CN117028989A - 一种基于湿氧气的氢微混燃烧器与燃烧方法 - Google Patents

一种基于湿氧气的氢微混燃烧器与燃烧方法 Download PDF

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Abstract

一种基于湿氧气的氢微混燃烧器，包括氢气组件、氧气组件和水蒸气组件；所述氢气组件向燃烧器喷嘴供给氢气燃料；所述氧气组件供给氧气；所述水蒸气组件供给两路水蒸气，第一路水蒸气被配置为环绕出所述燃烧器喷嘴的氢气燃料喷出，在氢气燃料外层形成水蒸气氛围；第二路水蒸气与所述氧气混合形成湿氧气，所述湿氧气从喷出的所述第一路水蒸气与出所述燃烧器喷嘴的氢气燃料之间喷出。本发明解决了现有氢燃烧器安全性、稳定性和高效性无法兼顾的问题。

Description

一种基于湿氧气的氢微混燃烧器与燃烧方法
技术领域
本发明属于燃烧器技术领域，涉及氢等类似可燃气体的燃烧控制应用，特别涉及一种基于湿氧气的氢微混燃烧器与燃烧方法。
背景技术
氢(H2)是优良的可再生能源载体。在低碳能源系统中，可将风能、光能、潮汐能等波动的可再生能源以电解水方式存储为氢，再在有能源需求时，通过燃气轮机、内燃机或工业炉等设备将氢通过燃烧方式进行能源转化。
氢具有反应活性和扩散性强、燃烧温度高、容易产生回火、自燃、振荡不稳定和NOx排放恶化等问题。氢燃烧组织技术面临燃烧稳定组织、灵活燃料适应性、NOx排放恶化等方面的巨大挑战，这给高效、稳定、低排放的氢燃烧器设计带来困难。传统氢燃烧组织采用空气做氧化剂，空气中的N2使NOx排放无法避免。与传统燃烧组织不同，循环工质为水蒸气时，以氢燃料为核心搭配纯氧作氧化剂，无NOx生成，理论上可以实现零碳、零排放燃烧，是一种真正的清洁燃烧技术。
燃烧方式一般分为扩散燃烧和预混燃烧。现有氢燃烧组织多采用纯氢纯氧扩散燃烧，其最大问题是局部燃烧温度甚至高至3000K，对设备金属部件烧蚀造成极大潜在危害；同时，由于热辐射强度基本与燃烧温度正相关，其高温燃烧使辐射热损失非常明显；最后，扩散燃烧虽然稳定性较强，但其燃料转化不充分，燃烧效率不易保证。另一方面，若采用预混燃烧，氢燃料高反应活性带来的回火、自燃和振荡等燃烧不稳定性问题便十分显著，不过其优势在于燃烧效率高，燃料易充分燃烧转化。
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基于湿氧气的氢微混燃烧器与燃烧方法，以解决现有氢燃烧器安全性、稳定性和高效性无法兼顾的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于湿氧气的氢微混燃烧器，包括氢气组件、氧气组件和水蒸气组件；所述氢气组件向燃烧器喷嘴供给氢气燃料；所述氧气组件供给氧气；所述水蒸气组件供给两路水蒸气，第一路水蒸气被配置为环绕出所述燃烧器喷嘴的氢气燃料喷出，在氢气燃料外层形成水蒸气氛围；第二路水蒸气与所述氧气混合形成湿氧气，所述湿氧气从喷出的所述第一路水蒸气与出所述燃烧器喷嘴的氢气燃料之间喷出。
在一个实施例中，所述氢气组件为氢气喷管，所述氢气喷管为末端带喷嘴的单管结构，喷嘴处采用若干周向分布的呈扩散状的喷射小孔，使氢气燃料分散喷射，实现与湿氧气的微混燃烧。
在一个实施例中，所述氧气组件包括氧供给管，所述氧供给管的出口接内旋流器，所述内旋流器连通所述第二路水蒸气，且所述内旋流器的出口环绕在所述燃烧器喷嘴外部。
在一个实施例中，所述氧供给管为环形管，环绕所述氢气喷管设置，环空间通入氧气，末端开有与所述内旋流器连通的氧气喷出小孔；所述内旋流器的主体为管状，中部设置与第二路水蒸气连通的内旋流组件，前端通过所述氧气喷出小孔连通所述氧供给管，末端为湿氧气喷出口。
在一个实施例中，所述内旋流组件由若干呈旋流方向分布的第二路水蒸气进口组成，以使进入的第二路水蒸气形成旋流并与氧气混合形成湿氧气。
在一个实施例中，所述水蒸气组件包括水蒸气供给管，与内旋流器和外旋流器连通，其中外旋流器设置在水蒸气供给管的末端，且所述外旋流器的出口环绕在所述内旋流器出口的外部。
