一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室及燃气轮机系统的制作方法

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室及燃气轮机系统。

背景技术：

燃气轮机是以连续流动的气体为工质的旋转叶轮式发动机。燃气轮机由压气机，燃烧室，透平等三大主要部件组成。压气机吸入空气加压，同时空气温度也相应提高，压缩空气在燃烧室内与燃料混合燃烧生成高温高压的气体，再进入透平带动透平叶片高速旋转，从而完成将燃料的化学能转变为有用功的过程。在燃烧室内，由于燃烧产生的高温，会导致大量NOx产生，其中最主要的NOx生成路径为热力型，即在高于1500℃的高温下N2和O2发生反应，其生成速率主要受温度影响，另外N2，O2浓度以及停留时间等均对热力型NOx的生成有一定影响。燃气轮机布雷顿循环效率的提升主要依靠提高透平入口烟气温度，也就是提高燃烧室排气温度，然而随着燃烧室排气温度的提升，燃烧室内部平均温度也将大大提高，这将引起热力型NOx排放的急剧增加。

目前，燃气轮机厂家广泛采用干式贫预混燃烧技术(Dry Low NOx，DLN)来降低NOx的排放。DLN技术利用过量的空气与燃料均匀预混，来达到均匀燃烧，消除局部高温的方式减少热力型NOx的生成。对于整体煤气化联合循环(IGCC)配套的低热值燃气轮机，其燃料为含有CO 和H2的合成气，这两种组分燃烧速度不一致，不适用于预混燃烧，只能采用扩散燃烧方式，因此无法使用DLN技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室及燃气轮机系统，解决了现有的整体煤气化联合循环配套的低热值燃气轮机，由于其燃料为合成气，不适用于预混燃烧，导致在燃烧室内温度过高，进而产生大量的NOx的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，包括燃烧室本体，所述燃烧室本体为底部开口，顶部封闭的中空结构，其中，

燃烧室本体内腔的顶部沿圆周方向均布有若干个第一级燃烧器,且其顶部均布有若干个喷射孔；

第一级燃烧器的内腔中设置有第一级燃料通道，第一级燃料通道的一端连接有用于将合成气和水蒸气进行混合的混合器，另一端与燃烧室本体的内腔相通；

燃烧室本体的侧壁上沿圆周方向均布有若干个第二级燃烧器，第二级燃烧器的内腔中设置有第二级燃料通道，所述第二级燃烧通道的一端连接有合成气管路，另一端与燃烧室本体的内腔相通。

优选地，燃烧室本体的外部设置有与其呈同心圆布置的承压外壳，承压外壳的内侧壁与燃烧室本体的外侧壁之间形成压缩空气的竖向通道，承压外壳顶部内壁与燃烧室本体的顶部外壁之间形成压缩空气的水平通道，竖向通道与水平通道相通。

优选地，第一级燃烧器的内腔中设置有若干个空气通道，所述若干个空气通道沿第一级燃料通道的圆周方向均布，且形成的圆形结构与第一级燃料通道呈同心圆布置；

空气通道的一端与压缩空气管路相通，另一端与燃烧室本体的内腔相通。

优选地，空气通道和第一级燃料通道通入燃烧室本体的内腔一端的端部均设置有旋流器。

优选地，每个第二级燃烧器的下方设置有一个二次风入口，二次风入口开设在燃烧室本体的侧壁上，二次风入口的一端与压缩空气管路相通，另一端与燃烧室本体的内腔相通。

优选地，二次风入口上设置有调节阀。

优选地，第二级燃料通道进入燃烧室本体一端的端部设置有旋流器。

优选地，第二级燃烧器的轴线与第二级燃烧器在燃烧室本体内侧壁开口处的法向之间设置有10-25°夹角。

优选地，第二级燃烧器的轴线与第二级燃烧器在燃烧室本体内侧壁开口处的法向之间的夹角为18°。

一种适用于合成气的低NOx排放的燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括燃烧室本体，其中，燃烧室本体上的竖向通道连接有压气机，燃烧室本体的排气口连接有透平，所述透平通过轴分别与压气机和发电机连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，部分合成气注入水蒸气来实现燃料热值的分级，再通过燃烧器的分级布置和合理的燃料，压缩空气分配，在燃烧室内部形成不同特性的燃烧区域，具体地：

