專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在預(yù)混合燃燒器中燃燒氫氣的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助燃燒器使含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料進(jìn)行燃燒的方法和設(shè)備，所述燃燒器設(shè)置有渦流發(fā)生器，流體燃料例如石油可以中央地沿著燃燒器軸線在形成錐形的流體燃料柱的情況下被輸入到該渦流發(fā)生器中，所述流體燃料柱被切向地流入到渦流發(fā)生器中的旋轉(zhuǎn)的燃燒用氣流所包圍并充分混合。此外在通過(guò)切向的空氣入口進(jìn)入到渦流發(fā)生器中的燃燒用氣流中設(shè)置有用于輸入氣態(tài)燃料例如石油氣的裝置。
背景技術(shù)：
世界各地均在積極減少排放到大氣中的溫室氣體，尤其是所謂京都議定書(shū)中所規(guī)定的目標(biāo)，應(yīng)在2010年將溫室氣體排放降低到與1990年一樣的水平。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要做出巨大的努力，尤其是減少人為的CO2排放。人為排放到大氣中的CO2大約有三分之一是能量生產(chǎn)中所引起的，因?yàn)槎鄶?shù)發(fā)電設(shè)備均燃燒石化燃料來(lái)發(fā)電。通過(guò)使用現(xiàn)代化技術(shù)，以及輔之以政治框架條件，就能在能量制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顯著的節(jié)約潛力，從而避免CO2排放進(jìn)一步增加。
一種技術(shù)上可行的已知方法能夠減少發(fā)電站的CO2排放，即在將燃料輸入燃燒室之前，從將要進(jìn)行燃燒的燃料中去除碳。這種方法需要對(duì)燃料進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，例如利用氧氣對(duì)燃料進(jìn)行部分氧化處理，和/或使用水蒸氣對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過(guò)如此預(yù)處理后的燃料通常含有大比例的H2和CO，且所具有的熱值通常低于石油氣的熱值，具體視混合例而定。根據(jù)此類(lèi)合成燃?xì)獾臒嶂?，將其稱(chēng)為Mbtu或者Lbtu燃?xì)?，可以直接用于傳統(tǒng)的、為燃燒天然氣例如石油氣而構(gòu)造的燃燒器，例如在EP 0 321 809 B1、EP 0 780 629 A2、WO 93/17279以及EP 1 070 915 A1中公布的此類(lèi)燃燒器。在所有上述專(zhuān)利文獻(xiàn)中，所涉及的均為燃料預(yù)混合式燃燒器，其中分別產(chǎn)生沿流動(dòng)方向呈錐形擴(kuò)展的、由燃燒用空氣和混合的燃料所形成的渦流，該渦流沿流動(dòng)方向在從燃燒器中流出之后、盡可能在達(dá)到均勻的空氣-燃料混合氣后通過(guò)增大的渦流而變得不穩(wěn)定，并且轉(zhuǎn)變成中心具有回流的環(huán)狀渦流。
根據(jù)燃燒器結(jié)構(gòu)以及燃燒器功率，流體和/或燃料被輸入到在預(yù)混合燃燒器的內(nèi)部所形成的渦流中，以形成盡可能均勻的燃料-空氣混合氣。如上所述，如果要使用合成氣態(tài)燃料來(lái)替代傳統(tǒng)類(lèi)型的燃料，或者將其與傳統(tǒng)燃料組合使用，以減少有害物質(zhì)、尤其是CO2的排放，則對(duì)傳統(tǒng)的預(yù)混合燃燒器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有特別高的要求。相對(duì)于類(lèi)似的使用石油氣驅(qū)動(dòng)的燃燒器而言，需要有多倍的燃料體積流量用于將合成燃?xì)廨斎肴紵飨到y(tǒng)之中，從而會(huì)產(chǎn)生有明顯區(qū)別的流動(dòng)動(dòng)量特性。由于合成燃?xì)庵械臍錃夂枯^高和由此引起的氫氣的較低點(diǎn)燃溫度以及較高火焰速度，因比燃料有很高的反應(yīng)傾向，會(huì)增大發(fā)生回火的危險(xiǎn)。為了防止發(fā)生這種情況，必須盡可能降低可燃的燃料-空氣混合氣在燃燒器內(nèi)的平均停留時(shí)間。