在一个实施例中，所述外旋流器的主体为管状，内设与第一路水蒸气连通的外旋流组件，所述外旋流组件由若干呈旋流方向分布的第一路水蒸气进口组成，以使进入的第一路水蒸气形成旋流。
在一个实施例中，所述外旋流组件与所述内旋流组件的旋向相同。
在一个实施例中，喷出的氢气燃料与湿氧气的径向间距范围为1-2mm，喷出的湿氧气与水蒸气的径向间距范围为2-3mm。
本发明还提供了一种基于湿氧气的氢微混燃烧方法，沿自内向外的三个径向，依次喷出氢气燃料、湿氧气和水蒸气，喷射方向均为前方或斜前方；喷出的所述水蒸气，在喷出的所述氢气燃料外层形成水蒸气氛围，喷出的所述湿氧气在水蒸气与氢气燃料之间参与燃烧。
在一个实施例中，所述氢气燃料与氧气的体积流量比为3/5～2/1，氧气与水蒸气的体积流量比为10/90～25/75，水蒸气总量的65％～75％与氧气混合形成湿氧气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了湿氧气方法，将氧气提前用水蒸气稀释再与氢气进行混合燃烧，避免了纯氧燃烧的局部超高温区域的形成，提高燃烧的安全性，降低辐射热损失。
(2)本发明构造了水蒸气氛围，阻隔内部氢氧燃料溢出，并减小高温燃烧区对壁面的影响。
(3)本发明结合了微混燃烧技术，氢通过分散小孔直接喷射进湿氧气环境中进行小尺度扩散燃烧，一方面避免了全预混燃烧带来的不稳定性问题，另一方面燃料分散喷射有利于氢氧完全反应。
(4)本发明为一个单头部燃烧器，其结构设计仅包含5个主要零件，易加工、易组装。本发明使用十分方便，仅需将燃烧器安装至燃烧室中，水蒸气、氢、氧按一定设计工况分别供给，即可点火。该单头部燃烧器也可以多个集群式阵列分布，以满足较大的燃烧功率需求。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明等轴测图
图3是本发明主体壳的等轴测图。
图4是本发明主体壳的下视图。
图5是本发明主体壳的上视图。
图6是图5中A-A向视图。
图7是本发明外旋流器的等轴测图。
图8是本发明外旋流器的下视图。
图9是本发明外旋流器的上视图。
图10是图9中A-A向视图。
图11是图10中B-B向视图。
图12是本发明内旋流器的等轴测图。
图13是本发明内旋流器的下视图。
图14是本发明内旋流器的上视图。
图15是图14中A-A向视图。
图16是图15中B-B向视图。
图17是本发明氧供给管的等轴测图。
图18是本发明氧供给管的下视图。
图19是本发明氧供给管的上视图。
图20是图19中A-A向视图。
图21是本发明氢气喷管结构示意图。
图22是本发明氢气喷管结构喷口端示意图。
图23是图22中A-A向视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
氢燃料预混燃烧可保证较高的燃烧效率，但是由于氢气的高反应活性，也带来了回火、自燃等问题，为此本发明提供了一种基于湿氧气的氢微混燃烧器以及相应的燃烧方法。将氧气与水蒸气预混形成湿氧气，并环绕氢气燃料实现燃烧，避免使用纯氧形成超高温区域，同时利用水蒸气在燃烧区域周围形成水蒸气氛围，阻隔内部氢氧燃料溢出。
具体地，本发明中燃烧方法的实现，沿自内向外的三个不同径向方向，依次喷出氢气燃料、湿氧气和水蒸气，喷射方向均为前方或斜前方；喷出的水蒸气在喷出的氢气燃料外层形成水蒸气氛围，喷出的湿氧气在水蒸气与氢气燃料之间参与燃烧。
基于此，本发明面向水蒸气环境下的纯氢纯氧燃烧，提出一种基于湿氧气的氢微混燃烧器，目的是实现水蒸气环境下的氢氧燃料安全、稳定、高效的燃烧转化。本发明燃烧器包括氢气组件、氧气组件和水蒸气组件；所述的氢气组件向燃烧器喷嘴供给氢气燃料，氢气燃料从燃烧器喷嘴向前方或向斜前方喷出。所述的氧气组件供给氧气，氧气能够与水蒸气混合形成湿氧气。所述的水蒸气组件供给两路水蒸气，其中第一路水蒸气被配置为环绕喷出的氢气燃料喷出，在氢气燃料外层形成水蒸气氛围；第二路水蒸气与所述的氧气混合形成所述的湿氧气，所述的湿氧气从喷出的所述的第一路水蒸气与出所述的燃烧器喷嘴的氢气燃料之间喷出。
如图1和图2所示，本发明的具体机械结构，包括主体壳1，外旋流器2，内旋流器3，氧供给管4，氢气喷管5等五个主要零件，以及装配使用的若干螺钉6。螺钉6用于固定各个零件，氢气喷管5与氧供给管4之间可采用过盈配合或焊接方式进行固定。