从第一级燃烧器进入燃烧室本体的低热值合成气在贫燃区域燃烧，降低了火焰温度，减少了热力型NOx的生成；

从第二级燃烧器进入燃烧室本体的合成气在略低于理论空燃比的区域燃烧，由于进入该区域的烟气经过从第一级燃烧器进入的低热值合成气的燃烧消耗了大量氧气，其氧含量大大降低，可以降低该区域燃烧时生成NOx的速率，并且第二级燃烧器的沿圆周方向的布置方式可以更高效的混合合成气与富含氧气的烟气，提高了燃烧稳定性和燃烧效率，降低了局部高温，也有利于减少热力型NOx的生成；本实用新型在不影响燃烧稳定性的同时，降低了NOx的生成。

进一步的，第一级燃烧器端部设置的旋流器形成的高旋流，会产生一定的回流，提升了合成气在该区域的停留时间，有助于合成气的完全燃烧。

进一步的，第二级燃烧器端部设置的旋流器形成的高旋流，会产生一定的回流，提升了合成气在该区域的停留时间，并且也提升了合成气中CO和H2等还原性气体对NOx的还原效果。

进一步的，第二级燃烧器的入射角度与由第一级燃烧器形成的气体旋流方向相反，有助于增强自第二级燃烧器进来的合成气与富含氧气的烟气的混合，提高燃烧稳定性和燃烧效率，降低局部高温，同时充分利用氧气浓度低的区域，从而减少NOx的生成速率。

进一步的，通过二次风入口向燃烧室本体引入一定量的压缩空气，能够将全部燃料反应完毕，最终形成高温高压气体，进入透平膨胀做功，将燃料的化学能转变为透平叶片旋转的机械能，驱动轴旋转，同时带动压气机和发电机，发电机将部分机械能转变为电能输出。

附图说明

图1是适用于合成气的低NOx排放燃烧室及燃气轮机系统；

图2是第一级燃烧器布置示意图；

图3是第二级燃烧器布置示意图；

图4是二次风入口布置示意图；

图5是第一级燃烧器示意图；

图6是第二级燃烧器所在平面速度分布；

其中，11、第一级燃烧器 12、第二级燃烧器 13、承压外壳 14、竖向通道 15、压缩空气水平通道 16、隔热材料 17、二次风入口 18、合成气与水蒸气混合器 20、空气 21、压缩空气 22、合成气 23、水蒸气 24、注水蒸气后合成气 25、燃烧室高温排气 26、透平排气 30、压气机 31、燃烧室 32、透平 33、发电机 34、轴 41、空气通道 42、一级燃料通道 43、二级燃料通道。

具体实施方式

下面结合附图,对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种适用于合成气的低NOx排放燃烧室，包括燃烧室本体 31，所述燃烧室本体31为底部开口，顶部封闭的中空结构，燃烧室本体31的内侧壁上设置有隔热层16，其顶部沿圆周方向均布有若干个第一级燃烧器11,同时,燃烧室本体31的顶部均布有若干个喷射孔。

燃烧室本体31的外部设置有与其同心圆布置的承压外壳13，承压外壳13的内侧壁与燃烧室本体31的外侧壁之间形成竖向通道14，承压外壳13的顶部内壁与燃烧室本体31的顶部外壁之间形成水平通道15，竖向通道14与水平通道15相通。

如图2至图5所示，第一级燃烧器11设置有八个，呈圆周结构均布在燃烧室本体31的顶部，且每个第一级燃烧器11至燃烧室本体31顶部圆心的距离均相等。

第一级燃烧器11的内腔中设置有筒状结构的第一级燃料通道42，第一级燃料通道42的外侧沿其圆周方向均布有若干个空气通道41，所述若干个空气通道41形成的圆形结构与第一级燃料通道42的圆形同心布置。

第一级燃烧器11的侧壁上开设有若干个进风口，所述进风口用于连通空气通道41和水平通道15，所述空气通道41的自由端与燃烧室本体31的内腔相通。

空气通道41和第一级燃料通道42进入燃烧室本体31的一端端部均设置有旋流器，用以产生高旋流动，形成回流区以稳定火焰。

燃烧室本体31的侧壁上沿圆周方向均布有若干个第二级燃烧器12，第二级燃烧器12设置有八个，均布在燃烧室本体31的侧壁，且其进入燃烧室本体31的端部与该点法向成一定夹角，角度范围10-25°，优选18°。

