CN207648854U - 一种柔和均相催化燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种柔和均相催化燃烧器，由预混区、催化燃烧区及气相燃烧区三个区域组成，预混区包括预混室、连接在预混室进口的启动燃料管路及设置在该管路与预混室连接处的启动点火器、连接在预混室后部的主燃料管路，催化燃烧区设置在预混区的后端，包括与预混室联通的催化燃烧室，该催化燃烧室内设有堇青石蜂窝状催化反应器、与催化燃烧室连通的二次燃料管路，气相燃烧区设置在催化燃烧区的后端，包括与催化燃烧室联通的均相燃烧室。与现有技术相比，本实用新型性能可靠、燃烧效率高、环境污染小；同时利用无火焰燃烧能够有效减少或消除燃气轮机燃烧室中的热声振荡现象。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种能源技术领域的装置，具体是一种将分级式催化燃烧和后催化燃烧结合，同时兼顾燃气轮机高性能和低排放特性的复合型催化柔和燃烧装置。
背景技术
燃气轮机作为一种重要的热-功转换装置，在船舶、发电及化工等领域得到日益广泛的应用，在国民经济与国防建设中具有不可替代的作用和地位。燃气轮机循环效率的提高主要依靠燃烧室排气温度的增加，而与之相矛盾的是燃烧室内NOX的排放也将随着排气温度的提高而增加，同时重型燃气轮机燃烧室的工作环境十分恶劣，具有热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场复杂等特点，因此，如何保证在燃烧室高燃烧效率的基础上提高燃气轮机性能的关键技术不仅是国内外需要突破的难点，同时也使燃烧室在燃气轮机领域成功应用面临着诸多问题和挑战。
在燃烧室中采用催化燃烧技术降低NOX的排放最早是由William Pfefferle在1975年提出的，随后美国和日本等国都积极开展了可应用于不同尺度地面燃气轮机燃烧室的催化技术的研究。当时催化剂工作温度高于燃烧室出口燃气温度，因而引起了催化剂的失活和烧毁问题，限制了催化燃烧室的发展。90年代利用分级燃烧室的概念提出了催化燃烧和预混燃烧相结合的设计，降低了催化剂工作温度，防止了催化剂的高温失活和老化。确定合理的催化/后催化－预混燃烧室结构，并开展相关的常压、高压原型机及部件实验测试，一直是各国开展催化－预混分级燃烧室研究的方法。日本的Toshiba公司和Tokyo电力公司提出了一种催化－预混分级燃烧室的概念，并共同开展了1300℃级燃烧室的全尺度常压实验及催化剂的小尺度高压实验。美国能源部先进涡轮系统计划提出了采用催化燃烧降低排放的计划，并在Solar和西门子－西屋公司分别实施了实验与理论研究。目前，催化－预混分级燃烧室概念的可行性通过各国实验研究已得到了认可，其低排放特性也吸引了人们的注意。
对催化燃烧的研究国内已开展多年，研究的重点大多集中在催化剂、催化通道的特性及运行参数对催化反应特性的影响方面。催化燃烧应用在燃气轮机领域的研究主要体现在采用低热值燃料的催化燃烧微型燃气轮机技术的研究。
中国专利CN103912896A公开了一种可降低污染物排放的航空发动机催化-预混分级燃烧室及运行方法。该燃烧室为沿发动机轴向布置的环形结构，它包括预燃、预混、催化、次级燃烧及均相反应区。在预燃区采用了扩散燃烧方法使部分燃料和空气进行反应，预混区内有燃油喷嘴和空气喷嘴使燃料与空气充分混合，在预混区出口实现富燃燃料并与预燃区的高温工质进行混合提高可燃混合物的温度，在催化和次级燃烧区内预混区出口混合好的高温可燃混合物进入反应区进行反应进一步提高工质温度，催化和次级燃烧区尾气含有大量可燃成分使其与通过空气喷嘴喷入的次级空气流混合后在均相反应区进一步反应以提高工质温度。
中国专利CN103912896A与申请的专利有本质不同，首先是应用对象不同前者为航空发动机，后者为燃气轮机；其次是使用的燃料不同，前者为燃油，后者为燃气；然后是方法上不同，前者是混合好的可燃混合物进入催化燃烧区、次级燃烧区、均相反应区，后者是加入一次燃料进入催化燃烧区完全燃烧，把温度控制在1000℃以下，加入二次燃料在均相反应区完全燃烧。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)相结合，同时兼顾燃气轮机高性能和低排放特性的复合型催化柔和燃烧装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种柔和均相催化燃烧器，采用分级概念的模式，由预混区、催化燃烧区及气相燃烧区三个区域组成，实现燃料在燃烧室中的高效清洁燃烧。能够降低燃烧产物中NOx和碳氢化合物含量，具有较高的燃烧效率，减少了污染物含量；同时利用无火焰燃烧过程有效减少或消除燃烧室中的热声振荡现象。