在本发明的实施例中，主体壳1的一种结构参考图3、图4、图5和图6，其作为燃烧器的机械主体部分，包括一个燃烧器主管道，在燃烧器主管道的末端连接安装法兰1-1，主管道侧壁设置水蒸气供给管道1-2，安装法兰1-1上有燃烧器安装孔1-3和连接螺纹孔1-4，连接螺纹孔1-4用于与外旋流器2装配。
在本发明的实施例中，水蒸气供给管是水蒸气组件的主要部分，水蒸气供给管可以与燃烧器主管道采用同一管道。外旋流器2装配在水蒸气供给管的末端，外旋流器2的一种结构参考图7、图8、图9、图10和图11，其主体亦为管状，包括一个用于与主体壳1配合安装的法兰盘2-1，法兰盘2-1上有装配用螺纹沉孔2-2，管内设有与外旋流组件2-3，外旋流组件2-3由若干呈旋流方向分布的第一路水蒸气进口组成，以使第一路水蒸气沿此进入并形成旋流。第一路水蒸气进口开在管壁。
在本发明的实施例中，水蒸气供给管同时与外旋流器2和内旋流器3连通，以分别提供所述的第一路水蒸气和第二路水蒸气，且所述的外旋流器2的出口环绕在所述的内旋流器3出口的外部。本发明中，外旋流组件2-3与所述的内旋流组件3-2的旋向相同。
内旋流器3和氧供给管4是氧气组件的组成部分，氧供给管4的出口接内旋流器3，内旋流器3连通所述的第二路水蒸气，且所述的内旋流器3的出口环绕在所述的燃烧器喷嘴外部。
内旋流器3的一种结构参考图12、图13、图14、图15和图16，其主体为管状，包括与主体壳1连接的安装法兰3-1，安装法兰3-1上有装配用螺钉通孔3-3，管中部设置与第二路水蒸气连通的内旋流组件3-2，前端通过所述的氧气喷出小孔4-3连通所述的氧供给管4，末端为湿氧气喷出口。其中内旋流组件3-2由若干呈旋流方向分布的第二路水蒸气进口组成，以使进入的第二路水蒸气形成旋流并与氧气混合形成湿氧气。
氧供给管4的一种结构参考图17、图18、图19和图20，氧供给管4主体为环形管，环绕所述的氢气喷管5设置，环空间通过侧壁的氧气供给管道4-1通入氧气，末端开有与所述的内旋流器3连通的氧气喷出小孔4-3。管身安装有用于与内旋流器3连接的安装法兰4-2，安装法兰4-2上有装配用螺钉通孔4-4。
氢气喷管5作为氢气组件或氢气组件的主要部分，参考图21、图22和图23，在本发明中采用了末端带喷嘴的单管结构的氢气供给管道主体5-1。并且在喷嘴处采用若干周向分布的呈扩散状的喷射小孔5-2，使氢气燃料分散喷射，实现与湿氧气的微混燃烧。本发明实施例中，喷射小孔共计10个。
根据本发明的结构，装配之后即可使用，本发明的尺寸参数，最好使得喷出的氢气燃料与湿氧气的径向间距范围为1-2mm，喷出的湿氧气与水蒸气的径向间距范围为2-3mm。在该范围内，可保障在燃机装备中水蒸气环境下的氢氧燃料安全、稳定、高效的燃烧转化。
根据本发明的方法，各种介质的用量亦需要做一定限制，示例地，使用过程中先确定氢气燃料与氧气的体积流量比，例如可限定为3/5～2/1左右，再确定氧气与水蒸气的体积流量比，约为10/90～25/75。水蒸气总量的65％～75％与氧气混合形成湿氧气。氢气燃料和氧气供给温度和压力保持一致，水蒸汽适应不同的过热温度，约120-200℃。
根据本发明的结构，本发明的工作过程主要包括：
(1)水蒸气供给：由主体壳1通入水蒸气后分为两路，一路由外旋流器2组成旋流流动喷出，在燃烧器喷嘴外层环形出口形成水蒸气氛围，阻隔内部氢氧燃料溢出，并减小高温燃烧区对壁面的影响。另一路水蒸气通过内旋流器3组成旋流流动，将氧供给管4所供给的O2进行混合、稀释，形成湿氧气，该湿氧气最终从喷嘴中间层环形出口喷出，参与燃烧。
(2)氧气供给：如前所述的，O2通过氧供给管4通入，并与部分水蒸气进行混合稀释，形成湿氧气。湿氧气由于旋流器的存在会形成旋流，并于燃烧器喷嘴中间层环形出口喷出。旋流有利于增加燃料和氧化剂的混合。
(3)氢气供给：H2通过氢气喷管5供给，氢气喷管5为一单管喷嘴，末端喷嘴处采用周向分布的喷射小孔，使H2燃料分散喷射，实现氢与湿氧气的微混燃烧，这有利于增强混合从而保证氢氧燃烧转化的高效性，同时又避免了提前预混带来的燃烧不稳定性问题。

