專利名稱：實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有利于環(huán)保的燃氣輪機技術范圍，特別涉及一種實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法和裝置。具體是燃燒室具有從多個微孔噴出燃料的特點，每個燃料噴孔都能夠和各自周圍的摻混空氣快速混合，并完成燃燒。

背景技術：
為了適應高效低污染和CO2減排，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)是煤炭潔凈利用的有效手段。在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)中，不同的氣化工藝和原料對應不同的燃料成分，但對應的燃氣輪機燃燒成分中，一般氫氣含量都比較高。另外，從整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展來看，最終為了實現CO2零排放，純氫燃料的燃燒是必要的技術選擇。
燃氣輪機中常用的燃燒方式一般有兩種，一種是預混燃燒，一種是擴散燃燒。預混燃燒中如果采用貧預混燃燒，通過燃燒的組織能夠降低燃料濃度從而降低火焰燃燒溫度，有利于NOx的降低。合成氣燃氣輪機尤其是氫氣燃氣輪機中，氫氣含量高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，和天然氣燃氣輪機相比可燃范圍寬，但如果采用預混燃燒方式會面臨回火、自點火和熱聲震蕩等危險，因此在工程上還不能完全的采用這種燃燒方式。
如果采用簡單的擴散燃燒方式，盡管一般合成氣和氫氣的體積的熱值很低，但其代表燃燒室最高可能溫度的化學計算溫度卻要比燒天然氣高。由于燃燒溫度是影響NOx生成的重要因素，具有指數關系的作用規(guī)律，合成氣或氫氣燃氣輪機燃燒如果采用簡單擴散火焰就會造成NOx污染物排放比燃燒天然氣排放高很多。
科學家們提出通過在燃料或氧化劑中添加稀釋劑來降低反應的濃度，從而降低火焰溫度，達到降低NOx的目的，這種方法對合成氣燃燒非常有吸引力和競爭力。但是，采用稀釋燃燒后，由于稀釋可能產生氣流噴射速度加快、反應速率和火焰溫度下降等幾方面的影響，稀釋擴散燃燒會不利于火焰穩(wěn)定；同時稀釋會影響整體效率的提高，因此不能夠無限制的稀釋。


發(fā)明內容
為了實現合成氣及氫氣燃氣輪機的低NOx排放，本發(fā)明提出一種實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法和裝置。其特征在于，所述燃氣輪機燃燒室中燃料分兩部分注入燃燒室，其中一部分燃料作為燃氣輪機點火啟動燃燒用的燃料，另一部分燃料作為燃氣輪機滿足基本負荷運行時的燃料，這部分燃料通過安裝在燃燒室壁面的燃料微孔噴入燃燒室，實現火焰面分散的燃燒方式，燃料微孔周圍有空氣與其快速混合并燃燒。
所述燃燒室壁面的的燃料微孔，每個燃料微孔周圍都有空氣通道和該燃料微孔一起在燃燒室的形成微混合燃燒單元，使各個燃料微孔的空氣和燃料進行充分摻混和燃燒。
所述微混合燃燒單元的每個燃料微孔中噴出的燃料和周圍的空氣摻混，形成空氣過量的空燃比。
所述空燃比大于當量反應時的當量比，則空氣過量，其燃料微孔的設計使得每個單獨的擴散火焰的火焰面變“薄”，火焰面放出的熱量很快和過量的空氣發(fā)生熱交換，從而降低了火焰的最高溫度，空氣起到冷卻火焰面的作用。
所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其燃燒室出口頭部3連接燃燒室火焰筒壁面4而構成燃燒室5，在燃燒室火焰筒壁面4的另一端為燃燒室出口6，在燃燒室出口頭部3中心設有單獨的燃燒噴嘴2，燃燒噴嘴2作為燃燒室出口頭部3的值班燃燒器。為了實現火焰面分散，可在燃燒室頭部3燃燒噴嘴2周圍有序或無序布置微混合燃燒單元1，或在燃燒室火焰筒壁面4有序或無序布置微混合燃燒單元1。
所述微混合燃燒單元1由燃料微孔1-2和其周圍的空氣注入部件1-1組成，在微混合燃燒單元1中實現燃料和空氣的強烈摻混。
