CN115355536B - 一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置及其使用方法，属于微混燃烧领域。本发明包括燃烧室和阵列喷嘴。所述单个喷嘴主要由进气腔体和旋流发生装置两部分组成。所述进气腔体包括氧化剂入口、稀释剂入口、进气收敛段、环缝段和混合段。所述燃烧室为圆柱形腔体结构。本发明在喷嘴中心轴线处增加稀释剂入口，稀释剂的通入不仅能够稀释反应产物，控制火焰温度，而且从喷嘴阵列通入后，多束稀释剂在燃烧室径向扩散，挤压燃料/氧化剂混合物，使其能够更充分地反应，提高燃烧效率。此外，本发明通过分别从不同入口通入燃料和氧化剂，并将燃烧室内壁面与火焰层隔离开来，同时辅助以环缝段壁面的淬熄冷却作用，能够极大地降低回火风险。
Description
技术领域
本发明属于微混燃烧领域，具体涉及一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置。
背景技术
当前燃气轮机发电和动力领域面临低碳乃至零碳排放的转型挑战，发展氢-氨、富氢合成气等灵活燃料掺混燃烧技术有望大幅提高燃机的工作区间。此外，以工业生产或可再生能源电解制氢中的富氧乃至纯氧作为氧化剂，能从根本上避免氮氧化物生成，进一步促进节能减排。
然而，一方面，氢燃速高，易回火，且高火焰温度增加烧蚀风险，现有天然气燃机采用的干式预混旋流稳燃方法无法适应纯氢燃料，纯氧条件下这一问题变得更为严重；另一方面，氨气燃速低、可燃极限窄，其预混火焰稳定性较差，且易产生高氮氧化物排放。因此，现有的旋流贫燃预混技术已无法满足氢氨等低碳燃料燃烧需求，亟需发展新型燃烧组织方式来提高燃气轮机适应性和操作区间。
微混燃烧是一种为富氢燃料而开发的新型燃烧技术，将空气与燃料在微小的空间尺度内预混和反应完全以降低氮氧化物排放，同时利用小管径的淬灭效应提高抗回火能力。但微混燃烧器由于缺乏回流区，低负载条件下的燃烧稳定性较差，可能诱发热声振荡，当前采用的值班火焰和轴向分级技术不足以消除更高氧浓度条件下的燃烧不稳定风险。并且氢氧燃烧相比于天然气或氢气在空气中燃烧，燃速大幅增加、化学反应时间快速缩短，目前的微混燃烧方式难以满足稳定燃烧。
发明内容
为解决纯氢纯氧微混燃烧室内混合均匀性和燃烧稳定性、壁面高温火焰烧蚀以及容易发生回火的问题。本发明主要目的是提供一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置及其使用方法，能够提高微混燃烧室内混合均匀性，进而提高燃烧充分性和纯氢纯氧燃烧稳定性、减少壁面高温火焰烧蚀。此外，本发明通过分别从不同入口通入燃料和氧化剂，同时辅助以环缝段壁面的淬熄冷却作用，能够极大地降低回火风险。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置，包括燃烧室和阵列喷嘴。
所述燃烧室为圆柱形腔体结构。
所述阵列喷嘴由中心喷嘴和周围喷嘴组成。所述中心喷嘴和周围喷嘴结构相同。所述中心喷嘴数量为一个，其中心轴线与燃烧室中心轴线重合，沿燃烧室轴向布置，设置在燃烧室前端壁面中心处。所述周围喷嘴至少两个且关于中心喷嘴对称。所述中心喷嘴和周围喷嘴形成微混燃烧装置的喷嘴阵列，燃料、氧化剂和稀释剂通过阵列喷嘴轴向注入燃烧室内。所述中心喷嘴和周围喷嘴结构相同。
所述单个喷嘴主要由进气腔体和旋流发生装置两部分组成。所述进气腔体包括氧化剂入口、稀释剂入口、进气收敛段、环缝段和混合段。进气腔体为圆柱形腔体结构，在轴向和圆柱壁面上均有开口，轴向开口为稀释剂入口，稀释剂沿着进气腔体中心轴线通道注入；圆柱壁面上的径向开口为氧化剂入口，其内部空间根据型面沿轴向从左往右依次划分为三部分，进气收敛段、环缝段和混合段；轴向开口处，进气腔体中心轴线通道延伸至氧化剂入口内部空间的混合段，中心轴线通道外壁面与所述氧化剂入口内部空间的小内径壁面形成环缝段；所述旋流发生装置包括燃料入口和旋流。所述旋流发生装置中心为中空型圆柱结构，包括若干个切向燃料入口和一个出口，切向燃料入口沿中空圆周均匀分布，出口沿轴向，为圆形。进气腔体、旋流发生装置和燃烧室采用同轴配合；混合段和旋流发生装置的内径相同，进气腔体的中心轴线通道外径略小于前两者，以便形成环缝段。
