流內(nèi)燃燒器模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空氣流中的燃燒器模塊(1)，該燃燒器模塊包括：供給管(2)，具有大致圓形截面且具有軸線；燃料噴射孔口(20)，位于供給管上且旨在產(chǎn)生火焰；氧化劑噴射孔口(34)及翼片(3)，布置為在燃燒器模塊上游相對于燃料流動平面P對稱并且在供給管(2)上沿橫向布置在燃料噴射孔口(20)的每一側(cè)上；其中：在供給管(2)的截面中具有至少兩個燃料噴射孔口(20)，并且這些燃料噴射孔口具有與氧化劑的流動平面P成角度α的軸線。以此方式，氣體在位于至少兩個分開平面中的多個孔口處噴射。這兩個平面界定一空間，該空間沒有燃料供應(yīng)且沒有氧化劑供應(yīng)，由此促使燃燒氣體在火焰內(nèi)的內(nèi)部再循環(huán)并且將大部分燃燒后的氣體帶向中央。
【專利說明】流內(nèi)燃燒器模塊
[0001]本發(fā)明涉及一種氣流中的燃燒器，該燃燒器用于直接加熱空氣或者來自渦輪機或發(fā)動機的燃燒氣體，并且更具體地，涉及涉及一種流內(nèi)燃燒器模塊(in-stream burnermodule)，流內(nèi)燃燒器模塊并排布置在歧管上形成流內(nèi)燃燒器。該類型的燃燒器使用氧濃度(濕煙霧中的)低于周圍空氣、溫度高于周圍溫度并且通常離開燃燒器的速度相對低的渦輪機廢氣(TEG)或發(fā)動機廢氣作為氧化劑，并且使用天然氣、頁巖氣、油氣或來自工業(yè)過程的氣體作為燃料。
[0002]近幾年，燃氣輪機(gas turbine)和回收鍋爐(recovery boiler)已朝向提高聯(lián)合循環(huán)的能量效率的方向發(fā)展。因此，渦輪機廢氣(TEG)的特征在于濕煙霧中的氧濃度較低(在9%到13%之間)并且具有更可變且更高的溫度(在350°C到700°C之間)。
[0003]此外，蒸汽生產(chǎn)循環(huán)的發(fā)展在燃燒器在第一交換器階段的下游側(cè)上的定位之后，這帶來了兩種結(jié)果:
[0004]-增大了燃燒器布局中的線槽(trunking)的區(qū)段并且因此降低了該區(qū)段中的渦輪機氣體的速度;在大多數(shù)情況下，為了燃燒器的正確操作(火焰穩(wěn)定性)，這使得通過添加昂貴擋板來提高局部速度成為必要，以及
[0005]-將渦輪機氣體的初始溫度降至3500C到550 °C之間(包含350 °C和550 °C)的溫度。
[0006]所有這些參數(shù)的發(fā)展使得用于良好燃燒的條件更困難，并且更具體地，使火焰穩(wěn)定性和一氧化碳(CO)排放的控制更困難。
[0007]另一方面，由于在使非常昂貴的線槽的長度最小化的同時，控制火焰的長度可以控制下游溫度分布，所以控制火焰長度是主要因素(mainstake)。
[0008]已知的流內(nèi)燃燒器沒有提供對于在這些困難條件下顯著地以低的TEG速度控制一氧化碳(CO)排放和火焰穩(wěn)定性所必需的混合和局部壓力降低。
[0009]本發(fā)明的目的是提出可以解決這些問題且顯著地實現(xiàn)如下的新型燃燒器模塊:
[0010]-具有低O2濃度的火焰穩(wěn)定性，
[0011 ]-具有非常低的CO排放的操作，
[0012]-具有低的TEG速度的操作，能夠降低或者甚至消除擋板，
[0013]-具有高線性功率的操作，
[0014]-具有短火焰的操作。
[0015]這是由于通過新的且優(yōu)化的空氣動力學(xué)增大了燃燒器模塊的TEG/氣體混合物的速度和局部壓力降低的面積的新的布置。
[0016]因此，根據(jù)本發(fā)明的空氣流中的燃燒器模塊包括:供給管，供給管大致為圓形截面且具有軸線;燃料噴射孔口，位于供給管上且旨在產(chǎn)生火焰;氧化劑噴射孔口及翼片或蓋，形成所謂的模塊或阻擋結(jié)構(gòu)并布置為在燃燒器模塊的上游相對于燃料流動平面P對稱并且在供給管上橫向布置在燃料噴射孔口的每一側(cè)上，其中，在管的截面中存在至少兩個燃料噴射孔口，并且燃料噴射孔口具有與燃料流動平面P成角度α的軸線。因此，氣體在位于至少兩個分開平面中的多個孔口處噴射。這兩個平面界定沒有燃料輸入且沒有氧化劑輸入的空間，該空間促使燃燒氣體在火焰內(nèi)的內(nèi)部再循環(huán)并且將大部分燃燒氣體帶向中央。相比并流流動，這還可以使得氣體與TEG更快速混合。該成角度噴射以及同時引起的再循環(huán)實現(xiàn)了火焰穩(wěn)定性、短火焰并且通過增加停留時間實現(xiàn)了 CO的重新燃燒?？梢陨a(chǎn)包括多個燃燒器模塊或具有這些特征的塊的燃燒器。
