燃烧方法及实施该方法的装置的制作方法

专利名称：燃烧方法及实施该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃烧装置及燃烧方法，用于燃烧与空气的混合气中的燃料，以便产生用于各种用途的热气体。更具体地说，本发明涉及使用带有再循环流的燃烧器的燃烧装置和燃烧方法。本发明进一步涉及用于将空气和燃料的混合气点火并将其燃烧的装置和方法。这种类型的燃烧器，可以用于稀和超稀燃料和空气的混合气，用于气体涡轮发动机，喷气发动机和火箭发动机，诸如锅炉等热力设备，热交换设备，化学反应器等。本发明的装置和方法，在需要时，也可以在有助于燃料的重整(reformation)、而不是燃烧的条件下进行操作。
背景技术：
(下面的描述或者相关技术，应当按照后面的详细描述中提供的一些术语的定义进行理解。)在典型的燃烧器中，通过进气口将燃烧的空气和燃料(可以是预先混合的也可以是未预先混合的)引入到燃烧空间内，在所述燃烧空间内发生燃烧过程。可以存在有再循环流，在该再循环流中，燃烧的气体在再次结合到主燃烧气流中之前，在燃烧器内被再循环。通过引入高速、高温、大量的再循环流，将热能和动能注入到主燃烧气流中，从而，除了其它的优点之外，还允许稀或者非常稀的燃料/空气混合气进行稳定的燃烧，降低有害物的排放。
尽管在很多燃烧方法和装置中，存在着再循环流，但是，在现有的燃烧器中的再循环流发生在燃烧空间内，并没有被限制在用于有组织的运动的特定的空间内。其结果是，现有的燃烧器并没有将再循环流的速度最大化，从而没有将注入到主燃烧气流中的热能和动能的量最大化，而这些因素，对于稀和非常稀的燃料/空气混合气的有效的和稳定的燃烧而言，则是很需要的。
例如，Howald的美国专利U.S.Patent NO.4,586,328揭示了一种基本上为环形的燃烧器，在该燃烧器中，燃烧混合气沿着基本上环形螺旋状的气流通路燃烧。但是，被反馈到燃烧室内的进气口区域的再循环流(燃烧气体)没有足够高的速度；因此，向新鲜的燃料/空气混合气提供非常低的能量。环形气流通路的外围的出口进入到涡轮内。进而，在Howald的专利中，在空气气流与再循环的燃烧气体的气流之间引入附加的冷却气流。从而，用于将燃烧气体注入到空气气流或者注入到燃料/空气混合气气流中的条件受到损害，由再循环的气流提供给燃料/空气混合气的能量很低。其解决方案是使燃料/空气混合气更浓，但这是不理想的，因为这将导致更高的燃烧温度、不完全的燃烧、以及增大有害物的排放。
Kydd的美国专利U.S.Patent No.3,309,866揭示了一种用于无火焰的气体燃烧的过程和装置，在这种燃烧过程中，产生再循环(即，在燃烧器内基本上完全燃烧的气体与进入燃烧器内的燃料/空气混合气结合)。和Howald的专利类似，Kydd揭示的燃烧器未将再循环流的速度最大化，从而，导致将低水平的能量提供给主燃烧气流。如Howald的专利所述，沿着环形循环区域的外围的气流也注入到涡轮内。另外，Kydd的专利中的燃烧器包括带孔的环形板状的挡板，所以，燃烧的气体不会直接流入到新鲜的燃料/空气混合气内，从而，损害了将燃烧的气体注入到燃料混合气内条件。这里的主要缺点是，与被导入(admitted)且与进行涡旋运动的几乎完全燃烧的气体彻底混合的燃料和空气的混合物彻底地混合。
