专利名称：燃烧燃料的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在燃烧室内燃烧燃料的方法和设备。
用于将燃料能转换为热能的经典方法是借助氧化剂，例如空气中的氧，氧化或燃烧液化或气态燃料。在当今高负荷的燃烧系统中，普遍存在的问题是它们应针对非常低的排放量，尤其是低的NOx排放量设计。这些燃烧系统应能在整个工作范围内稳定和完全燃烧，并与此同时需要较少的维护和能经济地工作。为了按要求解决此问题，已知一些燃烧系统，它们分为三组所谓标准的低NOx系统，其中，规定在燃料和燃烧空气进入燃烧室前预混合。接着在燃烧室内部稳定形成的火焰并由此控制氧化反应。基于有剩余的未混合部分，在燃烧室内部出现局部高温，它们会导致不希望的高NOx排放。因此在标准的低NOx系统中火焰通常重要的是被气动稳定，使热的燃气再循环，由此使它们与在燃烧室内进入的燃料和燃烧空气混合物反应。这种气动稳定通过使用热的辅助火焰加以支持(所谓的引燃-Pilotierung)，它们会导致燃烧室内温度分布的进一步不均匀化。这种不均匀的温度分布可能是产生氮氧化物的一个附加源由。困此通常在标准的低NOx系统中通过催化式废气净化来降低初始形成的NOx排放。
目前，催化式燃烧系统的使用范围是受到限制的，例如对于高温燃烧系统，如现代结构类型的固定式燃气轮机，便不能使用催化燃烧。只是在较小型的固定式燃气轮机中已经使用催化燃烧系统。
在工业燃烧系统中已知所谓的无焰氧化燃烧器(Flameless OxidationBurner)，如在EP 0 463 218 B1中所介绍的那些。在这些燃烧系统中燃烧空气借助废气预热，以及在一个沿径向的边缘区内以高脉冲供给燃烧室。在燃烧室中央单独喷入燃气。经预热的燃烧空气在燃烧室的边缘区内与再循环的废气和在内部与单独供入的燃气混合。
本发明的目的是创造一种在尤其燃气轮机的燃烧室内燃烧燃料的方法和设备，它们能达到稳定和完全燃烧以及明显减少Nox排放量。
按本发明为达到此目的提供一种用于在燃烧室内燃烧燃料的方法，其中，燃料和燃烧空气在进入燃烧室前在避免自燃的情况下相互混合，该混合物的第一部分以这样的方式加入燃烧室内，即，使它在燃烧室内循环，在混合物第一部分的循环流中供入其他燃料，直至保证加热到点火条件，以及，混合物的至少一个第二部分以这样的方式加入燃烧室内，即，使它与从循环流流出的热燃气混合、加热和燃烧，直至其从燃烧室排出。此外，此目的通过一种用于在燃烧室内燃烧燃料的设备达到，它包括一个混合装置，用于在燃料和燃烧空气进入燃烧室前在避免自燃的情况下使它们相互混合，一个第一混合物引入装置，用于以这样的方式在燃烧室内加入混合物的第一部分，即，使混合物的第一部分在燃烧室内循环，一个燃料引入装置，用于将其他燃料供入混合物第一部分的循环流内，直至保证加热到点火条件，以及至少一个第二混合物引入装置，用于以这样的方式在燃烧室内加入混合物的至少一个第二部分，即，使混合物的至少一个第二部分与从循环流流出的热燃气混合、加热和燃烧，直至其从燃烧室排出。
按本发明第一部分燃料量(例如燃气1)在进入燃烧室前在避免自燃的情况下与燃烧空气混合。在此混合物的组分稍后反应时存在较低的温度水平，它低于类似的燃烧反应平均的温度水平。因此混合物这一部分的燃烧导致比较低的NOx形成。由燃料和燃烧空气组成的混合物按本发明以这样的方式引入燃烧室，即，使混合物的第一部分在再循环旋流内循环，以及混合物的至少一个第二部分与从旋流流出的热废气或燃气混合。通过与热废气混合，混合物的这一部分加热到足够的程度并燃烧，直至燃烧室出口。按本发明因而避免按传统方式的单独引燃，以及同样可以取消借助涡旋发生器的气动稳定措施。
通过按本发明在一个或多个其他阶段中在再循环旋流内添加其余的燃料(例如燃气2)，提供了如此多的能量，以致保证将全部空气/燃料混合物加热到点火条件或直至存在点火条件。按本发明将其他燃料掺合为，使得在低温度水平的同时在燃气内实现均匀的混合。以此方式按本发明避免了燃烧室内部的温度峰值。其结果是从该反应中的燃气流区域形成特别少的NOx。
按本发明的方法一项有利的进一步发展，燃料和燃烧空气在进入燃烧室前混合为，使燃烧空气与燃料之比高于在燃烧室内燃烧的平均的空气/燃料比。通过按本发明高的空气/燃料比，保证较低的温度水平，由此减少NOx形成。
按本发明的设备可特别有利地设计为，由燃料和燃烧空气组成的混合物的第一部分和/或第二部分(和/或在多阶段添加燃料时的另一些部分)，通过一个设在燃烧室中央的构件加入。在这样一个中央的流入构件中设第一和/或第二混合物引入装置。因此混合物第一部分按本发明力求的循环流以及混合物第二部分引入到流出的热燃气内，可以在流动技术上比较简单地实现。
