流内燃烧器模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种空气流中的燃烧器模块(1)，该燃烧器模块包括：供给管(2)，具有大致圆形截面且具有轴线；燃料喷射孔口(20)，位于供给管上且旨在产生火焰；氧化剂喷射孔口(34)及翼片(3)，布置为在燃烧器模块上游相对于燃料流动平面P对称并且在供给管(2)上沿横向布置在燃料喷射孔口(20)的每一侧上；其中：在供给管(2)的截面中具有至少两个燃料喷射孔口(20)，并且这些燃料喷射孔口具有与氧化剂的流动平面P成角度α的轴线。以此方式，气体在位于至少两个分开平面中的多个孔口处喷射。这两个平面界定一空间，该空间没有燃料供应且没有氧化剂供应，由此促使燃烧气体在火焰内的内部再循环并且将大部分燃烧后的气体带向中央。
【专利说明】流内燃烧器模块
[0001]本发明涉及一种气流中的燃烧器，该燃烧器用于直接加热空气或者来自涡轮机或发动机的燃烧气体，并且更具体地，涉及涉及一种流内燃烧器模块(in-stream burnermodule)，流内燃烧器模块并排布置在歧管上形成流内燃烧器。该类型的燃烧器使用氧浓度(湿烟雾中的)低于周围空气、温度高于周围温度并且通常离开燃烧器的速度相对低的涡轮机废气(TEG)或发动机废气作为氧化剂，并且使用天然气、页岩气、油气或来自工业过程的气体作为燃料。
[0002]近几年，燃气轮机(gas turbine)和回收锅炉(recovery boiler)已朝向提高联合循环的能量效率的方向发展。因此，涡轮机废气(TEG)的特征在于湿烟雾中的氧浓度较低(在9%到13%之间)并且具有更可变且更高的温度(在350°C到700°C之间)。
[0003]此外，蒸汽生产循环的发展在燃烧器在第一交换器阶段的下游侧上的定位之后，这带来了两种结果:
[0004]-增大了燃烧器布局中的线槽(trunking)的区段并且因此降低了该区段中的涡轮机气体的速度;在大多数情况下，为了燃烧器的正确操作(火焰稳定性)，这使得通过添加昂贵挡板来提高局部速度成为必要，以及
[0005]-将涡轮机气体的初始温度降至3500C到550 °C之间(包含350 °C和550 °C)的温度。
[0006]所有这些参数的发展使得用于良好燃烧的条件更困难，并且更具体地，使火焰稳定性和一氧化碳(CO)排放的控制更困难。
[0007]另一方面，由于在使非常昂贵的线槽的长度最小化的同时，控制火焰的长度可以控制下游温度分布，所以控制火焰长度是主要因素(mainstake)。
[0008]已知的流内燃烧器没有提供对于在这些困难条件下显著地以低的TEG速度控制一氧化碳(CO)排放和火焰稳定性所必需的混合和局部压力降低。
[0009]本发明的目的是提出可以解决这些问题且显著地实现如下的新型燃烧器模块:
[0010]-具有低O2浓度的火焰稳定性，
[0011 ]-具有非常低的CO排放的操作，
[0012]-具有低的TEG速度的操作，能够降低或者甚至消除挡板，
[0013]-具有高线性功率的操作，
[0014]-具有短火焰的操作。
[0015]这是由于通过新的且优化的空气动力学增大了燃烧器模块的TEG/气体混合物的速度和局部压力降低的面积的新的布置。
[0016]因此，根据本发明的空气流中的燃烧器模块包括:供给管，供给管大致为圆形截面且具有轴线;燃料喷射孔口，位于供给管上且旨在产生火焰;氧化剂喷射孔口及翼片或盖，形成所谓的模块或阻挡结构并布置为在燃烧器模块的上游相对于燃料流动平面P对称并且在供给管上横向布置在燃料喷射孔口的每一侧上，其中，在管的截面中存在至少两个燃料喷射孔口，并且燃料喷射孔口具有与燃料流动平面P成角度α的轴线。因此，气体在位于至少两个分开平面中的多个孔口处喷射。这两个平面界定没有燃料输入且没有氧化剂输入的空间，该空间促使燃烧气体在火焰内的内部再循环并且将大部分燃烧气体带向中央。相比并流流动，这还可以使得气体与TEG更快速混合。该成角度喷射以及同时引起的再循环实现了火焰稳定性、短火焰并且通过增加停留时间实现了 CO的重新燃烧。可以生产包括多个燃烧器模块或具有这些特征的块的燃烧器。
[0017]有利地，角度α在10°到30°之间(包含10°和30°)。
[0018]根据一个【具体实施方式】，喷射孔口在平面P的每一侧上具有不同尺寸的截面。因此，相同模块的气体喷射孔口布置为相对于流动平面P对称并且可具有截面，并且因此在顶部与底部(如果平面P是水平的)之间具有不同的气体流动速率。
[0019]根据一个具体特征，两个燃料喷射孔口具有与管的轴线相交的轴线。
