尽管已经描述了形成氢-氧气体的燃烧策略，但应该理解的是，本文描述的非预混旋流燃烧器端头也适合于产生同轴的反向旋转流。可以理解，沿着O2+H2O(g)输送系统策略性地设置的H2+O2催化燃烧器可用于维持O2+H2O的温度以保持H2O为气态。

Claims (17)

1.一种使用燃烧器端头的方法，其包括以下步骤：
a)将第一流体引入第一管道，该第一管道包括从所述第一管道的内表面延伸的至少一个第一螺旋叶片；
b)通过所述第一螺旋叶片在第一旋转方向上产生所述第一流体的第一螺旋流；
c)将第二流体引入同轴设置在所述第一管道内的第二管道，所述第二管道包括从所述第二管道的内表面延伸的至少一个第二螺旋叶片；
d)通过所述第二螺旋叶片在第二旋转方向上产生所述第二流体的第二螺旋流，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反；以及
e)在所述第一管道和第二管道的外部产生燃烧区，所述第一螺旋流和所述第二螺旋流在所述燃烧区混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一螺旋流沿着与所述第一出口的纵向轴线大体平行的第一方向，然后沿着大体朝向所述第二管道的第二出口的第二方向地离开所述第一管道的第一出口，以产生所述燃烧区。
3.一种燃烧策略方法，其包括：
将第一反应物和第二反应物分别引入燃烧器端头，该燃烧器端头具有能够向发生受控的燃烧的混合区产生所述第一反应物和所述第二反应物的分开的反向旋转流的构造；以及
向至少所述第一反应物中加入干蒸汽，以对所述第一反应物进行反应性控制并且控制后火焰气体的温度。
4.根据权利要求2所述的燃烧策略方法，其中，所述第一反应物是氧气，并且所述第二反应物是氢气。
5.根据权利要求2所述的燃烧策略方法，其还包括向所述第二反应物中加入干蒸汽。
6.根据权利要求5所述的燃烧策略方法，其中，所述第一反应物和所述第二反应物的比率被固定为消耗所有的所述第一反应物和第二反应物。
7.一种燃烧策略系统，其包括具有同轴管式反向旋流燃烧器构造的燃烧器端头，该燃烧器端头能够使用干蒸汽的第一流与O2、H2或者O2和H2的第二流混合进行非预混燃烧，以提供用于控制后火焰气体的温度的原位机构。
8.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述燃烧器端头还包括：
限定中空内部和第一出口的第一管道，所述第一管道包括从所述第一管道的内表面延伸到所述中空内部的至少一个第一螺旋叶片，所述第一螺旋叶片具有能够产生穿过所述第一管道的第一螺旋流的构造，所述第一螺旋流在第一旋转方向上；以及
同轴地设置在所述第一管道内的第二管道，所述第二管道限定中空内部和第二出口，所述第二管道包括从所述第二管道的内表面延伸到所述第二管道的所述中空内部的至少一个第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片具有能够产生穿过所述第二管道的第二螺旋流的构造，所述第二螺旋流在与所述第一螺旋方向相反的第二旋转方向上。
9.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述第一螺旋叶片朝向所述第二管道的外表面延伸并与所述第二管道的外表面接触。
10.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述第二出口位于所述第一管道的所述中空内部内。
11.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述第一螺旋叶片和所述第二螺旋叶片各自具有能够分别产生在所述燃烧器端头外部在燃烧区中彼此混合的所述第一螺旋流和所述第二螺旋流的构造。
12.根据权利要求11所述的燃烧策略系统，其中，所述第一螺旋叶片具有能够产生所述第一螺旋流以形成所述燃烧区的构造，所述第一螺旋流沿着与所述第一出口的纵向轴线大体平行的第一方向，然后沿着大体朝向所述第二出口的第二方向地离开所述第一出口。
13.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述第一流是O2和干蒸汽的混合物。
14.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述第二流是H2。
15.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述第二流是H2和干蒸汽的混合物。
16.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述燃烧器端头与涡轮机燃烧室的至少一部分相关联。
17.根据权利要求7所述的燃烧策略系统，其中，所述燃烧器端头是组装在燃烧器室中的多个燃烧器端头。
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