此外，用于由燃料和燃烧空气组成的混合物第一和/或第二部分的中央流入构件有利地提供了可能性，将一个用于引入液化燃料的装置组合在燃烧室内。一个设在中央的混合物引入装置另外还通过流入其中的燃料和燃烧空气混合物冷却，由此最低程度地加热混合物。这种加热导致按本发明的循环流内部温度水平的进一步均匀化。
循环流本身按本发明有利地在燃烧室的外围区内形成，亦即在燃烧室沿径向靠外的部分内形成。如此形成的循环旋流有利地构成在燃烧室内尽可能均匀混合其他燃料的基础。
此外，按本发明有利的是，燃烧室设计为基本上圆柱形，以及由燃料和燃烧空气组成的混合物的第一部分基本上沿径向加入燃烧室内。由于混合物的第一部分所述的沿径向加入，激发并维持按本发明力求的循环流。与之不同，也可以采用具有相应设计的燃料供给装置的环形燃烧室。
与沿径向加入由燃料和燃烧空气组成的混合物第一部分不同，其他燃料有利地基本上沿轴向加入燃烧室内。在再循环旋流内如此添加其余的燃料，提供了需要的能量，由此保证将全部空气/燃料混合物力求加热到点火条件。沿轴向加入其他燃料的另一个优点是，供入的其他燃料同时还有助于冷却燃烧室端壁，并由此使得其他燃料略微被预热。
为了能比较方便地设计按本发明的设备并因此所设计的方法，由燃料和燃烧空气组成的混合物的第一和第二部分有利地作为一个合流引入燃烧室内并在燃烧室内部才分配。
在加入由燃料和燃烧空气组成的混合物的一个或两个部分时，可有利地使用特别合适的喷嘴，由此使混合物的各部分特别有针对性地并定量地进入循环流内。为了使按本发明的循环流并因而发生的燃烧能稳定地进行，有利地在循环流内每单位时间内的循环量占在一个单位时间内所供入的总燃料和燃烧空气质量(总气体质量)的约5％至25％，尤其约10％与20％之间。
下面借助所附的示意图详细说明用于在燃烧室内燃烧燃料的按本发明的方法和按本发明的设备。其中
图1表示按本发明的用于在燃烧室内燃烧燃料的设备一种实施例的纵剖面。
图1中表示在设计为固定式燃气轮机燃烧器的燃烧室内燃烧燃料用的设备10。设备10作为主要构件有一个燃烧室12，它设计为基本上沿轴线14的圆柱形。燃烧室12由一个就图1而言画在上方的第一端壁16、一个从端壁16出发向下延伸的外壁18以及一个就图1而言处于下方的第二端壁20构成。
第一端壁16被一个设在中央的构件22穿过，它基本上圆柱形和同样沿轴线14延伸。构件22设计有一外管24和一个同心地设在其内部的内管26。外管24被沿径向向外定向的喷嘴28穿过，就图1而言它们处在外管24的下端区内。除此之外，外管24在此端区是封闭的。
在外管24就图1而言的上端设另一个没有详细描绘的空气供给装置30，以及在外管的内部设一个同样没有准确表示的燃气供给装置32。通过空气供给装置30和燃气供给装置32将空气或第一燃气供入外管24内，在外管内随后沿流动方向在喷嘴28处构成由燃料和燃烧空气组成的混合物34。此混合物34的第一分流36从一部分喷嘴28排入外管24的周围并因而到燃烧室12内部。混合物34的第二分流38通过另一些喷嘴28’排出，它们相对于第一分流36的上述喷嘴28和就图1而言设在外管24上更下方处。
外管24基本上被一个再循环腔40包围，在燃烧室内部有另一个燃烧腔42与该再循环腔40相连。在再循环腔40与所述另一个燃烧腔42之间，在外壁18的内侧设有导流面44。
借助此导流面44和下面还要详细说明的第一分流36(和第二分流38)的引入装置，在再循环腔40内部激发并稳定一个循环流46，它从喷嘴28出发，首先沿径向向外定向流动，接着朝向第一端壁16的方向流动，随后沿径向向内沿着该端壁定向流动，以及最后从第一端壁16重新到达喷嘴28。
在第一端壁16上设有另一个没有详细描述的燃气供给装置48。其他燃气通过此另一个燃气供给装置48进入循环流46内。
最后，在喷嘴28’前的区域内从循环流46排出流出的燃气50，并经过另一个燃烧腔42到达出口52，该出口在端壁20内设计为一个基本上在中央的孔。按一种没有表示的燃烧室设计为环形燃烧室的实施例中，此孔是圆环形的。
在设备10工作期间通过外管24、空气供给装置30和燃气供给装置32，向喷嘴28和28’供给由空气和燃气组成的混合物34，其中，空气与燃气之比高于在燃烧室12内部稍后燃烧的平均的空气/燃气比。以此方式避免混合物34自燃。
混合物34作为第一分流36和第二分流38基本上沿径向加入燃烧室12内。在这里喷嘴28布置和设计为，使第一分流36基本上进入循环流46内，并因而在再循环腔内部激发一个再循环旋流。借助另一个燃气供给装置48，通过基本上沿轴向添加其他燃气，附加地支持此再循环旋流和提供更多能量，使得原则上保证将全部混合物加热到点火条件。
