CN111911961A - 一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器，包括配有风机的燃烧腔，燃烧腔内设置有位于轴心的一级燃烧器和位于一级燃烧外围的二级燃烧器，一级燃烧器包括位于轴心的一级燃烧器喷头和布置于一级燃烧器喷头周向外围的双旋流叶片，二级燃烧器包括呈环状分布于双旋流叶片周向外围的若干二级燃烧器喷头，各二级燃烧器喷头的喷口处分别设置一个文丘里缩放喷嘴，一级燃烧器喷头连接一级燃料管路，各二级燃烧器喷头连接二级燃料管路，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧组织方式，本发明通过两级燃烧结合、合理组织燃烧，实现天然气高比例掺烧氢气，能有效防止回火、脱火情况的发生，此外能够实现燃气与空气的快速混合，使燃烧充分，提高效率降低排放。

Description

一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器
技术领域
本发明属于热能工程技术领域，涉及一种燃烧器，特别涉及一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器。
背景技术
为应对全球气候变化，实现降低碳排放的目标，风能、太阳能和水能等可再生能源迅速发展。可再生能源的主要问题是波动性，其规模的迅速增长对电网安全产生了严重的威胁。为了保障电网安全运行，富余的电能无法并网，弃风、弃光、弃水问题严重。同时氢气是优良的能源载体，所以我们可以将波动的可再生能源转化为氢气储存。但是由于大规模储氢成本高、氢燃料电池技术不成熟、氢气基础设施不完善，纯氢的利用还需要相当长的时间。由此而来，将一定比例的氢气掺混在天然气中应用于燃气轮机燃烧是化石能源向氢能过渡较佳解决方案。但由于氢气具有极高的火焰传播速度，极易发生回火现象，现有天然气燃烧器无法实现天然气高比例掺烧氢气。因此，需要对燃烧器结构进行合理的设计，保证天然气高比例掺烧氢气燃烧器的稳定安全。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器，以期稳定安全地进行天然气高比例掺烧氢气。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器，包括配有风机11的燃烧腔1，所述燃烧腔1内设置有位于轴心的一级燃烧器和位于一级燃烧外围的二级燃烧器，所述一级燃烧器包括位于所述轴心的一级燃烧器喷头9和布置于一级燃烧器喷头9周向外围的双旋流叶片7，所述二级燃烧器包括呈环状分布于双旋流叶片7周向外围的若干二级燃烧器喷头2，各所述二级燃烧器喷头2的喷口处分别设置一个文丘里缩放喷嘴4，所述一级燃烧器喷头9连接一级燃料管路10，各所述二级燃烧器喷头2连接二级燃料管路8，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧组织方式。
优选地，所述一级燃烧器喷头9的一级燃烧器喷口13有若干个，其燃料喷射和来流空气形成横风射流。
优选地，所述来流空气通过风机11沿轴向鼓入燃烧腔1，所述一级燃烧器喷口13的喷射方向为径向。
优选地，所述双旋流叶片7由同轴且旋向相反的一级旋流叶片14和二级旋流叶片12组成。
优选地，所述一级旋流叶片14和二级旋流叶片12的叶片角度连续可变，通过改变叶片角度控制旋流燃烧回流区的大小，使得火焰稳定在远离一级燃烧器喷头9一定距离的位置。
优选地，所述二级燃烧器喷头2为稀薄直喷喷头，其喷口的喷射方向与轴向平行，文丘里缩放喷嘴4环绕二级燃烧器喷头2布置，来流空气和二级燃烧器喷头2喷射的燃料在文丘里缩放喷嘴4中混合后喷出。
优选地，所述双旋流叶片7周向外围布置有环形的二级燃烧器固定架5，各二级燃烧器喷头2固定在二级燃烧器固定架5上，所述燃烧腔1外部设置有二级燃料共轨6，二级燃料共轨6与二级燃料管路8连接。
优选地，所述二级燃烧器喷头2的喷口由若干孔径为0.5～1mm的喷孔组成，
优选地，各所述二级燃烧器喷头2周向外围均设置有旋流叶片3，来流空气通过旋流叶片3形成旋流流场。