在EP 0 908 671 B1中公開(kāi)了使氣態(tài)、流體燃料以及中等或較低熱值含量的燃料進(jìn)行燃燒的方法和燃燒器。在這種情況下，使用EP 0 780 629 A2所述具有后置混合段的雙錐式燃燒器(Doppelkegelbrenner)，其中限定著渦流室的渦流殼體(Drallschale)設(shè)置有輸入管道，用于將中等或低熱值含量的燃料軸向地和/或同軸地噴入到渦流發(fā)生器的內(nèi)部。附圖2和3示出這種預(yù)混合燃燒器的結(jié)構(gòu)。附圖2所示為縱剖視圖，附圖3所示為預(yù)混合燃燒器結(jié)構(gòu)的橫截面，該燃燒器具有被渦流殼體2限定的、呈錐形擴(kuò)展的渦流發(fā)生器1。軸向地和/或同軸地圍繞著渦流發(fā)生器1的軸線A設(shè)置有用于輸入燃料的裝置。于是流體燃料BL通過(guò)沿燃燒器軸線A定位于渦流發(fā)生器1的最小直徑處的噴嘴3進(jìn)入渦流室中。燃燒用空氣L通過(guò)空氣入口4以切向的流動(dòng)方向進(jìn)入到渦流室中，優(yōu)選是石油氣的氣態(tài)燃料BG沿著該空氣入口4與燃燒用空氣混合。此外還設(shè)置有同軸地圍繞著燃燒器軸線A布置的、用于附加地輸入中等熱值的燃料BM的噴入裝置5。
在可燃的燃料-空氣混合氣在沿順流方向連接在混合管8上的燃燒室(未示出)內(nèi)被點(diǎn)燃之前，在渦流發(fā)生器1內(nèi)部所形成的燃料-空氣混合氣以渦流形式通過(guò)轉(zhuǎn)換接頭(Uebergangsstueck)6(它設(shè)置有穩(wěn)定渦流的流動(dòng)介質(zhì)7)進(jìn)入混合管8(在其中進(jìn)行燃料-空氣混合氣的徹底均勻的混合)中。附圖3所示為渦流發(fā)生器1的在貫穿了渦流殼體2的噴入裝置5范圍內(nèi)的橫截面。在橫截面示意圖中可更好地看清空氣入口4，空氣通過(guò)該入口進(jìn)入渦流發(fā)生器1的內(nèi)部。通過(guò)相應(yīng)的管道使氣態(tài)燃料BG在空氣入口4處與燃燒用空氣L混合在一起。與燃燒器軸線A同心地設(shè)置有入射噴嘴，用于將燃料噴入渦流發(fā)生器1內(nèi)部。
盡管可以利用上述類(lèi)型燃燒器，以混合運(yùn)行方式單獨(dú)地或者與流體燃料和石油氣的燃燒相組合地，使熱值在5MJ/kg和15MJ/kg之間的中等熱值燃料進(jìn)行燃燒，但大量的燃燒試驗(yàn)結(jié)果已證明，在運(yùn)行中盡可能使用不含碳的、此外盡可能具有高氫含量的燃料，優(yōu)選是完全由氫氣所組成的燃料，而上述的預(yù)混合燃燒器不適合。氫氣含量大于50％的含氫燃料具有非常高的反應(yīng)性和非常高的是中等熱值的合成燃?xì)饣鹧娴膬杀兜幕鹧嫠俣龋送膺€具有小得多的單位體積熱值(MJ/m3)，因此需要將大量的氫氣輸入燃燒器，才能達(dá)到所需的燃燒熱。尤其當(dāng)使用純粹由氫氣所組成的燃料時(shí)，對(duì)用于驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)(為驅(qū)動(dòng)其需要高燃燒溫度)的此類(lèi)混合燃燒器進(jìn)行的高壓試驗(yàn)表明，在渦流室中或者順著燃燒器的混合段就出現(xiàn)了點(diǎn)燃現(xiàn)象，其原因是沿軸向以較大體積流量輸入燃燒器的氫氣無(wú)法充分混合。甚至在沒(méi)有出現(xiàn)回火現(xiàn)象的情況下，沒(méi)有充分混合的氫氣和燃燒用空氣也會(huì)引起類(lèi)似擴(kuò)散的燃燒，從而最終導(dǎo)致氮氧化物排放增大。

發(fā)明內(nèi)容
由現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)在于提供不會(huì)出現(xiàn)上述缺點(diǎn)的預(yù)混合燃燒器，并且該預(yù)混合燃燒器尤其是在使用氫氣含量至少為50％的含氫燃料、或者完全由氫氣所組成的氣態(tài)燃料進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，能夠確保改善與燃燒用空氣的混合，同時(shí)還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流動(dòng)特性。
本發(fā)明任務(wù)的解決方案已在權(quán)利要求1中加以給出。權(quán)利要求18的主題是相應(yīng)的預(yù)混合燃燒器。本發(fā)明思想的有利的改進(jìn)特征由從屬權(quán)利要求的主題以及尤其借助實(shí)施例進(jìn)行的說(shuō)明中給出。
盡管在EP 0 908 671 B1所述結(jié)構(gòu)形式的傳統(tǒng)的預(yù)混合燃燒器上獲得的試驗(yàn)結(jié)果，如開(kāi)始所述，根據(jù)本發(fā)明的燃燒器構(gòu)思也并未脫離這種原理即相對(duì)于燃燒器軸線軸向地和/或同軸地將含有氫氣的、優(yōu)選由氫氣所組成的燃料輸入到渦流室中。以何種方式和方法，以什么樣的形狀和以什么樣的混合程度將含有氫氣或者完全由氫氣所組成的燃料輸入到燃燒器中，才是決定性的因素。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的說(shuō)明，以下僅使用氫氣或者氫燃料的說(shuō)法，其含義就是該燃料中氫氣含量為至少50％，優(yōu)選完全或者100％由氫氣所組成的燃料。
