CN107270285A - 用于燃烧燃料的方法和燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃烧燃料的方法，该方法包括提供第一氧化剂质量流，提供第二氧化剂质量流，将燃料质量流排出到第一氧化剂质量流中从而提供燃料/氧化剂质量流。分配燃料质量流以实现与第一氧化剂质量流相关的燃料质量流的过化学计量比。发起燃料质量流与第一氧化剂质量流的燃烧，从而生成燃烧产物的流。将燃烧产物的流提供到第一管。将第二氧化剂质量流提供到第二管，由此燃烧产物的流被设置成与第二氧化剂质量流呈热交换关系。热在燃烧产物的流与第二氧化剂质量流之间交换。该方法还包括排出燃烧产物的流，排出第二氧化剂质量流，并在存在第二氧化剂质量流的情况下使燃烧产物的流中提供的残留的可燃成分燃烧。

Description

用于燃烧燃料的方法和燃烧装置

技术领域

本公开涉及一种如权利要求1中所公开的用于燃烧燃料的方法，并且涉及一种特别适用于执行该方法的燃烧装置。

背景技术

燃气涡轮发动机的燃烧室中和其它工业设备中的燃烧需要在大负荷范围内并同时以最小污染物排放实施。

在燃气涡轮发动机中，通常应用贫燃（lean）预混合燃烧炉，如例如从EP 321 809、EP 780 629、WO93/17279或EP 945 677中公开的那些已知的，但不限于此。然而，所述类型的各个燃烧炉仅分别具有燃烧炉当量比的相当有限的负荷范围，在该负荷范围内燃烧炉可安全操作。在低负荷操作下的较低当量比情况下，可能会出现热声振荡，或者火焰甚至可能完全熄灭。因此，这些贫燃预混合型燃烧炉产生用于部分负荷操作的非常有限的调节比。到此程度的一种可能方法可能是所谓的引燃级在燃烧炉中的应用。引燃级采用扩散燃烧操作，该扩散燃烧由于扩散燃烧中固有的化学计量梯度而即使在非常低的总体当量比下也具有优越的火焰稳定性。另一方面，在扩散燃烧中，通常存在化学计量燃烧的区域，从而导致高峰值温度并且因此热诱导氮氧化物的高生成。

还已知应用所谓的恒压连续燃烧CPSC。CPSC在欠化学计量当量比下应用前燃烧级。其它燃料注入到仍富氧的燃烧产物的所生成流中并在其中燃烧。通常，前燃烧级需要添加混合物空气，以便减少氮氧化物的热诱导形成。然而，混合物空气的添加增加成本并具有引发热声振荡的可能性。

发明内容

本公开的目标是提供一种燃烧燃料的方法。此外，应公开一种特别适用于执行所提出方法的相应燃烧装置。在一方面，应公开一种方法和一种相关燃烧装置，其允许稳定燃烧而没有热诱导氮氧化物的大量形成。在另一方面，应解决释放不完全燃烧产物（诸如一氧化碳和未燃烧碳氢化合物）的问题，其通常与在适当高的温度下保留时间不足的部分负荷操作相关。在燃烧燃料时，常见问题是在足够高的温度下提供可燃物的足够保留时间以使所有可燃成分完全氧化。在另一方面，如果所述温度和保留时间太高，则这可导致热诱导氮氧化物的大量形成。特别地，如果要覆盖某一负荷范围，则必须在整个负荷范围内解决该问题。在另一方面中，应明显减少对在CSPC中添加混合物空气的需要（如果未被消除）。根据另一方面，该方法和该燃烧装置应允许良好的调节比，即，鉴于完全燃烧、低氮氧化物形成、以及具有生成热声振荡的低可能性的可靠稳定燃烧的优越燃烧性能。在又一方面中，该方法和该装置应允许温度不均匀性的快速下游均匀化。

这通过在权利要求1中和在其它独立权利要求中所描述的主题来实现。

根据下文提供的本公开，所公开主题的其它效果和优点（无论是否明确提及）将变得显而易见。

因此，公开一种用于燃烧燃料的方法，所述方法包括提供第一氧化剂质量流，提供第二氧化剂质量流，以及将燃料质量流排出到所述第一氧化剂质量流中，从而提供燃料/氧化剂质量流。作为一个示例，该氧化剂可最常见的是空气或仍富氧的烟道气，但同样可以是纯氧、富氧空气或上述氧化剂中的一种或多种的混合物，并且就最通常意义而言可以是包括氧的任何流体或适于在放热反应中与燃料反应的其他试剂。尽管最通常地，第一和第二氧化剂质量流可包括相同的流体，但可构思在第一和第二氧化剂质量流中提供不同的流体。在燃气涡轮发动机的应用中，作为一个示例，氧化剂质量流可以是由压缩机提供的总质量流的部分质量流。该方法包括分配燃料质量流，以便实现与第一氧化剂质量流相关的燃料质量流的过化学计量比（overstoichiometric），并且在所述富燃料条件下发起燃料质量流与第一氧化剂质量流的燃烧，从而生成燃烧产物的流，其中燃烧产物的流包括残留的可燃成分。