[0017]有利地，角度α在10°到30°之間(包含10°和30°)。
[0018]根據(jù)一個【具體實施方式】，噴射孔口在平面P的每一側(cè)上具有不同尺寸的截面。因此，相同模塊的氣體噴射孔口布置為相對于流動平面P對稱并且可具有截面，并且因此在頂部與底部(如果平面P是水平的)之間具有不同的氣體流動速率。
[0019]根據(jù)一個具體特征，兩個燃料噴射孔口具有與管的軸線相交的軸線。
[0020]根據(jù)另一特征，至少兩個另外的次級燃料噴射孔口與燃料流動平面成角度ξ，并且角度ξ大于角度α。這使得有利于再循環(huán)并且實現(xiàn)最佳燃料/氧化劑比值的TEG的可能交替到來。
[0021 ]有利地，成角度ξ的次級燃料噴射孔口的截面為燃料噴射孔口的總截面的5 %到20%。具有5%到20%的交替比率的氣體的交替噴射實現(xiàn)了非常低的NOx排放(低NOx操作)。在燃料孔口的噴射平面與翼片之間實現(xiàn)了互補噴射。
[0022]根據(jù)一個具體布置，本發(fā)明包括翼片，翼片與燃料流動平面成角度β，使得角度β在2α與3α之間(包含2α和3α)。這導(dǎo)致保護火焰的張開延伸以及與成角度噴射的內(nèi)部再循環(huán)相關(guān)聯(lián)的大模塊(塊)尺寸。這可以維持限制CO的形成的熱區(qū)。因此，即使在具有低TEG速度的操作的過程中，也能形成高穩(wěn)定性局部壓力降低。同時，使得蓋的角度等于氣體的噴射角度的兩倍到三倍可以形成正確引入TEG以及使TEG與燃燒區(qū)中的氣體噴流的混合以及主旋渦的發(fā)展所需要的空間。
[0023]有利地，翼片具有包括氧化劑噴射開口的截面。TEG交替的到達有利于再循環(huán)并且實現(xiàn)最佳燃料/氧化劑比率，并且由于開口實現(xiàn)了 TEG交替的到達，該開口優(yōu)選地是狹槽的形式，并且以這樣的方式確定該開口的數(shù)量和截面，即，產(chǎn)生化學(xué)計量的(stoich1metric，理想配比的)低的空氣流動速率的％ (大約5%到25% )。
[0024]根據(jù)一個具體特征，開口的截面在翼片的截面的3%到15%之間(包含3%和15%)。這些開口的流動截面可根據(jù)TEG氧氣和速度特征而改變。
[0025]根據(jù)另一具體特征，開口具有平面P的每一側(cè)處的不同尺寸的截面。因此，這些開口的截面以及由此通過它們的TEG流動速率可在頂部與底部之間不同。
[0026]根據(jù)另一特征，開口包括與燃料流動平面P成角度Θ的偏轉(zhuǎn)元件。
[0027]有利地，角度Θ大致等于角度α。偏轉(zhuǎn)元件賦予通道開口的角度與氣體的噴射角度大致相同。
[0028]有利地，開口的截面根據(jù)孔口之間的距離而增大，以便優(yōu)化向火焰逐漸引入空氣并且減少CO的形成。
[0029]根據(jù)一個具體特征，本發(fā)明包括布置在管與火焰之間的護罩，所述護罩具有與噴射孔口對齊的孔。在附接護罩的水平處，氣體與氧化劑噴射引起局部預(yù)混合。這加速了 TEG/氣體混合并提高了火焰穩(wěn)定性。位于護罩中的預(yù)混合孔口的截面呈現(xiàn)為氣體出口孔口的截面的15倍到40倍。預(yù)混合孔口的位置與氣體孔口的距離是管道的直徑的0.1倍到0.3倍(包含0.1倍和0.3倍)。
[0030]有利地，孔位于護罩的壁上，該壁相對于噴射孔口的軸線成角度8。這有利于氧化劑通過氣體噴流而被吸入。
[0031 ] 有利地，角度8大致等于90° ο即使低氧氣、低溫度和低TEG速度水平，這也利于局部湍流并且因此利于火焰穩(wěn)定性。
