CN114110658A - 氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置，其中方法包括：获取燃料供应系统提供的一部分氢燃料，并与压气机提供的一部分压缩空气进行均匀混合，得到混合后气体；将所述混合后气体送入催化燃烧室进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；将所述第一级高温燃气送入柔和燃烧室，并与燃料供应系统提供的剩余部分氢燃料和压气机提供的另一部分压缩空气掺混，进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气；输出所述第二级高温燃气用于透平做功，完成氢燃料分级无焰燃烧。本发明通过相继使用催化燃烧和柔和燃烧技术，有效解决了氢燃烧中的NOx排放高、易热声振荡和易回火等问题，实现氢燃料的高效率和低NOx排放燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料燃烧技术领域，具体地，涉及一种氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置。
背景技术
氢是一种清洁能源，由混氢逐渐过渡到纯氢燃料，是燃气轮机逐步实现深度脱碳的必然选择。为了获得低NOx排放，现役燃气轮机采用的主流燃烧技术是贫预混燃烧技术，其运行在贫燃料极限附近。相比天然气，氢的燃烧速度更快、点火延迟时间更短和热值更大，导致燃料由天然气切换为氢时，贫预混燃烧极易产生热声振荡和回火等不稳定现象，危害部件安全和寿命，并且NOx排放高，难以满足环境排放标准。
采用稀释扩散燃烧，可解决氢燃料回火和自燃等安全问题，但存在显著缺点：与没有稀释的燃机系统相比，效率下降；与贫预混系统相比，NOx排放更高，燃烧噪声更大，系统更复杂，因此投资和运营成本更高。
无焰燃烧是指燃烧过程中没有显著火焰锋面的燃烧过程，因此燃烧过程中温度梯度小，能量损失小。无色分布燃烧和催化燃烧均属于无焰燃烧范畴。
无色分布燃烧(colorless distributed combustion,CDC)，也称柔和燃烧(moderate or intense low oxygen dilution,MILD)、无焰燃烧等，其特点为反应物入口温度高于自燃点，燃烧温升低于自燃点。燃烧空间内，反应物均匀分布，燃烧温升小，因此燃烧温度低和燃烧面弥散，NOx排放和噪声都很低；可采用非预混的燃烧方式，避免回火、热声振荡等燃烧不稳定现象；燃烧室内及出口温度品质高,无超高温区域,且最高温度点低，燃烧室和涡轮叶片的热应力显著降低，可减少燃烧室冷却困难，提高透平叶片寿命。但是，传统柔和燃烧采用烟气回流实现可燃混合物稀释、掺混等过程，导致部分负荷时传统柔和燃烧性能恶化严重。
催化燃烧是反应物在催化剂表面发生的复杂物理化学过程。催化剂降低了燃料的活化能，可实现低温燃烧，低NOx排放；燃烧发生在催化剂表面，可适应宽广燃料浓度范围，易于控制。已有催化燃烧燃气轮机技术中，燃料为天然气，催化燃烧室包含了负载型贵金属催化剂；燃料先进入催化燃烧室，然后在常规燃烧室中发生均相燃烧。所以，催化燃烧技术主要存在贵金属催化剂成本高昂，且易烧结失活等问题；未对均相燃烧采用控制技术，导致NOx排高。
综上所述，氢虽然是一种无碳能源载体，但作为燃气轮机燃料时，存在NOx排放高、易热声振荡和易回火等问题，而贫预混燃烧、稀释扩散燃烧、传统柔和燃烧和催化燃烧利用氢燃料时仍存在诸多问题，如部分负荷时柔和燃烧性能恶化严重，催化燃烧成本高昂，导致贫预混燃烧、稀释扩散燃烧、柔和燃烧和催化燃烧难以成为氢燃气轮机全工况运行的解决方案。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种氢燃料分级无焰燃烧方法，包括：
获取燃料供应系统中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，得到混合后气体；
将所述混合后气体进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；
将所述第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，并进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气；