具有过化学计量的燃料/氧化剂比的燃烧将容易理解为燃烧富燃（rich）组合的燃料/氧化剂质量流，其中例如在将空气提供作为氧化剂的情况下，氧化剂（氧气）的量不足以使所提供燃料的量完全燃烧。因此，即使在氧化剂完全消耗时，残留的可燃成分将仍存在。所述残留的可燃成分包括未燃烧和/或部分燃烧的燃料成分中的至少一种。在燃烧碳氢化合物燃料的情况下，所述残留的可燃成分可例如包括但未必限于一氧化碳CO、未燃烧或不完全燃烧的碳氢化合物UHC、碳氢基等等。由于缺少氧化剂，并且进一步由于当与化学计量燃烧相比时降低的温度，即使在存在来自空气的氮气的情况下，氮氧化物的热诱导形成也被限制到最小。另一方面，即使在相当低的燃烧温度下，浓烈火焰也呈现出色的燃烧稳定性。因此，通过在过化学计量条件下在第一氧化剂质量流中燃烧燃料质量流实现了具有低的氮氧化物生成的可靠燃烧。稳定燃烧还借助预混合的富燃料/氧化剂混合物在大的化学计量比范围内实现，但必然与不完全燃烧有关。相反地，具有欠化学计量（understoichiometric）燃料/氧化剂比的燃烧或贫燃燃烧将理解为具有过剩氧化剂的燃烧，即，即使在燃料完全燃烧时，残留的氧化剂也将保留在所得燃烧产物中。总体欠化学计量燃烧具有完全燃烧的可能性，但如果不满足某些先决条件（即，特别是在预混合燃烧温度低于某一阈值水平时），则预混合燃烧会抑制固有的燃烧不稳定性和不完全燃烧。因此，贫燃预混合燃烧在特定化学计量窗口（window）中表现优异，但燃烧性能在所述窗口外快速降低。在贫燃总体条件下的燃烧可在扩散燃烧模式中以优越的燃烧稳定性实现，其中存在局部燃料/氧化剂的梯度比并且因此局部燃烧温度的梯度。由于高的局部温度，在扩散火焰模式中与有过剩氧化剂的燃烧通常与热诱导氮氧化物的大量生成有关。

本文中公开的方法还包括将燃烧产物的流提供到热交换设备的至少一个第一管并将第二氧化剂质量流提供到热交换设备的至少一个第二管，由此燃烧产物的流被设置成通过热交换设备与第二氧化剂质量流呈热交换关系。因此，热在燃烧产物的流与第二氧化剂质量流之间交换，从而加热第二氧化剂质量流并冷却燃烧产物的流。注意的是，燃烧产物的流和第二氧化剂质量流在热交换装置中尤其仅处于热交换关系，而在物理上彼此分离。燃烧产物的流和第二氧化剂质量流在热交换装置中不相互混合，并且热交换装置可为燃料/氧化剂质量流和第二氧化剂质量流提供两个完全分离的流路径。随后，在热交换设备的下游端处将燃烧产物的流从热交换设备的第一管排出，在热交换设备的下游端处将第二氧化剂质量流从热交换设备的第二管排出，并且在存在第二氧化剂质量流的情况下将燃烧产物的流中提供的残留的可燃成分燃烧。

由于热在燃烧产物的流与第二氧化剂质量流之间交换的事实，因此燃料质量流的完全燃烧的总的热释放被分散到较大的总质量流。来自燃料质量流在第一氧化剂质量流中的不完全燃烧的热的一部分被传递到第二氧化剂质量流。继而，当用第二氧化剂质量流分别实施燃料或其可燃残留物的最终燃烧时，燃烧的峰值温度降低，并且继而当与燃料质量流在组合的第一和第二氧化剂质量流中以一单个步骤燃烧相比时（至少在参考扩散模式燃烧时）氮氧化物的热诱导形成得以大大减少。可以说，该燃烧方法包括以两个步骤燃烧燃料质量流，其中在燃烧的第一步骤之后，来自燃烧的第一步骤的热被分散，以便降低燃烧的峰值火焰温度并且继而减少氮氧化物的热诱导形成。包括可燃成分以及大多数常见惰性成分的燃烧产物的流可被视为具有较低比热值的燃料，并且因此当与排出到第一氧化剂质量流中的燃料相比时在燃烧时升高较低温度，同时来自第一不完全燃烧的热已被分散。

在更具体方面中，该方法可包括排出燃烧产物的流和第二氧化剂质量流，以便避免燃烧产物的流和第二氧化剂质量流的相互混合，因此在热交换设备的下游在第二氧化剂质量流与燃烧产物的流之间提供界面，并且在第二氧化剂质量流与燃烧产物的流之间的界面处燃烧提供于燃烧产物的流中的残留的可燃成分。也就是说，燃烧产物的流以扩散燃烧模式进一步燃烧。如上注意的，由于来自第一富燃的不完全燃烧级的热的一部分已被传递到第二氧化剂质量流的事实，因此当与燃料在扩散火焰中以一单个步骤燃烧相比时扩散火焰的峰值温度较低，从而导致氮氧化物形成的显著减少，同时以优越的稳定性和调节或扩散火焰的部分负荷能力实现燃烧。

