CN1121157A - 用于大气燃烧设备的燃烧方法与装置 - Google Patents

Abstract

在一个主要包含一个预混燃烧器和一个火焰管的热发生器中，从预混燃烧器的燃烧中产生的热气体导入火焰管并在那里进行分段后燃烧。后燃烧在第一与第二后燃烧段发生。供各后燃烧段的空气/燃料混合物由单独的混合器制备。这些混合器相对于火焰管轴向与/或径向设置并以这样的方式喷入相应的混合物使得在火焰管的长度上形成分段的不同燃烧区。通过这样的分段后燃烧方式，可以使NO_x的散热量与常规技术相比降低了一个5的因数。

Description

用于大气燃烧设备的燃烧方法与装置

本发明涉及一种用于大气燃烧的燃烧方法，在此方法中，在一个预混燃烧器中使用液体与/或气体燃料产生的热气体被导入到一个火焰管内。本发明还涉及一种实现这种方法的装置。

在根据一种预混合技术的常规燃烧方法中，氧化氮(NOx)生成的下限通过低的熄灭极限来预定，该极限处在大约1600°K的火焰绝热温度。在燃气轮机的情况中，NOx的排出量通常将达到大致7-10ppm(15％O₂)这个范围内。想要将混合物进一步贫化就会导致火焰熄灭。在实践中，特别是在过渡区内，必须跟熄灭极限保持一定的距离，从而使低于1650°K的火焰温度由于操作原因而不致达到。因而就使NOx散发的进一步降低受到遏制。

本发明就是要提供补救办法。因此本发明的目的在于为本文开始所提及的方法和装置提出能够进一步降低NOx散发量的措施。

本发明的出发点是，如果一种燃料被喷射入热气体内，这种燃料就有可能以低得多的火焰温度燃烧。如果，例如使用一种预先混合好的燃料/空气混合物，也能获得同样的效果。在燃烧室内，当由燃料、空气、必要时还有烟气构成的混合物达到900°-950℃的温度数量级，在混合速率为大约1毫秒时发生自点火。

一个根据预混合原理工作的燃烧器用于第一段来产生热气体。可使用的或所需的空气和燃料只有一部份、例如15-30％被输入到这预混燃烧器中。在这里，在预混燃烧器中，最佳工作点靠近熄灭极限设定。当在预混燃烧器内大部份的空气/燃料混合物进行了反应之后，有一种预先在混合器装置中制备好的外加的空气/燃料混合物喷射到热气体内。

刚提及的在混合器中制备的混合物应当比推动预混燃烧器的混合物较贫一些。但是，形成较富的混合物也可以是合适的，特别是在预混燃烧器的工作在产生NOx方面不能令人满意时。将来自混合器的混合物混入到来自预混燃烧器的热气中会触发自点火后燃烧。

通过混合器喷入的质量流与来自预混燃烧器的热气体的质量流的比例不应超越一个确定的比率，以保证用于后燃烧的燃料的快速点火。在这里，最好应当规定一个1.5的数值。但是，并不需要温度在后燃烧开始之前绝对地达到上述的900-950℃，其所以不需要是因为当混合在进行时，反应一般已在进行，而且后燃烧燃料的一部份热值在混合完成之前已经转换了。将后燃烧分成多段来进行是有利的：上面列出的15-30％相应于一个两段过程，因为在这情况中，可以输入一个较大部份的用于后燃烧的燃料。第二后燃烧段可以早就开始喷入。虽然在那里绝对大部份来自第一后燃烧段的混合物已经进行了反应，然而仍旧存在高的一氧化碳浓度。为了在最后一段后面达致一氧化碳快速烧尽、从而达致一个短的燃烧室，随着分段数字的增大按比例地减少喷射混合物是合适的。当从一段到另一段输入同样的绝对流量时，这就会例如自动地发生了。

本发明的主要优点在于，与最好的已知预混技术相比，本发明实现了一个因数为5的NOx折减潜力。

本发明的另一个主要优点在于，上述的说法也适用于从气化方法得来的燃料。虽然这些燃料具有高的氢含量因而点火非常快，它们的火焰速度和容积反应密度非常高，因而在后燃烧段可以更多地喷入，这是因为在这里即便废气温度非常低，点火是没有问题的。因此，在这种情况下，接在上游的预混燃烧器可以设计得很小。

