TWI435978B

TWI435978B - 富氫氣體燃燒器

Info

Publication number: TWI435978B
Application number: TW100139646A
Authority: TW
Inventors: Yau Pin Chyou; Shenq Yang Shy; Chien Chia Liu; Ih Yang Wu
Original assignee: Atomic Energy Council
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2014-05-01
Also published as: TW201317441A; US9121348B2; US20130104520A1

Description

富氫氣體燃燒器

本發明是有關於一種富氫氣體燃燒器，尤指一種可達到有效混合燃料與空氣、避免回火以及防止燃燒器損壞之功效者。

按，依據IPCC 2007 AR4，燃燒化石燃料所排放之二氧化碳是目前認為造成溫室效應之主要原因；但由於化石燃料之便利性，可預期在本世紀內化石燃料仍會扮演能源產生之主要角色。另參考BP 2010年的能源統計報告，目前煤炭仍約有119年可開採，遠高於石油之40餘年及天然氣之60餘年。為了減少對於全球生態圈的衝擊，各國面臨全球暖化氣候變遷及化石燃料短缺所帶來的問題，莫不積極投入潔淨能源技術的開發；例如，利用煤炭轉換為潔淨能源，已為先進國家投入大幅研發資源爭先發展之重要課題，而氣化技術正是其中之關鍵。

氣化技術具有進料多元化之彈性，可以處理多元化碳基原料，含化石燃料、焦炭、生質物、都市固體廢棄物(MSW)等。多元進料氣化結合發電與多聯產應用(生產氫氣、蒸汽、合成氣燃料、液態燃料與化學品等)，並增加利用低品位煤炭與廢棄物為原料，已是未來發展之趨勢。而煤炭產氫已被認定為未來過渡至全氫能經濟最佳的集中式產氫方式之一。利用煤炭氣化產氫之程序為將煤炭氣化氣體經淨化後成為以CO、CO₂ 與H₂ 為主之合成氣，利用水氣轉化反應(water gas shift reaction,WGS)，使水蒸汽與CO反應轉化成H₂ 及CO₂ ，再將H₂ 與CO₂ 分離而獲得氫，分離後之CO₂ 再加以捕獲及封存。其次，改善燃燒效率及增加能源產生之效率亦將是未來所要研究之重點。

依據經濟部能源局2010年能源產業技術白皮書，2008年我國煤炭消耗量已超過6,200萬公噸，佔總體能源供應量的32.4%；且使用量逐年提升，預計2020年將達總體能源供應量的37%。由於其相對價廉且蘊藏量豐富，長期價格穩定，無疑的將為穩定國內能源扮演著重要的角色。2009年全國能源會議資料顯示，我國2007年燃煤發電佔53.6%；因此，會議的永續發展核心議題特別強調建構低碳能源發展藍圖，包含發展淨煤技術善用煤炭蘊藏，兼顧成本與減排。

複循環發電系統(Combined-Cycle)為目前使用化石燃料發電系統中效率最高的技術，惟其僅可使用氣態與液態燃料，例如天然氣與柴油；因此，淨煤技術利用氣化系統將低價的燃煤與效率最高的複循環系統整合，目前已被全球電力事業認定為未來發電技術主流之一。長期來看，氣化技術將朝向應用於發展近零排放電廠為主。具體方案應推動設立「區域性氣化園區」，籌建多聯產淨煤氣化廠；一方面可具體改善整合氣化複循環發電系統之可用率與可靠度，另一方面可長期供應合成氣源，改採NG-Syngas(合成氣)混燒模式滿足燃氣複循環(NGCC)發電廠營運的目標。

一般傳統上大型電廠電力系統為一集中式發電，再將生產之電力經由變電、傳送及分配等過程後，才成為用戶端所需之電力。另一方面，亦可以應用分散式供電系統，其係將小型或中型發電設備設置於使用者端，可解決因地區限制所導致之電網架設和輸電困難等問題。微型氣渦輪發電系統為分散式發電的可能方案之一，可有效的輔助集中式發電系統不足之處，甚至在某些地域條件下未來有取代集中式發電組的可能性。

