无焰多燃料燃烧器的制作方法

[0001]
特征装置是一种与多种燃料一起使用的燃烧器。


背景技术：

[0002]
燃烧器是一种点燃并燃烧燃料以提高工作流体温度的装置，理想情况下压力损失小且不期望气体种类(比如一氧化碳(co)和一氮的氧化物(nox))的形成少。
[0003]
火焰是燃料的级联氧化反应，其中局部放热(来自点火源或先前火焰)仅使局部点火持久。这会在性能(比如温度和燃烧空燃比)方面产生较大的空间梯度，因此与理想过程相比，会产生更多不期望的产物。它还需要相对较低的空气和/或燃料速度(典型地在5-10m/s的数量级)、大体积的任何燃烧室、以及非常仔细的设计，以确保火焰稳定性。
[0004]
文献中出现了各种形式的名称为“flox(无焰氧化)、cdc(无色分布燃烧)和不对称涡旋燃烧”等的“无焰”燃烧。在所有情况下，燃烧所需的活化能都是通过常规火焰前沿以外的方式提供的；例如，在某些设计中，燃烧气体被大量再循环和/或被预加热。缺少火焰减小了与no
x
形成相关联的温度峰值，并且提供均匀分布的温度和产物分布，由此减少co形成。
[0005]
无焰燃烧需要分布式反应区(drz)，使得不会出现火焰前沿。在许多现有技术的无焰燃烧器系统、比如us专利5154599或pct申请wo 99/18392中描绘的那些中，这是通过烟道气的再循环(这还可能使燃烧区的温度升高至高于燃料的自燃点)降低氧气浓度或其他方式、以及通过增大反应区域中的气体速度来进行的。氧气的减少降低了反应速率，并且高的气体速度将反应物充分分布，使得在燃料注入器的局部区域中不会发生燃烧，并且因此燃烧以避免出现火焰前沿或要求点火源的方式分布；由于因此在分布式区域上缓慢地发生反应，而建立了drz。
[0006]
常规的基于火焰的燃烧器典型地使用其氧化剂作为衬里的冷却剂，因为它绕过主反应区而通过稀释孔洞被添加。在这样的燃烧器中，衬里典型地是薄金属外壳，其将燃烧区与穿过衬里孔洞以稀释燃烧气体的稀释空气分开。这样的现有技术的基于火焰的燃烧器不能接受高温氧化剂，因为反应区内的温度将达到非常高的水平——由此大大增加no
x
排放量，并且由于如果氧化剂太热而不再起作用来冷却衬里，因此金属不适合于此类衬里构造。这是一个特别的问题，因为衬里典型地具有复杂的几何形状以便具有稀释孔洞，其程度到了衬里通常太复杂而无法用陶瓷材料制造。
[0007]
在pct申请wo 99/18392中例示了现有技术的无焰燃烧器系统另一种形式。在该示例中，存在圆柱形氧化室，在其中发生氧气，并且具有多个喷嘴的燃料导管位于氧化室内并沿其长度延伸，从而将燃料注入氧化室中，以便沿着燃料导管的长度在每个喷嘴处与氧气反应。


技术实现要素：

[0008]
本发明提供了一种无焰燃烧器系统，该无焰燃烧器系统包括：燃烧室，氧化剂沿纵向方向从入口流到出口时纵向地延伸穿过该燃烧室，以及至少两个燃料管线；其中，与该至
少两个燃料管线管道中的第一燃料管线处于流体连通的至少一个燃料注入管道延伸穿过该燃烧室的壁，并且其中，每个燃料注入管道包含用于将燃料注入该燃烧室中的至少一个燃料注入器。
[0009]
该至少一个燃料注入管道中的至少一个延伸穿过该燃烧室的壁、跨越该燃烧室的内部到达该燃烧室的相对壁、并且穿过该相对壁，使得该燃料注入管道与该至少两个燃料管线中的该第一燃料管线和该至少两个燃料管线中的第二燃料管线两者均处于流体连通。
