CN111630320A - 燃烧器装置及多管式直流锅炉装置 - Google Patents

Abstract

在向燃烧区域(R)供给燃料气体(F)与助燃气体(A)的混合气(MG)的燃烧器装置(1)中，设置有：一次混合通道(27)，其使燃料气体和助燃气体导入并混合；二次混合室(33)，其形成于旋转体形状的壁面的内侧且使来自所述一次混合通道(27)的混合气(MG)导入并进一步混合；以及多个混合气导入孔(35)，其形成于所述二次混合室(33)的周壁(5a)，并使来自所述一次混合通道(27)的混合气(MG)向所述二次混合室(33)沿着所述二次混合室(33)的偏心方向导入，从而产生混合气(MG)的回转流。

Description

燃烧器装置及多管式直流锅炉装置

相关申请

本申请主张2017年11月29日提出的日本专利申请2017-229025的优先权，并通过参照将其整体引用作为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及一种燃烧器装置，其使例如氢气那样的燃料气体与其他种类的气体混合并燃烧。

背景技术

近年来，为了抑制导致地球温室效应等环境问题的二氧化碳的排放，提出了在燃料中使用氢的燃烧器装置的技术，以实现所谓的低碳社会(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2012/0258409号说明书

发明内容

(一)要解决的技术问题

但是，就含氢燃料那样的反应性高的燃料而言，会由于燃烧温度升高而容易产生NOx，需要对此进行抑制。

本发明的目的在于提供一种燃烧器装置，其即使在使用氢气那样的高反应性的燃料的情况下也能够抑制NOx的产生。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明的燃烧器装置向燃烧区域供给燃料气体与助燃气体的混合气，

该燃烧器装置具备混合喷射体，该混合喷射体具有：

一次混合通道，其使燃料气体和助燃气体导入并混合；

二次混合室，其位于所述一次混合通道的内径侧，使来自所述一次混合通道的混合气导入并进一步混合，且形成于旋转体形状的壁面的内侧，并形成向所述燃烧区域喷射混合气的喷射口；以及

多个混合气导入孔，其形成于所述二次混合室的周壁，并使来自所述一次混合通道的混合气向所述二次混合室沿着所述二次混合室的偏心方向导入，从而产生混合气的回转流。

根据本结构，使两种气体在两个阶段进行混合，从而能够促进预混合并产生均匀的混合气。由此，能够抑制局部的火焰的高温化，因而抑制NOx的产生。而且，在混合喷射体内的二次混合室中产生回转流，从而能够进一步促进混合。

关于本发明一实施方式的燃烧器装置，可以是，所述混合喷射体还具有：第一气体通道，其使燃料气体及助燃气体的其中一方从径向外侧向所述一次混合通道导入；以及第二气体通道，其使燃料气体及助燃气体的其中另一方沿着与所述第一气体通道交叉的方向导入所述一次混合通道。根据该结构，可利用燃料气体与助燃气体交叉时的剪切力，促进一次混合通道中的第一阶段的混合。

关于本发明一实施方式的燃烧器装置，可以是，还具备多个所述混合喷射体。根据该结构，使作为整体所需量的燃料从多个混合喷射体(喷射口)分散进行喷射，从而更加有效地抑制局部的高温化。由此进一步抑制NOx的产生。

在本发明一实施方式的燃烧器装置中，可以是，所述二次混合室朝向下游侧扩径。根据该结构，在二次混合室中产生回转流，使混合气沿着二次混合室的壁面流动，从而不会在壁面附近形成混合气的低流速域，因此能够防止发生逆火。

在本发明一实施方式的燃烧器装置中，可以是，还具备辅助锥体部件，在所述二次混合室朝向下游侧扩径的情况下，所述辅助锥体部件与所述二次混合室呈同心状配置，并从所述二次混合室的最上游部向所述二次混合室内喷射助燃气体。根据该结构，通过从辅助锥体部件喷射助燃气体，能够防止从二次混合室的中央部分发生逆火。