為了保證氫氣按照期望清潔和可靠地進(jìn)行燃燒，相對(duì)于燃燒器軸線軸向地和/或同軸地取向的氫氣輸入應(yīng)該這樣進(jìn)行一方面顯著提高輸入氫氣的速度，另一方面顯著提高氫氣和燃燒用空氣之間的混合率。這些措施在混合的燃料一空氣混合氣順流于燃燒器到達(dá)焰鋒之前，明顯改善其均勻性。
根據(jù)本發(fā)明的利用燃燒器使含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料進(jìn)行燃燒的方法，所述燃燒器設(shè)置有渦流發(fā)生器，流體燃料可以中央地沿著燃燒器軸線在形成錐形的流體燃料柱的情況下被輸入到該渦流發(fā)生器中，所述流體燃料柱被切向地流入到渦流發(fā)生器中的旋轉(zhuǎn)的燃燒用氣流所包圍并充分混合，含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料在渦流發(fā)生器內(nèi)相對(duì)于燃燒器軸線軸向地和/或同軸地、在形成燃料流的情況下以盡可能空間受限制的流動(dòng)形狀被輸入，該流動(dòng)形狀在燃燒器內(nèi)得以保持，并且直到在燃燒器出口的范圍內(nèi)才綻開(kāi)成渦流的流動(dòng)形狀。
用于將燃料輸入到燃燒器的渦流發(fā)生器中的裝置的為此所需的結(jié)構(gòu)和尺寸如此地進(jìn)行選擇和集成到燃燒器中，使得燃燒器的為燃燒流體燃料以及石油氣而優(yōu)化的結(jié)構(gòu)不受影響或者僅很小地受影響。這就意味著渦流發(fā)生器、轉(zhuǎn)換接頭以及混合管的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，如圖2所示，盡可能保持不變，除了穿過(guò)渦流殼體而進(jìn)入渦流發(fā)生器內(nèi)部的、用于輸入氫氣或者主要含有氫氣的燃料的裝置。
氫氣的輸入這樣進(jìn)行盡可能緊接著在氫氣從輸入管道流出之后，立即使氫氣與燃燒用空氣有效地混合，以防止在燃燒器內(nèi)局部氫氣濃縮，這會(huì)引起自燃形式的提前點(diǎn)燃。除此之外，還要盡可能減少氫氣在燃燒器內(nèi)的平均停留時(shí)間。為此的前提是，在燃燒器內(nèi)所形成的氫氣-空氣混合氣的速度非常高。
為了使氫氣-空氣在燃燒器內(nèi)以這種方式進(jìn)行混合，將多個(gè)單個(gè)氫氣流以圍繞著燃燒器軸線的圓周形分布輸入到渦流發(fā)生器的渦流室中。氫氣流輸入的實(shí)施一方面依據(jù)與燃燒用空氣的有效混合，另一方面，沿著燃燒器所形成的流動(dòng)結(jié)構(gòu)(Stoemungsstruktur)盡可能保持直到燃燒器出口處，也就是說(shuō)在設(shè)置有混合管的情況下，則要盡可能保持直到順流方向的混合管末端，也就是說(shuō)對(duì)沿著燃燒器所形成的氫氣-空氣混合氣流的流動(dòng)動(dòng)量(Stroemungsimpuls)如此地進(jìn)行調(diào)整，使得所形成的氫氣-空氣流在燃燒器出口處綻開(kāi)，并且在所形成的回流區(qū)的范圍內(nèi)點(diǎn)火，并最終達(dá)到燃燒。相應(yīng)地匹配于流動(dòng)特性以及燃燒器長(zhǎng)度的流動(dòng)動(dòng)量，是避免在燃燒器內(nèi)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象、回火的前提條件，也是有害物質(zhì)排放的決定因素。
在隨后的實(shí)施方式中參照具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明所述的利用燃燒器使含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料進(jìn)行燃燒的方法以及設(shè)備進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。


隨后不局限于共同的發(fā)明構(gòu)思，根據(jù)實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。附圖示出圖1預(yù)混合燃燒器機(jī)構(gòu)的示意縱剖視圖，它具有將氫氣輸入到燃燒器中的不同的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，圖2根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)混合燃燒器結(jié)構(gòu)的縱剖視圖，圖3根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)混合燃燒器結(jié)構(gòu)的橫截面，圖4a-c渦流殼體的局部橫截面示意圖，它具有用于輸入氫氣的不同結(jié)構(gòu)，圖5-8渦流殼體的細(xì)節(jié)橫截面圖，它具有用于輸入氫氣的不同裝置，圖9預(yù)混合燃燒器機(jī)構(gòu)的縱剖視圖，它沿著混合管徑向地輸入氫氣，圖10a、b預(yù)混合燃燒器的帶有細(xì)節(jié)圖的縱剖視圖，它具有集成著催化反應(yīng)器的氫氣輸入管道。