这些性质使该方法特别适用于在低负荷下为贫燃预混合燃烧炉提供支持引燃火焰，而不在氮氧化物排放方面产生显著不利后果。

在再进一步方面中，该方法可包括分配燃料质量流以及第一和第二氧化剂质量流，以便在使燃料质量流与第一氧化剂质量流相关时实现过化学计量燃料/空气比，并且在使燃料质量流与组合的第一和第二氧化剂质量流相关时实现欠化学计量燃料/空气比。该措施是有用的，以便实现完全燃烧，从而避免例如一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物排放，并且进一步支持将来自不完全第一燃烧的热稀释到较大的第二氧化剂质量流。与总体欠化学计量燃料/氧化剂比一样，并非所有的第二氧化剂质量流都参与燃烧该燃烧产物的流，被传递到第二氧化剂质量流的热的一部分不存在于其中来自燃烧产物的流的可燃残留物被燃烧的区域中。燃烧的峰值温度因此进一步降低，并具有关于氮氧化物形成的已注意到的益处。

应理解，在改变燃烧的热负荷时，燃料质量流改变。在某些方面，该方法可包括改变第一氧化剂质量流，以便使第一级燃烧的化学计量比维持在预限定的间隔内。

在某些情况下，在使燃料质量流与第一氧化剂质量流相关时燃料/氧化剂比可大于或等于1.5并小于或等于3，并且尤其可大于或等于1.8并小于或等于2.5，并且在特定情况下可至少大体等于2或约为2。如将理解的，这意味着第一不完全燃烧级中的相当富燃的燃烧，并且因此良好的火焰稳定性、低至零的氮氧化物形成、以及提供包括未燃烧或不完全燃烧成分的大部分的燃烧产物的流。

在某些情况下，第二氧化剂质量流超过第一氧化剂质量流。在更具体实施例中，第二氧化剂质量流可达到为从第一氧化剂质量流的4倍并高达第一氧化剂质量流的20倍。在特定情况下，其可以是第一氧化剂质量流的至少大约10倍。在上文指定的范围的“富燃”级当量比的情况下，基于使燃料质量流与第一和第二氧化剂质量流的总和相关实现了总体贫燃的欠化学计量燃料/空气比。

如上注意的，在其它情况下，该方法可包括控制第一氧化剂质量流，以便控制燃料质量流与第一氧化剂质量流的比。在特定实施例中，第二氧化剂质量流以及第一和第二氧化剂质量流的总和中的一者不受所述控制措施的影响。在改变空气分支（或者，更普遍地说，第一燃烧级与第二燃烧级之间的氧化剂质量流分支）时，燃料质量流与第一氧化剂质量流的比或第一燃烧级当量比可即使在显著改变的燃料质量流处也被维持在所构思窗口内。尤其在以扩散燃烧模式操作时，最终燃烧级对总体当量比的变化很不敏感。

在实施如本文所描述的方法的其它示例性模式中，其包括将第二燃料质量流添加到第二氧化剂质量流，从而提供第二燃料/氧化剂流，其中将第二燃料质量流添加在热交换设备的下游端的上游和尤其在热交换设备的上游。在这方面，该方法可还包括分配第二燃料质量流，以便针对第二燃料/氧化剂流的燃料/氧化剂比并针对组合的燃料质量流的组合的燃料/氧化剂质量流比实现欠化学计量燃料/氧化剂比，该组合的燃料质量流包括添加到第一氧化剂质量流的燃料质量流和第二燃料质量流，并与包括第一氧化剂质量流和第二氧化剂质量流的组合的氧化剂质量流相关。应理解，根据所述实施例，该方法可在大负荷范围内执行。分配第一燃料质量流，以便提供足够稳定的引燃火焰，然而相当高的燃料质量流可作为第二燃料质量流提供到第二氧化剂质量流。

在又一方面中，该第二燃料质量流可被提供并掺合到第二氧化剂质量流，以便在热交换设备的下游端处提供贫燃的预混合第二燃料/氧化剂流。在这方面，第二氧化剂质量流和第二燃料质量流可通过从本领域已知和上文引用的贫燃的预混合燃烧炉设备提供并混合。在某些示例性实施例中，来自第一富燃的燃烧级的不完全燃烧产物的最终燃烧可然后充当用于由第二燃料质量流和第二氧化剂质量流提供的贫燃预混合燃料/空气混合物的支持或引燃级。然而，在其它情况下，可能的是，不完全燃烧产物的燃烧以及来自第二燃料质量流和第二氧化剂质量流的贫燃预混合燃料/氧化剂流的预混合燃烧组合地充当本领域已知的贫燃预混合燃烧炉的支持引燃火焰。通常，与第二氧化剂质量流交换热并且因此提供预加热的贫燃燃料/氧化剂混合物可用于进一步支持贫燃预混合燃料/氧化剂混合物的稳定燃烧。

