CN101910723A - 用于在预混燃烧器中燃烧氢气的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃烧含氢或者由氢气组成的燃料的设备，所述设备包括燃烧器，所述燃烧器具有涡流发生器(1)、用于供给燃料的装置以及用于将燃烧空气(L)供给到涡流发生器(1)中的装置，其中沿燃烧器轴线(A)设有用于供给液体燃料的第一装置(3)，并且沿由所述涡流发生器(1)切向地限定的进气狭缝(4)设有用于供给液体燃料或者气体燃料的第二装置。所述设备还包括在下游处与所述涡流发生器(1)相连的过渡段(6)以及在下游处与所述过渡段(6)相连并且以可变流动横截面过渡的方式通向燃烧室(B)中的混合管(8)。本发明的特征在于，沿所述过渡段(6)设有用于供给含氢或者由氢气组成的燃料的第三装置(9)以及用于选择性地供给含氢或者由氢气组成的燃料或者气体燃料的第四装置(10)。

Description

用于在预混燃烧器中燃烧氢气的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于利用一种或多种燃料运行的预混燃烧系统的燃烧器。本发明还涉及一种用于运行所述燃烧器的方法。

背景技术

由于几乎全世界的目标都是关于减少大气中的温室气体，至少在所谓的京都议定书中确定，预期2010年的温室气体的排放量将被减少到与1990年相同的水平。为了实施该计划，特别是，需要更加努力地减少人为原因引起的CO₂的排放。由人类排放到大气中的CO₂的大约三分之一被回收以用于发电，其中大多数情况下，在电厂中燃烧化石燃料用于发电。特别是，由于应用了现代化的技术以及由于附加的政策性框架条件，在电力生产方面中，可以看到显著的节约潜能，以避免进一步增加CO₂的排放。

一种在燃烧站中减少CO₂排放的自身已知并且技术上可控的方法在于从燃料中析取碳氢化合物，在将燃料引入到燃烧室中之前获得所述碳氢化合物，以用于燃烧。这需要相应的燃料预处理，例如利用氧气来部分地氧化燃料和/或利用蒸汽预处理燃料。按所述方式预先处理过的燃料在大多数情况下具有大部分的H₂和CO，并且取决于混合比，发热值通常在原始天然气的发热值以下。取决于其发热值，按所述方式合成生产的气体被认为是中等热值(MBTU)或者低热值(LBTU)的燃气，其不能很容易地适用于传统燃烧器中，所述传统燃烧器被设计成燃烧气体，例如可以从EP 032 1809 B1、EP 0 780 629 A2、WO 93/17279以及EP 1 070 915 A1中获得的天然气。所述公开文献全部形成本说明书的整体元素。在前述所有公开文献中，描述了燃料预混型燃烧器，其中在任何情况下产生由燃烧空气和混合燃料组成的涡流，其在流动方向上呈圆锥形地变宽，在从燃烧器中排出之后，并且在尽可能地获得均匀的空气燃料混合物之后，所述涡流由于增加了涡旋而在流动方向上变得不稳定并且变成中心具有回流的环形涡流。纯粹地根据所述设备，还存在提供圆柱形或者几乎圆柱形管的可能性，在所述管中，空气通过纵向狭缝流入管内部，其中为了使预定的预混合最佳化，借助于呈圆锥形延伸的内本体为所需的空气漩涡形成提供在合适点处喷射的燃料，其中该内本体导致在流动方向上的圆锥形渐变，例如从EP-0 777081 A1中所得到的结果。此外，该类结构形成本说明书的整体元素。