具體實(shí)施例方式
圖1示出預(yù)混合燃燒器的縱剖視圖，該預(yù)混合燃燒器具有渦流發(fā)生器1、一個(gè)轉(zhuǎn)換接頭6以及緊隨其后的混合管8，在其氫氣或者含有氫氣的燃料被輸入到燃燒器內(nèi)的情況下，借助于圖1對(duì)在燃燒器內(nèi)所形成的理想的流動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。為了輸入氫氣，設(shè)置有多個(gè)輸入管道5，在圖1中僅示出了其中兩個(gè)同軸地圍繞著燃燒器軸線A布置的輸入管道。僅出于完整性的原因，也簡(jiǎn)單涉及到其它用于燃料供應(yīng)的裝置，并且這些裝置此外也參照?qǐng)D2進(jìn)行了說(shuō)明。通過(guò)安裝于中央的燃料噴嘴3可以噴入流體燃料，優(yōu)選是石油BL；同樣沿著空氣入口4布置的燃料管道也能輸入氣態(tài)的燃料BG，例如天然氣。視運(yùn)行方式以及不同燃料類(lèi)型的可用性而定，可以給燃燒器供應(yīng)組合燃料或者單一燃料，并使之相應(yīng)運(yùn)行。
就利用氫氣使預(yù)混合燃燒器運(yùn)行而言，通過(guò)單個(gè)的輸入管道5，每次將一個(gè)氫氣流9輸入到燃燒器1的內(nèi)部，該氫氣流9具有一種流動(dòng)動(dòng)量，其中流動(dòng)結(jié)構(gòu)在燃燒器之內(nèi)盡可能得以保持，在此同時(shí)還負(fù)責(zé)使氫氣流與燃燒用空氣盡可能有效地充分混合。僅僅就在氫氣流從燃燒器中流出時(shí)，流動(dòng)形狀才會(huì)綻開(kāi)，使得沿著流體9所形成的氫氣-空氣混合氣擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，并且完全在燃燒室之內(nèi)燃燒。
這種流動(dòng)情況如圖1中的示例b所示。然而當(dāng)氫氣流9有較大的流動(dòng)動(dòng)量時(shí)，也就是將氫氣流以較大的流動(dòng)速度從輸入管道5輸入到燃燒室內(nèi)時(shí)，那么在從燃燒器流出之后、也就是在燃燒室之內(nèi)得以保持流動(dòng)形狀，如示例a所示。在這種情況下，就會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散形式的燃燒，這引起氮氧化物排放增大。反之當(dāng)流動(dòng)動(dòng)量過(guò)小時(shí)，氫氣流9在燃燒器之內(nèi)就會(huì)綻開(kāi)，如示例c所示。在這種情況下，優(yōu)選在燃燒器內(nèi)產(chǎn)生自燃，因?yàn)闅錃庠谌紵鲀?nèi)的停留時(shí)間非常長(zhǎng)。除此之外，過(guò)小的流動(dòng)動(dòng)量還會(huì)引起氫氣流與燃燒用空氣的充分混合度降低，因?yàn)閮H有很小的橫向流動(dòng)滲透。
除了如上述地選擇有流入到燃燒器中的氫氣流的、在流動(dòng)方向上取向的流動(dòng)動(dòng)量之外，同樣也可以形成盡可能空間均勻地圍繞著燃燒器軸線分布的氫氣-空氣混合氣。因此在用于限定渦流發(fā)生器1的渦流室的渦流殼體2中，設(shè)置有用于供應(yīng)氫氣的輸入管道5，如圖4a至c所示。原則上應(yīng)使輸入管道5的管道直徑小于在迄今為止已知的輸送低熱值或中等熱值燃料時(shí)的情況。圖4a至c分別是渦流殼體2的部分橫截面示意圖，在其中設(shè)置有不同結(jié)構(gòu)的輸入管道5，氫氣通過(guò)該輸入管道5被輸入到渦流室中。圖4a中設(shè)置有四個(gè)輸入管道5，它們相對(duì)于燃燒器軸線A既在徑向布置上、又在圓周布置上被不同地定位。在根據(jù)圖4b的實(shí)施例中，設(shè)置有多個(gè)在管道橫截面內(nèi)尺寸比較小的輸入管道5，它們圍繞著燃燒器軸線A分別盡可能同心地布置。在根據(jù)圖4c的實(shí)施例中，設(shè)置有不同尺寸大小的輸入管道5，其中徑向位于外側(cè)的輸入管道5具有比位于內(nèi)側(cè)的輸入管道5更大的管道橫截面。這使得氫氣流隨著與燃燒器軸線A之間距離的增大而增大。
當(dāng)然，輸入管道5在渦流殼體2中也可以實(shí)現(xiàn)其它結(jié)構(gòu)和布置。
為了將氫氣流從相應(yīng)的輸入管道5送出，優(yōu)選設(shè)置有適當(dāng)?shù)膰娮?，在最?jiǎn)單的情況下，該噴嘴構(gòu)造為無(wú)軸針式噴嘴(Lochduese)，或者構(gòu)造為合適的文杜利噴嘴(Venturiduese)的形式或者類(lèi)似的噴嘴結(jié)構(gòu)。這樣就可以通過(guò)選用適當(dāng)?shù)膰娮靵?lái)改變?cè)谌紵髦兴纬傻臍錃饬鞯牧鲃?dòng)形狀，例如形成具有橢圓的、矩形的或者三角形的流動(dòng)橫截面(Stroemungsquerschnitt)的氣流。根據(jù)選用的流動(dòng)形狀，可以影響并改善氫氣流與圍繞著氫氣流的燃燒用空氣的混合效果。