[0010]
优选地，该至少两个燃料管线各自具有从其延伸的、与该燃料管线处于流体连通的至少一个燃料入口管道，并且该至少一个燃料注入管道中的至少一个从该燃料入口管道延伸，使得该燃料注入管道与该燃料入口管道处于流体连通。
[0011]
优选地，该至少两个燃料管线在该纵向方向上基本上平行于该燃烧室延伸。在这种情况下，该至少一个燃料注入管道优选地沿垂直于该至少一个燃料管线的方向延伸。在这种情况下并且在燃料入口管道处于使用中时，优选的是，燃料入口管道沿垂直于该至少一个燃料管线和该至少一个燃料注入管道的方向延伸。
[0012]
可选地，每个燃料管线可以具有从其沿其长度延伸的多个燃料入口管道，并且每个燃料入口管道可以具有从其沿其长度延伸的多个燃料注入管道。
[0013]
可选地，在燃料注入管道之间使用支托来操纵管道的固有频率。
[0014]
适合于将燃料注入燃烧室中的燃料注入器包括孔洞或喷嘴。优选地，这些燃料注入器朝向该燃烧室的出口定向。(由于这种取向，燃料将被释放到燃烧室中，其行进方向基本上与氧化剂的方向相同)
[0015]
优选地，该至少一个燃料管线、至少一个燃料注入管线、以及(存在的话)这些燃料入口管道的直径被选择成使得在操作条件下，被递送至每个注入点的燃料的压力相同。
[0016]
优选地，燃料注入器均匀地分布在该燃烧室内。
[0017]
按照上述标准构造的系统允许通过高速氧化剂喷射和燃料注入实现无焰燃烧。在优选的配置下，在均匀分布的位置处注入燃料，并且在每个位置处的燃料注入的压力大致相同。
[0018]
本发明允许在每个燃料注入器处局部地维持受控的、指定的空燃比(afr)。在优选的运行条件下，每个燃料注入位置处的局部空燃比相同，由此这些局部空燃比与燃烧室内的总体空燃比相同。这确保了燃料与氧化剂的完美混合，由此消除了燃烧室内与不希望副产物的产生相关联的燃料富集区和热区。带有燃料注入器的注入管道贯穿燃烧器等距地散布，其位置是基于氧化剂质量流量进行选择的，其大小被确定为确保燃料速度显著高于氧化剂速度。
附图说明
[0019]
图1和图4提供了根据本发明的燃烧器系统的透视图，该燃烧器系统包括多个优选特征。
[0020]
图2和图3提供了图1和图4的燃烧器系统的燃料管道的透视图。
[0021]
图5描绘了从根据本发明的燃烧器系统得到的测试数据，指示了nox和co的增加水平极低。
[0022]
图6描绘了与本发明兼容的、具有多个可选特征的燃烧室。
具体实施方式
[0023]
燃烧器可以利用高温氧化剂、比如回热空气来操作。燃烧器内的燃烧过程产生超低水平的no
x
(在排气中<5ppm)和低水平的co(在排气中<6ppm)，由此消除了对于二次去除方法的需要。如果应用需要，则燃烧器可以使用加压燃料和/或加压氧化剂，并且空气与燃料的混合物可以低于该燃料的爆炸下限。
[0024]
如上所述，现有技术的无焰燃烧器是基于烟道气的再循环。本文描述的燃烧器无需烟道气再循环即可实现无焰燃烧。这允许在不降低反应区内的氧气浓度的情况下建立drz。
[0025]
在本发明的示例中，静止外壳在内部形成用于燃烧目的的空间，该空间具有用于氧化剂进入的入口和氧化剂朝其行进的出口。外壳的具体尺寸取决于条件和输入，并且本发明不将尺寸局限于任何特定范围，但是空间被构造成通过计算截面积来确保氧化剂高速度穿过燃烧室并且通过计算纵向大小来确保燃料的足够滞留时间以便完全燃烧。氧化剂优选地以高速度(>50m/s)沿燃烧器内部轴向地穿过，该速度远高于已经在入口处注入的燃料的室温火焰速度。由于氧化剂的温度优选地高于燃料的自燃点，因此在燃料与氧化剂之间接触后立即发生燃烧。