取决于燃烧器的原理以及取决于燃烧器的容量，供给在预混燃烧器内部形成的液体和/或气体燃料的涡流，以用于形成尽可能均匀的燃料-空气混合物。然而，正如前面提到的那样，如果需要使用合成处理过的气体燃料来替代传统类型燃料或者与传统类型燃料的燃烧相结合，以减少污染物的排放，特别是CO₂的排放，则产生了对传统预混燃烧器系统的结构设计的特殊要求。因此，与利用天然气运行的相应燃烧器相比，将合成气引入燃烧器系统中需要多倍的燃料体积流量，以便获得显著不同的流量脉冲比的结果。因为合成气中氢气的高份量以及相应的氢气的低点火温度和高火焰速度，存在燃料的高反应趋向，其导致反闪风险的增加。为了避免这一点，需要尽可能地减少燃烧器内的可燃燃料-空气混合物的平均停留时间。

在WO 2006/058843 A1中描述了一种用于燃烧气体燃料、液体燃料以及含氢或者由氢气组成的燃料(随后称为合成气)的方法以及燃烧器。在该情况下，根据EP 0 780 629 A2，使用在下游连接有混合段的双锥燃烧器，其在图2a和b中以纵向剖视图示意性地示出。预混燃烧器装置设有呈圆锥形变宽的涡流发生器1，所述涡流发生器1由涡流壳2限定。提供了用于围绕涡流发生器1的中心轴线A轴向地以及同轴地供给燃料的装置。这样，液体燃料B_f1借助于喷嘴3到达涡流室，所述喷嘴3在涡流发生器1的最小内径的位置处沿燃烧器轴线A定位。沿切向进气狭缝4，气体燃料B_g、优选天然气与燃烧空气L混合，其中燃烧空气L通过所述进气狭缝4沿切向流动方向进入涡流室中。另外设置喷射装置5(参见图2b)，所述喷射装置5起到进一步供给含氢合成气B_H2的作用。

借助于过渡段6，在涡流发生器1内部形成的燃料-空气混合物在可燃燃料-空气混合物在燃烧室B内被点燃之前以涡流形式到达混合管8中，其中在所述过渡段6中设有稳定涡流的流动装置7，沿所述混合管8对所形成的燃料-空气混合物进行完全均匀的混合，所述燃烧室在下游处与混合管8相连。由于从混合管8到燃烧室B的过渡的流动横截面的变化增大，混合后的燃料-空气混合物的涡流中止或被破坏，形成呈回流泡RB形式的回流区域，其中建立了空间上稳定的火焰前缘。

在混合管8的区域中，图2a示出了涡流的轴向流动速度分布，其沿混合管8轴向地传播。其示出，流动速度在靠近轴线处最大，并且一般超出混合管壁区域中的速度水平的三到四倍。在不进一步采取措施的情况下，这导致在靠近壁处形成旋涡层，其中在静止的旋涡内可能聚集过量的燃料浓度，其又在混合管区域中引起反闪。也存在以下事实，即与前面引用的公开文献的情况一样，轴向或者同轴地供给含氢合成气在靠近轴线处产生上升的温度分布，其最终局部地增加了氮氧化物的排放值。

发明内容

本发明基于开发一种用于燃烧含氢或者由氢气组成的燃料的设备的目的，其具有先前所涉及类型的燃烧器，具有权利要求1的前序部分的特征，其中关于减少的氮氧化物的排放值、但是特别是还关于显著降低的反闪风险获得改进的燃烧结果。特别是，可以使预混燃烧器达到高效燃烧器运行，其能够燃烧天然气、原油和合成气，即含氢或者由氢气组成的燃料。

权利要求1和9中公开了实现本发明的目的的技术方案。有利地发展本发明的创造性构思的特征是从属权利要求的主题并且可从参考示例性实施例的进一步描述中获得。应当特别注意的事实是，所有权利要求的内容计入说明书所公开的全部内容中。

根据所述技术方案，具有权利要求1的前序部分的特征的用于燃烧含氢或者由氢气组成的燃料(随后称为合成气)的设备的特征在于，沿所述过渡段设有用于供给合成气的第三装置以及用于选择性地供给合成气或气体燃料(优选呈天然气的形式)的第四装置。