圖5同樣也是通過(guò)渦流殼體2的局部橫截面，它示出的是另一種用于改善氫氣流與燃燒用空氣的混合效果的備選措施，其中用一個(gè)輸入管道5來(lái)代表多個(gè)其它輸入管道。輸入管道5具有一個(gè)徑向分量rc和/或者一個(gè)切向分量tc。如果徑向分量rc指向燃燒器軸線A，則輸入管道5向著燃燒器軸線A傾斜，使得從輸入管道5射出的燃料射流以可預(yù)定的徑向角度α向著燃燒器軸線A傾斜。同樣也可以使徑向分量rc反向于燃燒器軸線A設(shè)置，在這種情況下，從輸入管道5射出的氫氣射流則背離燃燒器軸線A。在這種情況下，應(yīng)適當(dāng)選擇偏角，使得氫氣流與燃燒器壁不會(huì)出現(xiàn)濕潤(rùn)，尤其是在混合管的范圍內(nèi)。與上述徑向分量相似，也可以備選地或者組合地使輸入管道5在渦流殼體2的圓周方向上圍繞著燃燒器軸線A以所謂的切向角度傾斜。切向傾斜的取向優(yōu)選如此地設(shè)置，使得從輸入管道5中出來(lái)的氫氣流在相同的渦流方向上圍繞著燃燒器軸線A流出，燃燒用空氣也隨著該氫氣流通過(guò)空氣入口4流入到渦流發(fā)生器1中。此外切向分量tc或者切向角度的設(shè)置還應(yīng)該這樣選擇，使得從管道流出的氫氣流不直接出現(xiàn)在處于相鄰的部件壁上。除此之外，不要過(guò)份延長(zhǎng)進(jìn)入到燃燒器中的氫氣流的平均停留時(shí)間。還可以考慮，使切向分量在燃燒器中反向于燃燒用空氣的渦流方向而取向，使得氫氣流以對(duì)向旋流(Gegenwirbel)的形式被輸入到渦流發(fā)生器中。以這種方式也能明顯地提高氫氣和燃燒用空氣的混合程度。
另一種用于提高氫氣與燃燒用空氣混合程度的備選措施是，沿著氫氣流形成自旋(Eigendrall)E。圖6中以一個(gè)輸入管道5代表其它輸入管道，氫氣流從其中流出，該氫氣流具有順時(shí)針取向的自旋E(箭頭所示)。當(dāng)然也可以使自旋E逆時(shí)針取向。例如在槍管中所設(shè)置的那樣，例如螺旋地在輸入管道5內(nèi)延伸的槽形輪廓用于產(chǎn)生自旋。也可以在輸入管道5的流動(dòng)出口范圍內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的、使氣流形成自旋的導(dǎo)流板。通過(guò)使氫氣流形成自旋，能夠明顯改善同周?chē)紵每諝獾臋M向混合效果，而不會(huì)增大氫氣在燃燒器中需要被降低的平均停留時(shí)間。多次試驗(yàn)已表明，自旋的渦流比(Drallzahl)Ω設(shè)置為遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，優(yōu)選小于0.5，其中Ω是切向流動(dòng)力矩(Stroemungsmoment)的軸向流(axialerFluss)和軸向流動(dòng)力矩的軸向流之比。在這種情況下，盡可能避免了發(fā)生渦流破裂。
圖7a、b示出了另一種用于改善氫氣流與周?chē)紵每諝獾幕旌咸匦缘膫溥x措施。在這種情況下，輸入管道5構(gòu)造為環(huán)形管11，或者在管道出口處具有環(huán)形的出口形狀，氫氣流通過(guò)該出口進(jìn)入渦流發(fā)生器中。與由單孔開(kāi)口所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)(Standardstroemung)相比，通過(guò)構(gòu)造為環(huán)形的氫氣流可以增大該氫氣流的表面積，且因此能夠與周?chē)紵每諝飧鼮橛行У剡M(jìn)行混合。
這里可以需要說(shuō)明的是，這種用于進(jìn)一步改善混合比的環(huán)形氫氣流可以與前面已經(jīng)提到的用于改善氫氣流與燃燒用空氣之間的混合的措施任意地組合。
圖7b示出了輸入管道5的出口區(qū)域的縱剖視圖，其中安裝有一個(gè)楔形的擠流體(Verdraegungskoerper)10，從輸入管道5出來(lái)的氫氣流以可設(shè)定的擴(kuò)散度通過(guò)該擠流體流出。
在圖8a所示的實(shí)施例中，可認(rèn)為輸入管道5的環(huán)形的暗色陰影部分11是氫氣從中流出的區(qū)域。中間的亮色圓形區(qū)域?qū)?yīng)于空氣輸入管道，空氣從該空氣輸入管道流出，該空氣被環(huán)形的氫氣流所包圍。在圖8b所示的實(shí)施例中所描述的情況正好相反。這里氫氣以氫氣流的形式從位于內(nèi)部的亮色的流動(dòng)區(qū)域流出，該氫氣流被圓周的、環(huán)形的氣流11所包圍。尤其有利地表明，氣流從輸入管道5的相應(yīng)流動(dòng)區(qū)域中流出的流動(dòng)速度選擇為大于燃燒用空氣沿軸向流過(guò)燃燒器的速度。采用這種措施可以明顯減少氫氣在燃燒器中的平均停留時(shí)間，并且可以改善混合比。