在本发明一实施方式的燃烧器装置中，可以是，所述二次混合室朝向下游侧缩径。根据该结构，可抑制混合气的回转流中的燃料偏向于外侧，能够实现更均匀的混合。另外，通过减小喷射口的开口面积，从而使混合气的流速增大，能够有效地防止发生逆火现象。

本发明的多管式直流锅炉装置具备：

水管组，其由呈环状排列的多个水管组成；

连结壁，其连结于相邻的所述水管之间；以及

所述燃烧器装置，其配置为可向由所述水管组及连结壁形成的燃烧室喷射混合气，并具有多个所述混合喷射体，

所述燃烧器装置的多个所述混合喷射体排列成与所述水管组同心的环状。

根据该结构，在产生混合气的回转流的混合喷射体的外侧配置水管组，从而使在燃烧区域产生的火焰与各水管碰撞。因而，可促进向水管的传热，提高锅炉装置的效率。

在本发明一实施方式的多管式直流锅炉装置中，可以是，呈环状排列的多个所述混合喷射体配置为能够产生相同方向的混合气的回转流。根据该结构，能够在燃烧室内产生火焰大的回转流，高效地使火焰与水管碰撞。因而，可进一步促进向水管的传热。

在本发明一实施方式的多管式直流锅炉装置中，可以是，呈环状排列的多个所述混合喷射体以相邻的混合喷射体产生相反方向的混合气的回转流的方式配置。根据该结构，能够在相邻的混合喷射体之间产生火焰朝向径向外侧的流动，高效地使火焰与水管碰撞。因而，可进一步促进向水管的传热。

在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含于本发明。尤其是权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含于本发明。

附图说明

通过参考附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书确定。附图的各图中的相同附图标记表示相同或相当的部分。

图1是表示本发明一实施方式的燃烧器装置的概要结构的纵向剖视图。

图2是表示图1的燃烧器装置的混合喷射体的周边结构的纵向剖视图。

图3是表示图2的混合喷射体的周边结构的横向剖视图。

图4是将图2的混合喷射体的周边结构的一部分放大表示的纵向剖视图。

图5是表示图1的燃烧器装置一变形例的混合喷射体的周边结构的纵向剖视图。

图6是表示图1的燃烧器装置另一变形例的混合喷射体的周边结构的纵向剖视图。

图7是表示本发明第一实施方式的锅炉装置的概要结构的纵向剖视图。

图8是示意性地表示图7的锅炉装置的概要结构的横向剖视图。

图9是示意性地表示本发明第二实施方式的锅炉装置的概要结构的横向剖视图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1示出了本发明的一个实施方式的燃烧器装置。该图所示的燃烧器装置1是向燃烧区域R供给燃料气体与助燃气体的混合气MG的装置。燃烧器装置1例如用作锅炉、燃气轮机等动力装置的加热装置。

燃料气体例如是燃烧速度快、可燃浓度范围大的燃料，在本实施方式中，作为燃料气体而使用含氢气体，例如氢气。另外，在本实施方式中，作为助燃气体而使用空气A。作为助燃气体，除了空气之外，也可以使用例如调整了空气中的氧浓度的气体、废气等。在以下的说明中，将燃料气体作为“燃料F”、并将助燃气体作为“空气A”来进行说明。

燃烧器装置1具备混合喷射体7，混合喷射体7包含锥体部件5，锥体部件5形成向燃烧区域R喷射混合气MG的喷射口3。混合喷射体7具有：中空圆锥台状的锥体部件5、和收纳锥体部件5的中空筒状部件9。在图示的例子中，中空筒状部件9形成为中空圆筒状。锥体部件5与中空筒状部件9呈同心状配置。并且，中空筒状部件9也可以是方筒状。另外，在本实施方式中，燃烧器装置1具备多个(在本例中是排列成4×3列的12个)混合喷射体7即多个锥体部件5。在以下的说明中，将与各锥体部件5的轴心方向平行的方向简称为“轴心方向X”。另外，将锥体部件5的径向简称为“径向”。

