一种氢燃气轮机用的燃烧器喷嘴、燃烧器及燃烧方法

技术领域

本发明涉及氢燃气轮机领域，尤其是一种氢燃气轮机用的燃烧器喷嘴、燃烧器及燃烧方法。

背景技术

氢气燃料是燃气轮机向低碳乃至零碳发展过程中的最佳中间物质，其完全燃烧仅生成水。然而，相较于燃气轮机传统燃料天然气等，氢气有着密度小、层流火焰速度高、熄火距离小、绝热火焰温度高和易燃易爆等特点。

在燃气轮机传统燃烧系统中应用氢燃料存在以下技术障碍：

(1)高进气温度下，氢气的高反应性极大增加了预混燃烧系统的回火风险，进而对上游部件造成严重损伤，从而影响整个燃烧系统的运行；

(2)由于氢火焰具有较高的绝热火焰温度，会导致燃烧器出口处的NOx排放突增，到达远超污染物排放法规限值的水平；

(3)氢燃料由于其特殊的理化性质，其在较短的对流时间内会改变燃烧器不稳定热释放与压力脉动之间的相位关系，影响燃烧器的动态不稳定特性，对燃烧器设计与运行而言是巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种氢燃气轮机用的燃烧器喷嘴、燃烧器及燃烧方法，能够有效防止回火，抑制燃烧振荡发生，降低NOx生成，实现燃机稳定、高效和低排放燃烧目标。

本发明采用的技术方案如下：一种氢燃气轮机用的燃烧器喷嘴，包括用于引入空气的主流管，所述主流管上周向阵列有若干个燃料喷嘴，若干个燃料喷嘴的喷射方向与主流管的轴线方向之间的夹角相同；所述燃料喷嘴的喷射动量与主流管的引流动量之比为1-10。

进一步地，所述燃料喷嘴的喷射方向垂直于主流管的轴线方向。

进一步地，装配于同一周向的燃料喷嘴组成一组燃料喷嘴组，所述主流管的轴线方向上均匀布置若干组燃料喷嘴组。

进一步地，所述主流管内装配有分离器，沿着主流管内介质流动方向，所述分离器的装配位置位于燃料喷嘴的后方。

进一步地，所述分离器由若干块叶片组成，若干块叶片绕主流管的轴线周向布置，并且叶片上远离主流管内壁的一端相互连接。

一种氢燃气轮机用的燃烧器，包括火焰筒和若干个所述的燃烧器喷嘴，所述火焰筒的直径大于主流管的直径，若干个燃烧器喷嘴离散的安装于燃烧器的进料端。

进一步地，若干个燃烧器喷嘴均匀分布。

一种氢燃气轮机用的燃烧方法，应用所述的燃烧器，包括以下步骤：

S1：主流管引入空气，氢燃料从燃料喷嘴射入空气形成混合物，燃料与主流空气的动量比为1-10；

S2：氢燃料射入空气与空气的流动相互影响，出现湍流，湍流使得燃料在空气中分布均匀；

S3：混合物进入火焰筒，形成小尺寸火焰。

进一步地，在步骤S3之前，混合物进入火焰筒之前，使用分离器增加湍动能，增加混合物的混合程度。

进一步地，改变分离器的翼型结构、叶片数量、截面尺寸和装配在空气通道中的轴向位置，来调节混合物的混合程度和混合物的流速。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过以与主流管的轴线方向存在一定角度的方向喷入燃料，使得其具有湍动能，从而使得燃料与空气充分混合，并且混合均匀，有效降低因局部高温产生的NOx；

2、本发明公开的燃料喷嘴的喷射动量与主流管的引流动量之比为1-10，实际上是燃料与主流空气的射流动量比为1-10，能够降低NOx的排放，有效防止回火的发生，同时形成稳定的锚定火焰，保证燃烧稳定，进而抑制热声振荡的发生；

3、本发明通过将火焰筒的直径设计成大于主流管的直径，空气-燃料混合物在进入火焰筒后可以形成相对的小尺寸火焰，小尺寸火焰停留时间短，四周被充裕的空气包裹，能够极大的减低NOx排放。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明公开的燃烧器喷嘴结构示意图；