在一種進(jìn)一步改善了混合程度的措施中，替代一致的環(huán)形氣流，設(shè)置有多個(gè)沿著環(huán)形形狀布置的小的流道，空氣通過(guò)這些小流道流出，并且形成環(huán)形氣流，該環(huán)形氣流將在環(huán)形形狀中央所形成的氫氣流圓周地包圍。
所有上述用于將氫氣流輸入預(yù)混合燃燒器的內(nèi)部的方案均具有共同之處，即流入到燃燒器內(nèi)的氫氣流并不接觸燃燒器部件的壁體，尤其在靠近壁體的邊界層區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)速度明顯降低，這樣就使得氫氣在燃燒器內(nèi)的平均停留時(shí)間增大，同樣也增大了發(fā)生自燃和回火的風(fēng)險(xiǎn)。
上述給預(yù)混合燃燒器供應(yīng)氫氣作為燃料的措施優(yōu)選應(yīng)用于使用于驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)的燃燒室進(jìn)行燃燒。常見(jiàn)的氣輪機(jī)與所謂的整體氣化聯(lián)合循環(huán)所構(gòu)成的組合(IGCC，整體氣化聯(lián)合循環(huán))通常具有燃料脫碳單元，通過(guò)該脫碳單元可以獲得富含氫氣的燃料，該燃料可以被供應(yīng)給本發(fā)明所述的預(yù)混合燃燒器。在脫碳的范圍內(nèi)，同樣也會(huì)產(chǎn)生大量高過(guò)程壓力的氮?dú)?，典型地大約為30巴，該氮?dú)膺€具有通常為150℃或以下的溫度。可以將所獲得的氮?dú)鈸饺霘錃馊剂?，用于以這種方式來(lái)降低反應(yīng)性很強(qiáng)的氫氣可能會(huì)引起的危險(xiǎn)。為此只要摻入極少量的氮?dú)猓妥阋悦黠@降低氫氣的高反應(yīng)性以及火焰速度。此類(lèi)運(yùn)行方式還具有下列優(yōu)點(diǎn)將富含氮?dú)獾臍錃馊剂匣旌蠚?2附加地在混合管8的區(qū)域內(nèi)與燃燒器軸線A呈徑向地輸入，如圖9中具有相應(yīng)構(gòu)造的預(yù)混合燃燒器的示意的縱剖視圖所示，為避免重復(fù)，不再贅述其中所引用的附圖標(biāo)記。通過(guò)在氫氣燃料中混入氮?dú)?，提高了流?dòng)動(dòng)量，由此使得在混合區(qū)域中徑向地輸入的氮?dú)?氫氣流12足夠充分地滲透，在氣流到達(dá)燃燒室之前，該氮?dú)?氫氣流12能夠與燃燒用空氣完全混合。此外，通過(guò)混入N2，還可明顯降低氫氣的反應(yīng)性。還可以將通過(guò)切向的空氣入口進(jìn)入燃燒器的氮?dú)馀c燃燒用空氣相混合，以此來(lái)替代上述用于降低H2反應(yīng)性的方法，或者與其組合使用。這樣可降低氧氣含量，因此以這種方式可影響氫氣的反應(yīng)性。此外也可以考慮，替代在圖8a和b所述的實(shí)施例中供應(yīng)空氣而供應(yīng)N2。
在另一種用于降低氫氣反應(yīng)性和火焰速度的替代措施中使用了催化反應(yīng)器，如圖10中的實(shí)施例的細(xì)節(jié)所示。沿著至少一個(gè)用于將氫氣輸入到預(yù)混合燃燒器內(nèi)進(jìn)行燃燒的輸入管道5集成有一個(gè)按照?qǐng)D10b所示的催化反應(yīng)器13。沿輸入管道5將氫氣H2與空氣L一起輸入到混合單元14，在混合氣流入催化反應(yīng)器13之前，該混合單元14將流入的空氣L與氫氣H2混合。在氫氣部分地以氧化反應(yīng)的方式形成水H2O，水與空氣中所含的氮?dú)釴2以及尚未氧化的氫氣H2從催化反應(yīng)器13中流出，并通過(guò)旋流發(fā)生器15進(jìn)入渦流發(fā)生器11內(nèi)部。通過(guò)催化方式所生產(chǎn)的水蒸氣以及含有N2的混合氣，可決定性地影響氫氣的反應(yīng)動(dòng)力，從而明顯降低發(fā)生回火危險(xiǎn)。此外，從催化反應(yīng)器13流入渦流發(fā)生器1內(nèi)部的燃料流還改善了與燃燒器中的燃燒用空氣的混合特性。這樣就更加易于控制和處理燃料充足以及燃料缺乏的燃燒系統(tǒng)或者狀態(tài)。
上述燃燒器方案使氫氣實(shí)現(xiàn)燃燒，且能夠以簡(jiǎn)單的方式對(duì)現(xiàn)有的預(yù)混合燃燒器系統(tǒng)進(jìn)行匹配，不必對(duì)匹配于使用著傳統(tǒng)流體和/或者氣態(tài)燃料的燃燒器驅(qū)動(dòng)裝置的燃燒器型式進(jìn)行任何改變。除了用于輸入氫氣或者含有氫氣的燃料的輸入管道的軸向地和/或者同軸地圍繞著燃燒器軸線進(jìn)行設(shè)置的結(jié)構(gòu)和布置以外，混合段長(zhǎng)度(Mischstrecke)也是一個(gè)非常重要的構(gòu)造參數(shù)。混合管典型地所具有的長(zhǎng)度在最大燃燒器直徑的一倍到兩倍之間。根據(jù)預(yù)混合燃燒器的運(yùn)行方式，可以選用已經(jīng)過(guò)相應(yīng)優(yōu)化的、匹配于燃料類(lèi)型的混合管長(zhǎng)度。