[0032]根據(jù)一個具體特征，燃燒器模塊包括位于燃燒器模塊的外部中的擋板，并且所述擋板具有邊緣，該邊緣具有的角度與位于與管最遠的偏轉(zhuǎn)元件的角度相等且相對。擋板的特定形狀或擋板端部可以產(chǎn)生TEG的圍繞模塊的平行于或幾乎平行于氣體的流動平面的流動，以便通過激冷效應(yīng)(chi 11 ing effect)限制CO的形成。該形狀的特征是在模塊的端部與塊的端部之間對稱。
[0033]有利地，燃燒器模塊在與TEG流動垂直的平面上投射的面積(area)在0.lm2/MW到
0.3m2/Mff之間(包含0.lm2/MW和0.3m2/Mff)。通過模塊投射在與TEG的流動垂直的平面上的面積來限定模塊的尺寸，并且該尺寸對于在9%到14%之間(包含9%和14%)的上游(濕煙霧)氧濃度是特別有利的。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的燃燒方法包括具有上述特性中的至少一個的流內(nèi)燃燒器模塊，使得氧化劑具有低于21 %的氧濃度。
[0035]有利地，在管與護罩之間的空間中實現(xiàn)預(yù)混合。
[0036]本發(fā)明還涉及由具有上述特征的模塊組成的流內(nèi)燃燒器。
[0037]有利地，兩個相鄰模塊交替地具有這樣的噴射孔口，這些噴射孔口在平面P的每一側(cè)上具有不同尺寸的截面。通過使模塊(該模塊的氣體孔口截面在平面P的一側(cè)(例如，底部處)上增大)與模塊(該模塊的氣體孔口截面在平面P的另一側(cè)(例如，頂部處)上增大)交替，由此在與流動平面P垂直且與管道的軸線平行的平面中形成了互補湍流。該互補湍流加速了氣體與TEG的混合并減小了火焰長度。因此，頂部處的孔口與底部處的孔口之間的截面的比值可在0.25到4之間(并且有利地，在0.5到2之間)變化。
[0038]有利地，兩個相鄰模塊在平面P的每一側(cè)上交替具有不同尺寸的開口。通過使模塊(該模塊的氣體孔□截面在平面P的一側(cè)(例如，底部處)上增大)與模塊(該模塊的氣體孔口截面在平面P的另一側(cè)(例如，頂部處)上增大)交替，由此在與流動平面P垂直且與管道的軸的線平行的平面中形成互補湍流。該互補湍流加速了氣體與TEG的混合并減小火焰長度。因此，頂部處的孔口與底部處的孔口之間的截面的比值可在0.25到4之間(并且有利地，在0.5至Ij 2之間)變化。
[0039]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀由【附圖說明】且通過示例性方式給出的以下實例后，其他優(yōu)點將變得更加明顯。
【附圖說明】
[0040]圖1是示出燃料流動的根據(jù)本發(fā)明的燃燒器模塊的視圖，
[0041 ]圖2是示出氧化劑流動的圖1燃燒器模塊的視圖，
[0042]圖3是燃燒器模塊的管的細節(jié)，
[0043]圖4是來自圖3的管的變體，
[0044]圖5是翼片的一側(cè)的視圖，
[0045]圖6是由燃燒器模塊的組件組成的流內(nèi)燃燒器的截面的視圖，
[0046]圖7是圖6的后視圖，
[0047]圖8示出從前部看到的由多個模塊組成的流內(nèi)燃燒器的變體，
[0048]圖8a是圖8在平面AA上的截面，
[0049]圖8b是圖8在平面BB上的截面，
[0050]圖9a以截面示出圖8燃燒器在平面AA上的變體，
[0051 ]圖9b是BB上的與圖9a相同的變體的截面。
[0052]可在圖7中看到的流內(nèi)燃燒器的組件由并排布置的多個流內(nèi)燃燒器模塊I組成，每個流內(nèi)燃燒器模塊包括構(gòu)成燃料供給管的管2。每個燃燒器模塊I包括翼片3，翼片相對于平面P對稱地并以角度β布置在管(燃料4在其中流動)2的任一側(cè)面上。燃料流動通過對稱布置在平面P的任一側(cè)面上的噴射孔口 20。
[0053]管2由護罩5覆蓋，護罩刺穿有面向孔口20的孔50。
[0054]一個側(cè)面上的翼片3與管2的距離有遠有近。翼片30最近，翼片31處于中間位置并且翼片32布置為在外部最遠處，S卩，與管2最遠。翼片30、31、32通過開口 33彼此分離。當(dāng)然，能夠具有多于或少于三個翼片。
[0055]現(xiàn)在將說明燃燒器模塊的操作。