在Roquemore等的美国专利U.S.Patent No.5,857,339中，带有热气体向主气流中再循环的入口的封闭式涡旋燃烧器，具有燃料和空气入口，用于在热气体与主气流会合之前将燃料和/或空气导入到再循环的热气体中。和其它已知的燃烧器类似，尤其是由于在新鲜燃料和空气的混合气中发生的剧烈的燃料的重整过程，与新鲜燃料和空气的混合气汇合的再循环的热气体的温度迅速地降低。在这种情况下，向再循环的热气体中添加空气和/或燃料会起相反的作用，因为，在它们碰到主气流之前，再循环的热气体的温度已经被降低。燃烧空间的几何形状，使得再循环的热气体以尽可能地接近于平行流的方式与主气流会合。这意味着，其主要目的是，当再循环流遇到引入的主气流时，尽可能到达最低的液压损失。两个气流的混合的这种几何形状是非常不利的，因为，在两个气流碰撞时的这种“温和”的条件，导致在气流之间的非常差的能量传递，并且，在主气流入口处的温度的不均匀性可以高达100％，引入的主气流的内层可能根本没有被加热。这将导致引入的主气流的加热不良，引起熄火。对于这种类型的燃烧器的典型的温度曲线图(见图19)表明，在封闭的涡旋燃烧器中，在燃烧空间的入口处的引入的主气流的温度，实际上保持在和供应给燃烧器的主气流的温度相同的温度。其结果是，沿着燃烧器的轴向方向和径向方向，燃烧温度具有很大的不均匀性，当燃料和空气的混合气变成比较稀的混合气时，这将转化为很低的火焰的不稳定性，以及高的CO和NOx的排放。应当补充指出，在再循环流的通路中使用附加的空气和/或燃料入口是非常不利的，因为，它们会在再循环流中产生速度分布图的不均匀性，这将转化为在再循环的热气体与引入的主气流之间的能量传递的不均匀性的增大。
在Burrus等的美国专利U.S.Patent No.6,295,801中，燃烧器利用封闭式涡旋操作原理，维持引燃火焰。这种设计与上面所描述的设计具有相同的缺点。这种封闭式涡旋设计的主要优点是引燃火焰的稳定性。之所以这样做，是因为在现有技术中，如果不使用附加的装置，不能达到主火焰的稳定性。涡旋速度不可能等于入口气流速度。通过具有约0.75速度系数的口，将空气供应给涡旋区域。通过具有约0.9速度系数的成形通路，将主空气气流导入燃烧器。对于100m/s的理想的等熵速度，主空气流的速度将成为90m/s，涡旋速度将成为75m/s。借助在将空气供应给涡旋之前能够获得的压差，可以增大将气流供应给涡旋的速度，或者，可以将压力差增大。但是，应当注意，被导入到涡旋中的流体的温度，不应当低于涡旋中的气体的温度，即，应当将燃烧产物添加到涡旋中。主气流经受突然膨胀，导致速度降低。一般地，涡流的紊流特性导致速度降低。所有这些因素，都不允许将额外的能量提供给引入的主气流。
可以概括地说，在现有技术中，在燃烧器中使用封闭式的涡旋的主要特征是，对引入的主气流的表面层进行加热，这本身还是不错的，对保持稀混合气的火焰会带来一些改进。另一方面，这种浅表加热对于火焰稳定性和降低排放，不会导致任何戏剧性的改进。
在这些现有技术的再循环流燃烧器中，热气体的再循环流被二次空气气流稀释(冷却)，然后，将被冷却的再循环气体送往将要被加热的一次空气入口(见图20)。在其碰到一次(主)空气气流之前，将燃料添加到被二次空气气流稀释的热的再循环气体内。将燃料导入到热的再循环气体内，对于燃烧而言，导致非常不均匀的条件，因为，很少量的燃料不能与非常大的量的再循环气体及二次空气充分地混合。在这种情况下，随着接下来的冷却，燃料的重整将会非常剧烈并且不均匀。然后，燃料被点火，气体的温度升高，但这种温度的升高将被部分地用于补偿由于燃料重整引起的温度降低。然后气流碰到一次(主)空气气流(该气流实际上是二次气流，因为混合气已经燃烧)，并且被再次冷却。因为再循环的热气体已经被冷却两次(第一次被二次空气气流，第二次被导入的燃料)，被燃料燃烧加热的再循环流已经部分地耗费在补偿重整的温度损失上了，所以，在入口处主气流不能被加热。因为其结果完全依赖于两个气流的紊流混合，而这种紊流混合不能在整个体积内确保均匀的混合，所以，在入口处不能在整个横截面上均匀地加热主气流。这种对紊流(机械混合)的依赖更不可靠，因为两个气流实际上平行流动的。