通过沿涡流发生器和混合管之间的过渡段提供两种独立供给合成气和天然气的可能性，为利用不同的燃料和混合燃料运行的预混燃烧器自身已知的燃烧器原理开拓出了非常高的灵活性或适应性。可以尤其或不止于依据燃烧器的负载按分段方式利用不同的燃料供给来独立运行按所述技术方案的方式改进的预混燃烧器，其中以特别有利的方式，可以有利地借助于沿过渡段的直接供给利用燃烧合成气固有的临界特性。这样，在过渡段区域中尽可能靠近壁地供给合成气有助于在靠近壁处、特别是在混合管的区域中增大流动速度分布，并且有助于使沿图2a中所示的燃烧器轴线的流动速度的显著增大确定地平坦化，结果是，在靠近壁处有利地产生较小的涡流形成，并且减小了与其有关的反闪风险。另外，与在燃烧器内轴向传播的涡流相比轻得多的合成气能够沿径向内部流动区域更容易地混合，以便在进入在下游处与混合管相连的燃烧室中之前，可以形成完全混合的燃料-空气混合物。作为比涡流内的空气部分轻的合成气的离心力辅助混合的结果，可以仅仅以很小的径向进入角将合成气供给至在燃烧器内轴向传播的涡流中，并且在此过程中不会显著地损害或者刺激(干扰)涡流的流动特性。

同样，需要实施过渡段内的天然气的供给，即，来自设置用于将天然气供给至过渡段的区域中的排出口的流动方向和流动脉冲适应于形成在燃烧器内的涡流的局部流动状态，而在此过程中不过度地刺激所述流动状态。因此，还利用相对于燃烧器轴线的径向分量来供给天然气，以便维持所述供给的天然气与轴向地传播的涡流的混合，所述混合是有效的并且尽可能均匀。

基于与密度、发热值特征和点火特性有关的不同物理性能，使排出以合成气(即，氢气)为特征的燃料的排出口的尺寸设计为比通常在过渡段区域中排出天然气的排出口大。此外，按照尽可能快和高效地混合并且同时考虑到在燃烧器内传播的涡流的尽可能微小的刺激来分别设定径向分量，其中在过渡段区域中利用所述径向分量将相应的燃料引入到燃烧器内。针对尽可能小的涡流的流动刺激，选择合成气的燃料输送方向和燃烧器轴线所确定的径向角，以使其大于在过渡段的区域中排出天然气的径向角，特别是当天然气具有更高的流动脉冲并且能够更显著地损害涡流时。

优选实施例的变型在任何情况下设置排出口，所述排出口按成圆形均匀分布的方式设置在过渡段中，合成气通过所述排出口被排出到燃烧器内。所有排出口与一公共贮存空间相连，所述贮存空间优选以圆形方式包围过渡段并且通过供应管线充以合成气。独立于此，还沿过渡段设置多个排出口，所述排出口按类似方式成圆形地均匀分布，通过所述排出口传送气体燃料，优选为天然气。此外，在任何情况下，第二组排出口与通过独立或分离的供应管线供给天然气的标准化贮存空间相连。沿相应的供应管线，优选设置节流阀，可以通过所述节流阀计量和控制通过相应的排出口供给的相应燃料。

特别优选的实施例沿供应管线设置三通阀，其中通过所述供应管线在正常情况下供给天然气，所述三通阀能够交替地供给天然气或者合成气。借助于所述三通阀，因此能够通过设置在所述过渡段内的所有排出口排出合成气。

为了避免相应的燃料供给相互不可忍受地影响、例如天然气侵入排出合成气的排出口的区域中，或者反之，在混合运行的情况下，即，在同时供给合成气和天然气的情况下，以成圆形地(或沿圆形)彼此偏置的方式设置相应燃料类型的排出口。排放天然气的排出口可以优选设置在排放合成气的排出口的下游。将从参照示例性实施例的进一步说明中获得有关根据所述技术方案形成的过渡段的布置和设计的更多细节。