Claims (10)

1.一种基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，包括氢气组件、氧气组件和水蒸气组件；所述氢气组件向燃烧器喷嘴供给氢气燃料；所述氧气组件供给氧气；所述水蒸气组件供给两路水蒸气，第一路水蒸气被配置为环绕出所述燃烧器喷嘴的氢气燃料喷出，在氢气燃料外层形成水蒸气氛围；第二路水蒸气与所述氧气混合形成湿氧气，所述湿氧气从喷出的所述第一路水蒸气与出所述燃烧器喷嘴的氢气燃料之间喷出。
2.根据权利要求1所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，所述氢气组件为氢气喷管(5)，所述氢气喷管(5)为末端带喷嘴的单管结构，喷嘴处采用若干周向分布的呈扩散状的喷射小孔，使氢气燃料分散喷射，实现与湿氧气的微混燃烧。
3.根据权利要求2所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，所述氧气组件包括氧供给管(4)，所述氧供给管(4)的出口接内旋流器(3)，所述内旋流器(3)连通所述第二路水蒸气，且所述内旋流器(3)的出口环绕在所述燃烧器喷嘴外部。
4.根据权利要求3所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，所述氧供给管(4)为环形管，环绕所述氢气喷管(5)设置，环空间通入氧气，末端开有与所述内旋流器(3)连通的氧气喷出小孔(4-3)；所述内旋流器(3)的主体为管状，中部设置与第二路水蒸气连通的内旋流组件(3-2)，前端通过所述氧气喷出小孔(4-3)连通所述氧供给管(4)，末端为湿氧气喷出口。
5.根据权利要求4所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，所述内旋流组件(3-2)由若干呈旋流方向分布的第二路水蒸气进口组成，以使进入的第二路水蒸气形成旋流并与氧气混合形成湿氧气。
6.根据权利要求3或4或5所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，所述水蒸气组件包括水蒸气供给管，与内旋流器(3)和外旋流器(2)连通，其中外旋流器(2)设置在水蒸气供给管的末端，且所述外旋流器(2)的出口环绕在所述内旋流器(3)出口的外部。
7.根据权利要求6所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，所述外旋流器(2)的主体为管状，内设与第一路水蒸气连通的外旋流组件(2-3)，所述外旋流组件(2-3)由若干呈旋流方向分布的第一路水蒸气进口组成，以使进入的第一路水蒸气形成旋流。
8.根据权利要求1所述基于湿氧气的氢微混燃烧器，其特征在于，喷出的氢气燃料与湿氧气的径向间距范围为1-2mm，喷出的湿氧气与水蒸气的径向间距范围为2-3mm。
9.一种基于湿氧气的氢微混燃烧方法，其特征在于，沿自内向外的三个径向，依次喷出氢气燃料、湿氧气和水蒸气，喷射方向均为前方或斜前方；喷出的所述水蒸气，在喷出的所述氢气燃料外层形成水蒸气氛围，喷出的所述湿氧气在水蒸气与氢气燃料之间参与燃烧。
10.根据权利要求9所述基于湿氧气的氢微混燃烧方法，其特征在于，所述氢气燃料与氧气的体积流量比为3/5～2/1，氧气与水蒸气的体积流量比为10/90～25/75，水蒸气总量的65％～75％与氧气混合形成湿氧气。
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