[0026]
燃料经由燃料管线(单个或多个)来递送。通过一系列歧管和/或t型接头或其他配件来将燃料管线拆分，以形成垂直于氧化剂流延伸的燃料注入管道的三维矩阵。作为示例，在一个优选的实施例中，燃料管线可以位于燃烧室之外并且沿平行氧化剂流的方向延伸、并且可以具有从它们分支出去并且在垂直方向行与之处于流体连通的燃料入口管道，并且这些燃料入口管道可以具有沿垂直于燃料管线和燃料入口管道两者的方向移动的燃料注入管道，使得这些燃料注入管道穿过外壳、穿过燃烧室的壁、跨越燃烧室、穿过燃烧室的相对壁、返回穿过外壳、进入燃烧室的相反侧上的燃料注入管道。
[0027]
由于燃料注入管道的位于燃烧室内的区段暴露于氧化剂流，因此流经其的燃料被正经过的氧化剂预加热。这在燃料需要预加热的情况下是有利的，并且事实上，燃料注入管道的大小可以被确定成为该过程提供足够的热传递。如果燃料是液体、比如汽车汽油或其他液体燃料，则可以使用本领域技术人员熟知的燃料注入喷嘴来将其附接至燃料分布管上，或者这样的燃料可以在注入之前被汽化。
[0028]
因此，燃料在燃料注入器(例如但不限于孔洞或喷嘴)处被注入。优选地，这些燃料注入器朝向该燃烧室的出口定向。由此燃料沿氧化剂流的方向注入。
[0029]
这些燃料注入管道优选地以形成燃料与氧化剂的理想混合的方式分布。典型地，这意味着燃料注入器均匀地分布在整个燃烧室中。在每个燃料注入器中，空燃比(afr)将取决于燃烧室中该点处氧化剂的流量、氧化剂在到达燃料注入器之前因燃烧反应而消耗到的程度、以及从燃料注入器中喷射燃料的速率。(最后一个因素可以通过适当地调整燃料管线和相关联燃料入口管道、燃料注入管道或其他歧管元件的几何形状来控制。)
[0030]
在优选的理想条件下，将氧化剂的流量和从每个燃料注入器喷射燃料的速率控制成使得每个燃料注入器附近的afr大致相同。
[0031]
整个燃烧室的总体afr由以下公式给出：
[0032]
afr
整体
＝x/y
[0033]
其中x是空气/氧化剂的总质量流量，并且y是燃料的总质量流量。优选地，每个燃
料注入器在其附近建立与总体afr相当的局部afr：
[0034]
afr
局部
＝x
i
/y
i
[0035]
afr
局部
＝afr
整体
[0036]
x/y＝x
i
/y
i
[0037][0038][0039]
其中x
i
是到燃料注入器i的局部氧化剂供应，y
i
是燃料注入器i喷射的相关燃料，并且燃料注入器的数量以数字n表征，适用于特定的燃料类型和燃烧室几何形状。每个局部氧化剂供应在物理上没有与每个局部燃料供应分开，而是，燃料注入器被定位成使得每个燃料注入器根据与该燃料注入器所围成的截面积相关联的轴向流来接收正确的氧化剂供应。
[0040]
在优选的实施例中，燃料注入管道和燃料注入器的大小被确定为使得在每个注入点处注入标称相等质量流量的燃料。因此，它们占据燃烧器的截面面积，使得基于燃烧器内的流量分布，对每个注入位置递送标称相同质量流量的氧化剂。该燃料分布系统消除了对大的燃料富集区(这样的燃料富集区典型地导致co形成)的需求，并且因此消除了大的热区(这样的热区典型地导致no