图2为燃烧器喷嘴上具有多组燃料喷嘴组的结构示意图；

图3为燃烧器喷嘴上具有分离器的结构示意图；

图4为本发明公开的燃烧器的结构示意图；

图中标记：1-主流管；2-燃料喷嘴；3-分离器；4-火焰筒。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1－图4所示，一种氢燃气轮机用的燃烧器喷嘴，包括主流管1，主流管1引流燃料燃烧所需要的空气，所述主流管1设置有若干个燃料喷嘴2，若干个燃料喷嘴2向主流管1内喷射氢燃料，氢燃料喷射具有其喷射动量，主流管1引流空气具有其引流的动量，在燃料喷嘴2向主流管1内喷射氢燃料后，主流管1内的空气与氢燃料会相互冲击，从而出现湍动能，湍动能使得氢燃料均匀混合在空气中；若干个燃料喷嘴2沿着主流管1同一截面的周向均匀阵列，并且若干个燃料喷嘴2的喷射方向与主流管1的轴线方向之间的夹角相同，在主流管1的柱状空气流道中，保证氢燃料沿着周向分布均匀，从而使得该截面位置的氢燃料分布均匀、充分混合；所述燃料喷嘴2的喷射动量与主流管1的引流动量之比为1－10，即燃料喷嘴2内的氢燃料的动量与主流管1内的空气射流动量比为1－10。

具体的，在本实施例中，预防和降低NOx的产生主要存在两个途径，具体的如下：

第一：通过主流管1与燃料喷嘴2相对位置布置，以及燃料喷嘴2的均匀分布和喷射角度相同，能够有效的使得氢燃料与空气充分且均匀的混合，从而避免在空气主流的某一截面处出现局部高温，降低该截面进入火焰筒4后燃烧所出现的温差，今天降低因局部高温产生的NOx。

第二：本发明公开的燃烧器喷嘴喷射的空气－燃料混合物在进入火焰筒4后可以形成相对的小尺寸火焰，小尺寸火焰停留时间短，四周被充裕的空气包裹，能够极大的降低NOx排放。

在本实施例中，燃料喷嘴2的喷射动量与主流管1的引流动量之比为1－10，实际上是燃料与主流空气的射流动量比为1－10，若两者的比值小于该范围值，燃料喷嘴2喷射的氢燃料无法进入主流管1内空气柱内部，即氢燃料分布于空气柱表面，无法靠近空气柱的轴中心位置，导致空气柱轴中心处无氢燃料燃烧，即无氧气的消耗，在高温的条件下，空气柱轴中心处未被消耗的氧气会与氮气产生反应，生成NOx；若两者的比值大于该范围值，氢燃料容易进入到空气柱的轴中心位置，导致空气柱的轴中心位置出现氢燃料聚集，在燃烧时候会产生局部高温，进而伸长NOx。

即在本实施例中，氢燃料与主流空气的射流动量比为1－10，能够使得空气柱中氢燃料分布均匀且充分，保证氢燃料稳定的燃烧且完全燃烧，从而能够降低NOx的排放，完全燃烧能够完全消耗氢燃料，有效防止回火的发生，同时形成稳定的锚定火焰，保证燃烧稳定，进而抑制热声振荡的发生。

实施例2

在实施例1的基础上，进一步地提出可实施的具体实施方式。

一种可行的具体实施方式，所述燃料喷嘴2的喷射方向垂直于主流管1的轴线方向，使得燃料喷嘴2喷射的氢燃料能够以垂直于主流管1轴线的方向进入主流管1内的空气中，使得两者间的冲击最大化，从而形成最大的湍动能，提高混合的充分度和均匀度。