优选地，所述一级燃料管路10连接天然气或低氢比例天然气，所述二级燃料管路8连接高掺混氢气比例天然气，其中低氢比例是指氢气在氢气和天然气混合气中的体积占比在小于等于10％，高掺混氢气比例是指氢气在氢气和天然气混合气中的体积占比大于10％。
与现有技术相比，本发明通过两级燃烧结合、合理组织燃烧，实现天然气高比例掺烧氢气，能有效防止回火、脱火情况的发生，此外使用该燃烧器能够实现燃气与空气的快速混合，使燃烧充分，提高效率降低排放。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是本发明一级燃烧器结构示意图
图3是本发明二级燃烧器结构示意图
图中：1-燃烧腔；2-二级燃烧器喷头；3-旋流叶片；4-文丘里缩放喷嘴；5-二级燃烧器固定架；6-二级燃料共轨；7-双旋流叶片；8-二级燃料管路；9-一级燃烧器喷头；10-一级燃料管路；11-风机；12-二级旋流叶片；13-一级燃烧器喷口；14-一级旋流叶片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器，可实现高掺混氢气比例天然气的燃烧，其包括燃烧腔1，燃烧腔1的尾端配有风机11，来流空气通过风机11沿轴向鼓入燃烧腔1。燃烧腔1内部有一级燃烧器和二级燃烧器，其中，一级燃烧器位于轴心位置，主要以天然气或低氢比例(掺氢比小于等于10％)天然气为燃料，二级燃烧器位于一级燃烧器的外围，主要以高掺混氢气比例(掺氢比大于10％)天然气为燃料，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧组织方式。
参考图1和图2，一级燃烧器包括轴心位置的一级燃烧器喷头9，一级燃烧器喷头9连接一级燃料管路10，一级燃料为天然气或低氢比例天然气。一级燃烧器喷头9的一级燃烧器喷口13有若干个，其喷射方向为径向，即与来流空气方向垂直。在一级燃烧器喷头9周向外围布置有双旋流叶片7，双旋流叶片7组织气流，使得一级燃料和空气能够充分均匀混合，提高燃烧效率、降低氮氧化物的排放。双旋流叶片7由同轴且旋向相反的一级旋流叶片14和二级旋流叶片12组成。
一级燃料通过一级燃料管路10和一级燃烧器喷头9喷入燃烧腔1，来流空气通过风机11鼓入燃烧腔，燃料喷射和来流空气形成横风射流，通过一级旋流叶片14组织的气流与来流空气充分混合。一级旋流叶片14和二级旋流叶片12的叶片角度连续可变，通过改变叶片角度控制旋流燃烧回流区的大小，使得火焰稳定在远离一级燃烧器喷头9一定距离的位置，有效稳定一级燃烧的火焰，同时防止一级燃烧器喷头9和双旋流叶片7被烧蚀，延长二者的使用寿命。
参考图1和图3，二级燃烧器包括二级燃烧器固定架5，二级燃烧器固定架5为环形，安装于双旋流叶片7周向外围，二级燃烧器固定架5上沿周向均匀固定安装有若干二级燃烧器喷头2，燃烧腔1外部设置有二级燃料共轨6，二级燃料共轨6与二级燃料管路8连接，二级燃料管路8与各二级燃烧器喷头2连接，二级燃料为高掺混氢气比例天然气，通过二级燃料共轨6和二级燃料管路8由二级燃烧器喷头2的喷口2喷出。
本实施例中，二级燃烧器喷头2为稀薄直喷喷头，其喷口由若干孔径为0.5～1mm的喷孔组成，喷射方向与轴向平行，微小孔径可以有效防止回火，使得高掺混氢气比例天然气能够安全燃烧。各二级燃烧器喷头2周向外围均设置有旋流叶片3，来流空气通过旋流叶片3形成旋流流场。各二级燃烧器喷头2的喷口处分别设置一个文丘里缩放喷嘴4，文丘里缩放喷嘴4环绕二级燃烧器喷头2布置，来流空气和二级燃烧器喷头2喷射的二级燃料在文丘里缩放喷嘴4中充分混合后喷出，文丘里缩放喷嘴4可以加快气流流速，有利于进一步加强混合，并在文丘里缩放喷嘴4上一定抬升距离处稳定燃烧，防止文丘里缩放喷嘴4烧蚀。
本发明燃烧器尾端是空气入口，通过风机11输送新鲜的空气，空气在两级燃烧器下分别从双旋流叶片7、旋流叶片3进入燃烧腔1与燃料进行混合，复杂的混合方式使得燃料与空气混合更加充分，提高了燃烧效率。