x
形成)。它还消除了对衬里和稀释空气的需求。燃料注入管道具有适当的小直径、并且位于多于一个纵向平面内，以减少对任何一个纵向平面内的氧化剂总体流动的阻塞。
[0041]
优选地，燃料注入器的大小被确定为使得以比氧化剂流更大(标称地2-3倍)的绝对速度来注入燃料，同时确保马赫数适当地低于1。燃料与氧化剂之间的高的特征速度和大的速度差确保了反应物在燃烧反应完成之前被从局部反应区中移除，由此建立了drz。由于建立了drz，因此没有峰值温度(这样的峰值与增加的nox形成相关联)，并且温度不达到比基于afr的预先计算的温度更高的水平。
[0042]
当氧化剂经过燃料注入管道时，可能会发生冯
·
卡曼(von karmen)脱落。出现在燃料注入器下游的冯
·
卡曼通道有助于燃料和氧化剂的高速局部混合；在冯
·
卡曼通道出现的地方的混合辅助确保没有燃料富集位置，从而消除了热点和温度峰值的可能性，并增强了drz。遍及整个燃烧器的均匀分布的燃料注入器和优良的局部混合(可能得到冯
·
卡曼脱落的辅助)的优选组合意味着，氧化剂和燃料在燃烧后立即非常好地混合，而无需复杂的混合几何形状、挡板或燃烧后的稀释空气注入。这意味着可以保持压降非常低，尽管存在与燃烧器相关联的高速度。
[0043]
燃料注入器和燃料注入管道优选是间隔开的，以使冯
·
卡曼通道(如果存在的话)不发生碰撞。燃料注入管道的精确几何形状和燃料注入器的精确位置是取决于输入的，并且本发明并不将尺寸限于任何特定的范围。燃料递送设备中的燃料管线、燃料注入管道、和任何燃料入口管道、歧管或其他部件均被流经的燃料冷却，并且因此可以由适合的高镍合金或耐高温钢制成，因此允许获得复杂的燃料注入几何形状。另外，可以对管的燃烧器区接触区域施加本领域技术人员熟知的隔热涂层，以保护管免受腐蚀和辐射。
[0044]
优选地，燃烧室和燃料注入器的几何形状通过从入口氧化剂温度到期望出口温度
的标称线性温度升高(没有温度峰值)得到立即混合的燃烧气体。燃烧室的大小优选使得在所有燃料注入端口的下游留有足够的停留时间进行完全燃烧。然后，燃烧气体可以去到出口、典型地用于燃气涡轮机。
[0045]
如所提及的，现有技术的基于火焰的燃烧器系统典型地使用其氧化剂作为衬里的冷却剂，因为它绕过主反应区而通过稀释孔洞被添加。衬里典型地是薄金属外壳，其将燃烧区与穿过衬里孔洞以稀释燃烧气体的稀释空气分开。如果氧化剂太热而不再起作用来冷却衬里，因此金属不适用于衬里构造，并且衬里的几何形状典型地太复杂，以致无法在此类系统中用陶瓷制造。
[0046]
相比之下，本发明的燃烧器与典型的无焰燃烧器的不同之处在于，它具有更高的速度并且不需要催化剂或燃料和氧化剂的预混合，并且不需要燃烧气体在燃烧器内部或外部的再循环。可以在无需燃烧气体再循环以降低反应区中氧化剂的浓度的情况下实现无焰燃烧的条件。燃料流和氧化剂流两者的速度都足够高而形成drz，并且燃料分布管线的布置消除了在燃烧区后将反应的气体混合的要求。
[0047]
可选地，如图6所描绘的，可以通过在燃烧器空隙中包括“驼峰”来增大燃料与空气的混合。图6以极大简化的形式描绘了燃烧室，其中示出了空气流方向102。燃料注入器所布置在的平面被描绘为线104。可以看到，驼峰106位于燃料注入平面之后，但实际上位于燃烧区108之前。驼峰106具有收缩燃烧室的截面积的作用，从而加速了空气和燃料流经燃烧室，并通过增强流动湍流来迫使燃料与空气进行额外混合。这加速了所注入燃料的分布，从而进一步防止高燃料富集区的形成。这也使空气-燃料流不稳定，从而不能形成稳定的火焰。驼峰逐渐消失，以使该流适当扩散，从而降低压降。