低污染燃燒器是燃氣渦輪機的關鍵組件之一，其燃燒效率攸關複循環發電系統之性能。一般天然氣燃燒器多採用燃料與空氣預混方式之進料設計，以達成優異之燃燒效率與低污染排放性能。然而，氫氣之燃燒行為迥異於天然氣；前者之火焰傳播速率遠高於後者。因此，前述預混式燃燒器之進料若含有氫氣成分在內，則將有產生回火現象，進而損壞機組之疑慮。由於合成氣中含有相當比例之氫氣成分，故富氫氣體燃燒器之設計必須加以修改，以抑制可能之回火現象，而仍能保持優異之燃燒效率與低污染排放性能。

同理，若要以富含氫氣之氣態燃料來進行微型氣渦輪發電，即便深具環保優勢，但仍受限於預混氫焰之易回火與高溫等危險特性；故，仍須高度仰賴於適切之富氫氣體燃燒器的開發。

其次，未來氫動力時代主要係以電化學能量轉換方式將氫能源轉換成習用之電能。然而，氫能轉換裝置並無法將氫氣進料完全轉換成電能；換言之，在其排氣中仍含有相當比例之氫氣成分。因此，此殘存燃料之化學能必須加以回收整合利用，以提升氫能轉換裝置之系統效率；而前述富氫氣體燃燒器亦可搭配氫能轉換裝置之周邊系統，提供所需之熱能回收功能。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「富氫氣體燃燒器」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可將燃料與空氣以非預混方式注入腔體內，在接近腔體出口處，加裝了氣態燃料噴射器及空氣漩渦產生器，使漩渦產生器下游之腔體內形成部分預混環道，強化空氣與燃料之間的混合，並以點火器配合漩渦產生器及燃料噴射器產生漩渦火焰，在燃燒器噴嘴出口處形成駐焰機構使火焰在燃燒室內穩定燃燒，讓燃燒產生之高溫氣體離開燃燒室前，先以流入冷卻空氣護罩內之冷卻空氣逐步流入燃燒室進行稀釋降溫，之後再離開燃燒室推動渦輪機，進而帶動發電機進行發電，而達到有效混合燃料與空氣、避免回火以及防止燃燒器損壞之功效。

為達上述之目的，本發明係一種富氫氣體燃燒器其包含有：一內部具有非預混空氣流道之腔體，且該腔體對應非預混空氣流道之一端係設有空氣分流器，並於該腔體之一側設有非預混燃料流道；一結合於腔體另端之冷卻空氣護罩，該冷卻空氣護罩之周緣係環設有多數孔洞，使護罩內定義出一燃燒室；一設於腔體中且與非預混燃料流道連通之燃料噴射器；一設於燃料噴射器周圍之漩渦產生器，使漩渦產生器下游之腔體內定義出一部分預混環道；一設於燃燒室一側且與燃料噴射器對應之點火器；以及一套設於腔體與冷卻空氣護罩外側周緣之外殼，使外殼內定義出一冷卻空氣流道，且該外殼上係設有與非預混燃料流道連通之對應孔。

