CN112969890A - 燃烧器和用于燃烧器的燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃烧器,旨在安装在燃烧室中,所述燃烧器至少包括:中央喷嘴(15),中央喷嘴配置成被供给有氧化剂和燃料;多个外周喷嘴(17),外周喷嘴配置成被供给有氧化剂和燃料,并且每个外周喷嘴包括至少一个上游燃料喷射器(171),以便在喷嘴(17)中预混合燃料和氧化剂;和连接到中央喷嘴(15)和/或外周喷嘴(17)的至少一个氧化剂输入部(13a)。燃烧器的特征在于,外周喷嘴(17)中的每一个包括火焰稳定器(175)以及顶端喷射器(173),火焰稳定器被布置在外周喷嘴(17)的旨在通向燃烧室的端部处,顶端喷射器用于将燃料喷射到外周喷嘴(17)的所述端部处。
Description
本发明涉及一种燃烧器和用于所述燃烧器的燃烧技术。
更具体地,燃烧器是用于工业应用的预混气体燃烧器,所述工业应用例如锅炉、热气体发生器等。这种类型的燃烧器通常安装在产生火焰的燃烧室中。
在燃烧期间,燃烧器释放氮氧化物(在本文中称为NOx),这些氮氧化物是不希望的燃烧结果,因为它们被认为是对健康和环境有害的污染物。
因此,不同的国家或州对燃烧器释放的可接受的NOx水平施加日益严格的标准和规定。
例如在“整装锅炉(package boiler)”的情况下,环境法规根据所释放的NOx的量对它们进行分类,水平被称为:
-如果释放的NOx水平小于60ppm(百万分比),则为标准NOx;
-如果所释放的NOx的水平小于30ppm,则为低NOx;
-如果释放的NOx的水平小于10ppm,则为超低NOx(例如这在加利福尼亚州、德克萨斯州、路易斯安那州、新泽西州等是要求标准)。
应当注意,“整装”锅炉例如是尺寸充分减小的工业锅炉,使得其运输(通常使用标准卡车)和安装更容易。结果,这种类型的锅炉具有燃烧室,该燃烧室的容积和/或直径小于传统锅炉的容积和/或直径。
然而,燃烧室的减小的尺寸使得难以获得产生较低量的氮氧化物的稳定的火焰。
因此,申请人能够看出,在这种类型的应用中,燃烧方法中形成的NOx的量尤其取决于如下所述并在图1中示出的物理单元。
图1a、图1b、图2a和图2b是装配到燃烧室3或3’的燃烧器1的非常示意性的纵向或横向截面图。
因此,当燃烧器1运行时,其产生表示为PB的总功率,总功率PB是由中央喷嘴5产生的所谓的中央功率PC和由外周喷嘴7产生的所谓的外周功率PP。
因此,燃烧器1的特征可以包括至少以下物理单元:
-容积负载Cv(以kW/m3或kJ/s/m3表示),容积负载是由燃烧器1每时间单位在燃烧室3的容积V上提供的能量的量,即Cv=PB/V;
-横向表面积负载Cst(以kW/m2或kJ/s/m2表示),横向表面积负载是由燃烧器1提供的每时间单位的能量的量,即在燃烧室3的横截面ST上的PB,因此Cst=PB/ST(横截面ST是由直径为的圆限定的表面积);
-外周功率的面密度DP(以kW/m2或kJ/s/m2表示),外周功率的面密度DP对应于由燃烧器1的外周喷嘴7提供的每时间单位的外周能量的量,或在其中产生外周功率的燃烧室的横截面上的PP,因此:
因此,本申请人能够发现,在有限尺寸的燃烧室中,所形成的NOx的量与外周功率的面密度DP成直接比例。对于给定的燃烧器功率,燃烧室越小,外周功率的面密度DP越大,并且产生的NOx的量越大。