本发明公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置的使用方法为：
氧化剂由径向氧化剂入口通入，经过进气收敛段，由环缝段进入混合段，与喷嘴中心轴向通道通入的稀释剂混合，形成轴向通入的稀释剂/氧化剂混合气；燃料由旋流发生装置的切向燃料入口通入，与轴向通入的稀释剂/氧化剂混合气快速混合，并在点燃后形成轴切向旋流火焰；由喷嘴中心轴向注入的稀释剂进入燃烧室后发生径向扩散，不仅用来稀释反应产物，控制火焰温度，而且在相邻喷嘴通入的稀释剂扩散作用下，燃料/氧化剂混合物被挤压至相邻喷嘴间隙处进行充分长时间地反应。通过阵列喷嘴中心轴向注入稀释剂能够提高微混燃烧室内混合均匀性，进而提高燃烧充分性，并且能够调控反应温度，减少壁面高温烧蚀的风险。
由于氧化剂从径向氧化剂入口通入，燃料从旋流发生装置的切向燃料入口通入，能够降低回火的风险。但考虑到纯氢纯氧的极高燃速，进一步增加环缝段，从而增强壁面冷却淬熄作用，提高抗回火性能，进而能够适应纯氢纯氧的直接混合燃烧。
切向燃料入口处的燃料在旋流发生装置出口处形成旋流，不仅内部行程较长，使得燃料有较长的停留时间，且强旋流有助于氧化剂和燃料的掺混，燃料与氧化剂在较长的停留时间内快速混合，在旋流作用下螺旋前进注入燃烧室，在点燃后形成轴切向旋流火焰。
所述轴切向旋流火焰为三层火焰结构，所述三层火焰结构从内向外依次包括：燃烧产物层，其由燃烧形成的反应产物组成；火焰层；反应物层，其由未燃气体组成，所述反应物层围绕燃烧室的内壁形成一层气体薄膜，该气体薄膜温度较低，将燃烧室内壁面与火焰层隔离开来，不仅对燃烧室内壁面起到良好的冷却作用，有效延长燃烧室的使用寿命，而且减少火焰层在燃烧室内壁面处的热损失，提高火焰的燃烧稳定性。另外，切向旋流进气时，会在燃烧室内形成回流区，回流区中的燃烧产物温度较高，停留时间较长，形成较为稳定的热源，能够有效提高燃烧室的火焰稳定性。
有益效果：
1、本发明公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置及其工作方法，在喷嘴中心轴线处增加了稀释剂入口，稀释剂的通入不仅能够稀释反应产物，控制火焰温度，而且从喷嘴阵列通入后，多束稀释剂在燃烧室径向扩散，挤压燃料/氧化剂混合物，使其能够更充分地反应，提高燃烧效率。
2、本发明公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置及其工作方法，采用不同的入口分别通入燃料和氧化剂，降低回火的风险，此外，考虑到纯氢纯氧的极高燃速，额外增加环缝段，利用壁面的冷却淬熄作用，进一步提高该燃烧装置的抗回火性能。
3、本发明公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置及其工作方法，在燃料端加入切向旋流，点火后形成轴切向旋流火焰，该火焰结构的反应物层围绕燃烧室内壁面形成一层气体薄膜，将燃烧室内壁面与火焰层隔离开来，对燃烧室内壁面起到良好的冷却作用，同时辅助以稀释剂控制火焰温度，能够降低燃烧室内壁面高温烧蚀的风险。
附图说明
图1为微混燃烧装置纵向剖面示意图；
其中：1——燃烧室、2——阵列喷嘴、3——轴切向旋流火焰、4——燃料/氧化剂混合物。
图2为喷嘴的纵向剖面示意图；
其中：2.1——进气腔体、2.2——旋流发生装置、2.1.1——氧化剂入口、2.1.2——稀释剂入口、2.1.3——进气收敛段、2.1.4——环缝段、2.1.5——混合段。
图3为旋流发生装置结构示意图；
其中：2.2.1——燃料入口、2.2.2——旋流。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
图1展示了根据本发明一个实施例的微混燃烧装置示例性结构图，其中画出了稀释剂、氧化剂、燃料以及轴切向旋流火焰3的流动路径。图3展示了旋流发生装置2.2的结构示意图，其中箭头代表了燃料经过旋流发生装置2.2的燃料入口2.2.1进入燃烧室1形成旋流2.2.2 的流动路径。
本实施例公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置，包括燃烧室1和阵列喷嘴2。