附图说明

以下基于参照附图的示例性实施例示例性地描述发明，而不作为对总的发明思想的限制。附图中：

图1示出了通过根据所述技术方案形成的预混燃烧器的纵剖面，

图2a、b示出了通过根据现有技术的预混燃烧器的纵剖面，

图3示出了通过根据所述技术方案形成的预混燃烧器的过渡段的横截面，以及

图4和5示出了通过处于不同运行模式的根据所述技术方案形成的预混燃烧器的纵向剖视图。

具体实施方式

在图1中，以纵向剖视图示出了根据本发明的技术方案形成的预混燃烧器装置。关于已经参照图2a和b描绘的预混燃烧器装置的部件，特别参考图1中示出的标记与图2a和b中的标记相同的事实，以避免重复。根据所述技术方案，在过渡段6的区域中设有两个独立或分离的装置9、10，以用于将燃料供给到与过渡段6相连并且被混合管8包围的混合段的区域中。因此，装置9具有多个排出口9’，所述多个排出口9’成圆形地均匀分布在过渡段6内，并且所有排出口9’通过各供给通道与贮存空间9”相连，所述贮存空间9”从外周包围过渡段6并且进而通过供应管线9”’供应含氢或者由氢气组成的燃料B_H2。与此独立地，装置10也具有排出口10’，所述排出口10’成圆形地均匀分布在过渡段6内并且通过连接通道与贮存空间10”相连，所述贮存空间10”也从外周包围过渡段6并且通过供应管线10”’优选供应天然气B_EG。

从根据图2的纵向剖视图中显而易见，用于输送合成气的排出口9’的尺寸比输送天然气的排出口10’的尺寸大。沿着各供应管线9”’和10”’设置相应的节流阀(未示出)，通过所述节流阀可以分别调节燃料的供给。

与仅用于呈现预混燃烧器装置的大致示意图的图2中所示的纵向剖视图相对照，排出口9’和10’以成圆形地彼此偏置的方式布置，以便消除对燃料引入的负面的相互影响。因此，必须避免天然气引入到排放合成气的开口9’中，反之亦然。将天然气排出口10’设置在输送合成气的排出口9’的下游也是可取的。

根据图3中所示的通过过渡段6的横截面视图，可以了解，可通过相应的排出口9’、10’彼此独立地以相应的径向分量将天然气和合成气供给到涡流D中。燃料的输送与燃料排出的空间调节以及排出燃料的流动速度相关地进行，并考虑尽可能最小的涡流D的扰动以及尽可能最佳的排出燃料与涡流的混合。在图3中，过渡段6被充有合成气B_H2的贮存空间9”所包围。在过程中基本上不刺激涡流D的流动特性的情况下，合成气B_H2通过穿过过渡段6的供给通道9””到达涡流D的区域。

为了更好地理解，在根据图3的横截面视图中也同样绘出了用于供给天然气的供给通道10””。各通道的配置图解出在不影响和妨碍其他相应的燃料种类的情况下供给相应的燃料种类。这样，例如，即使在没有合成气排出的情况下，也可以排除所引入的天然气能够到达供给通道9””的情况。在该情况下，主要关心的是避免或者降低空的燃料管线燃烧的风险和过热的风险。

在图4中，示出了通过根据所述技术方案形成的预混燃烧器的纵向剖视图，其中仅通过排出口10’供给天然气。可以假定，节流单元被关闭，所述节流单元没有另外示出并且沿供应管线9”’设置。相反，根据图5描绘的附图中示出了一种运行模式，其中合成气通过排出口9’和10’被供给到涡流中。在该情况下，沿供应管线10”’设置三通阀(未示出)，通过所述三通阀可以为贮存空间10’交替地填充天然气或者合成气。在图5的情况下，因此，贮存空间10’也被充以合成气，以使双重合成气与形成在燃烧器装置内的涡流混合。