已知几种还原燃烧方法中释放的NOx的量的技术方案,例如:
-内燃气循环。实际上,当燃烧室尺寸允许时,通过燃料喷射冲击的中间体,外周功率PP引起内燃气再循环现象,该内燃气再循环现象使得能够局部地降低火焰温度并且由此还原所形成的NOx的量。
这些燃烧气体再循环现象由Rf和Rf’来指代,在图2a和图2b中更具体地示出,图2a和图2b均示出了与图1中的燃烧器类似的燃烧器。下面使用相同的附图标记来表示相似的元件。
因此,图2a中的燃烧器1-燃烧室3单元与图2b中的燃烧器1’-燃烧室3’单元的唯一区别在于燃烧室3’的尺寸小于燃烧室3,而燃烧器1和燃烧器1’是相同的。
因此,我们发现燃烧室3’的尺寸的减小还原了可以再循环以允许由燃烧器1产生的火焰温度降低的内燃气的量。
此外,在尺寸减小的燃烧室的情况下,外周功率面密度DP增加。结合内燃气再循环下降甚至完全停止的事实(图2b),这导致所形成的NOx的量显著增加。
-燃料的分级,包括以片段的方式将燃料喷射到燃烧器中以导致产生不同的燃烧区,这使得可以还原已经形成的NOx。
因此,在所谓的主燃烧区中,即在中央喷嘴5处,在导致形成热NOx的过量空气条件下发生燃烧。当在非常高温的燃烧(通常超过1500℃)期间由空气中氧和氮的化学结合形成NOx时,NOx被称为热NOx。
然而,在所谓的二次燃烧区或再燃烧区中,即在外周喷嘴周围,燃料(此处为气体)从主燃烧区喷射到燃烧气体中。该还原气氛导致先前形成的NOx的还原。实际上,在该气氛中产生的烃基(CHi)将热NOx还原成N2。
通常将内燃气再循环技术方案和燃料分级相结合以优化由燃烧器产生的NOx的量。
还应当注意,重要的是:
-该燃烧室/燃烧器单元组件是简单的,
-当燃烧器操作时,氧化剂和/或燃料的流易于调节,
-燃烧火焰是稳定的,和/或
-火焰直径和长度是可调节的,以便防止对燃烧室的侧壁和/或底部的冲击。
遗憾的是,对于尺寸减小的燃烧室,这些技术的使用和实施受到限制。实际上,内燃气再循环或燃料分级技术仅在燃烧室直径足够大的情况下有效。此外,由于外周喷射直径受到燃烧室直径的限制,并且由于外周功率增加(这导致外周功率的面密度增加),因此在燃烧期间形成的NOx的量增加。
然而,还可以强调以下事实:在燃烧室太窄的情况下,存在二次NOx还原技术,例如:
-将尿素溶液喷射到烟气中,该技术也称为“SNCR”(“选择性非催化还原”),该技术具有非常昂贵的缺点,因为其需要持续监测和维护。
-外部燃烧气体再循环,也称为“FGR”(“通道气再循环”),其包括回收部分燃烧气体并将其在燃烧器的氧化剂输入处重新喷射(该氧化剂然后变成氧化剂-燃烧气体的混合物,该氧化剂例如是空气)。
因此,通过再循环燃烧气体流QFGR与进入燃烧器的燃烧氧化剂流Combe的比率来定义FGR百分比(称为%FGR),对于标准平方米/小时,每个流通常以Nm3/h表示,或者:
%FGR=QFGR/(Qcomb+QFGR)
传统的低NOx排放燃烧器能以15%的最大FGR百分比操作,超过15%,氧化剂(在该实施例中为空气)O2含量的显著消耗不再能够保证稳定和安全的燃烧。
因此,能够以适用于减小尺寸的燃烧室的高GFR百分比(即在20%与35%之间)操作的工业燃烧器是主要的经济负担。
因此,本发明旨在克服上述缺点中的至少一个,并提出一种新型燃烧器和与所述燃烧器相关的燃烧方法。
因此,本发明涉及设计成装配在燃烧室中的燃烧器,所述燃烧器至少具有:
-中央喷嘴,所述中央喷嘴配置成具有氧化剂和燃料源;
-多个外周喷嘴,所述外周喷嘴配置成具有氧化剂和燃料源并且每个外周喷嘴具有至少一个上游燃料喷射器,以便在所述喷嘴中预混合所述燃料和所述氧化剂;
-连接到所述中央喷嘴和/或外周喷嘴的至少一个氧化剂输入部;
其中,所述外周喷嘴每个具有火焰稳定器以及顶端喷射器,火焰稳定器位于外周喷嘴的被设计为通向所述燃烧室中的端部处,顶端喷射器用于将燃料喷射到所述外周喷嘴的所述端部处。
使用本发明的燃烧器的具体结构尤其使得有可能获得具有小于10ppm的NOx排放的燃料(例如气体)的燃烧,以便将所述燃烧器用于尺寸减小的燃烧室中。
此外,所述燃烧器结构特别地使得能够控制:
-火焰尺寸(例如其直径)并由此限制火焰对燃烧室壁的冲击;
-通过还原或消除外周火焰的容积的CO(一氧化碳)排放;
-当氧化剂是空气时,通过降低氧化剂中的氧水平来还原过量的残余空气。
此外,在燃烧器端部处添加燃料喷射器允许预混合物在外周喷嘴的出口处局部富集,局部增加火焰温度以促进其闭锁。
可以注意到,通常,燃烧器具有其中燃料和氧化剂通过喷嘴输送并且其中发生燃烧反应的端部,即也可以称为燃烧器顶端的区域。这通常是紧邻喷嘴下游的区域。还可以为每个喷嘴限定顶端,所有顶端限定燃烧端或燃烧器顶端。
在一个可能的实施例中,燃烧器包括燃料源。
在另一个可能的实施例中,该燃烧器是具有预混合的气体燃烧器。
在另一个可能的实施例中,所述燃烧器用于燃烧各种气体,例如甲烷、丙烷、生物气等。
在另一个可能的实施例中,该燃烧器具有主轴线。
主轴线通常是穿过燃烧器中心并平行于燃烧器的最大尺寸的直线。主轴线也可以与燃烧器的旋转轴线合并。
在另一个可能的实施例中,每个喷嘴(无论是中央喷嘴的还是外周喷嘴)都具有平行于燃烧器主轴线的纵向轴线。
还可以注意到,喷嘴(无论是中央喷嘴的还是外周喷嘴)包括:
-流道,燃料、氧化剂或燃料-氧化剂混合物可以在其中流动;
-一个或多个氧化剂、燃料或燃料-氧化剂混合喷射器。
在另一个可能的实施例中,该火焰稳定器具有在该相关联的外周喷嘴截面的40%与70%之间的表面积,并且优选地具有在50%与70%之间的表面积(该外周喷嘴截面特别地可以通过该喷嘴通道的截面来标识)。
该比表面积区间尤其使得可以改善外周喷嘴中的预混合,而且还可以获得更线性的气体速度分布(即,减小喷嘴的中央与外周之间的气体速度变化)。
在另一个可能的实施例中,该火焰稳定器具有放置在该外周喷嘴的中中央处的中央部分,该中央部分的表面积必须具有包括在该喷嘴截面的40%与70%之间、或优选地在50%与70%之间的表面积。
在另一可能的实施例中,火焰稳定器通过中间体连接到燃烧器结构,该中间体在外周喷嘴的中央处支撑所述中央部分。
在另一可能的实施例中,中央喷嘴具有配置成喷射燃料的中央喷射器,其中,所述喷射器具有与燃烧器的主轴线正交的径向喷射开口。
在另一个可能的实施例中,中央喷嘴具有氧化剂喷嘴,该氧化剂喷嘴具有氧化剂喷射器开口,氧化剂喷射器开口是直的并且几乎平行于燃烧器的主轴线。
更具体地,氧化剂喷射开口是直的,从而防止喷射的氧化剂绕燃烧器的主轴线旋转。尽管由中央喷嘴喷射的氧化剂仅仅是燃烧器中使用的氧化剂的一小百分比部分,但这导致所形成的NOx量的降低。
因此,燃料-氧化剂喷射在燃烧器的中央喷嘴中相对于彼此正交,尤其导致更好的火焰闭锁。
在另一个可能的实施例中,所述燃烧器具有喷射管,喷射管配置成将燃料喷射到中央喷嘴和/或外周喷嘴的外周中。