在上面所描述的所有燃烧器中，再循环流中的温度不能高于TIT(涡轮进口温度)(见图21)。根据NOx和CO排放的折衷，在再循环流中的优选的温度为1100-1200℃。向再循环热气体中添加空气和/或燃料，导致再循环气体的温度的降低。这将导致两个主要结果。首先，CO的排放会增加。第二，不得不将更多的燃烧产物添加到引入的气流中，以便提高引入的气流的温度，这会引起燃料重整的增加，从而，降低温度。因此，在现有技术的燃烧器中使用封闭式的涡旋和再循环流，尽管能够对火焰的稳定性和排放性能带来某些改进，但是，还不能产生任何突破。
Anderson的美国专利U.S.Patent No.5,266,024揭示了利用热喷嘴，通过向气流提供热量，增大向喷灯提供的氧化剂流的动能。
Ranque的美国专利U.S.Patent No.1,952,281揭示了一种现象以及用于产生这种现象的装置，藉此，在具有一个被压缩流体流切向入口流的涡流管中，热量在涡流管内的流体的旋转的层之间进行传递，导致将旋转的流体分离成热的外部流和冷的内部流，这可能取自单独的输出。

发明内容
本发明涉及再循环流燃烧器，所述燃烧器具有基本上大致弯曲的再循环室以及在该再循环室内沿着涡流的分界层的外围的通畅的气流。这种燃烧室进一步具有在该燃烧室内的涡流与主气流之间的低紊流的边界界面区，在该边界界面区内，发生对燃烧过程非常有利的化学反应，并且在燃烧室内引起一种热喷嘴效应。这种类型的燃烧器可以用于燃烧稀的或超稀的燃料和空气混合气，用于气体涡轮发动机，喷气发动机和火箭发动机，诸如锅炉等热力设备，热交换设备，化学反应器等。本发明的装置和方法，在需要时，也可以在有助于燃料的重整、而不是燃烧的条件下进行操作。
更详细地说，本发明提供一种燃烧器，包括反应器；入口，用于将主流体流导入到所述反应器内；出口，用于将被加热的流体从所述反应器中排出；所述反应器位于所述入口与所述出口之间，并且包括主流体流区域，所述主流体流的大部分沿着主流体流通路通过该区域；再循环区域，所述主流体流的较少的部分通过该再循环区域；其中，所述再循环区域部分地被一个壁所限定，所述壁具有以基本上连续的方式在一个方向上弯曲的内表面并且从靠近所述出口的分接点延伸到靠近所述入口的返回点，所述内表面以如下的方式成形并相对于所述主流体流通路定位，即，在所述反应器的操作过程中，使得在所述主流体流通路中的部分流体在所述分接点处转向以形成再循环涡流；并且，其中，所述内表面进一步的特征在于，该内表面没有间断性，以便引起边界层沿着所述再循环涡流的外围基本上不受扰动的运动。而且，由在反应器内的所述再循环涡流与流体的主线性流之间的边界或者“界面”层内发生的化学反应，产生热喷嘴效应。