在另一个燃气供给装置48处，每单位时间内掺入这样一些燃气量，即，使得在再循环旋流内实现尽可能均匀的混合和避免温度峰值。所述的混合在比较低的温度水平下进行，所以尽管燃气与燃烧空气发生反应，但这种反应只导致很低的NOx排放量。此外，燃气供给装置48有助于冷却燃烧室12的第一端壁16。
在一个稳定的循环流46内部，每单位时间内的循环流占到在一个单位时间内所供入的总燃烧空气和燃气质量的约10％与20％之间。此总的气体质量在再循环旋流内被预热。混合物34在这里达到的燃烧和反应是在气体特别均匀地混合和温度水平较低时，在避免温度峰值的情况下实现的。因此在燃烧室12中可以取消按传统方式的单独引燃或借助涡旋发生器的气动稳定措施。燃烧室12和设计在它那里的将燃气分两个阶段供入再循环腔40内的供给装置的另一个主要优点是可以取消催化剂。
混合物34的第二分流38和必要时另一些分流，通过例如设计为小管的喷嘴28’直接进入流出的燃气50内，或在一种没有表示的实施例中可以全部或部分同样再循环。流出的燃气50比较热，所以第二分流38加热到足够的程度和同样完全反应直至出口52。
最后应当指出，设在中央的构件22和设计在其中的内管26提供了液化燃料喷嘴组合的可能性，所以设备10在总体上可以作为双燃料系统使用。也就是说，采用设备10也可以在有害物排放量比较低的情况下氧化液化燃料，这在传统的带有催化剂的系统中迄今是不可能做到的。
权利要求
1.一种用于在燃烧室(12)内燃烧燃料的方法，其中-燃料和燃烧空气在进入燃烧室(12)前在避免自燃的情况下相互混合，-该混合物(34)的第一部分(36)以这样的方式加入燃烧室(12)内，即，使它在燃烧室(12)内循环，-向混合物(34)第一部分(36)的循环流(46)中供入其他燃料，直至保证加热到点火条件，以及，-混合物(34)的至少一个第二部分(38)以这样的方式被加入燃烧室(12)内，即，使它与从循环流(46)中流出的热燃气(50)混合、加热和燃烧，直至其从燃烧室(12)排出。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为燃料和燃烧空气在进入燃烧室(12)前混合为，使燃烧空气与燃料之比高于在燃烧室(12)内燃烧的平均空气/燃料比。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的第一部分和/或至少一个第二部分(36、38)通过一个设在燃烧室(12)中央的构件(22)加入。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征为供入燃气作为燃料，以及附加地通过设在中央的构件(22)供入液化燃料。
5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征为由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)第一部分(36)的循环流(46)在燃烧室(12)的外围区(40)内形成。
6.按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征为燃烧室(12)设计为基本上为圆柱形或环形，以及由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的第一部分(36)基本上沿径向加入燃烧室(12)内。
7.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征为燃烧室(12)设计为基本上是圆柱形或环形，以及其他燃料(48)基本上沿轴向加入燃烧室(12)内。
8.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征为燃烧室(12)设计为基本上圆柱形，以及由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的至少一个第二部分(38)基本上沿径向加入燃烧室(12)内。
9.按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征为由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的第一部分和至少一个第二部分(36、38)作为一个合流引入燃烧室(12)内并在燃烧室(12)内部分配。