需要说明的是，在本实施方式，所述燃料喷嘴2的喷射方向与主流管1的轴线方向可以呈现钝角或锐角；在呈现钝角时，即氢燃料的喷射方向与空气引流方向呈逆流状态，相对于上述的直角，虽然能够产生更大的冲击，形成更大的湍动能，但是也增加了氢燃料进入空气柱内部的难度，使得氢燃料分布与空气柱表面，从而引起实施例1中描述的情况；在呈现锐角时，即氢燃料的喷射方向与空气引流方向呈顺流状态，从而无法产生足够的湍动能，影响氢燃料与空气的混合状态；综上，在本实施方式，所选的“燃料喷嘴2的喷射方向垂直于主流管1的轴线方向”能够达到最好的效果。

一种可行的具体实施方式，装配于同一周向的燃料喷嘴2组成一组燃料喷嘴组，所述主流管1的轴线方向上均匀布置若干组燃料喷嘴组，使得主流管1内空气柱中的氢燃料能够沿着轴线逐渐补充，从而使得空气柱中单位截面体积中分布足够的氢燃料，从而保证空气中的氧气能够完全消耗、氢气无剩余，即提高降低NOx的产生，无回火产生的效果。

一种可行的具体实施方式，所述主流管1内装配有分离器3，沿着主流管1内介质流动方向，所述分离器3的装配位置位于燃料喷嘴2的后方，所述分离器3由若干块叶片组成，若干块叶片绕主流管1的轴线周向布置，并且叶片上远离主流管1内壁的一端相互连接，分离器3能够对燃料-空气混合物产生阻流，主流管1内混合有氢燃料的空气与分离器3碰撞，增加湍动能，提高氢燃料与空气的混合充分度和分布均匀度。

在本实施方式中，叶片的翼型结构可以为直叶片、弯叶片、扭叶片中的一种或多种，叶片的翼型结构、数量、尺寸均能够对燃料-空气混合物产生不同程度阻流，从而改变燃料-空气混合物的流速，根据实际情况，适合的流速能够改变火焰停留时间，从而提高防止回火、抑制热声振荡的效果。

实施例3

一种氢燃气轮机用的燃烧器，包括火焰筒4和若干个实施例1-2中任意一个实施方式所述的燃烧器喷嘴，所述火焰筒4的直径大于主流管1的直径，通过将火焰筒4的直径设计成大于主流管1的直径，空气-燃料混合物在进入火焰筒4后可以形成相对的小尺寸火焰，若干个燃烧器喷嘴离散的安装于燃烧器的进料端，使得小尺寸火焰为离散的，离散的小尺寸火焰停留时间短，四周被充裕的空气包裹，能够极大的减低NOx排放。

进一步地，若干个燃烧器喷嘴均匀分布，使得火焰筒4内的温度分布均匀，避免火焰筒4内出现局部高温，降低NOx的产生。

实施例4

一种氢燃气轮机用的燃烧方法，应用实施例3所述的燃烧器，包括以下步骤：

S1：主流管1引入空气，引入的空气在主流管1内流动，形成空气柱，流动的空气具有动量，氢燃料从燃料喷嘴2射入空气形成混合物，从燃料喷嘴2射出的氢燃料具有动量，燃料与主流空气的动量比为1-10；空气的流动方向与氢燃料喷射的方向呈直角；

S2：氢燃料射入空气与空气的流动相互影响，出现湍流，湍流具有湍动量，湍动量使得氢燃料与空气充分混合形成燃料-空气混合物，并且氢燃料在燃料-空气混合物中分布均匀；

S3：混合物进入火焰筒4，形成小尺寸火焰。

进一步地，在步骤S3之前，混合物进入火焰筒4之前，使用分离器3增加湍动能，增加混合物的混合程度，提高降低NOx的排放，有效防止回火的发生，同时形成稳定的锚定火焰，保证燃烧稳定，进而抑制热声振荡的发生。

进一步地，改变分离器3的翼型结构、叶片数量、截面尺寸和装配在空气通道中的轴向位置，来调节混合物的混合程度和混合物的流速，进而控制燃料与空气混合的均匀性，离散的小火焰尺寸，火焰温度、火焰停留时间与锚定位置，有效实现低NOx排放的、无回火、无热声振荡的稳定燃烧。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。