本发明还涉及一种燃烧器燃烧方法,如上所述,配置成以总流率QT燃烧流过燃烧器的燃料,并且其中中央喷嘴配置成输送燃料流C,所有上游喷射器配置成输送燃料流P,所有顶端喷射器配置成输送燃料流S,燃料流P最大占总燃料流QT的85%,燃料流C最大占总燃料流QT的10%,燃料流S最大占总燃料流QT的15%。
特定的燃烧器燃料区间使得能够使由燃烧器产生的NOx的形成最小化,同时允许在尺寸减小的燃烧室中形成稳定的燃烧火焰。
在该方法的可能实施例中,燃料流P占总燃料流QT的至少70%,燃料流C占总燃料流QT的至少5%。
在另一个可能的实施例中,燃料流S占总燃料流QT的至少1%。
在该方法的另一个可能的实施例中,所有喷射管输送燃料流G,燃料流G占总燃料流QT的最大20%。
优选地,燃料流G占总燃料流QT的最大10%。
在该方法的另一个可能的实施例中,氧化剂包括最大35%的燃烧气体(或小于或等于35%的%FGR)。
通过阅读通过示例性而非限制性示例并参考附图给出的以下描述,将更好地理解本发明,并且本发明的其他目的、细节、特征和优点将更清楚地呈现,在附图中:
-图3示出了根据本发明的燃烧器的示意性透视图;
-图4至图6示出了来自图3的燃烧器的高度示意性的横向和纵向截面视图。
图3是根据本发明的燃烧器11的示意图,该燃烧器被设计成装配在例如具有减小的尺寸的燃烧室中。
燃烧器11具有例如大致圆柱形的主体13,在该主体中形成有氧化剂输入部13a。氧化剂输入部13a通常还包括调节装置,例如挡板,以调节进入主体13的氧化剂的量。在该实例中,使用的氧化剂是空气,但是可以使用允许燃烧的任何氧化剂。
燃烧器11还包括燃料供给源(在图3中未示出),特别是气体供给源,例如甲烷丙烷,并包括一个或多个喷嘴15和17。更具体地,燃烧器11具有中央喷嘴15和围绕中央喷嘴15布置的所谓的外周喷嘴17。
中央喷嘴15设计成产生径向火焰,而外周喷嘴17设计成主要产生轴向火焰。由中央喷嘴15产生的径向火焰还旨在提供这些外周喷嘴17之间的点火的至少一部分。
还可以注意到,不同的燃烧器喷嘴具有至少一个流道以及一个或多个氧化剂喷射器、燃料喷射器或氧化剂/燃料喷射器。
因此,流道具有:端部,与氧化剂输入部13a连接;和第二端,在发生燃烧并在其中产生火焰的区域中伸出。
更具体地,所有喷嘴(中央喷嘴15和外周喷嘴17)通向顶端11a,顶端设计为当燃烧器处于装配位置时通向燃烧室中,该区域也称为燃烧器顶端。该顶端或区域是燃烧发生的地方(它是这样的区域,其中由不同喷嘴引入的燃料和氧化剂将聚集在一起以产生燃烧反应)。还可以为每个喷嘴15和17限定顶端(或前端),所有喷嘴端部限定燃烧器顶端11a。
此外,在所示实施例中,燃烧器11具有燃料喷射管19,燃料喷射管布置在外周喷嘴17的朝向外部的外周上。
所述燃料喷射管19优选地以圆形方式布置在外周喷嘴17之间或周围。然而,可以注意到,在本发明的实施例中,在燃烧器中存在喷射管仅仅是一种选择,并且燃烧器11的适当操作并不需要喷射管19。
由此可以看出,更特别地在图3中可见,中央喷嘴15分为两部分:
-中央燃料喷射器151,中央燃料喷射器151配置成将燃料径向地(相对于中央喷嘴15的主轴线A径向地)喷射到燃烧室中;
-环绕中央喷射器151的氧化剂喷射器153。
该中央喷射器151伸出,具有几乎圆柱形的形状,并且具有多个开口157。
图4是图3中的燃烧器的中央喷嘴15的示意性纵向截面视图。