於本發明之一實施例中，該腔體鄰近另端之位置處係設有一槽孔，而該非預混燃料流道係與槽孔連通，且該燃料噴射器係設於槽孔中。

於本發明之一實施例中，該腔體鄰近另端之位置處係於該槽孔周圍設有多數連通孔，而該非預混空氣流道係與連通孔連通，且該漩渦產生器係設於連通孔下游。

於本發明之一實施例中，該腔體外側係設有一與冷卻空氣護罩底部抵靠之止擋部。

於本發明之一實施例中，該腔體之空氣分流器更進一步連接有一壓縮機，而該冷卻空氣護罩係連接有一渦輪機，且該渦輪機係與一發電機連接。

於本發明之一實施例中，該冷卻空氣護罩之各孔洞係沿氣流方向呈多排環狀等間距排列，且各孔洞之直徑分佈係沿氣流方向由上游往下游逐漸擴大。

於本發明之一實施例中，該冷卻空氣護罩係呈一直筒狀，且其下游端係環設有法蘭擋板。

於本發明之一實施例中，該冷卻空氣護罩抵靠腔體末端之位置處係呈突擴管狀，且其下游端係環設有法蘭擋板。

於本發明之一實施例中，該冷卻空氣護罩抵靠腔體末端之位置處係呈文式管狀，且其下游端係環設有法蘭擋板。

於本發明之一實施例中，該冷卻空氣護罩抵靠腔體末端之位置處係呈文式管續接突擴管之型態，且其下游端係環設有法蘭擋板。

於本發明之一實施例中，該冷卻空氣護罩抵靠腔體末端之位置處係呈(半文式管)漸擴管狀，且其下游端係環設有法蘭擋板。

於本發明之一實施例中，該燃料噴射器上係環設有多數以預定角度排列之噴嘴，使各噴嘴以具仰角設計之徑向方式噴出燃料，並配合漩渦產生器與空氣做一均勻混合。

於本發明之一實施例中，該漩渦產生器係具有多數漩渦葉片，使腔體內非預混空氣流道中之空氣透過漩渦葉片之引導會改變原有之運動方向，而形成環繞燃料噴射器流動之漩渦空氣流場。

請參閱『第1圖～第8圖』所示，係分別為本發明第一實施例之分解示意圖、本發明第一實施例之剖面示意圖、本發明第一實施例之腔體示意圖、本發明第一實施例之冷卻空氣護罩示意圖、本發明第一實施例之燃料噴射器示意圖、本發明第一實施例之漩渦產生器示意圖、本發明第一實施例之外殼示意圖及本發明第一實施例之使用狀態示意圖。如圖所示：本發明係一種富氫氣體燃燒器，其至少包含有一腔體1、一冷卻空氣護罩2、一燃料噴射器3、一漩渦產生器4、一點火器5以及一外殼6所構成。

上述所提之腔體1其內部係具有一非預混空氣流道11，而該腔體1對應非預混空氣流道11之一端係設有空氣分流器12，且該腔體1之一側設有非預混燃料流道13，並於該腔體1鄰近另端之位置處係設有一槽孔14，而該非預混燃料流道13係與槽孔14連通，且於槽孔14周圍設有多數連通孔15，而該非預混空氣流道11係與連通孔15連通，另該腔體1外側係設有一止擋部16。

該冷卻空氣護罩2係結合於腔體1之另端，且該冷卻空氣護罩2底部係抵靠於腔體1之止擋部16上，而該冷卻空氣護罩2之周緣係環設有多數孔洞21，各孔洞21係沿氣流方向由下至上呈多排環狀等間距排列，且各孔洞21之直徑分佈係沿氣流方向由上游往下游逐漸擴大，另該冷卻空氣護罩2係呈一直筒狀，且其下游頂端係環設有法蘭擋板22，而該護罩內定義出一燃燒室23，並於抵靠腔體末端之位置處設有與點火器5連通之對應孔24。

該燃料噴射器3係設於腔體1所設之槽孔14中且與非預混燃料流道13連通，而該燃料噴射器3上係環設有多數以預定角度排列之噴嘴31，使各噴嘴31以徑向方式噴出燃料，並配合漩渦產生器4與空氣做一均勻混合。

該漩渦產生器4係設於燃料噴射器3周圍，而該漩渦產生器4係具有多數漩渦葉片41，使腔體1內非預混空氣流道11中之空氣通過連通孔15進入漩渦產生器4，透過漩渦葉片41之引導會改變原有之運動方向，而形成環繞燃料噴射器3流動之漩渦空氣流場，使漩渦產生器4下游之腔體1內形成部分預混環道17，在此空間內燃料與空氣可進行初步混合。

該點火器5係設於燃燒室23之一側且對應燃料噴射器3。

該外殼6係套設於腔體1與冷卻空氣護罩2外側周緣，且讓冷卻空氣護罩2之擋板22封閉於外殼6之頂端，而使外殼6內定義出一冷卻空氣流道61，且該外殼6上係設有與點火器5連通之對應孔62。如是，藉由上述之構成一全新之富氫氣體燃燒器。