参见可从图4和5中了解的分别供给燃料B_H2以及B_EG的流动区域，很明显，所输送的燃料既不紧贴过渡段的内壁或紧接着位于相应供给点的下游的混合管的内壁，也不聚积在沿燃烧器轴线A的中心处。因此，在任何情况下，燃料以足够的径向分量被引入到轴向传播的涡流内，一方面，以便尽可能少地刺激涡流，另一方面，以避免直接的壁接触。如可以从图4和5中了解到，横穿整个流动横截面的引入合成气或者相应的天然气的混合刚好在从混合管过渡进入燃烧室中之前实现。

根据所述技术方案的措施有助于使燃烧器装置具有以下优点：

在过渡段区域内的合成气的分阶段(或分级)供给的运行模式开辟了关于排放和出现的燃烧室脉动以及反闪特性的优化来调节两种设置之间的燃料比的可能性，所述运行模式为控制沿过渡段设置的两个燃料供给装置并且以计量方式供给合成气的情况。

根据所述技术方案的措施，基于其高度的集成能力，通过使用于供给天然气的装置除了使用所述装置供给天然气之外还能用于拓展地供给合成气，解决了一直存在于燃烧器结构中的空间问题。

通过根据本发明的措施可以显著降低反闪的风险，特别是通过燃料进口特性的相应调节，可以避免燃料在靠近壁和沿燃烧器轴线处的聚积。

由于沿壁区域高流速地供给合成气，也可以降低反闪的风险。

另外，沿过渡段供给合成气有助于减少氮氧化物的排放，特别是由于合成气的较轻重量，合成气抵抗作用在涡流中的离心力相对快速地沿整个流动横截面均匀地分布。

由于过渡段形成为简单和坚固的部件，可以容易和简单地实现其中的燃料供给通道以及与其相连的燃料贮存器。

根据所述技术方案的燃烧器装置提供了在利用不同的燃料种类及其组合运行燃烧器方面的最大灵活性或可变性。

由于各个排出口沿过渡段的精巧配置，可以省去利用空气来相应地清洗排出口。

由于沿过渡段供给天然气和/或合成气，尤其是氢气在燃烧器内的停留时间更短。由此，可以更可靠地运行燃烧器并且因此显著降低反闪的风险。

附图标记列表

1         涡流发生器

2         涡流锥壳

3         喷嘴

4         进气狭缝

5         合成气供给

6         过渡段

7         流动引导装置

8         混合管

9         供给合成气的装置

9’       排出口

9”       合成气贮存器

9”’     供应管线

9””     供给通道

10        供给天然气的装置

10’      排出口

10”      天然气贮存器

10”’    天然气供应管线

10””    供给通道

A         燃烧器轴线

B         燃烧室

RB        回流泡、回流区域

B_EG       天然气

B_H2       合成气

B_g        气体燃料

B_fl       液体燃料

D         涡流

L         燃烧空气

Claims (12)

1.一种用于利用一种或多种燃料运行预混燃烧系统的燃烧器，其中所述燃烧器在头部侧设有涡流发生器(1)，并且还具有用于供给燃料的装置和用于将燃烧空气(L)引入所述涡流发生器(1)中的装置，其中沿燃烧器轴线(A)设有用于供给液体燃料(B_fl)和/或气体燃料(B_g)的第一装置(3)，并且沿由所述涡流发生器(1)切向地限定的进气狭缝(4)设有用于供给液体燃料(B_fl)和/或气体燃料(B_g)的第二装置，其中在所述涡流发生器(1)的下游，所述燃烧器具有直接或紧接着连接的过渡段(6)以及在下游处与所述过渡段(6)相连的混合管(8)，其中所述混合管(8)以可变流动横截面过渡的方式通向燃烧室(B)，其特征在于，沿所述过渡段(6)和/或在该过渡段(6)的下游设有用于供给含氢或者由氢气组成的燃料的第三装置(9)以及用于供给含氢或者由氢气组成的燃料和/或其他气体燃料的第四装置(10)。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第三装置(9)设有多个独立的排出口(9’)，所述排出口(9’)以成圆形地均匀分布的方式设置在所述过渡段(6)中，含氢或者由氢气组成的燃料可从所述排出口供给，以及