中央喷嘴15具有流道154以及燃料源通道152,流道具有第一端154a和第二端154b,燃料源通道将中央喷射器151的末端部分连接到燃料源。
中央喷嘴15的第一端154a连接到氧化剂输入部13a,以允许氧化剂在所述流道154内循环。当燃烧器装配在燃烧室内时,第二端154b通向燃烧器的顶端11a。
中央喷嘴15的末端部分(即位于燃烧器11的燃烧顶端11a附近的部分)的细节在图5a至图5c中被示出并且将在下面使用这些图来详述。
因此,图5a至图5c是中央喷射器151分别在横向截面和纵向截面上的非常示意性的视图。开口157是径向的,围绕主轴线A(该主轴线也是中央喷嘴15的旋转轴线)成圆形布置,并且被取向成与燃烧器11的所述主轴线A正交。
氧化剂喷射器153具有主要沿着主轴线A取向的多个开口159(即,开口159的通道截面处的法线几乎平行于主轴线A)。
中央喷射器151和氧化剂喷射器153各自的开口157和159优选是直的。
对于图6,它是外周喷嘴17的纵向截面的高度示意图。
如前所述,外周喷嘴17具有流道171,流道具有第一顶端和第二顶端171b,以及分别称为上游(或预混合)172和顶端173的两个燃料喷射器。
外周喷嘴17的第一端连接到氧化剂输入部13a,以便允许氧化剂在所述流道171内循环。第二顶端171b通向燃烧器燃烧顶端11a。
上游喷射器172被放置在流道171中并且配置成喷射燃料使得其与氧化剂混合,因此在外周喷嘴17中发生燃料-氧化剂预混合。预混合发生在燃料到达第二顶端171b所需的时间中。
其中,外周喷嘴17具有火焰稳定器175。通常被放置在第二顶端171b处的所述火焰稳定器175具有被放置在外周喷嘴17的中央处、更具体地在流道171的中央处的中央部分175a。
该顶端喷射器173配置成在该外周喷嘴17顶端处喷射燃料,该外周喷嘴17顶端也对应于该燃烧器顶端11a。更具体地,顶端喷射器173例如通过穿过火焰稳定器175的中心(该中心也是外周喷嘴17的中心)而通向火焰稳定器175。
上游喷射器172和顶端喷射器173可以是分开且独立的燃料喷射器,但如本实施例中那样可以彼此连接,顶端喷射器173流体连接到上游喷射器172。
还可以注意到,使用顶端喷射器173将火焰稳定器175保持在外周喷嘴17的中心(所述喷射器173用作稳定器175的支撑件)中。
因此,当燃烧器11操作时,氧化剂通过氧化剂输入部13a进入并在中央喷嘴15和外周喷嘴17中循环。通过绕过火焰稳定器175,使用两个顶端171b,氧化剂通过氧化剂喷射器153的开口159和外周喷嘴17流出燃烧器11。
此外,燃烧器11输送总燃料流QT。
中央喷嘴15输送表示为C的燃料流,外周喷嘴17的所有上游喷射器172具有表示为P的燃料流,外周喷嘴17的所有顶端喷射器173具有表示为S的燃料流,并且所有外周喷射管19输送表示为G的燃料流。
因此,循环通过燃烧器11的总燃料流QT是上述流C、P、S和G的总和。
然而,将注意到,喷射管的存在是可选的,并且如果燃烧器没有喷射管,则循环通过燃烧器11的总燃料流QT是流C、P和S的总和。
根据本发明的燃烧方法至少具有:
-总燃料流QT的70%与85%之间的燃料流P;
-总燃料流QT的5%与10%之间的燃料流C;
-总燃料流QT的1%与15%之间、并且优选地在总燃料流QT的7%与15%之间的燃料流S。