當本發明於使用時，係可於該腔體1之空氣分流器12連接有一輔助空氣源71或一壓縮機7，且空氣分流器12與輔助空氣源71及壓縮機7之間係分別設有一閥門70以調整實際運作時之空氣通路，而該冷卻空氣護罩2與外殼6係經由一燃燒器排氣口63連接有一渦輪機8，且該渦輪機8係與一發電機9連接，可將燃料與空氣分別由非預混燃料流道13及非預混空氣流道11，以非預混方式注入腔體1內，並同時以漩渦產生器4將原來僅具有線性動量的空氣形成環繞噴嘴流動的漩渦空氣流場，使漩渦產生器下游腔體內之環形空間形成一部分預混環道17，再同時以燃料噴射器3強化漩渦流場之混合能力，利用該燃料噴射器3可將原先沿燃燒器中心軸線噴出之燃料氣體，透過燃料噴射器3周圍之各噴嘴31變成一具預定角度且呈輻射狀而噴射出之低動量燃料噴流，這些均勻散佈且與高速漩渦空氣縱橫交錯對衝的側向燃料噴流便是強化混合的主要機制，故，搭配漩渦產生器所產生的高速漩渦流場，當側向燃料噴流相遇時所形成反向旋轉配對漩渦的強烈剪應流場，達到最佳燃料及空氣的混合效率；該燃料噴射器3之燃料噴流係從周圍之各噴嘴31呈輻射狀而噴入部分預混環道17，而沿燃燒器中心軸線之燃料噴射器3前端則封閉，其下游處將形成一迴流區，經部分預混之燃料與空氣自部分預混環道17流進圓筒狀燃燒室23前，將面臨一突擴管狀結構25，故，在燃燒器噴嘴出口處形成駐焰機構，其下游再以點火器5配合引燃混合氣體產生火焰，透過漩渦流場使火焰型態由原本的燭焰型噴流火焰轉變成特殊的漩渦火焰，該漩渦流場可產生渦流崩潰(Vortex Breakdown)現象，提供穩定火焰的氣體動力學機制，且配合突擴管狀之駐焰機構，在燃燒室中維持穩定的燃燒反應。

而當燃燒反應所產生的高溫生成物氣體離開冷卻空氣護罩2內之燃燒室23前，環繞於冷卻空氣流道61內大量流動的冷卻空氣便透過沿氣流方向由上游往下游逐漸擴大之各孔洞21進入冷卻空氣護罩2內進行混合稀釋降溫，其中孔洞21面積較小者位於燃燒室23前半部(火焰區)，可以防止燃燒反應直接受到冷卻空氣的干擾，而孔洞21面積較大者位於燃燒室23下游區(高溫生成物氣體區)，可以讓冷卻空氣直接且充分地稀釋高溫生成物氣體進行混合降溫，藉此，可降低生成物氣體溫度以防止燃燒室壁面受熱變形及渦輪機8的輪葉片材料因超溫而受損，當該高溫氣體離開冷卻空氣護罩2內之燃燒室23後，緊接著會進入渦輪機8進行膨脹作功，進而轉動渦輪機8，而使相互連接之壓縮機7獲得動能後，便可引入外界空氣進入壓縮機7並壓縮空氣進而提高氣體整體壓力，且藉由與壓縮機7相連接之空氣分流器12將壓縮空氣分配至非預混空氣流道11與冷卻空氣流道61；待渦輪機8轉速高至足以自行提供燃燒器穩定運作所需之空氣量，即完成渦輪系統之起動；在此時燃燒器所進行之燃燒反應所產生的高溫氣體便可用來推動渦輪機8，提供旋轉機械之轉動力，或驅動渦輪機8而帶動發電機9，當發電機9開始發電，並藉由電壓調整器維持穩定的輸出電壓；另，發電機9在渦輪系統之起動初期可輸入交流電，轉換為馬達使用以驅動壓縮機7並提供壓縮空氣，或者，可於該腔體1之空氣分流器12連接有一輔助空氣源71，提供系統起動初期所需之壓縮空氣。

請參閱『第9圖』所示，係本發明第二實施例之示意圖。如圖所示：本發明除上述第一實施例所提結構型態之外，亦可為本第二實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，該冷卻空氣護罩2a抵靠腔體末端之位置處係呈突擴管狀結構25a，其後接續設有與點火器5連通之對應孔24a，且其頂端係環設有法蘭擋板22a；如此，突擴管狀結構25a形成角落迴流區，提供穩定火焰燃燒之駐焰機構，可有效抑制回火現象。