所述的预混区包括预混室、连接在预混室进口的启动燃料管路及设置在该管路与预混室连接处的启动点火器、连接在预混室后部的主燃料管路，
所述的催化燃烧区设置在预混区的后端，包括与预混室联通的催化燃烧室，该催化燃烧室内设有堇青石蜂窝状催化反应器、与催化燃烧室连通的二次燃料管路，
所述的气相燃烧区设置在催化燃烧区的后端，包括与催化燃烧室联通的均相燃烧室。
所述的预混室、催化燃烧室及均相燃烧室均设置在燃烧装置的内壳内。
所述的内壳外还套设有外壳。
所述的内壳与外壳之间设有进气流道，该进气流道与预混室相连。
所述的进气流道的入口与压气机接口相连。
所述的堇青石蜂窝状催化反应器的催化剂负载量为1765.7g/m3、空隙率为75.7％，通道壁厚为0.1651mm。
所述的均相燃烧室的后端通过透平接口与透平连接。
本实用新型的催化燃烧室可进行催化反应的温度范围为450℃～1000℃，后催化/气相反应区进入透平的气体温度范围为1000～1550℃。
本实用新型在使用时，启动阶段中压气机空气沿分级燃烧室外壳与内壳之间的进气流道穿过孔隙进入预混室。同时启动燃料管路打开，流入预混室的燃料与空气在启动点火器作用下发生燃烧，对分级燃烧室进行加热，使催化燃烧室的温度达到反应所需的起燃温度。催化燃烧室和均相燃烧室同时可对进气流道内的空气进行预加热。随后启动燃料管路关闭，主燃料管路打开，进入稳定燃烧阶段。主燃料管路打开后，来自主燃料入口的燃料与预混室的工质混合进入分级燃烧室的催化燃烧室，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应。在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使甲烷在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能。催化燃烧室中尚余的没有完全燃烧的甲烷，进入均相燃烧室完全燃烧。经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高，二次燃料管路的甲烷沿管道进入均相燃烧室发生高温氧化反应，进而完全燃烧。经过分级燃烧室产生的高温高压气体通过透平接口进入透平，推动透平做功。
与现有技术相比，本实用新型采用分级概念的模式，提出一种将催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)相结合，同时兼顾燃气轮机高性能和低排放特性的复合型催化柔和燃烧装置。利用该先进燃气轮机分级式燃烧室的三个区域：预混区、催化燃烧区、气相燃烧区(后催化燃烧区)，实现燃料在燃烧室中的高效清洁燃烧。能够降低燃烧产物中NOx和碳氢化合物含量，具有较高的燃烧效率，减少了污染物含量；同时利用无火焰燃烧过程有效减少或消除燃烧室中的热声振荡现象。
本实用新型的燃烧区主要催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)，这两个区均为无火焰燃烧，没有局部高温，因此燃烧产物中NOx很低，热声震荡现象很少。同时燃烧均匀、且温度较高，因此燃烧完全，碳氢化合物含量几乎没有，燃烧效率高。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中，1-启动燃料管路、2-启动点火器、3-外壳、4-内壳、5-预混室、6-主燃料管路、7-二次燃料管路、8-催化燃烧室、9-均相燃烧室、10-进气流道、11-压气机接口、12-透平接口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
实施例
一种柔和均相催化燃烧器，其结构如图1所示，本实施例中的先进燃气轮机分级式燃烧室由预混区、催化燃烧区、气相燃烧区(后催化燃烧区)三个区域组成，包括：启动燃料管路1、启动点火器2、外壳3、内壳4、预混室5、主燃料管路6、二次燃料管路7、催化燃烧室8、均相燃烧室9、进气流道10、压气机接口11、透平接口12。其中压气机接口11与进气流道10相连，进气流道10位于燃烧室外壳3与内壳4之间，并与预混室5相连，启动燃料管路1和主燃料管路6分别与预混室5相连，催化燃烧室8主要由堇青石蜂窝状催化反应器组成，二次燃料管路7通过与催化燃烧室8进行换热提高燃料的温度，并与均相燃烧室9相连，均相燃烧室9通过透平接口12与透平相连。