在这方面，公开一种方法，其中上文所述的方法用于至少在低的预混合燃烧负荷下支持或引燃（同义地使用所述术语）贫燃预混合燃烧，该低的预混合燃烧负荷否则可能降到稳定贫燃预混合燃烧所需的最小预混合燃料/氧化剂比之下。在一方面中，来自第一燃烧级的不完全燃烧产物的流可从热交换设备的第一管排出，并且与从热交换设备的第二管排出的第二氧化剂质量流或贫燃预混合燃料/氧化剂燃烧。主贫燃预混合流可然后为单独地并不同于第一和第二氧化剂质量流，并以本身已知的方式（例如通过如最初引用的预混合设备）设置。在这方面，第一和第二氧化剂质量流（所排出和部分燃烧的燃料质量流在其中）或燃料质量流分别充当设置有其它氧化剂和燃料质量流的贫燃预混合燃烧器的引燃燃烧器。在另一方面中，第二燃料质量流排出在其中的第二氧化剂质量流充当主预混合燃烧级，而在第一富燃燃烧级中生成的燃烧产物被排出到预加热的主预混合燃烧质量流中并在其中燃烧，并且用于提供引燃火焰。

注意的是，在这方面，可构思，如果主预混合燃烧流中的热负荷并且继而当量比足以提供稳定的贫燃预混合燃烧而不需要引燃级，则关闭第一燃料质量流。

在再进一步的示例性实施例中，该方法用作恒压连续燃烧中的前级燃烧方法，即，在从热交换设备排出的燃烧产物的流已被完全燃烧之后，额外燃料仍可排出到燃烧产物中并在其中燃烧。如果上述燃烧过程的总体燃料/氧化剂质量流比（即，与第一和第二氧化剂质量流的总和相关的被排出到第一和第二氧化剂质量流中的燃料质量流的总和）欠化学计量，使得在所述燃料的完全燃烧之后，生成具有足够残留氧气的完全燃烧的燃烧产物的流，则这是可能的。应理解，在排出额外燃料之前，燃烧产物的流不膨胀，但总压力得以保持恒定（除了由于流和热的添加而导致的不可避免的损耗之外）。

此外，公开将该方法应用于动力发动机中（尤其内燃动力发动机中、并且更尤其燃气涡轮发动机中）的燃料的燃烧。

在本公开的再进一步方面中，公开一种用于燃烧燃料的装置，其特别适用于执行如上文所描述的方法。所述装置包括：用于提供第一流体流的构件；用于将燃料流排出到第一流体流中的燃料排出构件；第一燃烧区域，其被适应并被构造成使火焰稳定，并且布置在燃料排出构件的下游并与用于提供第一流体流的构件在燃烧区域的上游端处流体连通。该装置还包括热交换设备，所述热交换设备包括至少一个第一管和至少一个第二管，并且热交换设备被设置成使得在第一管中提供的流体与第二管中提供的流体之间能够热交换。在热交换设备的上游端处的热交换设备的至少一个第一管在燃烧区域的下游端处与第一燃烧区域流体连通。设置有用于将第二流体流提供到至少一个第二管的上游端的构件。第二燃烧区域设置在热交换设备的下游，其中至少一个第一管和至少一个第二管设置成在相应管的下游端处与第二燃烧区域流体连通。显然，由于组件的该布置，来自第一燃烧区域的燃烧产物流过至少一个第一管，从而与至少一个第二管中提供的流体交换热。至少一个第二管中提供的燃烧成分和流体在交换热之后被共同排出到第二燃烧区域中，并且到来自第一燃烧区域的燃烧产物是仍包括可燃成分的不完全燃烧的产物的程度，燃烧产物可最终在第二燃烧区域中燃烧。

应理解，热交换设备应设置有足够大的热交换表面，并且具有尽可能小的压力损失梯度，同时能够实现足够的热传递。特别地，与由热交换设备提供的流横截面相比，分离第一和第二管的壁结构可以是***或卷曲结构以便增加热交换表面。

在某些情况下，第一管和第二管可（至少在相应管的下游端处）布置成使管的槽状流方向彼此平行，以便避免第一流体的流和第二流体的流在从管排出时相互混合。因此，第一流体与第二流体之间的界面的形成得以支持，这促进可燃成分的上述扩散燃烧，该可燃成分可包括在从热交换设备的至少一个第一管排出的流中。

在另一方面中，热交换设备可包括至少一个热管。热管技术实质上对本领域的技术人员是已知的。简言之，热管包括中空本体，其中提供具有比本体材料的熔化温度低的沸腾温度的物质。在热管的相对热的一侧上，所述物质旨在沸腾，蒸气被引导到相对冷的一侧、凝结，并且液体返回到热管的相对热的一侧。因此，不仅通过热传导而且通过对流和相变促进热交换。由于蒸汽和液体的不同密度、毛细管作用等等，该物质在本体内部的输运可例如由重力驱动。进一步解释无实际意义，因为热管技术本身在本技术中众所周知。

该装置可还包括用于控制第一流体的质量流和/或第二流体的质量流中的至少一者的至少一个控制构件。这可用于使得第一流体的质量流能够适应燃料质量流以便调节第一燃烧区域中的燃烧的当量比，和/或使第一和第二流体的质量流比适应以满足操作要求。

根据另一方面，可提供被设置并被构造成将第二燃料排出到第二流体流中的至少一个第二燃料排出构件。在更特定方面中，第二燃料排出构件和用于提供第二流体的构件可被设置、被适应并被构造，以便在热设备装置的下游端处提供第二流体和第二燃料的预混合流。