[0020]根据另一特征，至少两个另外的次级燃料喷射孔口与燃料流动平面成角度ξ，并且角度ξ大于角度α。这使得有利于再循环并且实现最佳燃料/氧化剂比值的TEG的可能交替到来。
[0021 ]有利地，成角度ξ的次级燃料喷射孔口的截面为燃料喷射孔口的总截面的5 %到20%。具有5%到20%的交替比率的气体的交替喷射实现了非常低的NOx排放(低NOx操作)。在燃料孔口的喷射平面与翼片之间实现了互补喷射。
[0022]根据一个具体布置，本发明包括翼片，翼片与燃料流动平面成角度β，使得角度β在2α与3α之间(包含2α和3α)。这导致保护火焰的张开延伸以及与成角度喷射的内部再循环相关联的大模块(块)尺寸。这可以维持限制CO的形成的热区。因此，即使在具有低TEG速度的操作的过程中，也能形成高稳定性局部压力降低。同时，使得盖的角度等于气体的喷射角度的两倍到三倍可以形成正确引入TEG以及使TEG与燃烧区中的气体喷流的混合以及主旋涡的发展所需要的空间。
[0023]有利地，翼片具有包括氧化剂喷射开口的截面。TEG交替的到达有利于再循环并且实现最佳燃料/氧化剂比率，并且由于开口实现了 TEG交替的到达，该开口优选地是狭槽的形式，并且以这样的方式确定该开口的数量和截面，即，产生化学计量的(stoich1metric，理想配比的)低的空气流动速率的％ (大约5%到25% )。
[0024]根据一个具体特征，开口的截面在翼片的截面的3%到15%之间(包含3%和15%)。这些开口的流动截面可根据TEG氧气和速度特征而改变。
[0025]根据另一具体特征，开口具有平面P的每一侧处的不同尺寸的截面。因此，这些开口的截面以及由此通过它们的TEG流动速率可在顶部与底部之间不同。
[0026]根据另一特征，开口包括与燃料流动平面P成角度Θ的偏转元件。
[0027]有利地，角度Θ大致等于角度α。偏转元件赋予通道开口的角度与气体的喷射角度大致相同。
[0028]有利地，开口的截面根据孔口之间的距离而增大，以便优化向火焰逐渐引入空气并且减少CO的形成。
[0029]根据一个具体特征，本发明包括布置在管与火焰之间的护罩，所述护罩具有与喷射孔口对齐的孔。在附接护罩的水平处，气体与氧化剂喷射引起局部预混合。这加速了 TEG/气体混合并提高了火焰稳定性。位于护罩中的预混合孔口的截面呈现为气体出口孔口的截面的15倍到40倍。预混合孔口的位置与气体孔口的距离是管道的直径的0.1倍到0.3倍(包含0.1倍和0.3倍)。
[0030]有利地，孔位于护罩的壁上，该壁相对于喷射孔口的轴线成角度8。这有利于氧化剂通过气体喷流而被吸入。
[0031 ] 有利地，角度8大致等于90° ο即使低氧气、低温度和低TEG速度水平，这也利于局部湍流并且因此利于火焰稳定性。
[0032]根据一个具体特征，燃烧器模块包括位于燃烧器模块的外部中的挡板，并且所述挡板具有边缘，该边缘具有的角度与位于与管最远的偏转元件的角度相等且相对。挡板的特定形状或挡板端部可以产生TEG的围绕模块的平行于或几乎平行于气体的流动平面的流动，以便通过激冷效应(chi 11 ing effect)限制CO的形成。该形状的特征是在模块的端部与块的端部之间对称。
[0033]有利地，燃烧器模块在与TEG流动垂直的平面上投射的面积(area)在0.lm2/MW到
0.3m2/Mff之间(包含0.lm2/MW和0.3m2/Mff)。通过模块投射在与TEG的流动垂直的平面上的面积来限定模块的尺寸，并且该尺寸对于在9%到14%之间(包含9%和14%)的上游(湿烟雾)氧浓度是特别有利的。
[0034]根据本发明的燃烧方法包括具有上述特性中的至少一个的流内燃烧器模块，使得氧化剂具有低于21 %的氧浓度。
[0035]有利地，在管与护罩之间的空间中实现预混合。
[0036]本发明还涉及由具有上述特征的模块组成的流内燃烧器。
[0037]有利地，两个相邻模块交替地具有这样的喷射孔口，这些喷射孔口在平面P的每一侧上具有不同尺寸的截面。通过使模块(该模块的气体孔口截面在平面P的一侧(例如，底部处)上增大)与模块(该模块的气体孔口截面在平面P的另一侧(例如，顶部处)上增大)交替，由此在与流动平面P垂直且与管道的轴线平行的平面中形成了互补湍流。该互补湍流加速了气体与TEG的混合并减小了火焰长度。因此，顶部处的孔口与底部处的孔口之间的截面的比值可在0.25到4之间(并且有利地，在0.5到2之间)变化。