附圖標(biāo)記列表1 渦流發(fā)生器2 渦流殼體3 入射噴嘴4 空氣入口5 輸入管道6 轉(zhuǎn)換接頭7 導(dǎo)流板8 混合管9 氫氣流10楔形的擠流體11環(huán)形區(qū)域12氮?dú)?氫氣燃料混合氣13催化反應(yīng)器14混合單元15旋流發(fā)生器
權(quán)利要求
1.一種利用燃燒器使含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料進(jìn)行燃燒的方法，所述燃燒器設(shè)置有渦流發(fā)生器(1)，流體燃料可以中央地沿著燃燒器軸線(A)在形成錐形的流體燃料柱的情況下被輸入到該渦流發(fā)生器(1)中，所述流體燃料柱被切向地流入到渦流發(fā)生器(1)中的旋轉(zhuǎn)著的燃燒用氣流所包圍并充分混合，其特征在于，所述含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料在渦流發(fā)生器(1)內(nèi)相對(duì)于燃燒器軸線(A)盡可能軸向地和/或同軸地、在形成燃料流的情況下以盡可能空間受限制的流動(dòng)形狀(9)被輸入，該流動(dòng)形狀(9)在燃燒器內(nèi)得以保持，并且在燃燒器出口的范圍內(nèi)綻開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料以多個(gè)單個(gè)的燃料流(9)的形式以圓周形的分布被輸入到旋轉(zhuǎn)著的燃燒用氣流周?chē)?，?或被輸入到旋轉(zhuǎn)著的燃燒用氣流中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料以多個(gè)單個(gè)燃料流(9)的形式以徑向的分布相對(duì)于旋轉(zhuǎn)著的燃燒用氣流被輸入到渦流發(fā)生器(1)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，徑向外側(cè)的燃料流以比位于徑向內(nèi)側(cè)的燃料流(9)更大的燃料流被輸入到渦流發(fā)生器(1)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述燃料流(9)直接逆流地朝向燃燒器出口而綻開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述燃料流(9)具有圓形的、橢圓的、環(huán)形的、近似矩形的或者近似三角形的流動(dòng)橫截面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料以流動(dòng)動(dòng)量被輸入到渦流發(fā)生器(1)中，該流動(dòng)動(dòng)量盡可能相匹配于沿著渦流發(fā)生器(1)擴(kuò)散的、旋轉(zhuǎn)著的燃燒用氣流的流動(dòng)動(dòng)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述含有氫氣的燃料具有至少50％的氫氣含量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述被輸入到渦流發(fā)生器(1)內(nèi)的燃料流(9)以朝向或者背向燃燒器軸線(A)的徑向角度a傾斜地被輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述被輸入到渦流發(fā)生器(1)內(nèi)的燃料流(9)以切向角度β沿著或者相反于流入到渦流發(fā)生器(1)中的燃燒用氣流的旋轉(zhuǎn)方向被輸入。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述被輸入到渦流發(fā)生器(1)內(nèi)的燃料流以圍繞著其流動(dòng)方向的自旋(E)被送出。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至5或者7至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述燃料流(9)具有環(huán)形的流動(dòng)橫截面，該流動(dòng)橫截面將位于內(nèi)部的、與燃料流具有相同流動(dòng)方向的氣流包圍；或者所述燃料流(9)具有圓形的流動(dòng)橫截面，該流動(dòng)橫截面被環(huán)形的氣流所包圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述氣流具有比被輸入到渦流發(fā)生器(1)中的燃燒用氣流更高的流動(dòng)速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料在進(jìn)入到渦流發(fā)生器(1)內(nèi)之前被部分地催化氧化。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述由氫氣所組成的氣態(tài)燃料被混入N2。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述燃燒用空氣流被混入N2。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述由氫氣所組成的燃料流(9)具有環(huán)形的流動(dòng)橫截面，該流動(dòng)橫截面將位于內(nèi)部的、具有與燃料流相同流動(dòng)方向的N2氣流包圍；或者所述由氫氣所組成的燃料流(9)具有圓形的流動(dòng)橫截面，該流動(dòng)橫截面被環(huán)形的N2氣流所包圍。