实现本发明的燃烧方法的装置的技术方案在于该装置主要包含一个预混燃烧器和一个火焰管，火焰管在每个后燃烧段具有至少一个空气/燃料混合器。

本发明的其它有利结构发展描述如下。空气/燃料混合器可以相对于火焰管轴向设置，也可以相对于火焰管径向设置。燃烧器包含有至少两个空心锥形的、沿流动方向相互套装在一起的分体，其各自的纵向对称轴线彼此相对错开地伸展，分体的相邻壁在它们的纵向长度上形成为燃烧空气所用的切向通道，在由分体所形成的锥形空腔中存在有至少一个燃料喷嘴。在切向通道的区域内、在其纵向长度上设置有另外的燃料喷射孔。分体在其流动方向上以一个固定角度呈锥形扩宽，分体在其流动方向上可以具有一个逐渐增大的锥形坡度，也可以在其流动方向上具有一个逐渐减小的锥形坡度。

下面将借助于附图对本发明的实施例进行详细描述。所有对于直接理解本发明不需要的构件都被略去。各种介质的流动方向用箭头指示。在不同附图中，相同构件用同样标号标示。

在附图中：

图1示出一个带有一个预混燃烧器和一个轴向燃烧分段的热发生器；

图2示出另一个带有一个预混燃烧器和一个径向燃烧分段的热发生器；

图3示出一个其结构为“双锥式燃烧器”的预混燃烧器的透视图，其中有相应部份被破开；和

图4-6示出通过图3所示的燃烧器的不同平面的相应截面。

图1示出一个热发生器。它包括一个预混燃烧器100，关于这个预混燃烧器下文中将予详述，沿流动方向连接在预混燃烧器下游的是一个火焰管1，该火焰管在整个燃烧室122的长度上伸展。有一个未示出的热发生器的锅炉处在火焰管1下游。热发生器此外还具有用于推动后燃烧区的一组装置200、300，这些后燃烧区轴向相对于火焰管1并在预混燃烧器100的平面内作用，在这些区内从所述装置中制成的空气与燃料的混合物进行燃烧。这些装置200、300具有使空气和燃料构成混合物的功能。将后燃烧分成多段来进行是有利的，在后文中将更详细地讨论，这里是一个两段的后燃烧。所述平面主要由预混燃烧器100的前壁110形成。后燃烧装置200、300，也就是混合器，在介于预混燃烧器100的火焰开口(Flammenoeffnung)与火焰管1的流动横截面之间的横截面扩展部位上发生作用。预混燃烧器100首先被用作一个产生热气体的第一燃烧段10。但是，可使用的或所需的空气和燃料只有一部份、例如15-30％被输入到这预混燃烧器100中。在这里最佳工作点靠近熄灭极限设定。在来自预混燃烧器100的混合物大部份进行了反应之后，有一种在混合器200、300中预先制备好的外加的空气/燃料混合物11a、12a喷射入在预混燃烧器100下游的热气体10中。这混合物11a、12a保持得比推动预混燃烧器100的混合物要贫一些。来自混合器200、300的混合物11a、12a跟来自预混燃烧器100的热气体10的混合触发了相应的自点火的后燃烧11、12，这后燃烧在火焰管1内沿着流动方向分段同心地围绕着一个由预混燃烧器100形成的回流区106发展并相互跟随。根据来自预混燃烧器100的热气体10的火焰前锋形成初始燃烧区，因而以混合物11a进行的后燃烧11就形成第二燃烧区，该区在径向上靠近初始燃烧区。随后另一个以混合物12a进行后燃烧形成第三燃烧区，其径向界限是火焰管1的内壁。从回流区106起始的涡旋也影响随后的燃烧区，如附图中象征性地表示的那样。至于混合器200、300，它们之间相互不同处在于形成混合物的介质。混合器200包含一个管装置2、3，其数目对应于燃烧区的数目。单根的管2、3在上游通向一个环形空间4，从该空间有一股气体燃料8通过通孔6流入相应的管2、3中。空气9部份最好是轴向地也流入管2、3中，并通过径向流入的、最好是一种气体燃料的燃料8予以加浓，这样，在管2、3的长度内就形成了混合物11a、12a，这些混合物触发了火焰管1内的自点火后燃烧。因而这些管完成了一个预混区段的功能。另外一个混合器300情况相同。这里主要的不同处在于燃料8是通过一个环形管道5供应的，而相应的支管7将燃料8从这环形管道5喷射至管2a、3a内。这里用于形成混合物的空气9同样也流入单根的管2a、3a内。通过混合器200、300喷入火焰管1的质量流相对于来自预混燃烧器100的质量流10的比例不应超过一个确定的比率，以保证混合物11a、12a的快速点火。在这里，两者之间的比率最好应设定为1.5。从预混燃烧器100出来的热气体10的温度在使用自点火后燃烧时并不一定要达到上述的900-950℃，这是因为这一反应一般来说已经在混合期间启动了，而用在后燃烧中的燃料8的一部份热值在混合完成之前已经转换了。如上面已经提到过的，将后燃烧分成多段来进行是有利的。上面引述过的有关空气与燃料的数值15-30％是相应于两段过程的。在这种情形下，所使用的燃料8有一个较大的部份输入到两个后燃烧段中，也就是输入到第二和第三燃烧区11、12内。为了在最一段后面达致一氧化碳快速烧尽、从而达致一个短的燃烧室，就必须随着分段数字的增大一直在按比例地减小喷入的混合物11a、12a的份量。如果从一段到另一段、也就是从一燃烧区到另一燃烧区，输入同样的绝对量的混合物的话，上述的情况就可以达成。一个以这样方式推动的热发生器可以使NOx的散发相对于现有技术降低了一个因数5(即降低到五份之一)。