[0048]
上文和下文描述类型的燃烧器由于多个不同的因素将实现减少的no
x
和co的形成。氧化剂与燃料的优良混合降低了燃烧的流体中的热区趋势，从而将减少no
x
的热形成。(这允许使用高温氧化剂。)另外，优良的混合和无焰燃烧不产生特定的燃料富集位置，从而使co的形成少并且no
x
的迅速形成少。由于燃烧器不需要冷却流体，因此可以使用回热空气作为氧化剂，这意味着可以选择afr比率来提供期望的最终温度。这还通过提供足够的氧气进行完全、快速的氧化而减少了no
x
的迅速形成和co的形成。
[0049]
由于燃烧器操作期间的流体和燃烧温度取决于燃料注入器的位置和几何形状，因此可以针对特定应用来生产定制燃烧器，基于燃烧室的几何形状和燃烧器的既定目的来选择燃料注入器的布置，使得在操作条件下流体和燃烧温度可以被优化。通过这种方式，即使有回热空气，也可以通过提供近似轴向平滑的热分布来控制流体温度。有利的是，这意味着流体温度可能被保持成远低于典型的no
x
形成温度。燃烧温度的控制和回热空气的使用意味着可以将流体的温度保持足够高，从而使co快速氧化。
[0050]
因此，在优选的条件下燃烧室中的峰值流体温度和平均流体温度可以在燃烧器操作期间维持在最佳范围内，在该范围内，温度足够低以避免no
x
形成(<～1500℃)并且高到足以确保快速co氧化(>～800℃)。
[0051]
可选地，燃烧器可以具有单独的腔室，以便以较低的速度开始常规燃烧。这将在启动过程期间开始燃烧，否则起初不提供预加热的空气。可选地，可以在启动过程期间通过本领域技术人员熟知的适合的电加热器、例如使用碳化硅加热元件来将空气预加热。
[0052]
该燃烧器能够以相同的基本几何构造来使用具有多种多样热值的多种燃料，其中
燃料入口管的尺寸具有微小变化。可以利用液体燃料和气体燃料两者，包括但不限于氢气、生物甲烷、其他沼气混合物、垃圾填埋气、天然气、煤油和石油混合物，例如汽车石油(汽油)。
[0053]
根据本发明的用于将燃料递送至燃烧器的管道(比如燃料管线、燃料入口管道和燃料注入管道)可以优选地由不锈钢管制成，因为不需要特别复杂的几何形状。根据本发明的燃烧器能够应对极高的温度和高速氧化剂(在入口处超过800℃和50m/s)。
[0054]
在附图中描绘了本发明的示例。所展示的具体示例旨在用作气体涡轮机循环的一部分。图1描绘了燃烧器系统的透视图。外壳8容纳了燃烧室2。在所描绘的实施例中，外壳8包括多层隔热材料，这些隔热材料被选择用来隔热和容纳温度，其中最外层是金属；所选择的特定材料和尺寸是基于穿过该层的特定温度梯度，从而使外壳显示出期望的表面温度。用于隔热的材料可以是但不限于微孔、可浇铸耐火材料、堇青石、结构硅酸钙和陶瓷纤维产品。在操作中氧化剂流向的出口6是可见的；而入口在相反侧。燃料管线12沿着外壳8在平行于燃烧室2的纵向轴线的方向上延伸。燃料入口管道14从燃料管线12沿垂直于它们的方向延伸。燃料注入管道16从燃料入口管道14沿垂直于它们和燃料管线12、并且与燃烧室2相交的方向延伸。
[0055]