所述燃烧室1为圆柱形腔体结构。
所述阵列喷嘴2由中心喷嘴和周围喷嘴组成。所述中心喷嘴和周围喷嘴结构相同。所述中心喷嘴数量为一个，其中心轴线与燃烧室1中心轴线重合，沿燃烧室1轴向布置，设置在燃烧室1前端壁面中心处。所述周围喷嘴至少两个且关于中心喷嘴对称。所述中心喷嘴和周围喷嘴形成微混燃烧装置的喷嘴阵列，燃料、氧化剂和稀释剂通过阵列喷嘴2轴向注入燃烧室1内。所述中心喷嘴和周围喷嘴结构相同。
所述单个喷嘴2主要由进气腔体2.1和旋流发生装置2.2两部分组成。所述进气腔体2.1 包括氧化剂入口2.1.1、稀释剂入口2.1.2、进气收敛段2.1.3、环缝段2.1.4和混合段2.1.5。进气腔体2.1为圆柱形腔体结构，在轴向和圆柱壁面上均有开口，轴向开口为稀释剂入口2.1.2，稀释剂沿着进气腔体2.1中心轴线通道注入；圆柱壁面上的径向开口为氧化剂入口2.1.1，其内部空间根据型面沿轴向从左往右依次划分为三部分，进气收敛段2.1.3、环缝段2.1.4和混合段2.1.5；轴向开口处，进气腔体2.1中心轴线通道延伸至氧化剂入口2.1.1内部空间的混合段2.1.5，中心轴线通道外壁面与所述氧化剂入口2.1.1内部空间的小内径壁面形成环缝段 2.1.4；所述旋流发生装置2.2包括燃料入口2.2.1和旋流2.2.2。所述旋流发生装置2.2中心为中空型圆柱结构，包括若干个切向燃料入口2.2.1和一个出口，切向燃料入口2.2.1沿中空圆周均匀分布，出口沿轴向，为圆形。进气腔体2.1、旋流发生装置2.2和燃烧室1采用同轴配合；混合段2.1.5和旋流发生装置2.2的内径相同，进气腔体2.1的中心轴线通道外径略小于前两者，以便形成环缝段2.1.4。
本实施例公开的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置的使用方法为：
在本实施例中，使用纯氢作为燃料，纯氧作为氧化剂，水蒸气作为稀释剂，三者的质量流量之比(氢气：氧气：水蒸气)为1：8：40，氢气和氧气以化学当量比通入，稀释剂的流量远大于氢氧总流量。由氧化剂入口2.1.1通入的纯氧通过进气收敛段2.1.3和环缝段2.1.4，进入混合段2.1.5，与稀释剂入口2.1.2通入的水蒸气混合，形成轴向通入的纯氧/水蒸气混合气；纯氢由旋流发生装置2.2的切向燃料入口2.2.1通入，形成旋流2.2.2，与轴向通入的纯氧 /水蒸气混合气快速混合，形成纯氧/纯氢/水蒸气三者混合气。由于三者混合气不仅具有较大的旋流周向速度，也具有一定的轴向速度，因此三者混合气会在燃烧室1内螺旋式推进，经过点火后形成轴切向旋流火焰3。
通过阵列喷嘴2通入的水蒸气流量远大于氢氧总流量，在纯氧/纯氢/水蒸气三者混合气中水蒸气动量为主导。在进入燃烧室1后，由于径向的扩散作用，水蒸气会把轴切向旋流火焰 3的反应物层挤压进入喷嘴阵列的间隙之中，如图1中4所示，从而进行充分地反应。另外，通过控制水蒸气的流量，可以有效调控燃烧室1内的火焰温度。
轴切向旋流火焰3在燃烧室1内部行程较长,有较长的停留时间,并且燃烧温度高,有利于点火和充分燃烧，因此可以提高点火性能和火焰的稳定性。氢氧燃速大，火焰温度高，容易发生回火和引发烧蚀风险，在纯氧条件下这一问题变得更加严重。因此，本实施例中，通过分配纯氧和纯氢从不同入口注入，并且增加环缝段的壁面淬熄冷却作用，可以极大降低回火风险。所述轴切向旋流火焰3由内而外分为燃烧产物层、火焰层和反应物层，反应物层把火焰层与燃烧室1内壁面分隔开，对燃烧室1内壁面起到良好的冷却作用，辅助以水蒸气调控火焰温度，能够降低壁面烧蚀的风险，同时减少火焰层在内壁面处的热损失，提高了低负载下燃烧室的火焰稳定性。强旋流进气条件下，燃烧室内会形成回流区，回流区中的燃烧产物温度较高，停留时间较长，形成较为稳定的热源，也能够有效提高燃烧室的火焰稳定性。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置，其特征在于：包括燃烧室（1）和阵列喷嘴（2）；
所述燃烧室（1）为圆柱形腔体结构；