输出所述第二级高温燃气用于透平做功，完成氢燃料分级无焰燃烧。
优选地，所述获取燃料供应系统中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，包括：
获取燃料供应系统提供的氢燃料中的一部分，并与压气机提供的一部分压缩空气进行均匀混合；
其中：
所述一部分氢燃料占氢燃料流量的20～50％；
所述部分压缩空气占空气流量的50～70％；
所述氢燃料和压缩空气的混合比例为：1:30～1:90；
所述压缩空气的温度高于所述氢燃料的催化起燃温度。
优选地，所述将所述第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，包括：
将所述第一级催化燃烧产生的高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气进行卷吸、掺混和稀释，并使掺混后的气体和燃料在燃烧空间内均匀分布；其中：
所述剩余氢燃料占氢燃料流量的50～80％；
所述剩余压缩空气占空气流量的30～50％；
所述第一级高温燃气、氢燃料和压缩空气的流量混合比例为：31:1:30～91:1:90；
所述掺混后气体的温度高于氢燃料的自燃温度。
优选地，所述氢燃料包括：富氢燃料、纯氢燃料和/或氢基燃料。
优选地，所述第一级高温燃气的温度为1000～1300K。
优选地，所述第二级高温燃气的温度为1500～1900K。
根据本发明的另一个方面，提供了一种氢燃料分级无焰燃烧装置，包括依次连接的混合器、催化燃烧室以及柔和燃烧室；其中：
所述混合器，用于获取供应燃料中的一部分氢燃料和部分压缩空气，并均匀混合所述氢燃料和所述压缩空气，得到均匀混合的混合气体；
所述催化燃烧室，用于获取所述混合气体并进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；
所述柔和燃烧室，用于获取所述第一级高温燃气、剩余氢燃料和剩余压缩空气，并进行卷吸掺混；对掺混后气体进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气。
优选地，所述催化燃烧室，其主体为整体式蜂窝状陶瓷反应器，非贵金属催化剂负载于所述反应器基体。
优选地，还包括燃料供应系统和压气机；其中：
所述燃料供应系统和压气机分别与所述混合器和所述柔和燃烧室连接，用于提供氢燃料和压缩空气。
优选地，所述掺混后气体均匀分布于所述柔和燃烧室内。
优选地，所述一部分氢燃料占氢燃料流量的20～50％；
所述部分压缩空气占空气流量的50～70％。
优选地，所述剩余氢燃料占氢燃料流量的50～80％；
所述剩余压缩空气占空气流量的30～50％。
优选地，所述第一级高温燃气的温度为1000～1300K。
优选地，所述第二级高温燃气的温度为1500～1900K。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
本发明提供的氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置，属于一种氢燃料高效低排放的分级无焰燃烧技术，通过相继使用催化燃烧与柔和燃烧技术，实现氢燃料的高效率低NOx排放目的。
本发明提供的氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置，包含了催化燃烧和柔和燃烧两级燃烧的相继作用关系，有效解决了氢燃烧中的NOx排放高、易热声振荡和易回火等问题，实现氢燃料的高效率和低NOx排放燃烧，有利于解决氢能利用中的终端问题，助力碳中和。
本发明提供的氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置，一部分燃料和部分空气混合后先发生催化燃烧，催化燃烧产生的高温燃气，代替了传统柔和燃烧中的烟气，不受烟气回流性能影响，有利于维持柔和燃烧的变工况性能。催化燃烧产生的高温燃气与剩余的空气和剩余氢燃料卷吸、混合和稀释，实现柔和燃烧，为透平做功提供高品质燃气。