[0056]燃料4經(jīng)由管2到來，并經(jīng)由孔口20噴射至燃燒室6。這些孔口 20相對于燃料流動平面P定向成角度α。該角度可以界定沒有燃料輸入且沒有氧化劑輸入的空間，如圖1所示，該空間通過形成主禍流(principle vortex)或瑞流40(其將大部分燃燒氣體帶向中心)促使燃燒氣體4在火焰內(nèi)部的內(nèi)部再循環(huán)。翼片的角度β大致在2α和3α之間(包含2α和3α)。
[0057]在由圖8、圖8a和圖8b所示的實施方式中，相同模塊I的噴射孔口20在平面P的每個側(cè)面上(即，如果P是水平的，則在頂部與底部之間)具有不同尺寸的截面并且因此具有燃料4的不同流動速率。因此，通過使模塊(該模塊的孔口 20的截面尺寸在平面P以下增大)1和模塊(該模塊的孔口 20的截面尺寸在平面P以上增大)1交替，形成了徑向于主湍流40的分量41。該徑向分量41減小了火焰長度。因此，頂部處與底部處的孔口 20之間的截面的尺寸的比值可在0.25與4之間(并且有利地在0.5與2之間)變化。
[0058]在由圖9a和圖9b所示的實施方式中，相同模塊I的TEG開口33在平面P的頂部側(cè)面與底部側(cè)面之間具有不同尺寸的截面。因此，通過使模塊(該模塊的開口 33的尺寸在底部處增大)1與模塊(該模塊的開口 33的尺寸在頂部處增大)交替，形成或增大了徑向于湍流40的互補分量41，該分量降低了火焰長度。
[0059]圖2示出了經(jīng)由開口33由于偏轉(zhuǎn)元件34而以角度Θ進入的TEG7或渦輪機氣體的循環(huán)。這可以形成穩(wěn)定區(qū)域70。
[0060]如圖5示出，擋板8具有包括邊緣80的端部，該邊緣與翼片32的偏轉(zhuǎn)元件34配合以使得TEG 7圍繞燃燒器模塊I的流動平行于或幾乎平行于平面P。翼片32的偏轉(zhuǎn)元件34與邊緣80之間的空間大于開口 33。邊緣80形成角度Θ。
[0061 ]在管2與護罩5之間循環(huán)的TEG(參考圖3)經(jīng)由孔口 20(優(yōu)選地，其直徑大于孔50的直徑)被朝向燃燒室6吸入，并且因此使得燃料4預(yù)混合。護罩5具有更利于形成渦流的平面壁52?？?0使得氣體以相對于護罩5的壁52的角度8噴射。
[0062]根據(jù)圖4示出的變體，管2具有次級噴射開口 21，該次級噴射開口使得燃料4以大于α的角度ξ噴射。每個次級開口 21布置為面向護罩5的次級孔51。經(jīng)由孔口 20和孔50噴射的燃料4的量占80%到95%，而經(jīng)由次級孔口 21和次級孔51噴射的燃料的量占5%到20%。
【主權(quán)項】
1.一種氣流中的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，包括:供給管(2)，具有大致圓形截面且具有軸線；燃料噴射孔口(20)，位于所述供給管上且旨在產(chǎn)生火焰;氧化劑噴射孔口(34)和翼片(3)，布置為在所述流內(nèi)燃燒器模塊的上游相對于燃料流動平面P對稱并且在所述供給管(2)上橫向布置在所述燃料噴射孔口(20)的每一側(cè)上，其中，在所述供給管(2)的截面中具有至少兩個所述燃料噴射孔口(20)，并且所述燃料噴射孔口具有與所述燃料流動平面P成角度α的軸線，所述角度α在10°到30°之間，并且所述流內(nèi)燃燒器模塊所包括的所述翼片(3)與所述燃料流動平面P成角度β，所述角度β介于2α和3α之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其特征在于:所述燃料噴射孔口(20)在所述燃料流動平面P的每一側(cè)上具有不同尺寸的截面。3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊，其中，至少兩個次級燃料噴射孔口(21)與所述燃料流動平面P成角度ξ，并且所述角度ξ大于所述角度α。4.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的流內(nèi)燃燒器模塊，其中，成角度ξ的所述次級燃料噴射孔口(21)的截面為所述燃料噴射孔口(20)的總截面的5%到20%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述翼片(3)的截面包括氧化劑噴射開口(33)。