进一步公开一种包括贫燃预混合燃烧炉（例如但不限于最初描述类型中的任何燃料炉）的燃烧装置，并且进一步公开一种如上文描述的被设置为用于以本领域的技术人员熟悉的方式支持预混合燃烧的引燃级的装置。

进一步公开一种恒压连续燃烧设备，其中上述种类的燃烧装置被设置为前燃烧级并且被布置并被构造成将来自第二燃烧区域的完全燃烧的燃烧产物排出到管中，其中设置有用于将其它燃料排出到管中的构件。应注意的是，在所述设备中，在燃烧装置与用于排出其它燃料的构件之间不设置膨胀涡轮级。

公开一种燃气涡轮发动机，其包括配备有如上文所公开用于燃烧燃料的装置的至少一个燃烧室。公开燃气涡轮发动机的操作，其中至少一个燃料质量流根据上文公开的方法燃烧。

应理解，上文公开的特征和实施例可彼此组合。将进一步理解的，在本公开和所要求保护的主题的范围内可构思对所属领域的技术人员明显且显而易见的其它实施例。

附图说明

现在将通过在附图中所示的选择的示例性实施例更详细地解释本公开的主题。这些附图示出

图1是根据本公开的燃烧装置的第一示例性实施例，其中实施如上文所公开的方法；

图2是图1的燃烧装置的热交换设备的横截面视图；

图3是根据本公开的燃烧装置的第二示例性实施例，其中实施如上文所公开的方法；

图4是图3的燃烧装置的热交换设备的横截面视图；以及

图5是包括热管的根据本公开的燃烧装置的第三示例性实施例，其中实施如上文所公开的方法。

应理解，这些附图是高度示意性的，并且为便于理解和描绘，可能已省略指示目的所不需要的细节。应进一步理解的是，附图仅示出选择的示例性实施例，并且未示出的实施例可仍很好地在本文中所公开和/或所要求保护的主题的范围内。

具体实施方式

图1示出如上文所述的燃烧装置的第一示例性实施例，并示出实施如本文所公开的方法的示例性模式。燃烧装置1包括前燃烧炉11和布置在其下游的第一燃烧区域12。第一流体流或第一氧化剂质量流51通过合适构件被提供到前燃烧炉11。所述构件的具体实施方案与本解释无关。例如，第一氧化剂质量流51可以是由燃气涡轮发动机中的压缩机提供的压缩空气质量流的一部分。例如，通过漩涡生成构件110引导第一氧化剂质量流51。燃料质量流52被排出到第一氧化剂质量流51中。第一氧化剂质量流51和燃料质量流52的组合流进入第一燃烧区域12。在该情况下，第一燃烧区域12提供作为横截面跳变（jump）。通常，提供合适构件以允许第一燃烧区域12中的火焰53的稳定化。可提供本领域的技术人员熟悉的任何合适构件。燃料质量流52在火焰53中在第一氧化剂质量流51中燃烧。可提供前燃烧炉11和第一燃烧区域12以将火焰53提供为扩散火焰、预混合火焰或其任何混合类型。分配燃料质量流52和第一氧化剂质量流51，以便提供过化学计量燃料/氧化剂比。也就是说，第一氧化剂质量流51中的氧化剂的质量流（即，例如空气质量流中提供的氧气的质量流）不足以使燃料质量流52完全燃烧。因此，火焰53中的峰值燃烧温度明显低于化学计量燃烧温度。因此，并且由于缺少氧化剂，故当与在化学计量条件下的燃烧相比时或甚至与具有过剩氧化剂的燃烧相比时污染物的热诱导形成（诸如例如热诱导的氮氧化物形成）得以显著降低。如将容易理解的，该原因是用于发起热诱导氮氧化物的较低温度和缺少可用于氮氧化物的形成的氧化剂。因此，来自燃料质量流52在第一氧化剂质量流51中燃烧的燃烧产物54包括残留的可燃成分，诸如，在碳氢化合物的燃烧的情况下，未燃烧或不完全燃烧的碳氢化合物和一氧化碳和/或其它残留可燃物。热交换设备13设置在第一燃烧区域12的下游。如结合示出沿着图1中的A-A的横截面的图2所示出的，本实例中的热交换设备13包括芯体130、热交换设备的第一管131和热交换设备的第二管132。分离第一管131和第二管132的壁卷曲或***以扩大第一和第二管中提供的流体之间的热交换表面。如本领域的技术人员已知的，该壁可还包括用于进一步增强热传递的结构。管131, 132可螺旋延伸或以其它方式围绕芯体130缠绕。第一燃烧区域12与第一管131在热交换设备的上游端处流体连通，并接收来自第一燃烧区域12的燃烧产物的流54。第二氧化剂质量流55在热交换设备13的上游端处提供到热交换设备13的第二管132。第一和第二氧化剂质量流51, 55可以是常见的氧化剂质量流的质量流，诸如例如由燃气涡轮发动机的压缩机提供的压缩的空气质量流。第二氧化剂质量流55将通常大于第一氧化剂质量流51。燃烧装置1中的组合的燃料/氧化剂质量流可以是欠化学计量的，也就是说，提供过剩的氧化剂，如下文所述的。第二氧化剂质量流55和燃烧产物的流54以热交换关系流过热交换设备13中的相应管。通常，由于第一燃烧级12中的燃烧，故可假定燃烧产物54的温度高于第二氧化剂质量流55的温度。因此，燃烧产物的流54将冷却，并且第二氧化剂质量流55将在热交换设备13中加热。在热交换设备13的下游端处，加热的第二氧化剂质量流和冷却的燃烧产物的流在热交换设备的下游端处从热交换设备的管排出，并到布置在热交换设备13的下游端处的第二燃烧区域14中。燃烧产物的流54和第二氧化剂质量流55被排出为至少实质上无相互交叉渗透的速度分量或至少大体上彼此平行。因此，这些流的快速大规模相互混合得以避免。来自热交换设备的排出流在其间形成界面层。包括在燃烧产物的流54中的残留的可燃成分，在火焰56中在所排出经冷却的燃烧产物与所排出经加热的第二氧化剂质量流之间的流界面处，与来自第二氧化剂质量流的氧化剂燃烧。火焰56实质上位于第一管131的下游。所述燃烧由于在从热交换设备13排出的流体之间缺少相互混合而以扩散燃烧模式发生，从而即使在总体贫燃强烈的欠化学计量条件下也实现优越的燃烧稳定性。由于第二氧化剂质量流中提供的氧化剂过剩，故第二氧化剂质量流中提供的氧化剂并非所有都将参与火焰56中的燃烧过程。事实上，如下文将阐述的，仅第二氧化剂质量流的一小部分将参与火焰56中的燃烧。然而，来自第一燃烧区域12中的燃烧的热已从燃烧产物的流分散到燃烧产物的质量流加第二氧化剂质量流的总和。因此，来自第一燃烧区域12中的燃烧的热的部分设置在并不参与火焰56中的燃烧的流体中。继而，来自燃料质量流52的燃烧的热并非所有都存在于第二燃烧区域14中的火焰56中的燃烧中。继而，虽然火焰56是扩散火焰，因此在化学计量条件下局部燃烧，但当与燃料质量流52在扩散燃烧模式中以一单个步骤的燃烧相比时火焰56中的峰值温度得以降低。因此，当与在一单个级中的扩散燃烧相比时，火焰53和56中或第一和第二燃烧区域12和14中的氮氧化物的组合的热诱导形成分别得以显著降低，同时仍提供优越的燃烧稳定性和扩散火焰的部分负荷操作行为。