所述通過燃燒噴嘴2進入燃氣輪機燃燒室的燃料，用于點火啟動和低負荷燃燒，從燃燒噴嘴2中噴出的燃料占燃燒室全部燃料供給量的比例很小，它和周圍的空氣以接近化學當量比的狀態(tài)配置。
所述空氣注入部件可以是環(huán)繞燃料微孔的空氣旋流器，也可以是在燃料微孔周圍的空氣注入孔或注入槽為空氣注入孔或注入槽。
本發(fā)明的有益效果是在微混合燃燒單元中實現燃料和空氣的快速混合，加強了摻混，同時由于燃料微孔通道較窄，形成高速的燃料氣流，也同樣有利于燃料和空氣的摻混。從而在燃燒室設計上可以縮短燃燒室，縮短反應的停留時間。同時由于火焰面較薄，過量空氣換熱可起到冷卻火焰面的作用，從而實現低溫燃燒。從另外一個角度來看，這里描述的燃燒方式增加了未燃反應物的均質性和縮短NOx形成的特征時間。因此這種燃燒方式能夠降低NOx的生成，達到NOx低排放和保護環(huán)境的效果。



圖1是實施例1燃燒室頭部結構示意圖。
圖2是實施例1燃燒室內部結構剖面示意圖。
圖3是實施例2燃燒室頭部結構示意圖。
圖4是實施例2燃燒室內部結構剖面示意圖。
圖5是實施例2燃燒室外壁示意圖。
圖中1是微混合燃燒單元，1-1是微混合燃燒單元中的空氣注入部件，1-2是微混合單元中的燃料微孔，2是燃燒噴嘴，2-1是空氣旋流器，2-2是燃料噴嘴，3是燃燒室頭部，4是燃燒室火焰筒壁面，5是燃燒室，6是燃燒室出口。

具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例進一步詳細描述本發(fā)明。
實施例1 圖1是本發(fā)明實施例1的燃燒室頭部結構示意圖，圖2是本發(fā)明實施例1燃燒室內部結構剖面示意圖。如圖1所示，實施例1中燃燒室出口頭部3連接燃燒室壁面4而構成燃燒室5，在燃燒室壁面4的另一端為燃燒室出口6，在燃燒室頭部3中心設有單獨的燃燒噴嘴2，燃燒噴嘴2作為燃燒室頭部3的值班燃燒器，在燃燒噴嘴2周圍有序或無序布置微混合燃燒單元1。微混合燃燒單元1由燃料微孔1-2和環(huán)繞燃料微孔的起空氣旋流作用的空氣注入部件1-1組成，在微混合燃燒單元1中實現燃料和空氣的強烈摻混。同時，燃燒噴嘴2由空氣旋流器2-1和燃料噴嘴2-2組成，燃燒噴嘴2實現燃氣輪機啟動和維持低負荷時燃燒穩(wěn)定。燃燒室中的空氣旋流器對空氣施加動量或渦旋，用來加強和燃料的混合及燃燒。旋流器可以根據需要配置成為軸向、徑向或者平面旋流器。
實施例2 圖3是本發(fā)明實施例2的燃燒室頭部結構示意圖，圖4是本發(fā)明實施例2燃燒室內部結構剖面示意圖，圖5是燃燒室外壁示意圖。如圖4和圖5所示，實施例2中在燃燒室火焰筒壁面4布置多個微混合燃燒單元1，微混合燃燒單元1由燃料微孔1-2和燃料微孔周圍的空氣注入部件1-1(空氣注入孔或注入槽)組成，在微混合燃燒單元中實現燃料和空氣的強烈混合。實施例2中也同時如圖3在頭部布置值班的燃燒噴嘴2，它由空氣旋流器2-1和燃料噴嘴2-2組成，燃燒噴嘴2實現燃氣輪機啟動和維持低負荷時燃燒穩(wěn)定。燃燒室中的空氣旋流器對空氣施加動量或渦旋，用來加強和燃料的混合的燃燒。旋流器可以根據需要配置成為軸向、徑向或者平面旋流器。
實施例2中，燃料微孔主要在燃燒室火焰筒前部布置，火焰筒后部是摻混空氣的通道。
本實施例中火焰筒壁面上的燃料噴孔的方向并不局限于圖中的實施例。
本發(fā)明可用其他的不違背本發(fā)明的精神和主要特征的具體形式來概述。因此，本發(fā)明的上述實施方案都只能認為是對本發(fā)明的說明而不能限制本發(fā)明，權利要求書指出了本發(fā)明的范圍，而上述的說明并未全部指出本發(fā)明的范圍。因此，在與本發(fā)明的權利要求書相當的含義和范圍內的任何改變，都應認為是包括在權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法，其特征在于，所述燃氣輪機燃燒室中燃料分兩部分注入燃燒室，其中一部分燃料作為燃氣輪機點火啟動及低負荷燃燒用；另一部分燃料作為燃氣輪機滿足基本負荷運行時的燃料，這部分燃料通過安裝在燃燒室頭部或壁面的很多燃料微孔噴入燃燒室，實現火焰面分散的燃燒方式，燃料微孔周圍有空氣與其快速摻混并燃燒。