本实用新型装置使用的燃料为甲烷，催化燃烧室可进行催化反应的温度范围为450℃～1000℃，后催化/气相反应区进入透平的气体温度范围为1000～1550℃。
启动阶段中压气机空气沿分级燃烧室外壳3与内壳4之间的进气流道10穿过孔隙进入预混室5。同时启动燃料管路1打开，流入预混室5的燃料与空气在启动点火器2作用下发生燃烧，对分级燃烧室进行加热，使催化燃烧室8的温度达到反应所需的起燃温度。催化燃烧室8和均相燃烧室9同时可对进气流道10内的空气进行预加热。随后启动燃料管路1关闭，主燃料管路6打开，进入稳定燃烧阶段。主燃料管路6打开后，来自主燃料入口的燃料与预混室5的工质混合进入分级燃烧室的催化燃烧室8，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应，使用的堇青石蜂窝状催化反应器的催化剂负载量为1765.7g/m3、空隙率为75.7％，通道壁厚为0.1651mm。在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使甲烷在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能。催化燃烧室8中尚余的没有完全燃烧的甲烷，进入均相燃烧室9完全燃烧。经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高，二次燃料管路7的甲烷沿管道进入均相燃烧室9发生高温氧化反应，进而完全燃烧。经过分级燃烧室产生的高温高压气体通过透平接口12进入透平，推动透平做功。
本实施例可作为重型、中型和微型燃气轮机的催化燃烧室。本装置性能可靠，燃烧效率高，污染产物少，燃烧均匀性好，能够有效减少或消除燃气轮机燃烧室中的热声振荡现象，可以兼顾不同型号燃气轮机高性能和低排放特性。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型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，这并不影响本实用新型的实质内容。
Claims (6)
1.一种柔和均相催化燃烧器，其特征在于，该燃烧器由预混区、催化燃烧区及气相燃烧区三个区域组成，
所述的预混区包括预混室、连接在预混室进口的启动燃料管路及设置在该管路与预混室连接处的启动点火器、连接在预混室后部的主燃料管路，
所述的催化燃烧区设置在预混区的后端，包括与预混室联通的催化燃烧室，该催化燃烧室内设有堇青石蜂窝状催化反应器、与催化燃烧室连通的二次燃料管路，
所述的气相燃烧区设置在催化燃烧区的后端，包括与催化燃烧室联通的均相燃烧室。
2.根据权利要求1所述的一种柔和均相催化燃烧器，其特征在于，所述的预混室、催化燃烧室及均相燃烧室均设置在燃烧装置的内壳内。
3.根据权利要求2所述的一种柔和均相催化燃烧器，其特征在于，所述的内壳外还套设有外壳。
4.根据权利要求3所述的一种柔和均相催化燃烧器，其特征在于，所述的内壳与外壳之间设有进气流道，该进气流道与预混室相连。
5.根据权利要求4所述的一种柔和均相催化燃烧器，其特征在于，所述的进气流道的入口与压气机接口相连。
6.根据权利要求1所述的一种柔和均相催化燃烧器，其特征在于，所述的均相燃烧室的后端通过透平接口与透平连接。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109751622A (zh) * | 2017-11-03 | 2019-05-14 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种复合型柔和催化燃烧装置 |
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2017
- 2017-11-03 CN CN201721454337.5U patent/CN207648854U/zh active Active
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