6.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述氧化劑噴射開口(33)的截面介于所述翼片(3)的截面的3%到15%之間。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述氧化劑噴射開口(33)在所述燃料流動平面P的每一側(cè)上具有不同尺寸的截面。8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述氧化劑噴射開口(33)包括偏轉(zhuǎn)元件(34)，所述偏轉(zhuǎn)元件與所述燃料流動平面P成角度Θ。9.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述角度Θ大致等于所述角度α010.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述氧化劑噴射開口(33)的截面根據(jù)所述孔口(20、21)之間的距離而增大。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述流內(nèi)燃燒器模塊包括護罩(5)，所述護罩布置在所述供給管(2)與火焰之間，所述護罩(5)具有與所述噴射孔口(20、21)對齊的孔(50、51)。12.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述孔(50、51)位于所述護罩的壁(52)上，所述壁相對于所述噴射孔口(20、21)的軸線成角度8。13.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其特征在于，所述角度8大致等于90。。14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述流內(nèi)燃燒器模塊包括擋板(8)，所述擋板位于所述流內(nèi)燃燒器模塊(I)的外部中，并且所述擋板(8)具有邊緣(80)，所述邊緣具有的角度與位于所述供給管最遠處的所述偏轉(zhuǎn)元件(34)的角度相等且相對。15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊(I)，其中，所述流內(nèi)燃燒器模塊在與TEG的流動垂直的平面上投射的面積為0.1mVMff到0.3m2/Mff。16.—種燃燒方法，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊，其中，所述氧化劑具有低于21 %的氧濃度。17.—種燃燒方法，包括根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊，其中，在所述供給管(2)與所述護罩(5)之間的空間中實現(xiàn)預(yù)混合。18.—種燃燒器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的流內(nèi)燃燒器模塊。19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒器，其中，兩個相鄰的所述流內(nèi)燃燒器模塊在所述燃料流動平面P的每一側(cè)上交替具有不同截面尺寸的所述燃料噴射孔口(20)。20.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒器，其中，兩個相鄰的所述流內(nèi)燃燒器模塊在所述燃料流動平面P的每一側(cè)上交替具有不同尺寸的所述氧化劑噴射開口(33)。
【文檔編號】F23R3/20GK105992913SQ201580008277
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月26日
【發(fā)明人】福阿德·賽義德, 路易斯·里奇, 揚妮克·布代
【申請人】法孚皮拉德公司