本发明提供的氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置，可有效应用于热力发电、航空发动机和燃气轮机等领域中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中氢燃料分级无焰燃烧方法的流程图。
图2为本发明一实施例中氢燃料分级无焰燃烧装置的结构示意图。
图3为本发明一优选实施例中氢燃料分级无焰燃烧装置的工作原理图。
图中，1为混合室，2为催化燃烧室，3为柔和燃烧室，4为燃料供应系统，5为压气机。
具体实施方式
下面对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例提供的氢燃料分级无焰燃烧方法的流程图。
如图1所示，该实施例提供的氢燃料分级无焰燃烧方法，可以包括如下步骤：
S100，获取燃料供应系统中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，得到混合后气体；
S200，将混合后气体进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；
S300，将第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，并进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气；
S400，输出第二级高温燃气用于透平做功，完成氢燃料分级无焰燃烧。
在该实施例的S100中，作为一优选实施例，获取燃料供应系统中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，包括：
获取燃料供应系统提供的氢燃料中的一部分，并与压气机提供的一部分压缩空气进行均匀混合；
其中：
一部分氢燃料占氢燃料流量的20～50％；
部分压缩空气占空气流量的50～70％；
氢燃料和压缩空气的混合比例为：1:30～1:90；
压缩空气的温度高于氢燃料的催化起燃温度。
在该实施例的S300中，作为一优选实施例，将第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，包括：
将第一级催化燃烧产生的高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气进行卷吸、掺混和稀释，并使掺混后的气体和燃料在燃烧空间内均匀分布；其中：
剩余氢燃料占氢燃料流量的50～80％；
剩余压缩空气占空气流量的30～50％；
第一级高温燃气、氢燃料和压缩空气的流量混合比例为：31:1:30～91:1:90；
掺混后气体的温度高于氢燃料的自燃温度。
在该实施例中，作为一具体应用实例，氢燃料包括：富氢燃料、纯氢燃料和/或氢基燃料。
在该实施例中，作为一具体应用实例，所述第一级高温燃气的温度为1000～1300K。
在该实施例中，作为一具体应用实例，所述第二级高温燃气的温度为1500～1900K。
本发明一优选实施例提供了一种氢燃料分级无焰燃烧方法，该方法可以包括如下步骤：
S1，由燃料供应系统提供一部分氢燃料(占燃料流量的50％)与经压气机压缩后的一部分压缩空气(占空气流量的50％)进入混合器进行均匀混合；其中，环境温度为293K，压气机压比为23，经压气机压缩后空气温度约786K；
S2，混合后的气体(温度约786K)进入催化燃烧段发生催化燃烧，生成第一级高温燃气，温度为1000K；
S3，这部分第一级高温燃气进入柔和燃烧段，与剩余一部分氢燃料(占燃料流量的50％)和经压气机压缩后的剩余压缩空气(占空气流量的50％)卷吸掺混，发生柔和燃烧，生成第二级高温燃气，温度为1500K；
S4，输入高温燃气进入透平做功，完成氢燃料分级无焰燃烧。
进一步地，该优选实施例提供的氢燃料分级无焰燃烧方法，具体包括如下步骤：
步骤1.1，进气步骤：氢燃料由燃料供应系统提供，压缩空气由压气机提供。
其中，氢燃料指富氢燃料(氢体积浓度30～100％)、纯氢燃料及氢基燃料，如氨、甲醇等。
步骤1.2，混合步骤：一部分压缩空气与一部分氢燃料进入混合器均匀混合(混合比例为：1:70)，形成均匀混合气体。
经压气机压缩后的空气温度升高，高于氢燃料的催化起燃温度，是发生催化燃烧的必要条件。