由此，本发明的一级燃烧器采用叶片角度可变的反向双旋流结构，可用于常规天然气燃烧以及低氢比例天然气燃烧，二级燃烧器采用文丘里结构，可以实现高掺混氢气比例天然气燃烧，配合一级燃烧，本发明可以实现天然气掺氢燃料的灵活使用，应用在燃气轮机中实现不同掺氢比例，尤其是高掺氢比例天然气的稳定安全燃烧。已实验验证二级燃烧器喷头2在不同工况下的二级燃烧，可以有效的进行高氢比例天然气的稳定低排放燃烧。实验表明最高可以实现20m/s流速、90％天然气掺混氢气的稳定燃烧。
以上，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气高比例掺烧氢气燃烧器，包括配有风机(11)的燃烧腔(1)，其特征在于，所述燃烧腔(1)内设置有位于轴心的一级燃烧器和位于一级燃烧外围的二级燃烧器，所述一级燃烧器包括位于所述轴心的一级燃烧器喷头(9)和布置于一级燃烧器喷头(9)周向外围的双旋流叶片(7)，所述二级燃烧器包括呈环状分布于双旋流叶片(7)周向外围的若干二级燃烧器喷头(2)，各所述二级燃烧器喷头(2)的喷口处分别设置一个文丘里缩放喷嘴(4)，所述一级燃烧器喷头(9)连接一级燃料管路(10)，各所述二级燃烧器喷头(2)连接二级燃料管路(8)，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧组织方式。
2.根据权利要求1所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述一级燃烧器喷头(9)的一级燃烧器喷口(13)有若干个，其燃料喷射和来流空气形成横风射流。
3.根据权利要求2所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述来流空气通过风机(11)沿轴向鼓入燃烧腔(1)，所述一级燃烧器喷口(13)的喷射方向为径向。
4.根据权利要求1或2或3所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述双旋流叶片(7)由同轴且旋向相反的一级旋流叶片(14)和二级旋流叶片(12)组成。
5.根据权利要求4所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述一级旋流叶片(14)和二级旋流叶片(12)的叶片角度连续可变，通过改变叶片角度控制旋流燃烧回流区的大小，使得火焰稳定在远离一级燃烧器喷头(9)一定距离的位置。
6.根据权利要求1所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述二级燃烧器喷头(2)为稀薄直喷喷头，其喷口的喷射方向与轴向平行，文丘里缩放喷嘴(4)环绕二级燃烧器喷头(2)布置，来流空气和二级燃烧器喷头(2)喷射的燃料在文丘里缩放喷嘴(4)中混合后喷出。
7.根据权利要求1或6所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述双旋流叶片(7)周向外围布置有环形的二级燃烧器固定架(5)，各二级燃烧器喷头(2)固定在二级燃烧器固定架(5)上，所述燃烧腔(1)外部设置有二级燃料共轨(6)，二级燃料共轨(6)与二级燃料管路(8)连接。
8.根据权利要求6所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述二级燃烧器喷头(2)的喷口由若干孔径为0.5～1mm的喷孔组成。
9.根据权利要求1所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，各所述二级燃烧器喷头(2)周向外围均设置有旋流叶片(3)，来流空气通过旋流叶片(3)形成旋流流场。
10.根据权利要求1所述天然气高比例掺烧氢气燃烧器，其特征在于，所述一级燃料管路(10)连接天然气或低氢比例天然气，所述二级燃料管路(8)连接高掺混氢气比例天然气，其中低氢比例是指氢气在氢气和天然气混合气中的体积占比在小于等于10％，高掺混氢气比例是指氢气在氢气和天然气混合气中的体积占比大于10％。
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