[0038]有利地，两个相邻模块在平面P的每一侧上交替具有不同尺寸的开口。通过使模块(该模块的气体孔□截面在平面P的一侧(例如，底部处)上增大)与模块(该模块的气体孔口截面在平面P的另一侧(例如，顶部处)上增大)交替，由此在与流动平面P垂直且与管道的轴的线平行的平面中形成互补湍流。该互补湍流加速了气体与TEG的混合并减小火焰长度。因此，顶部处的孔口与底部处的孔口之间的截面的比值可在0.25到4之间(并且有利地，在0.5至Ij 2之间)变化。
[0039]本领域技术人员在阅读由【附图说明】且通过示例性方式给出的以下实例后，其他优点将变得更加明显。
【附图说明】
[0040]图1是示出燃料流动的根据本发明的燃烧器模块的视图，
[0041 ]图2是示出氧化剂流动的图1燃烧器模块的视图，
[0042]图3是燃烧器模块的管的细节，
[0043]图4是来自图3的管的变体，
[0044]图5是翼片的一侧的视图，
[0045]图6是由燃烧器模块的组件组成的流内燃烧器的截面的视图，
[0046]图7是图6的后视图，
[0047]图8示出从前部看到的由多个模块组成的流内燃烧器的变体，
[0048]图8a是图8在平面AA上的截面，
[0049]图8b是图8在平面BB上的截面，
[0050]图9a以截面示出图8燃烧器在平面AA上的变体，
[0051 ]图9b是BB上的与图9a相同的变体的截面。
[0052]可在图7中看到的流内燃烧器的组件由并排布置的多个流内燃烧器模块I组成，每个流内燃烧器模块包括构成燃料供给管的管2。每个燃烧器模块I包括翼片3，翼片相对于平面P对称地并以角度β布置在管(燃料4在其中流动)2的任一侧面上。燃料流动通过对称布置在平面P的任一侧面上的喷射孔口 20。
[0053]管2由护罩5覆盖，护罩刺穿有面向孔口20的孔50。
[0054]一个侧面上的翼片3与管2的距离有远有近。翼片30最近，翼片31处于中间位置并且翼片32布置为在外部最远处，S卩，与管2最远。翼片30、31、32通过开口 33彼此分离。当然，能够具有多于或少于三个翼片。
[0055]现在将说明燃烧器模块的操作。
[0056]燃料4经由管2到来，并经由孔口20喷射至燃烧室6。这些孔口 20相对于燃料流动平面P定向成角度α。该角度可以界定没有燃料输入且没有氧化剂输入的空间，如图1所示，该空间通过形成主祸流(principle vortex)或瑞流40(其将大部分燃烧气体带向中心)促使燃烧气体4在火焰内部的内部再循环。翼片的角度β大致在2α和3α之间(包含2α和3α)。
[0057]在由图8、图8a和图8b所示的实施方式中，相同模块I的喷射孔口20在平面P的每个侧面上(即，如果P是水平的，则在顶部与底部之间)具有不同尺寸的截面并且因此具有燃料4的不同流动速率。因此，通过使模块(该模块的孔口 20的截面尺寸在平面P以下增大)1和模块(该模块的孔口 20的截面尺寸在平面P以上增大)1交替，形成了径向于主湍流40的分量41。该径向分量41减小了火焰长度。因此，顶部处与底部处的孔口 20之间的截面的尺寸的比值可在0.25与4之间(并且有利地在0.5与2之间)变化。
[0058]在由图9a和图9b所示的实施方式中，相同模块I的TEG开口33在平面P的顶部侧面与底部侧面之间具有不同尺寸的截面。因此，通过使模块(该模块的开口 33的尺寸在底部处增大)1与模块(该模块的开口 33的尺寸在顶部处增大)交替，形成或增大了径向于湍流40的互补分量41，该分量降低了火焰长度。
[0059]图2示出了经由开口33由于偏转元件34而以角度Θ进入的TEG7或涡轮机气体的循环。这可以形成稳定区域70。
[0060]如图5示出，挡板8具有包括边缘80的端部，该边缘与翼片32的偏转元件34配合以使得TEG 7围绕燃烧器模块I的流动平行于或几乎平行于平面P。翼片32的偏转元件34与边缘80之间的空间大于开口 33。边缘80形成角度Θ。
[0061 ]在管2与护罩5之间循环的TEG(参考图3)经由孔口 20(优选地，其直径大于孔50的直径)被朝向燃烧室6吸入，并且因此使得燃料4预混合。护罩5具有更利于形成涡流的平面壁52。孔50使得气体以相对于护罩5的壁52的角度8喷射。
[0062]根据图4示出的变体，管2具有次级喷射开口 21，该次级喷射开口使得燃料4以大于α的角度ξ喷射。每个次级开口 21布置为面向护罩5的次级孔51。经由孔口 20和孔50喷射的燃料4的量占80%到95%，而经由次级孔口 21和次级孔51喷射的燃料的量占5%到20%。
【主权项】