在图2中，后燃烧区相对于火焰管14径向发生作用，因而在这里所用的火焰管14是长形的。在这里在火焰管14上游发生作用的也是同样的预混燃烧器14。在初始燃烧区10后面有三个另外的后燃烧段11、12、13在发生作用。每个段配备至少两个混合器400，空气9和燃料8在其中被处理成一种混合物11a、12a、13a。

显然，在火焰管14的圆周上可以设置有多个混合器400；同样情况适用于在图1所示的另外的混合器200、300，这种混合器以一定的数目围绕着预混燃烧器100来分布。此外还有可能使用联合形式的轴向/径向设置的混合器来推动后燃烧区。图2中的实施例主要适用于改装翻新。

为了更好地理解燃烧器100的结构，如果在参考图3的同时也参考图4至6中的各个截面图将是有利的。此外，为了避免使图3无必要地复杂化，在图4至6中示意地示出的导板121a，121b仅在图中概略地指出。在下文中对图3的描述，需要时都可参看图4至6。

图3所示燃烧器是一个预混合燃烧器，它包含两个空心锥形部分体101、102，这两个锥形分体错开地相互套装在一起。锥形分体101、102各自的中心轴线或纵向对称轴线101b、102b彼此相对地错开成镜象对称设置以在两侧分别提供一个切向空气入口缝隙119、120(图4至6)，燃烧空气115通过这两缝隙流入燃烧器100的内部，也就是流入锥形空腔114内。所示分体101、102的锥形构形在流动的方向上具有一个特定的固定角度。当然，根据操作使用，分体101、102在流动方向上可以具有增大或缩小的锥度，就像一个喇叭或郁金香花那样。两个刚才提到的形状在图中未有示出，这是因为它们都属于业内人士不加思索就能想象得到的。两个锥形分体101、102各有一个圆筒形起始部份101a、102a，它们跟锥形分体101、102一样相对错开地伸展，使切向空气入口缝隙119、120存在在燃烧器100的整个长度上。在圆筒形起始部份区域内配置有一个喷嘴103，其喷射喷口104大致与由锥形分体101、102构成的锥形空腔114的最窄截面相重合。这喷嘴103的喷嘴能力及其特性取决于相应燃烧器100的预定参数。当然，燃烧器可以是单纯锥形的，也就是说设计成没有圆筒形起始部份101a、102a。此外，锥形分体101、102各有一个相应的燃料管道108、109，这些管道沿着切向入口缝隙119、120设置并且配置有喷射孔117，通过这些喷射孔将最好是一种气体燃料113喷入流经那里的燃烧空气115中，如箭头116所示。这些燃料管道108、109最好是最晚在进入锥形空腔114之前放置在切向流入的终点处，这是为了能获得一个最佳的空气/燃料混合物。在燃烧空间122一侧，燃烧器100的出口开口转入一个前壁110，其上设有多个通孔110a。上面最后提到的部份按要求进行工作，将稀释空气或冷却空气110b送至燃烧空间122的前面部份。此外，这个输入空气可以保持在燃烧器100的出口处的火焰稳定性。这种火焰稳定性，在其目标是要通过径向整平来获得火焰的密致性时是很重要的。通过喷嘴103供应的燃料是一种液体燃料112，必要时可用回授废气予以加浓。这种燃料112以一个锐角角度喷射至锥形空腔114内。这样从喷嘴103形成一个由切向流入的旋转燃烧空气115所包围住的锥形燃料纵断面。在轴向上，燃料112的浓度连续地通过燃烧空气115的流入而降低到最佳的混合。如果燃烧器100用一种气体燃料113推动，则最好经由喷射孔117输入，燃料/空气混合物就直接在空气入口缝隙119、120的端头处形成。在通过喷嘴103喷入燃料112时，在旋涡的脱出部位、也就是在燃烧器100的回流区106的部位，在整个横截面上达致最佳的、均匀的燃料浓度。点火发生在回流区106的尖端。只有在这个地方才能产生一个稳定的火焰前锋107。火焰回火到燃烧器100内部的现象、如潜在在公知的预混合级的情况那样，在复杂的火焰稳定器上寻找补救的办法，但在这里就无需担心。如果燃烧空气115经额外地预热或者得到回流废气加浓，就能在到达燃烧区之前对液体燃料112的蒸发给予持续的支持。如果经由管道108、109输入的不是气体燃料而是液体燃料的话，这种考虑同样适用。跟锥角与切向空气入口缝隙119、120的宽度相关的锥形分体101，102的结构设计要遵守很严格的限制，使所要求的燃烧空气115的流场连同流区106可以建立在燃烧器的出口处。一般来说，将切向空气入口缝隙119、120缩小一些就能将回流区106再往上游方向推移，由此，混合物就能更早一些点火。不管怎样，这点可以确定，固定住的回流区106本身就是位置稳定的，因为在燃烧器100的锥形区域内的涡旋率是沿着流动方向逐渐增加的。在燃烧器100内的轴向速度可以通过轴向燃烧空气流的一个图中未示出的相应输入加以改变。此外，燃烧器100的结构特别适合于改变切向空气入口缝隙119、120的大小，使得在不改变燃烧器100的长度的情况下就可能获得一个较大的操作带宽。