并且，除了混合喷射体7之外，燃烧器装置1也可以具备未图示的点火用的先导燃烧器。点火时从先导燃烧器向燃烧区域R喷射点火用燃料。

在混合喷射体7的上游侧设置有：用于向混合喷射体7导入空气A的空气导入集管11、和用于向混合喷射体7导入燃料F的燃料导入集管13。在燃料导入集管13的下游侧壁13a嵌入有中空筒状部件9的上游侧底壁9a。在燃料导入集管13的上游侧壁13b连接有燃料导入管15，该燃料导入管15形成燃料F的导入通道。即，燃料导入管15沿着轴心方向X延伸设置，并使燃料F沿着轴心方向X向燃料导入集管13内导入。空气导入集管11以将如上述那样配置的混合喷射体7、燃料导入集管13及燃料导入管15包围的方式形成。在空气导入集管11的一个侧壁11a连接有空气导入管17，该空气导入管17形成空气A的导入通道。

向燃料导入集管13内导入的燃料F在与燃料F的导入方向也就是轴心方向X平行的平面方向上分散之后向中空筒状部件9内导入。对于中空筒状部件9的结构将在后面进行详细说明。在图示的例子中，在燃料导入集管13的下游侧壁13a的处于燃料导入管15下游的部分以向上游侧突出的方式设置有整流板19。向燃料导入集管13内导入的燃料F与整流板19碰撞，从而在与轴心方向X平行的平面方向上大致均匀地分散。另外，也可以省略整流板19而使燃料F直接与燃料导入集管13的下游侧壁13a碰撞。向空气导入集管11内导入的空气A在通过了空气导入集管11与燃料导入集管13之间的间隙21之后向中空筒状部件9内导入。

如图2所示，在混合喷射体7的中空筒状部件9的侧壁9b形成有空气通道(第一气体通道)25，该空气通道25贯通该侧壁9b并进一步向内侧延伸。来自空气导入集管11的空气A通过空气通道25，并向在锥体部件5的外侧形成的混合通道(以下称为“一次混合通道27”)导入。也就是说，空气通道25使空气A从径向外侧向一次混合通道27导入。在图示的例子中形成有多个空气通道25。在图示的例子中，一次混合通道27形成为如下所述的通道，即：从空气通道25起进一步向内侧延长并延伸到锥体部件5的周壁5a为止的通道。在以下的说明中，根据需要而将本实施方式的从中空筒状部件9的侧壁9b延伸到锥体部件5的周壁5a并形成空气通道25及一次混合通道27的通道整体称为“气体通道29”。

另一方面，在中空筒状部件9的上游侧底壁9a形成有燃料通道(第二气体通道)31，该燃料通道31使燃料F从燃料导入集管13向一次混合通道27导入。在本例中，如图3所示，多个燃料通道31沿着中空筒状部件9的上游侧底壁9a的周缘等间隔地配置。另外，如图4所示，各燃料通道31沿着轴心方向X延伸。各燃料通道31贯通中空筒状部件9的上游侧底壁9a之后进一步向下游侧延伸，并连接于一次混合通道27的上游端。换言之，关于气体通道29，其与燃料通道31的连接部分的上游侧是空气通道25且下游侧是一次混合通道27。在一次混合通道27中，从燃料导入集管13导入的燃料F与从空气导入集管11导入的空气A进行混合。

如图2所示，在锥体部件5的周壁5a形成有多个混合气导入孔35，该混合气导入孔35使来自一次混合通道27的混合气MG向锥体部件5的内侧空间即混合室(以下称为“二次混合室33”)导入。也就是说，二次混合室33形成于位于一次混合通道27的内径侧的圆锥台状的壁面的内侧。从一次混合通道27导入的混合气MG在二次混合室33中进一步混合。在本例中，如图3所示，在锥体部件5的周壁5a的轴心方向X上的多个(在本例中是三个)不同的位置上，多个混合气导入孔35沿着周向等间隔地配置。在该图中，将从纸面近前侧起朝向进深侧配置于轴心方向X上的位置的混合气导入孔35依次设定为混合气导入孔35A、35B、35C并分别用实线、虚线、单点划线来表示。对于后述的气体通道29也同样地进行区别表示。另外，在轴心方向X上的不同位置之间，以混合气导入孔35的周向位置偏移的方式配置。