此外,当燃烧器11具有喷射管19时,所有喷射管输送燃料流G,该燃料流G占总燃料流QT的最大20%,优选小于总燃料流QT的10%。
此外,在燃烧方法中使用的氧化剂包含最大35%的燃烧气体(即小于或等于35%的%FGR),并且优选地包括20%与35%之间的燃烧气体(即,包括在20%与35%之间的%FGR)。
Claims (10)
1.燃烧器,设计成装配在燃烧室中,所述燃烧器至少具有:
-中央喷嘴(15),所述中央喷嘴配置成具有氧化剂和燃料源;
-多个外周喷嘴(17),所述外周喷嘴配置成具有氧化剂和燃料源并且每个所述外周喷嘴具有至少一个上游燃料喷射器(172),以便在所述喷嘴(17)中预混合燃料和氧化剂;
-连接到所述中央喷嘴(15)和/或外周喷嘴(17)的至少一个氧化剂输入部(13a);
其特征在于,每个所述外周喷嘴(17)具有火焰稳定器(175)以及顶端喷射器(173),所述火焰稳定器位于所述外周喷嘴(17)的被设计为通向所述燃烧室中的端部处,所述顶端喷射器用于将燃料喷射到所述外周喷嘴(17)的所述端部处。
2.根据前一权利要求所述的燃烧器,其特征在于,所述火焰稳定器(175)的表面积在相关的外周喷嘴的截面的40%与70%之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器,其特征在于,所述中央喷嘴(15)具有配置成喷射燃料的中央喷射器(151),其特征在于,所述喷射器(151)具有与所述燃烧器(11)的主轴线(A)正交的径向喷射开口(157)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器,其特征在于,所述中央喷嘴(15)具有氧化剂喷射器(153),所述氧化剂喷射器具有氧化剂喷射器开口(159),所述氧化剂喷射器开口是直的并且大致平行于所述燃烧器(11)的主轴线(A)。
5.根据任一前述权利要求所述的燃烧器,其特征在于,具有喷射管(19),所述喷射管配置成将燃料喷射到所述中央喷嘴(15)和/或外周喷嘴(17)的外周中。
6.用于燃烧器(11)的燃烧方法,所述燃烧器是根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器,
其特征在于,所述燃烧器(11)配置成燃烧通过所述燃烧器(11)循环的表示为QT的总燃料流,并且其中,所述中央喷嘴(15)配置成输送燃料流C,所有所述上游喷射器(172)配置成输送燃料流P,所有所述顶端喷射器(173)配置成输送燃料流S,
所述燃料流P最大占所述总燃料流QT的85%,
所述燃料流C最大占所述总燃料流QT的10%,
所述燃料流S最大占所述总燃料流QT的15%。
7.根据前一权利要求所述的方法,其特征在于,所述燃料流P至少占所述总燃料流QT的70%,所述燃料流C至少占所述总燃料流QT的5%。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于,所述燃料流S至少占所述总燃料流QT的1%。
9.根据前一权利要求所述的方法,其特征在于,所有喷射管(19)输送最大占所述总燃料流QT的20%的燃料流G。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述氧化剂包括最大35%的燃烧气体。
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