图4至6示出导板121a、121b的几何构形。它们具有导流作用，并根据它们的长度延长了锥形分体101、102的沿着相对于燃烧空气115的入流方向的相应端头。燃烧空气115在锥形空腔114内的流通状态可以通过使导板121a、121b围绕着一个设在这些通道进入锥形空腔114的入口部位的旋转中心123往外打开或朝里收拢而达致最佳化，如果切向空气入口缝隙119、120的原来隙口大小是可变的，这就更加必要了。当然，这种动态的辅助设施也可以设置成静态的，此时符合要求的导板跟锥形分体101、102构成一个固定的构件。燃烧器100也可以不带导板来进行操作，或者也可以设置用于此目的的其它辅助方法或设施。

Claims (9)

1.一种用于大气燃烧的燃烧方法，在这方法中，在一个预混燃烧器中用液体与/或气体燃料产生的热气体被导入一个火焰管内，其特征在于热气体(10)在火焰管(1、14)的流动方向上通过一个分段的、自点火燃烧经受又一次发热处理，还在于这种燃烧是通过至少一个使用一种个别地制备的空气/燃料混合物(11a、12a、13a)的后燃烧段(11、12、13)进行的。

2.实现按权利要求1所述的燃烧方法的装置，该装置主要包含一个预混燃烧器和一个火焰管，其特征在于火焰管(1、14)在每个后燃烧段(11、12、13)具有至少一个空气/燃料混合器(200、300、400)。

3.按权利要求2所述的装置，其特征在于空气/燃料混合器(200、300)相对于火焰管(1)轴向设置。

4.按权利要求2所述的装置，其特征在于空气/燃料混合器(400)相对于火焰管(14)径向设置。

5.按权利要求2所述的装置，其特征在于燃烧器(100)包含有至少两个空心锥形的、沿流动方向相互套装在一起的分体(101、102)，其各自的纵向对称轴线(101b、102b)彼此相对错开地伸展，分体(101、102)的相邻壁在它们的纵向长度上形成为燃烧空气(115)所用的切向通道(119、120)，在由分体(101、102)所形成的锥形空腔(114)中存在有至少一个燃料喷嘴(103)。

6.按权利要求5所述的装置，其特征在于在切向通道(119、120)的区域内、在其纵向长度上设置有另外的燃料喷射孔(117)。

7.按权利要求5所述的装置，其特征在于分体(101、102)在其流动方向上以一个固定角度呈锥形扩宽。

8.按权利要求5所述的装置，其特征在于分体(101、102)在其流动方向上具有一个逐渐增大的锥形坡度。

9.按权利要求5所述的装置，其特征在于分体(101、102)在其流动方向上具有一个逐渐减小的锥形坡度。

Images