这样，通过在轴心方向X上的多个(在本例中是三个)不同的位置上设置混合气导入孔35，从而向来自上游侧的混合气MG进一步喷射混合气MG，因此促进混合。另外，通过在轴心方向X上不同的位置之间以混合气导入孔35的周向位置偏移的方式配置，从而能够实现更均匀的混合。

多个混合气导入孔35在轴心方向X上的各位置上以沿着二次混合室33的偏心方向延伸的方式设置。即，各混合气导入孔35沿着相对于径向倾斜的方向延伸。另外，轴心方向X上的相同位置的多个混合气导入孔35相对于径向的倾斜角度相同。通过这样构成了多个混合气导入孔35，这些混合气导入孔35通过使来自一次混合通道27的混合气MG向二次混合室33沿着二次混合室33的偏心方向导入，从而产生混合气MG的回转流。

在本实施方式中，更具体而言，形成各空气通道25及一次混合通道27的气体通道29以与锥体部件5的混合气导入孔35对应的位置及角度形成。换言之，设置于中空筒状部件9的空气通道25及一次混合通道27的数量分别与混合气导入孔35的数量(在本例中是12个)相同，并且各气体通道29以具有与锥体部件5的混合气导入孔35相同的轴心(混合气导入轴心)C1的方式配置。

通过使空气通道25、一次混合通道27以及混合气导入孔35成为上述的结构，从而能够利用简易的结构有效地在二次混合室33中产生混合气MG的回转流。并且，只要在轴心方向X上的至少一个位置将多个混合气导入孔35以沿着二次混合室33的偏心方向延伸的方式设置，就能够在二次混合室33中产生混合气MG的回转流。空气通道25、一次混合通道27以及混合气导入孔35的其他结构不限于图示的例子。

在本实施方式中，如图4所示，各燃料通道31构成为使燃料F沿着与空气通道25交叉的方向导入一次混合通道27。具体而言，设置于中空筒状部件9的燃料通道31的数量与空气通道25的数量(在本例中是12个)相同，并且各燃料通道31以其轴心(燃料导入轴心)C2与对应的空气通道25的轴心(空气导入轴心)C3正交的方式配置。

通过这样将各燃料通道31构成为使燃料F沿着与空气通道25交叉的方向导入一次混合通道27，从而可利用燃料F与空气A交叉时的剪切力来促进一次混合通道27中的第一阶段的混合。为了利用剪切力促进燃料F与空气A的混合，燃料导入轴心C2与空气导入轴心C3的交叉角度α优选如本例这样为90°，但是不限于90°。另外，各燃料通道31不是必须构成为使燃料F沿着与空气通道25交叉的方向导入一次混合通道27。例如，也可以使各燃料通道31形成为沿着相对于空气导入轴心C3偏心的方向与空气通道25连接，从而构成为在一次混合通道27内产生燃料F的回转流，也可促进一次混合通道27中的燃料F与空气A的混合。

此外，也可以交换燃料F和空气A各自向一次混合通道27的导入路径。也就是说，可以使燃料F通过作为空气通道25进行了说明的第一气体通道，并使空气A通过作为燃料通道31进行了说明的第二气体通道。在这种情况下，也使在对应的各导入集管11、13、各导入管15、17中通过的空气A和燃料F进行交换。

图2所示的中空圆锥台状的二次混合室33朝向下游侧扩径。在这种情况下，可以如在图5中作为变形例示出的那样设置辅助锥体部件37，该辅助锥体部件37与二次混合室33呈同心状配置，并从二次混合室33的最上游部向二次混合室33内喷射空气A。辅助锥体部件37形成为朝向下游侧缩径的中空圆锥台状。从辅助锥体部件37喷射的空气A例如可通过设置贯通燃料导入集管13(图1)的辅助锥体部件37用的辅助空气导入通道39而从空气导入集管11(图1)供给。通过在朝向下游侧扩径的二次混合室33中产生回转流，使混合气MG沿着二次混合室33的壁面流动，从而不会在壁面附近形成混合气MG的低速区域，因此能够防止发生逆火。而且，通过从辅助锥体部件37喷射空气A，因而能够防止从二次混合室33的中央部分发生逆火。