所述第二级燃烧器12的内腔中设置有筒状结构的燃料通道，其进入燃烧室本体31的一端端部设置有旋流器，用以产生高旋流动，形成回流区以稳定火焰。

每个第二级燃烧器12的下方设置有一个二次风入口17，二次风入口17开设在燃烧室本体31的侧壁上。

二次风入口17上设置有调节阀，用于调节经过二次风入口17进入燃烧室本体31的压缩空气21流量。

燃烧室本体31的开口端为缩口结构，作为过渡段连接不等直径的燃烧室本体31和透平 32。

燃烧室本体31的燃料分两级进入，第一级燃料为经混合器18混合后的注入水蒸气23的合成气24，从第一级燃烧器11内部第一级燃料通道42进入燃烧室本体31；第二级燃料则为未注入水蒸气的合成气22，从第二级燃烧器12内部燃料通道进入燃烧室本体31。

燃烧室本体31的主要压缩空气也分为两级，分别从第一级燃烧器11内部空气通道41和二次风入口17进入燃烧室本体31，竖向通道14的进口连接有压气机30，燃烧室本体31出口连接透平32入口，透平32的出口可以直接排入大气，也可以进入余热锅炉。轴34连接压气机30，透平32，发电机33。

工作原理：

压气机30自大气吸入空气20经过增压成为压缩空气21，压缩空气21流经竖向通道14 对燃烧室本体31起到一定的冷却作用，再通过水平通道15经第一级燃烧器11内部空气通道 41以旋流的方式进入燃烧室本体31内部。燃料合成气22分为两路，一路进入混合器18与水蒸气23混合，水蒸气与合成气质量流量比例为0.4-0.6，优选0.55。注水蒸气后的合成气24 经第一级燃烧器11内部第一级燃料通道42以旋流的方式进入燃烧室本体31内部。另外一路合成气22则不经过混合器18，直接通过第二级燃烧器12内部燃料通道高速喷射进入燃烧室本体31内部，该路合成气流量占总合成气流量的0-0.3。注水蒸气后的合成气24与过量压缩空气21混合燃烧，由于注水蒸气后的合成气24较未注之前热值低并且空气量远高于其完全燃烧所需的量，燃烧的最高温度较未注水蒸气的合成气燃烧时低，进而减少了热力型NOx的形成，并且燃烧消耗了氧气，燃烧后形成的气体中氧含量降低。从第二级燃烧器12进入的合成气22 虽然由于没有注入水蒸气而热值较高，但其进入燃烧室本体31的位置低于第一级燃烧器11，此时烟气中的氧气含量由于第一级燃烧器11进入的燃料的燃烧而降低。如图6所示，第二级燃烧器12入射角度与由第一级燃烧器11形成的气体旋流方向相反，有助于增强自第二级燃烧器12进来的合成气与富含氧气的烟气的混合，提高燃烧稳定性和燃烧效率，降低局部高温，同时充分利用氧气浓度低的区域，从而减少NOx的生成速率。另外由于合成气中含有CO，H2等还原性气体，对于从第一级燃烧器11进入的燃料燃烧生成的NOx会起到一定的还原作用。第二级燃烧器12进入燃烧室本体31的端部设置的旋流器会形成一定的回流，提升合成气在该区域的停留时间以促进燃烧完全。最后通过布置于燃烧室本体31竖直壁面下部的二次风入口17 向燃烧室本体31引入一定量的压缩空气，将全部燃料反应完毕，最终形成高温高压气体25。高温高压的燃烧室排气25在透平32内膨胀做功，将燃料的化学能转变为透平叶片旋转的机械能，驱动轴34旋转，同时带动压气机30和发电机33，发电机33将部分机械能转变为电能输出。

在总空气量一定的情况下，可以通过二次风入口17配置的调节阀调节二次风流量，进而调节从第一级燃烧器11进入燃烧室本体31的压缩空气流量来适应燃料组分的变化，控制第一级燃烧器11进入燃烧室本体31的压缩空气流量与全部合成气燃烧所需空气量之比为 0.96-0.99之间。