第二氧化剂质量流55可典型地为第一氧化剂质量流的4至20倍，并且在更特定情况下，为第一氧化剂质量流的至少大约10倍。与第一氧化剂质量流相关的燃料质量流的当量比可大于或等于1.5并小于或等于3，并且尤其地可大于或等于1.8并小于或等于2.5，并且在特定情况下可为至少大约2或约2。为在燃烧装置的大负荷范围（即，大范围的燃料质量流52）内将第一燃烧级12中的当量比维持在所述范围内，可构思控制第一氧化剂质量流51。在使燃料质量流52与第一和第二氧化剂质量流的总和相关时所得到的总体当量比可因此为0.5或更小，并且根据操作状态，可为0.25或更小。因此，第二氧化剂质量流55的至少50%将不参与燃烧，并且因此，从燃烧释放并传递到热交换设备13中的第二氧化剂质量流55的热的相当一大部分都不存在于火焰中，从而产生上述的较低峰值火焰温度。可以说，热交换设备13下游的扩散火焰在将第一燃烧区域12中释放的热传递到热交换设备13中的第二氧化剂质量流55时冷却。

结合图3和图4示出根据本公开并适用于执行上文所公开的方法的燃烧装置的另一实施例。实质上，该燃烧装置与结合图1和图2所阐述的燃烧装置的不同处在于热交换设备13的不同实施例中。图4（其是沿着图3的B-B的截面）示出热交换设备13，其设置有第一内部管131和第二外部管132。来自第一燃烧区域的燃烧产物的流54被设置为通过内部管131，并与设置为通过第二外部管132的第二氧化剂质量流55以热交换关系流过第一内部管131。如在上文提供的实例中那样，使第一管131与第二管132分离的壁卷曲或***以增强热交换表面。第一管131展现大体星形的横截面。此外，可按本领域的技术人员已知的方式提供进一步增强壁与沿着壁流动的流体之间的热传递的其它元件。而且，如在上文提供的实例中那样，分配燃料质量流52和第一氧化剂质量流，以便在第一燃烧区域12中提供富燃过化学计量燃烧。因此，如在上文提供的实例中那样，燃烧产物54包括残留可燃物。在流过热交换设备13的同时，燃烧产物的流54被冷却，而第二氧化剂质量流55被加热。当加热的第二氧化剂质量流55和燃烧产物54在热交换设备13的下游端处被排出到第二燃烧区域14中时，这些流的快速相互混合再次得以避免。包括在燃烧产物的流54中的可燃残留物在所排出燃烧产物与所排出第二氧化剂质量流之间的界面处在扩散火焰56中燃烧。将理解，单个大体星形的扩散火焰56将产生第二燃烧区域56。可假定，与图1和图2的实施例的热交换设备相比，图3和图4的实施例中所示热交换设备产生较低的总压力损失。然而，与图1和图2的实施例相比，热交换设备13的每单位长度的热交换表面较小。此外，所排出燃烧产物的流与所排出第二氧化剂质量流之间的流体界面在第二燃烧区域14中在相对流动横截面处可能较小。因此，在第二燃烧区域14中可能需要较大的距离，以提供被包括在燃烧产物的流中的可燃残留物的完全燃烧。在设计燃烧装置时需要考虑这些事实。