并且，也可以如在图6中作为另一变形例示出的那样，二次混合室33朝向下游侧缩径。在这种情况下，可抑制混合气MG的回转流中的燃料F偏向于外侧，能够实现更均匀的混合。另外，通过减小喷射口3的开口面积而使流速增大，能够有效地防止发生逆火现象。

此外，形成二次混合室33的壁面的形状也可以是上述例示的圆锥台形状以外的旋转体形状，作为其一例是圆筒形状。

另外，在本实施方式中，作为形成混合气M而向燃烧区域R喷射的混合喷射体7，对于由锥体部件5、中空筒状部件9、以及形成用于使气体通过及混合的各要素(一次混合通道27、二次混合室33、混合气导入孔35等)的管部件组合而构成的例子进行了说明。但是，混合喷射体7的方式不限于此。也就是说，混合喷射体7只要形成为具有在本实施方式中说明的用于使气体通过及混合的各要素即可，例如，也可以是通过对单一的金属块进行切削加工而形成上述各要素的部件。

另外，在本实施方式中对设置有多个混合喷射体7的例子进行了说明。通过这样设置多个混合喷射体7，从而能够使作为整体所需量的燃料F从多个混合喷射体7(喷射口3)分散进行喷射，因此可有效地抑制局部的高温化。从而抑制NOx的产生。设置多个混合喷射体7时的数量及排列方式不限于上述的例子，可以根据应用该燃烧器装置1的装置的规格适当地设定。另外，也可以在燃烧器装置1仅设置一个混合喷射体7。

根据以上说明的本实施方式的燃烧器装置1，利用一次混合通道27及二次混合室33使两种气体在两个阶段进行混合，从而能够促进预混合并产生均匀的混合气MG。由此，能够抑制局部的火焰的高温化，从而抑制NOx的产生。而且，在二次混合室33中产生回转流，从而能够进一步促进混合。

接着，对图7所示的本发明第一实施方式的多管式直流锅炉装置(以下简称为“锅炉装置”)51进行说明。锅炉装置51具备上述实施方式的燃烧器装置1。锅炉装置51还具备水管组53，所述水管组53由呈环状(在本例中为内外两列的环状)排列的多个水管组成。这些水管组53利用环状的上部集管55及下部集管57连通。如图8所示，相邻的水管之间利用连结壁59连结。由水管组53和连结壁59形成了燃烧室61。燃烧器装置1配置为能够向燃烧室57喷射混合气MG。也就是说，形成燃烧室1的水管组53配置为在俯视观察下将喷射混合气MG的混合喷射体7包围。此外，在该图中省略了外侧列的水管组。

如图8所示，在燃烧器装置1中，混合喷射体7排列成与水管组53同心的环状。在本实施方式中，更具体而言，呈环状排列的多个混合喷射体7配置为能够产生相同方向的混合气MG的回转流。根据本实施方式的锅炉装置51，如图8所示，能够在燃烧室57内产生火焰大的回转流F1，高效地使火焰与水管组53碰撞。因而，可促进向水管组53的传热。

此外，在图示的例子中，除了在水管组53的内侧呈环状排列的混合喷射体7之外，在该环状排列的中心部也配置有混合喷射体7。通过在中心部也配置混合喷射体7，可使燃烧室57内的火焰分布更加均匀化，抑制逆火的发生。另外，也可以在图示的呈环状排列的混合喷射体7的内侧进一步配置一个或多个环列的混合喷射体7。

图9表示第二实施方式的锅炉装置51。在本实施方式中，燃烧器装置1中的多个混合喷射体7的排列方式与第一实施方式不同。即，在本实施方式中，呈环状排列的多个混合喷射体7以相邻的混合喷射体7产生相反方向的混合气MG的回转流的方式配置。此外，其他的结构与图8所示的第一实施方式的锅炉装置51相同。