1.一种气流中的流内燃烧器模块(I)，包括:供给管(2)，具有大致圆形截面且具有轴线；燃料喷射孔口(20)，位于所述供给管上且旨在产生火焰;氧化剂喷射孔口(34)和翼片(3)，布置为在所述流内燃烧器模块的上游相对于燃料流动平面P对称并且在所述供给管(2)上横向布置在所述燃料喷射孔口(20)的每一侧上，其中，在所述供给管(2)的截面中具有至少两个所述燃料喷射孔口(20)，并且所述燃料喷射孔口具有与所述燃料流动平面P成角度α的轴线，所述角度α在10°到30°之间，并且所述流内燃烧器模块所包括的所述翼片(3)与所述燃料流动平面P成角度β，所述角度β介于2α和3α之间。2.根据权利要求1所述的流内燃烧器模块(I)，其特征在于:所述燃料喷射孔口(20)在所述燃料流动平面P的每一侧上具有不同尺寸的截面。3.根据前述权利要求中任一项所述的流内燃烧器模块，其中，至少两个次级燃料喷射孔口(21)与所述燃料流动平面P成角度ξ，并且所述角度ξ大于所述角度α。4.根据前一权利要求所述的流内燃烧器模块，其中，成角度ξ的所述次级燃料喷射孔口(21)的截面为所述燃料喷射孔口(20)的总截面的5%到20%。5.根据权利要求1所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述翼片(3)的截面包括氧化剂喷射开口(33)。6.根据前一权利要求所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述氧化剂喷射开口(33)的截面介于所述翼片(3)的截面的3%到15%之间。7.根据权利要求5或6所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述氧化剂喷射开口(33)在所述燃料流动平面P的每一侧上具有不同尺寸的截面。8.根据权利要求5、6或7所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述氧化剂喷射开口(33)包括偏转元件(34)，所述偏转元件与所述燃料流动平面P成角度Θ。9.根据前一权利要求所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述角度Θ大致等于所述角度α010.根据权利要求5至9中任一项所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述氧化剂喷射开口(33)的截面根据所述孔口(20、21)之间的距离而增大。11.根据前述权利要求中任一项所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述流内燃烧器模块包括护罩(5)，所述护罩布置在所述供给管(2)与火焰之间，所述护罩(5)具有与所述喷射孔口(20、21)对齐的孔(50、51)。12.根据前一权利要求所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述孔(50、51)位于所述护罩的壁(52)上，所述壁相对于所述喷射孔口(20、21)的轴线成角度8。13.根据前一权利要求所述的流内燃烧器模块(I)，其特征在于，所述角度8大致等于90。。14.根据前述权利要求中任一项所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述流内燃烧器模块包括挡板(8)，所述挡板位于所述流内燃烧器模块(I)的外部中，并且所述挡板(8)具有边缘(80)，所述边缘具有的角度与位于所述供给管最远处的所述偏转元件(34)的角度相等且相对。15.根据前述权利要求中任一项所述的流内燃烧器模块(I)，其中，所述流内燃烧器模块在与TEG的流动垂直的平面上投射的面积为0.1mVMff到0.3m2/Mff。16.—种燃烧方法，包括根据前述权利要求中任一项所述的流内燃烧器模块，其中，所述氧化剂具有低于21 %的氧浓度。17.—种燃烧方法，包括根据权利要求11至13中任一项所述的流内燃烧器模块，其中，在所述供给管(2)与所述护罩(5)之间的空间中实现预混合。18.—种燃烧器，包括根据权利要求1至15中任一项所述的流内燃烧器模块。19.根据权利要求2所述的燃烧器，其中，两个相邻的所述流内燃烧器模块在所述燃料流动平面P的每一侧上交替具有不同截面尺寸的所述燃料喷射孔口(20)。20.根据权利要求7所述的燃烧器，其中，两个相邻的所述流内燃烧器模块在所述燃料流动平面P的每一侧上交替具有不同尺寸的所述氧化剂喷射开口(33)。
【文档编号】F23R3/20GK105992913SQ201580008277
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月26日
【发明人】福阿德·赛义德, 路易斯·里奇, 扬妮克·布代
【申请人】法孚皮拉德公司