18.用于借助燃燒器使含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料進(jìn)行燃燒的設(shè)備，它具有渦流發(fā)生器(1)、用于輸入燃料的裝置以及用于將燃燒用空氣(L)輸入到渦流發(fā)生器(1)中的裝置，其中設(shè)置有用于沿著燃燒器軸線(A)輸入流體燃料的第一裝置、沿著切向地被渦流發(fā)生器(1)所界定的空氣入口(4)設(shè)置的第二裝置以及第三裝置，通過(guò)該第三裝置可以相對(duì)于燃燒器軸線(A)軸向地和/或者同軸地將燃料輸入到渦流發(fā)生器(1)的內(nèi)部，其特征在于，通過(guò)所述第三裝置可以將含有氫氣或者由氫氣所組成的燃料輸入。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述渦流發(fā)生器(1)由單個(gè)渦流殼體(2)構(gòu)成，該渦流殼體(2)相互地界定了相對(duì)于渦流發(fā)生器(1)切向地延伸的空氣入口(4)；所述第三裝置分別構(gòu)造為固定在渦流殼體(2)上的燃料管道(5)；每個(gè)渦流殼體(2)固定有多個(gè)這種燃料管道(5)；并且每個(gè)渦流殼體(2)的燃料管道(5)成組地或者單個(gè)地以到燃燒器軸線(A)的不同徑向距離進(jìn)行布置，其中那些具有較大徑向距離的燃料管道(5)具有比靠近于燃燒器軸線(A)的燃料管道(5)更大的管道直徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或者19所述的設(shè)備，其特征在于，所述固定在渦流發(fā)生器(1)上的燃料管道(5)以徑向角度a相對(duì)于燃燒器軸線(A)傾斜，通過(guò)燃料管道(5)被輸入的燃料流(9)以該徑向角度朝向或者背向于燃燒器軸線(A)擴(kuò)散。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述固定在渦流發(fā)生器(1)上的燃料管道(5)以切向角度β進(jìn)行安裝，通過(guò)燃料管道(5)被輸入的燃料流(9)以該切向角度沿著或者相反于通過(guò)渦流發(fā)生器(1)所強(qiáng)制施加的、流入到渦流發(fā)生器(1)中的燃燒用空氣的旋轉(zhuǎn)方向而擴(kuò)散。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述構(gòu)造為第三裝置的燃料管道(5)分別設(shè)置有渦流結(jié)構(gòu)，該渦流結(jié)構(gòu)使從燃料管道(5)流出的燃料流(9)形成自旋(E)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，順流于渦流發(fā)生器(1)設(shè)置有混合管(8)，該混合管(8)的順流方向的端部對(duì)應(yīng)于燃燒器出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用一種通過(guò)燃燒器使含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料進(jìn)行燃燒的方法和設(shè)備，所述燃燒器設(shè)置有渦流發(fā)生器(1)，流體燃料可以中央地沿著燃燒器軸線(A)在形成錐形的流體燃料柱的情況下被輸入到該渦流發(fā)生器(1)中，所述流體燃料柱被切向地流入到渦流發(fā)生器(1)中的旋轉(zhuǎn)的燃燒用氣流所包圍并充分混合。本發(fā)明的特征在于，所述含有氫氣或者由氫氣所組成的氣態(tài)燃料在渦流發(fā)生器(1)內(nèi)相對(duì)于燃燒器軸線(A)盡可能軸向地和/或同軸地、在形成燃料流的情況下以盡可能空間受限制的流動(dòng)形狀(9)被輸入，該流動(dòng)形狀(9)在燃燒器內(nèi)得以保持，并且在燃燒器出口的范圍內(nèi)綻開(kāi)。
文檔編號(hào)F23D17/00GK101069039SQ200580041003
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者R·卡羅尼, T·格里芬 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆科技有限公司