图2仅描绘了同一燃烧器系统的燃料管道，以更好地展示它们的布置。从该图将清楚的是，燃料注入管道16从一个燃料入口管道14延伸到燃烧室的相反侧上的对应燃料入口管道。燃料注入管道16还具有燃料注入器18。它们面向出口6定向。
[0056]
图3描绘了燃料管道，其视图的取向为使得当燃烧器在使用中时氧化剂的流动方向朝着观察者穿出页面外。如图2所见，每对燃料入口管道14具有将其连接的六个燃料注入管道16，并且燃料注入管道16在燃料入口管道14的延伸方向上错开，并且注入器18在燃料注入管道16上错开，以确保尽可能均匀地分布注入器18。显然，虽然所描绘的示例对于每个燃料注入管道16具有两个注入器18，但是它们可以具有少至一个或多至与燃烧室2的几何形状所要求的一样多的注入器18。
[0057]
图4描绘了沿与图3相同方向定向的燃烧器系统，以示出注入器18在燃烧室2内是如何布置的。
[0058]
虽然出于阐释本发明的目的，附图仅示出了从燃料管线12延伸的两对燃料入口管道14(具有相关联的燃料注入管道16)，但是应了解的是，出于本发明的目的，可以沿燃料管线12的长度纳入额外的对，优选地与在整个燃烧室2中产生一致的空燃比所需的数量一样多。
[0059]
图5描绘了根据本发明的燃烧器的测试结果。输入燃烧室中的热流由燃烧炉提供，并富集了21％的氧气，而不是使用周围的新鲜空气；因此，入口处存在一定水平的no
x
。所描绘的结果示出了燃烧器的入口与出口之间的co含量和no
x
含量(被定义为以ppm为单位的no、no2和n2o的总含量)的ppm差异。在气体进入无焰燃烧器之前和气体离开无焰燃烧器之后，使用傅立叶变换红外光谱仪读数(ftir光谱法)进行测量。可以看到，燃烧器增加了最低水平的这些废气；少于3ppm的no
x
、少于2ppm的co，并且实际上在某些测试轮次中，co显著减少(由于与测量值中的不确定度相比，co的水平非常小)。
[0060]
与法规要求和现有技术解决方案相比，这种极低水平的co和no
x
排放非常有利。截至2005年us epa条例要求天然气燃烧炉必须具有30ppm或更低的no
x
产生水平，并且燃气涡
轮机燃烧器如果以低于50mw的产能运转则必须达到小于25ppm的no
x
产生。在行业内，实现小于15ppm的no
x
或30ppm的co被认为在推广燃烧器系统方面是值得吹捧的。显然，本发明产生极低水平的这些物质构成了主要的技术贡献。
[0061]
可选地，根据本发明的燃烧器可以是再生涡轮机循环的一部分，该再生涡轮机循环可以涉及用于流入空气的压缩机、用于将热从涡轮机排气传递到压缩空气的旋转再生器或热交换换热器、本文中描述的用于将压缩空气的温度升高到期望的涡轮机入口条件的燃烧器、以及从高温压缩空气中提取功的涡轮机。旋转再生器或热交换换热器将空气递送至处于高于燃料的自燃温度的温度下的本文描述的燃烧器，同时在整个单元中表现出低的压力(和转移)损失，并且因此需要是高温、高效率的热量交换器。该涡轮机接受来自燃烧器的高温空气，并且因此必须由合适的材料制成以应对高温流入空气，这样的涡轮机基于材料规格可能需要相对低的转速。用于流入空气的压缩机可以是能够通过涡轮机进行轴驱动的高效压缩机，并且因此能够以低转速来压缩空气。与其他微型涡轮机循环相比，包括燃烧器的这种循环能够具有高效率。

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