步骤2，催化燃烧步骤：经步骤1.1和步骤1.2后，氢燃料和压缩空气的混合气体进入催化燃烧室，发生催化燃烧，产生第一级高温燃气。
步骤3，柔和燃烧步骤，经步骤2后，第一级高温燃气进入柔和燃烧室，与剩余压缩空气和氢燃料进行掺混(混合比例为：71:1:70)，掺混后气体尽可能均匀分布在柔和燃烧室体积空间内。
掺混后气体温度较高，高于燃料自燃温度，是实现柔和燃烧的必要条件，发生柔和燃烧，实现低NOx排放目标。
步骤4，燃气排出步骤，经步骤3后，氢燃料实现了高温低排放燃烧目标，生成的第二级高温燃气离开柔和燃烧室(即离开燃烧区域)，完成氢燃料分级无焰燃烧。
排出的第二级高温燃气为透平做功提供充足条件。
在本发明部分实施例中：
氢燃料和压缩空气按一定比例(例如1:70，当然混合比例在1:30～1:90均可)分别分配至催化燃烧室及柔和燃烧室，根据实际运行控制需要，可调整该比例。
空气在压气机内压缩到12～25bar，压缩空气温度升高到645～806K，高于氢燃料的催化起燃温度，实现催化燃烧。
上述部分压缩空气(645～806K)、部分氢燃料和第一级高温燃气(1000～1300K)按照一定比例掺混(例如71:1:70，当然混合比例在31:1:30～91:1:90均可)后气体的温度较高，高于燃料自燃温度(845K)，可实现柔和燃烧。
一部分燃料和空气混合后先发生催化燃烧，催化燃烧产生的高温燃气，代替了传统柔和燃烧中的烟气，有利于柔和燃烧的良好变工况性能。催化燃烧产生的高温燃气与剩余的空气和燃料掺混，实现柔和燃烧，为透平做功提供高品质燃气。
图2为本发明一实施例提供的氢燃料分级无焰燃烧装置，可以包括：依次连接的混合器1、催化燃烧室2以及柔和燃烧室3。其中：
混合器1，用于获取一部分氢燃料和压缩空气，并进行均匀混合，得到混合后气体；
催化燃烧室2，用于获取混合后气体并进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；
柔和燃烧室3，用于获取第一级高温燃气、剩余的一部分氢燃料和压缩空气，并进行掺混；对掺混后气体进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气。
在该实施例中，作为一优选实施例，催化燃烧室2，其主体为整体式蜂窝状陶瓷反应器，非贵金属催化剂负载于反应器基体。
在该实施例中，作为一优选实施例，还可以包括燃料供应系统4和压气机5；其中：
燃料供应系统4和压气机5分别与混合器1和柔和燃烧室3连接。
在该实施例中，作为一优选实施例，混合后气体均匀分布于柔和燃烧室3内。
图3为本发明一优选实施例提供的氢燃料分级无焰燃烧装置的工作原理图。
如图3所示，氢燃料分级无焰燃烧装置包括混合器1、催化燃烧室2、柔和燃烧室3、燃料供应系统4和压气机5；其中：
燃料供应系统4提供的氢燃料f中一部分氢燃料f2参与催化燃烧，剩余部分氢燃料f1参与柔和燃烧。
压气机5提供的压缩空气a中的一部分压缩空气a1参与催化燃烧，剩余部分压缩空气a2参与柔和燃烧。
输出的第二级高温燃气g，用于透平做功。
在本发明部分实施例种：
混合器1输出接口连接催化燃烧室2，催化燃烧室2输出接口连接柔和燃烧室3。
氢燃料为氢及其相关燃料，如富氢、纯氢、氨和甲醇等燃料。
燃烧室采用分级燃烧方式，第一级燃烧室为催化燃烧室2，主体为整体式蜂窝状陶瓷反应器，非贵金属催化剂负载于反应器基体；第二级燃烧室为柔和燃烧室3。
本发明上述实施例提供的氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置，通过相继使用催化燃烧和柔和燃烧技术，实现氢燃料的高效率低NOx排放目的；包含了催化燃烧和柔和燃烧两级燃烧的相继作用关系，有效解决了氢燃烧中的NOx排放高、易热声振荡和易回火等问题，实现氢燃料的高效率和低NOx排放燃烧，有利于解决氢能利用中的终端问题，助力碳中和；一部分燃料和空气混合后先发生催化燃烧，催化燃烧产生的高温燃气，形成稳定的点火源，代替了传统柔和燃烧中的烟气，有利于柔和燃烧的良好变工况性能。催化燃烧产生的高温燃气与剩余的空气和燃料卷吸、掺混和稀释，实现柔和燃烧，为透平做功提供高品质燃气；可有效应用于热力发电、航空发动机和燃气轮机等领域中。