在结合图5所示的又一实施例中，示出热交换设备的又一实施例。热交换设备13的第一管131和热交换设备13的第二管132由壁15分离，来自第一燃烧区域12的燃烧产物的流54提供至该第一管131，第二氧化剂质量流提供至该第二管132。第二管132可尤其设置为环形管。然而，热交换不特别地受通过壁15的热传导的影响，而是利用本领域的技术人员通常已知的热管技术。热管16设置成从第一管131内延伸到第二管132内，因此实现热从燃烧产物的流到第二氧化剂质量流的传递。第二燃料排出装置17设置在第二氧化剂质量流中并且设置成将第二燃料质量流57排出到第二氧化剂质量流55中。第二燃料排出装置17被布置并被构造成将第二燃料57尽可能细致且均匀地分散到第二氧化剂质量流55中。至少热管16的在第二管132内延伸的区段被设置为漩流器和/或涡流生成装置，以使第二燃料质量流57变得与第二氧化剂质量流55均匀掺合，并且在第二管132中生成涡流。在从热交换设备13到第二燃烧区域14的过渡位置处，提供横截面跳变。从第二管132发出的涡流突然开放并提供火焰稳定区域。此外，如在上文提供的实例中那样，使燃烧产物的流54中的残留可燃物燃烧的扩散火焰56形成于第二氧化剂质量流与燃烧产物的流之间的流体界面处。第二燃料质量流57（与第二氧化剂质量流55被设置在预混合涡流中）在预混合火焰58中燃烧，预混合火焰58由以下方式引发：通过预混合涡流分别从热交换设备13或其第二管132排出并进入到第二燃烧区域14中时的涡流破裂，和进一步由于从热交换设备13到第二燃烧区域14的过渡处的横截面跳变。特别是在预混合燃料/氧化剂混合物的低当量比下，由扩散火焰56支持预混合火焰58并使其稳定。

将理解，如结合图1至图4所阐述的燃烧装置可以以图5的装置的方式配备有被设置成用于将燃料排出到第二氧化剂质量流中的燃料排出装置，并且因此可采用以下火焰来操作：采用来自第二氧化剂质量流和排出在其中的第二燃料质量流的预混合燃料/氧化剂流的第二燃烧区域中的预混合火焰，和还采用来自第一燃烧区域的燃烧产物中的可燃残留物与来自第二氧化剂质量流的氧化剂燃烧的扩散火焰。本文所公开类型的任何燃烧装置和所阐述的燃烧方法可用作用于预混合燃烧炉（例如但不限于最初提及类型的预混合燃烧炉）的引燃级。将容易理解，在一种情况下，至少在低的预混合燃烧炉燃料/氧化剂质量流比下，燃烧过程或燃烧装置（在第二燃料质量流被排出到第二氧化剂质量流中的情况下包括来自其的预混合火焰）可分别充当支持预混合燃烧炉的预混合燃烧的引燃级。在其它情况下，第二氧化剂质量流可被设置为主预混合燃烧炉的氧化剂质量流，并且燃烧来自第一燃烧级的可燃残留物的扩散火焰可充当支持引燃级。如将进一步容易理解的，与在一单个级中的引燃燃料质量流的引燃扩散燃烧相比，本文所公开的方法和燃烧装置允许提供具有显著较低的氮氧化物排放不利后果的预混合燃烧炉的支持引燃操作。

虽然已通过示例性实施例解释了本公开的主题，但应理解，这些示例性实施例决不旨在限制所要求保护的发明的范围。将理解，权利要求书涵盖本文中未明确示出或公开的实施例，并且权利要求书还将涵盖偏离在执行本公开的教导的示例性模式中所公开的那些实施例的实施例。

参考编号列表

1 燃烧装置

11 前燃烧炉

12 第一燃烧区域

13 热交换设备

14 第二燃烧区域

15 壁

16 热管

17 第二燃料排出装置

51 第一流体流、第一氧化剂质量流

52 燃料质量流

53 火焰

54 燃烧产物、燃烧产物的流

55 第二氧化剂质量流

56 火焰、扩散火焰

57 第二燃料、第二燃料质量流

58 火焰、预混合火焰

110 漩涡生成构件

130 热交换设备的芯体

131 热交换设备的第一管

132 热交换设备的第二管

Claims (15)

1.一种用于燃烧燃料的方法，所述方法包括提供第一氧化剂质量流(51)，提供第二氧化剂质量流(55)，将燃料质量流(52)排出到所述第一氧化剂质量流(51)中从而提供燃料/氧化剂质量流，