本发明进一步提供在上面所描述的燃烧器内使燃料起反应用的方法，所述方法包括以下步骤使所述主流体流的大部分在通路内沿着所述主流体流区域通过；使所述主流体流的较少的部分在通路内通过所述再循环区域，以便形成再循环涡流，所述再循环涡流使所述再循环区域内的流体的一部分返回到靠近所述入口的区域；使再循环流体的分界层在所述再循环区域的所述内壁表面的周围基本上没有紊流地流动；使所述再循环涡流的外围部分与所述主流体流在靠近所述入口的区域内交汇，其中，所述外围流体流具有比所述主流体流更高的速度；顺着所述交汇处的所述外围流体流追沿着与所述主流体大致相同的方向运动；通过热扩散而基本上不通过机械混合，将所述外围流体流与所述主流体流混合；从而，在所述主流体流与所述外围流体流之间形成界面层，并从所述外围流体流中的流体通过所述界面层向所述主流体流区域内的流体进行显著的热能的传递。
通过参照附图和下面的描述，本发明的实施将会变得更加清楚。


图1概略地表示在根据本发明的燃烧器中在燃料和空气混合气的气流与再循环涡流之间的界面。
图1A概略地表示在再循环涡流与引入的燃料和空气的混合气的气流之间的界面层的一部分，其中，符号X代表在再循环涡流的外围层中的“热的”CO分子。
图2是曲线图，表示在根据本发明的燃烧器中，CH4、T和CO与再循环涡流与燃料和空气混合气的气流之间的接触时间的函数关系。
图3是曲线图，表示NOx的排放水平与燃烧温度之间的函数关系。
图4表示在燃料和空气混合气体的气流中，温度与V2/V1的比值之间的函数关系。
图5表示CO和CH浓度(％)与燃烧时间的函数关系。
图6是根据本发明的用作喷燃炉的燃烧器的剖视图。
图7是图6的沿着箭头VII截取的部分剖视图。
图8是根据本发明的环形燃烧器的部分示意剖视图。
图9是沿着图8的线设计的环形燃烧器的另外一种实施例的纵剖视图。
图10是图8所示的燃烧器的一个实施例。
图11是根据本发明的罐式燃烧室的纵示意剖视图。
图12是从入口侧观察时看到的根据本发明的燃烧器的端视图，表示入口的一个实施例。
图13是与图12中所示的类似的入口的另外一个实施例。
图14表示结合有根据本发明的环形燃烧器的燃气涡轮发动机的纵剖视图。
图15表示结合有根据本发明的环形燃烧器的燃气涡轮发动机的另外一个实施例的纵剖视图。
图16是沿着图16中的箭头XVI截取的视图。
图17是图15所示的燃烧器的部分放大的视图。
图18表示一氧化碳(CO)的水平相对于再循环涡流的速度V2与入口流速V1的不同的比值的函数关系。
图19表示对于封闭式涡旋燃烧器的典型的温度曲线图。
图20在现有技术的再循环流燃烧器中的温度分布。
图21表示在现有技术的再循环流燃烧器中的预测的温度分布。
图22表示在燃烧器衬里中的温度测量点。
具体实施例方式
现将参照附图对本发明进行更详细的描述，所述附解地表示根据本发明的燃烧器的非限定性的示例的实施例。
作为正文前的图文，我们提供某些定义，以便理解本说明书和权利要求书。
火焰 在该处开始连锁氧化反应的薄的区域燃烧 燃料氧化的连锁反应着火(或者 连锁氧化反应的开始阶段如在“被点火”中使用的点火)无火焰的燃烧 在主气流的整个体积内均匀地发生氧化反应的现象反应器 实现化学反应的装置在本说明书中，一般利用术语“燃烧器”表示这里所描述的装置，尽管如将要描述的，根据本发明的装置，可以在有助于燃料的重整而不是在燃烧的条件下进行操作。术语“反应器”在这里用作“燃烧室”或者“燃烧空间”的更普遍性的替代用语，因为在有些条件下，有时故意地使燃料重整是这里所发生的占主导地位的过程。
另外，应当记住，燃烧和/或重整是具有复杂的动力学的复杂的化学过程，在任何一种给定的反应器中，在各种不同的时间将会发生上千种不同的化学反应。一般地，在反应器浓度反应，除了燃料直接地氧化成二氧化碳和水之外，还包括很多中间的和另外的反应，包括a)燃料的热分解，例如，b)燃料的部分氧化，例如，(作为最基本的例子，连同相应的和其它燃料发生的不同的反应，给出甲烷)。特别是，当温度低于现有技术的燃烧器的温度时，无需使用催化剂，就会发生这些反应。另外，我们还观察到(例如)c)燃料重整，d)燃料燃烧，