所述第四装置(10)设有多个独立的排出口(10’)，所述排出口(10’)以成圆形地均匀分布的方式设置在所述过渡段(6)中，含氢或由氢气组成的燃料或者气体燃料可以选择性地从所述排出口供给。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在任何情况下，可以通过至少一个供应管线(9”’、10”’)为所述第三和第四装置(9、10)彼此独立地供应相应的燃料。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，沿为所述第四装置(10)供应燃料的至少一个供应管线(10”’)设置三通阀，用于供给含氢或者由氢气组成的燃料的供应管线和用于供给气体燃料的供应管线均与所述三通阀相连。

5.如权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述第三装置(9)的排出口(9’)提供比所述第四装置(10)的排出口(10’)更大的开口宽度。

6.如权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述气体燃料是天然气。

7.如权利要求1至6之一所述的设备，其特征在于，所述第四装置(10)的排出口(10’)在所述第三装置(9)的排出口(9’)的下游处沿所述过渡段(6)设置。

8.如权利要求1至7之一所述的设备，其特征在于，相对于所述第三装置(9)的排出口(9’)沿所述过渡段(6)设置和定向所述第四装置(10)的排出口(10’)，以使得不会发生从所述第四装置(10)中排出的燃料导致所述第三装置(9)的排出口(9’)溢流的情况。

9.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述涡流发生器(1)包括至少两个中空部分锥壳，所述至少两个中空部分锥壳在流动方向上彼此嵌套，从而形成一本体，由所述中空部分锥壳所形成的内部空间的横截面在所述流动方向上增大，这些部分锥壳各自的纵向对称轴线以彼此偏置的方式延伸，以使得所述部分锥壳的相邻壁在其纵向长度上形成切向狭缝或者通道，以用于使燃烧空气流入由所述部分锥壳所形成的内部空间中。

10.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述涡流发生器包括至少两个中空部分壳，所述至少两个中空部分壳在流动方向上彼此嵌套，从而形成一本体，由所述中空部分壳所形成的内部空间的横截面在所述流动方向上以圆柱形或大体圆柱形的方式延伸，这些部分壳各自的纵向对称轴线以彼此偏置的方式延伸，以使得所述部分壳的相邻壁在其纵向长度上形成切向狭缝或者通道，以用于使燃烧空气流入由所述部分壳所形成的内部空间中，并且所述内部空间具有内本体，所述内本体的横截面在流动方向上减小。

11.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述内本体以圆锥形或大体圆锥形的方式在流动方向上延伸。

12.一种用于利用一种或多种燃料运行预混燃烧系统的燃烧器的方法，其中所述燃烧器在头部侧设有涡流发生器(1)，并具有用于供给燃料的装置以及用于将燃烧空气(L)引入所述涡流发生器(1)中的装置，其中第一装置(3)确保沿燃烧器轴线(A)供给液体燃料(B_f1)和/或气体燃料(B_g)，并且第二装置确保沿由所述涡流发生器(1)切向地限定的进气狭缝(4)供给液体燃料(B_f1)和/或气体燃料(B_g)，其中在所述涡流发生器(1)的下游，所述燃烧器设有直接或紧接着连接的过渡段(6)以及在下游处与所述过渡段(6)相连的混合管(8)，其中所述混合管(8)以可变流动横截面过渡的方式通向燃烧室(B)，在所述燃烧室(B)中形成回流区域(RB)，其特征在于，沿所述过渡段(6)和/或在该过渡段(6)的下游，第三装置(9)用于供给含氢或者由氢气组成的燃料，以及第四装置(10)用于供给含氢或者由氢气组成的燃料和/或其他气体燃料。

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