2.根據權利要求1所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法，其特征在于，所述在燃燒室頭部或壁面的每個噴入燃燒室的燃料微孔周圍都有空氣通道和微孔一起形成微混合燃燒單元，對應的各個燃料微孔的空氣能夠和微孔中的燃料進行充分摻混和燃燒。
3.根據權利要求1或2所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法，其特征在于，所述微混合燃燒單元的每個燃料微孔中噴出的燃料和周圍的空氣摻混，形成空氣過量的空燃比。
4.根據權利要求1或2所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法，其特征在于，所述空燃比大于當量反應時的當量比，空氣過量，其燃料微孔的設計使得每個單獨的擴散火焰的火焰面變“薄”，火焰面放出的熱量很快和過量的空氣發(fā)生熱交換，從而降低了火焰的最高溫度，空氣起到冷卻火焰面的作用。
5.一種實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其特征在于，燃燒室頭部(3)連接燃燒室火焰筒壁面(4)而構成燃燒室(5)，在燃燒室火焰筒壁面(4)的另一端為燃燒室出口(6)，在燃燒室頭部(3)中心設有單獨的燃燒噴嘴(2)，燃燒噴嘴(2)作為燃燒室頭部(3)的值班燃燒器，在燃燒噴嘴(2)周圍有序或無序布置微混合燃燒單元(1)。
6.一種實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其燃燒室頭部(3)連接燃燒室火焰筒壁面(4)而構成燃燒室(5)，在燃燒室壁面(4)的另一端為燃燒室出口(6)，在燃燒室頭部(3)中心設有單獨的燃燒噴嘴(2)，燃燒噴嘴(2)作為燃燒室頭部(3)的值班燃燒器；微混合燃燒單元(1)布置在燃燒室(5)前部的燃燒室火焰筒壁面(4)上。
7.根據權利要求5或6所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其特征在于，所述微混合燃燒單元(1)由燃料微孔(1-2)和微孔周圍的空氣注入部件(1-1)組成，在微混合燃燒單元(1)中實現燃料和空氣的強烈摻混。
8.根據權利要求7所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其特征在于，空氣注入部件(1-1)可以是環(huán)繞燃料微孔的空氣旋流器，也可以是在燃料微孔周圍的空氣注入孔或注入槽。
9.根據權利要求5或6所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其特征在于，所述燃燒噴嘴(2)由空氣旋流器(2-1)和燃料噴嘴(2-2)組成。
10.根據權利要求5或6所述實現高氫燃氣輪機低NOx排放的裝置，其特征在于，所述通過燃燒噴嘴(2)進入燃氣輪機燃燒燃燒室的燃料，用于點火啟動和低負荷燃燒，從燃燒噴嘴(2)中噴出的燃料占燃燒室全部燃料供給量的比例很小，它和周圍的空氣以接近化學當量比的狀態(tài)配置。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于燃氣輪機燃氣燃燒技術范圍，特別涉及一種實現高氫燃氣輪機低NOx排放的方法和裝置。具體是燃燒室具有從多個微孔噴出燃料的特點，在燃燒室頭部或壁面的每個噴入燃燒室的燃料微孔周圍都有空氣通道和微孔一起形成微混合燃燒單元，每個燃料噴孔都有各自的摻混空氣混合，在每個微混合燃燒單元中形成空氣過量的空燃比，并完成燃燒。從而降低NOx的生成，達到NOx低排放和保護環(huán)境的效果。為了實現燃燒啟動和穩(wěn)定，在燃燒室出口頭部中心設有單獨的旋流噴嘴，用于點火啟動和低負荷燃燒。
文檔編號F23R3/58GK101334175SQ20081011725
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月28日 優(yōu)先權日2008年7月28日
發(fā)明者張永生, 付忠廣 申請人:華北電力大學