分配所述燃料质量流(52)，以便实现与所述第一氧化剂质量流相关的所述燃料质量流的过化学计量比 ，

发起所述燃料质量流与所述第一氧化剂质量流的燃烧，从而生成燃烧产物的流(54)，其中所述燃烧产物的流包括残留的可燃成分，

将所述燃烧产物的流(54)提供到热交换设备(13)的至少一个第一管(131)，

将所述第二氧化剂质量流(55)提供到所述热交换设备(13)的至少一个第二管(132)，从而所述燃烧产物的流被设置成通过所述热交换设备与所述第二氧化剂质量流呈热交换关系，

在所述燃烧产物的流与所述第二氧化剂质量流之间交换热，从而加热所述第二氧化剂质量流并冷却所述燃烧产物的流，

将所述燃烧产物的流(54)在所述热交换设备(13)的下游端处从所述热交换设备的所述第一管排出，将所述第二氧化剂质量流(55)在所述热交换设备(13)的下游端处从所述热交换设备的所述第二管排出，并且在存在所述第二氧化剂质量流的情况下使所述燃烧产物的流中提供的所述残留的可燃成分燃烧。

2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括排出所述燃烧产物的流(54)和所述第二氧化剂质量流(55)，以便避免所述燃烧产物的流和所述第二氧化剂质量流的相互混合，因此在所述热交换设备的下游在所述第二氧化剂质量流与所述燃烧产物的流之间提供界面，并且在所述第二氧化剂质量流与所述燃烧产物的流之间的所述界面处使所述燃烧产物的流中提供的所述残留的可燃成分燃烧。

3. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，包括分配所述燃料质量流(52)以及所述第一和第二氧化剂质量流(51, 55)，以便在使所述燃料质量流(52)与所述第一氧化剂质量流(51)相关时实现过化学计量的燃料/空气比，并且在使所述燃料质量流(52)与组合的第一和第二氧化剂质量流(51, 55)相关时实现欠化学计量的燃料/空气比。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第二氧化剂质量流超过所述第一氧化剂质量流。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，包括控制所述第一氧化剂质量流(51)以便控制所述燃料质量流与所述第一氧化剂质量流的比。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，将第二燃料质量流(57)添加到所述第二氧化剂质量流(55)，从而提供第二燃料/氧化剂流，其中所述第二燃料质量流被添加在所述热交换设备的下游端的上游并尤其在所述热交换设备的上游。

7.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，分配所述第二燃料质量流，以便针对所述第二燃料/氧化剂流的所述燃料/氧化剂比和针对组合的燃料质量流的组合的燃料/氧化剂质量流比两者都实现欠化学计量的燃料/氧化剂比，所述组合的燃料质量流包括添加到所述第一氧化剂质量流的所述燃料质量流(52)和所述第二燃料质量流(57)，并与包括所述第一氧化剂质量流(51)和所述第二氧化剂质量流(55)的组合的氧化剂质量流相关。

8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中要求保护第二燃料质量流的添加，其特征在于，实施所述第二燃料质量流(57)的所述添加，以便在所述热交换设备的所述下游端处提供贫燃预混合的第二燃料/氧化剂流。

9.一种用于燃烧燃料的燃烧装置(1)，所述装置包括

用于提供第一流体流(51)的构件，

用于将燃料流(52)排出到所述第一流体流中的燃料排出构件，

第一燃烧区域(12)，其被适应并被构造成使火焰(53)稳定并且被布置在所述燃料排出构件的下游，并与所述用于提供所述第一流体流的构件在所述燃烧区域的上游端处流体连通，

热交换设备(13)，所述热交换设备包括至少一个第一管(131)和至少一个第二管(132)，并且所述热交换设备被设置成使得所述第一管中提供的流体(54)与所述第二管中提供的流体(55)之间能够热交换，

在所述热交换设备(13)的上游端处的所述热交换设备(13)的所述至少一个第一管(131)在所述燃烧区域的下游端处与所述第一燃烧区域(12)流体连通，

用于将第二流体流(55)提供到所述热交换设备(13)的所述至少一个第二管(132)的上游端的构件，

第二燃烧区域(14)，其设置在所述热交换设备的下游，其中所述至少一个第一管和所述至少一个第二管设置成在相应管的下游端处与所述第二燃烧区域流体连通。

10.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一管(131)和所述第二管(132)至少在相互平行布置的相应管的下游端处，以便避免第一流体的流和所述第二流体的流在从所述管排出时相互混合。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述热交换设备(13)包括热管(16)。

12.根据前述装置权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，包括用于控制所述第一流体(51)的质量流和/或所述第二流体(55)的质量流中的至少一者的至少一个控制构件。

13.根据前述装置权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，设置有至少一个第二燃料排出构件(17)，所述至少一个第二燃料排出构件(17)被设置并被构造成将第二燃料(57)排出到所述第二流体流(55)中。

14.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二燃料排出构件(17)和所述用于提供所述第二流体的构件被设置、被适应并被构造，以便在所述热设备装置(13)的所述下游端处提供所述第二流体和所述第二燃料的预混合流。

15.一种包括至少一个燃烧室的燃气涡轮发动机，所述至少一个燃烧室包括根据前述装置权利要求中的任一项所述的装置。