根据本实施方式的锅炉装置51，如图9所示，能够在相邻的混合喷射体7、7之间产生朝向径向外侧的火焰的流动F2，高效地使火焰与水管53碰撞。因而，可促进向水管53的传热。此外，俯视观察下的水管组53与混合喷射体7的位置关系不限于图示的例子，在本实施方式中为了更加高效地使火焰与水管53碰撞，优选如图9所示这样在相邻的混合喷射体7、7之间的周向位置的外侧配置一个水管53。

此外，作为上述各实施方式的锅炉装置51，虽然示出了将燃烧器装置1的呈环状排列的多个混合喷射体7以混合气MG的回转方向具有规则性的方式配置的例子，但是混合喷射体7的配置方式不限于这些例子。即，本实施方式的燃烧器装置1不是沿着与水管组53平行的方向喷射混合气MG，而是将混合气MG作为回转流进行喷射，因此只要燃烧器装置1的混合喷射体7排列成与水管组53同心的环状，就能够使由从锥体部件5喷射的混合气MG所产生的火焰与水管53碰撞，获得促进向水管组53传热的效果。

此外，本实施方式的燃烧器装置1不仅适用于锅炉装置51，也适用于上述的燃气轮机等其他类型的动力装置。

如上所述，参照附图对优选的实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种追加、变更或者删除。因而，这样的结构也包含在本发明的范围内。

附图标记说明

1-燃烧器装置；3-喷射口；7-混合喷射体；25-空气通道(第一气体通道)；27-一次混合通道；31-燃料通道(第二气体通道)；33-二次混合室；35-混合气导入孔；51-锅炉装置；53-水管组；55-连结壁；57-燃烧室；A-空气(助燃气体)；F-燃料(燃料气体)；MG-混合气；R-燃烧区域。

Claims (9)

1.一种燃烧器装置，其向燃烧区域供给燃料气体与助燃气体的混合气，且具备混合喷射体，

所述混合喷射体具有：

一次混合通道，其使燃料气体和助燃气体导入并混合；

二次混合室，其位于所述一次混合通道的内径侧，使来自所述一次混合通道的混合气导入并进一步混合，且形成于旋转体形状的壁面的内侧，并形成向所述燃烧区域喷射混合气的喷射口；以及

多个混合气导入孔，其形成于所述二次混合室的周壁，并使来自所述一次混合通道的混合气向所述二次混合室沿着所述二次混合室的偏心方向导入，从而产生混合气的回转流。

2.根据权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于，

所述混合喷射体还具有：

第一气体通道，其使燃料气体及助燃气体的其中一方从径向外侧向所述一次混合通道导入；以及

第二气体通道，其使燃料气体及助燃气体的其中另一方沿着与所述第一气体通道交叉的方向导入所述一次混合通道。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器装置，其特征在于，

还具备多个所述混合喷射体。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器装置，其特征在于，

所述二次混合室朝向下游侧扩径。

5.根据权利要求4所述的燃烧器装置，其特征在于，

还具备辅助锥体部件，所述辅助锥体部件与所述二次混合室呈同心状配置，并从所述二次混合室的最上游部向所述二次混合室内喷射助燃气体。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器装置，其特征在于，

所述二次混合室朝向下游侧缩径。

7.一种多管式直流锅炉装置，具备：

水管组，其由呈环状排列的多个水管组成；

连结壁，其连结于相邻的所述水管之间；以及

权利要求3至6中任一项所述的燃烧器装置，其配置为可向由所述水管组及连结壁形成的燃烧室喷射混合气，

所述燃烧器装置的多个所述混合喷射体排列成与所述水管组同心的环状。

8.根据权利要求7所述的多管式直流锅炉装置，其特征在于，

呈环状排列的多个所述混合喷射体配置为能够产生相同方向的混合气的回转流。

9.根据权利要求7所述的多管式直流锅炉装置，其特征在于，

呈环状排列的多个所述混合喷射体以相邻的混合喷射体产生相反方向的混合气的回转流的方式配置。

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