請參閱『第10圖』所示，係本發明第三實施例之示意圖。如圖所示：本發明除上述第一及第二實施例所提結構型態之外，亦可為本第三實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，該冷卻空氣護罩2b抵靠腔體末端之位置處係呈文式管狀結構25b，其後接續設有與點火器5連通之對應孔24b，且其頂端係環設有法蘭擋板22b；如此，文式管狀結構25b可增加氣體流經其喉部時之速度，以空氣動力學機制抑制回火現象。

請參閱『第11圖』所示，係本發明第四實施例之示意圖。如圖所示：本發明除上述第一、二及第三實施例所提結構型態之外，亦可為本第四實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，該冷卻空氣護罩2c抵靠腔體末端之位置處係呈文式管續接突擴管型態之結構25c，其後接續設有與點火器5連通之對應孔24c，且其頂端係環設有法蘭擋板22c；如此，可同時利用文式管喉部增加氣體速度與突擴管產生角落迴流區提供之駐焰機構，有效抑制回火現象。

請參閱『第12圖』所示，係本發明第五實施例之示意圖。如圖所示：本發明除上述第一、二、三及第四實施例所提結構型態之外，亦可為本第五實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，該冷卻空氣護罩2d抵靠腔體末端之位置處係呈(半文式管)漸擴管狀結構25d，其後接續設有與點火器5連通之對應孔24d，且其頂端係環設有法蘭擋板22d；如此，漸擴管狀結構25d可逐漸降低氣體速度並形成角落迴流區，以抑制回火現象。

綜上所述，本發明富氫氣體燃燒器可有效改善習用燃燒器之氫氣燃料應用問題：可將燃料與空氣以非預混方式注入腔體內，可避免預混操作之回火危險；結合漩渦產生器及燃料噴射器，可達到有效混合燃料與空氣，進而提高燃燒效率；並配合以點火器產生漩渦火焰，透過冷卻空氣護罩、漩渦產生器及燃料噴射器之組裝，可產生渦流崩潰現象，提供穩定火焰的氣體動力學機制，以及突擴管狀結構之實體駐焰機構，藉以在燃燒室中維持穩定的燃燒反應；而讓燃燒產生之高溫氣體在離開燃燒室前，先以流入冷卻空氣護罩內之冷卻空氣進行降溫，之後再離開燃燒室推動渦輪機，進而帶動發電機進行發電，而達到有效混合燃料與空氣、避免回火以及防止燃燒器損壞之功效；故，上述特點將使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所需，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．腔體

11．．．非預混空氣流道

12．．．空氣分流器

13．．．非預混燃料流道

14．．．槽孔

15．．．連通孔

16．．．止擋部

17．．．部分預混環道

2、2a、2b、2c、2d．．．冷卻空氣護罩

21、21a、21b、21c、21d．．．孔洞

22、22a、22b、22c、22d．．．擋板

23．．．燃燒室

24、24a、24b、24c、24d．．．對應孔

25、25a、25b、25c、25d．．．抑制回火結構

3．．．燃料噴射器

31．．．噴嘴

4．．．漩渦產生器

41．．．漩渦葉片

5．．．點火器

6．．．外殼

61．．．冷卻空氣流道

62．．．對應孔

63．．．燃燒器排氣口

7．．．壓縮機

70．．．閥門

71．．．輔助空氣源

8．．．渦輪機

9．．．發電機

第1圖，係本發明第一實施例之分解示意圖。

第2圖，係本發明第一實施例之剖面示意圖。

第3圖，係本發明第一實施例之腔體示意圖。

第4圖，係本發明第一實施例之冷卻空氣護罩示意圖。

第5圖，係本發明第一實施例之燃料噴射器示意圖。

第6圖，係本發明第一實施例之漩渦產生器示意圖。

第7圖，係本發明第一實施例之外蓋示意圖。

第8圖，係本發明第一實施例之使用狀態示意圖。

第9圖，係本發明第二實施例之示意圖。

第10圖，係本發明第三實施例之示意圖。

第11圖，係本發明第四實施例之示意圖。

第12圖，係本發明第五實施例之示意圖。