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用装置中对应的部件等予以实现，本领域技术人员可以参照装置的技术方案实现方法的步骤流程，即，装置中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种氢燃料分级无焰燃烧方法，其特征在于，包括：
获取供应燃料中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，得到混合后气体；
将所述混合后气体进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；
将所述第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，并进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气；
输出所述第二级高温燃气用于透平做功，完成氢燃料分级无焰燃烧。
2.根据权利要求1所述的氢燃料分级无焰燃烧方法，其特征在于，所述获取供应燃料中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，包括：
获取燃料供应系统提供的氢燃料中的一部分，并与压气机提供的一部分压缩空气进行均匀混合；
其中：
所述一部分氢燃料占氢燃料流量的20～50％；
所述部分压缩空气占空气流量的50～70％；
所述氢燃料和压缩空气的混合比例为：1:30～1:90；
所述压缩空气的温度高于所述氢燃料的催化起燃温度。
3.根据权利要求1所述的氢燃料分级无焰燃烧方法，其特征在于，所述将所述第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，包括：
将所述第一级催化燃烧产生的高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气进行卷吸、掺混和稀释，并使掺混后的气体和燃料在燃烧空间内均匀分布；其中：
所述剩余氢燃料占氢燃料流量的50～80％；
所述剩余压缩空气占空气流量的30～50％；
所述第一级高温燃气、氢燃料和压缩空气的流量混合比例为：31:1:30～91:1:90；
所述掺混后气体的温度高于氢燃料的自燃温度。
4.根据权利要求1所述的氢燃料分级无焰燃烧方法，其特征在于，所述氢燃料包括：富氢燃料、纯氢燃料和/或氢基燃料。
5.根据权利要求1所述的氢燃料分级无焰燃烧方法，其特征在于，所述第一级高温燃气的温度为1000～1300K；
所述第二级高温燃气的温度为1500～1900K。
6.一种氢燃料分级无焰燃烧装置，其特征在于，包括依次连接的混合器、催化燃烧室以及柔和燃烧室；其中：
所述混合器，用于获取供应燃料中的一部分氢燃料和部分压缩空气，并均匀混合所述氢燃料和所述压缩空气，得到均匀混合的混合气体；
所述催化燃烧室，用于获取所述混合气体并进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；
所述柔和燃烧室，用于获取所述第一级高温燃气、剩余氢燃料和剩余压缩空气，并进行卷吸掺混；对掺混后气体进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气。
7.根据权利要求6所述的氢燃料分级无焰燃烧装置，其特征在于，所述催化燃烧室，其主体为整体式蜂窝状陶瓷反应器，非贵金属催化剂负载于所述反应器基体。
8.根据权利要求6所述的氢燃料分级无焰燃烧装置，其特征在于，还包括燃料供应系统和压气机；其中：
所述燃料供应系统和压气机分别与所述混合器和所述柔和燃烧室连接，用于提供氢燃料和压缩空气。
9.根据权利要求6所述的氢燃料分级无焰燃烧装置，其特征在于，所述掺混后气体均匀分布于所述柔和燃烧室内。
10.根据权利要求6所述的氢燃料分级无焰燃烧装置，其特征在于，还包括如下任意一项或任意多项：
所述一部分氢燃料占氢燃料流量的20～50％；
所述部分压缩空气占空气流量的50～70％；
所述剩余氢燃料占氢燃料流量的50～80％；
所述剩余压缩空气占空气流量的30～50％；
所述第一级高温燃气的温度为1000～1300K；
所述第二级高温燃气的温度为1500～1900K。
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