所述阵列喷嘴（2）由中心喷嘴和周围喷嘴组成；所述中心喷嘴和周围喷嘴结构相同；所述中心喷嘴数量为一个，其中心轴线与燃烧室（1）中心轴线重合，沿燃烧室（1）轴向布置，设置在燃烧室（1）前端壁面中心处；所述周围喷嘴至少两个且关于中心喷嘴对称；所述中心喷嘴和周围喷嘴形成微混燃烧装置的喷嘴阵列，燃料、氧化剂和稀释剂通过阵列喷嘴（2）轴向注入燃烧室（1）内；
所述中心喷嘴或周围喷嘴主要由进气腔体（2.1）和旋流发生装置（2.2）两部分组成；所述进气腔体（2.1）包括氧化剂入口（2.1.1）、稀释剂入口（2.1.2）、进气收敛段（2.1.3）、环缝段（2.1.4）和混合段（2.1.5）；进气腔体（2.1）为圆柱形腔体结构，在轴向和圆柱壁面上均有开口，轴向开口为稀释剂入口（2.1.2），稀释剂沿着进气腔体（2.1）中心轴线通道注入；圆柱壁面上的径向开口为氧化剂入口（2.1.1），其内部空间根据型面沿轴向从左往右依次划分为三部分，进气收敛段（2.1.3）、环缝段（2.1.4）和混合段（2.1.5）；轴向开口处，进气腔体（2.1）中心轴线通道延伸至氧化剂入口（2.1.1）内部空间的混合段（2.1.5），中心轴线通道外壁面与所述氧化剂入口（2.1.1）内部空间的小内径壁面形成环缝段（2.1.4）；所述旋流发生装置（2.2）包括切向燃料入口（2.2.1）和旋流（2.2.2）；所述旋流发生装置（2.2）中心为中空型圆柱结构，包括若干个切向燃料入口（2.2.1）和一个出口，切向燃料入口（2.2.1）沿中空圆周均匀分布，出口沿轴向，为圆形；进气腔体（2.1）、旋流发生装置（2.2）和燃烧室（1）采用同轴配合；混合段（2.1.5）和旋流发生装置（2.2）的内径相同，进气腔体（2.1）的中心轴线通道外径略小于前两者，以便形成环缝段（2.1.4）。
2.如权利要求1所述的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置，其特征在于：使用方法为：
氧化剂由径向氧化剂入口（2.1.1）通入，经过进气收敛段（2.1.3），由环缝段（2.1.4）进入混合段（2.1.5），与喷嘴中心轴向通道通入的稀释剂混合，形成轴向通入的稀释剂氧化剂混合气；燃料由旋流发生装置（2.2）的切向燃料入口（2.2.1）通入，与轴向通入的稀释剂氧化剂混合气快速混合，并在点燃后形成轴切向旋流火焰（3）；由喷嘴中心轴向注入的稀释剂进入燃烧室（1）后发生径向扩散，不仅用来稀释反应产物，控制火焰温度，而且在相邻喷嘴通入的稀释剂扩散作用下，燃料氧化剂混合物（4）被挤压至相邻喷嘴间隙处进行充分长时间地反应；通过阵列喷嘴（2）中心轴向注入稀释剂能够提高微混燃烧室内混合均匀性，进而提高燃烧充分性，并且能够调控反应温度，减少壁面高温烧蚀的风险；
由于氧化剂从径向氧化剂入口（2.1.1）通入，燃料从旋流发生装置（2.2）的切向燃料入口（2.2.1）通入，能够降低回火的风险；但考虑到纯氢纯氧的极高燃速，进一步增加环缝段（2.1.4），从而增强壁面冷却淬熄作用，提高抗回火性能，进而能够适应纯氢纯氧的直接混合燃烧；
切向燃料入口（2.2.1）处的燃料在旋流发生装置（2.2）出口处形成旋流（2.2.2），不仅内部行程较长，使得燃料有较长的停留时间，且强旋流有助于氧化剂和燃料的掺混，燃料与氧化剂在较长的停留时间内快速混合，在旋流作用下螺旋前进注入燃烧室（1），在点燃后形成轴切向旋流火焰（3）。
3.如权利要求2所述的一种适用于燃气轮机的氢氧微混燃烧装置，其特征在于：所述轴切向旋流火焰（3）为三层火焰结构，所述三层火焰结构从内向外依次包括：燃烧产物层，其由燃烧形成的反应产物组成；火焰层；反应物层，其由未燃气体组成，所述反应物层围绕燃烧室（1）的内壁形成一层气体薄膜，该气体薄膜温度较低，将燃烧室（1）内壁面与火焰层隔离开来，不仅对燃烧室（1）内壁面起到良好的冷却作用，有效延长燃烧室的使用寿命，而且减少火焰层在燃烧室（1）内壁面处的热损失，提高火焰的燃烧稳定性；另外，切向旋流进气时，会在燃烧室（1）内形成回流区，回流区中的燃烧产物温度较高，停留时间较长，形成较为稳定的热源，能够有效提高燃烧室（1）的火焰稳定性。
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