10.按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征为由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的第一部分和/或至少一个第二部分(36、38)通过至少一个特别合适的喷嘴(28、28’)加入循环流(46)和燃烧室(12)内。
11.按照权利要求1至10之一所述的方法，其特征为循环流(46)设计为，使得每单位时间内的循环量占一个单位时间内供入的总气体质量的约5％至25％，尤其约10％与20％之间。
12.一种尤其用于实施按照权利要求1至11之一所述方法在燃烧室内燃烧燃料的设备(10)，包括-一个混合装置(22)，用于在燃料和燃烧空气进入燃烧室(12)前在避免自燃的情况下使它们相互混合，-一个第一混合物引入装置，用于以这样的方式向燃烧室(12)内加入混合物(34)的第一部分(36)，即，使混合物(34)的第一部分(36)在燃烧室(12)内循环，-一个燃料引入装置(48)，用于将其他燃料供入混合物(34)第一部分(36)的循环流(46)内，直至满足点火条件，以及-至少一个第二混合物引入装置，用于以这样的方式向燃烧室(12)内加入混合物(34)的至少一个第二部分(38)，即，使混合物(34)的至少一个第二部分(38)与从循环流(46)流出的热燃气(50)混合、加热和燃烧，直至其从燃烧室(12)排出。
13.按照权利要求12所述的设备，其特征为所述第一和/或至少一个第二混合物引入装置设计为一个设在燃烧室(12)中央的构件(22)。
14.按照权利要求13所述的设备，其特征为所述第一和/或至少一个第二混合物引入装置设计为用于引入气态燃料，以及附加地在设在中央的构件(22)内设置至少一个用于引入液化燃料的装置。
15.按照权利要求12至14之一所述的设备，其特征为第一混合物引入装置和燃烧室(12)设计为，使由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)第一部分(36)的循环流(46)在燃烧室(12)的外围区(40)内形成。
16.按照权利要求12至15之一所述的设备，其特征为燃烧室(12)设计为基本上圆柱形或环形，以及第一混合物引入装置设计为将由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)第一部分(36)基本上沿径向加入燃烧室(12)内。
17.按照权利要求12至16之一所述的设备，其特征为燃烧室(12)设计为基本上圆柱形或环形，以及燃料引入装置(48)设计为将其他燃料基本上沿轴向加入燃烧室(12)内。
18.按照权利要求12至17之一所述的设备，其特征为燃烧室(12)设计为基本上圆柱形或环形，以及至少一个第二混合物引入装置设计为将由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的至少一个第二部分(38)基本上沿径向加入燃烧室(12)内。
19.按照权利要求12至18之一所述的设备，其特征为第一和至少一个第二混合物引入装置设计为，它们将由燃料和燃烧空气组成的混合物(34)的第一部分和/或至少一个第二部分(36、38)作为一个合流引入燃烧室(12)内。
20.按照权利要求12至19之一所述的设备，其特征为第一和至少一个第二混合物引入装置有至少一个特别合适的喷嘴(28、28’)用于将燃料引入循环流(46)和燃烧室(12)内。
21.按照权利要求12至20之一所述的设备，其特征为燃烧室(12)以及第一和至少一个第二混合物引入装置设计为，在循环流(46)内每单位时间内的循环量占在一个单位时间内供入的总气体质量的约5％至25％，尤其约10％与20％之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于在燃烧室(12)内燃烧燃料的方法和一种设备(10)，为了导致NOx排放量特别低的燃烧，按照本发明，燃料和燃烧空气在进入燃烧室(12)前在避免自燃的情况下相互混合，该混合物(34)的第一部分(36)以这样的方式加入燃烧室(12)内，即，使它在燃烧室(12)内循环，在混合物(34)第一部分(36)的循环流(46)中供入其他燃料，直至保证加热到点火条件，以及，混合物(34)的至少一个第二部分(38)以这样的方式加入燃烧室(12)内，即，使它与从循环流(46)流出的热燃气(50)混合、加热和燃烧，直至其从燃烧室(12)排出。
文档编号F23R3/36GK1860334SQ200480028363
公开日2006年11月8日 申请日期2004年10月13日 优先权日2003年10月13日
发明者杰拉尔德·劳尔 申请人:西门子公司