e)燃料重整，f)燃料燃烧，f)燃料燃烧，g)燃料重整，还注意到，这里，燃料重整和燃烧，有时两者的特征为一种类型的化学反应，所述化学反应为氧化-还原和氧化反应。这是因为，在每一种情况下，所有的“热”反应产物(H2O和CO)都是被氧化过程形成的。当然，应当理解，在燃料重整过程中，也有“冷”反应产物(CO)，所述反应产物是被还原反应形成的。
现转到附图，图6和7是本发明的一个实施例的两个视图。本实施例提供了一种燃烧器10，该燃烧器具有燃烧空间或者反应器16，所述反应器位于将主流体流导入到燃烧空间内用的入口18与将被加热的流体从燃烧空间中排出用的出口20之间，所述燃烧空间包括一个主流体流区域，大部分主流体流沿着主流体流通路通过该区域流过；一个再循环区域，主流体流的较少的部分沿着通路通过该区域流过。循环区域部分地由一个壁限定，所述壁具有沿着一个方向以基本上连续的方式弯曲的内表面21，所述内表面21以如下的方式相对于主流体流和主流体流通路配置并成形，即，该方式引起在主流体流通路内的流体在分接点处的部分的再循环涡流，在流体被从燃烧空间内排出之前，所述再循环涡流从靠近出口的分接点返回到靠近入口的返回点，进而，所述内表面被没有任何间断性地配置，以便引起分界层沿着所述再循环涡流的外周基本上不受扰动的运动。
优选地，当反应器16起着燃烧室的作用时，再循环区域的体积不小于主流体流区域的体积。但是，当反应器16起着下面将要描述的重整装置的作用时，再循环区域的体积，优选地不小于主流体流区域的体积的两倍。
如将会进一步描述的，在反应器16内，由发生在所述再循环涡流与主流体的线性流之间的边界或者“界面”层内的化学反应，产生一种热喷嘴效应。
根据本发明的燃烧器，提供一种再循环流。在该涡流中的流体流和在主流体流区域内的主流体流之间的界面上，是一个“边界”或者“界面”层。在再循环区域的壁和涡流之间，还有一个外围层或者分界层，该分界层具有基本上的层流。更详细地说，分界层具有小于0.2(优选地在0.008-0.01之间)的紊流度。
在外围层和边界层中的未受扰动的再循环流，提供以下的优点-旋涡层基本上不沿着径向方向在涡旋内混合，这使得能够保持热气体分子在涡旋内的分布曲线图，同时，主要是CO、CO2和H2O的“热的”分子向再循环流涡旋的外围移动，并且，CO在该处燃烧，而燃料分子重整的“冷”分子和离解产物，二次CO，H2，以及氧，从外围向涡旋的中心移动，在该处，它们在涡旋内参与氧化反应。这种分离是作为在离心力场中的惯性扩散的结果所发生的。从而，在再循环涡流与引入的主流体流之间的界面或者交汇点，将处于可能的最高的温度，涡旋总是具有可燃材料的供给，而没有任何层的混合。
-由于热喷嘴效应，以及由于再循环流的非常低的紊流度(这是通过提供一个圆形的表面来达到的，所述圆形表面被设置成确保自然流动，并被制成确保沿着该表面不受扰动的流动)，涡旋的内部到其外围层的速度大于引入的主流体流的速度。
-边界层和外围层的存在，使得燃料能够在大约2ms或更短的时间内完全燃烧。
-沿着涡旋外围层发生重整反应，包括CO2和C反应形成2CO。尽管开始时形成一个“热”分子和一个“冷”分子，但是，当该层在入口区域重新加入到主流体流中时，除了其它因素之外，主要是由于与热的室壁的接触，已经被明显的加热。如将要进一步描述的，当恰当地与引入的燃料和空气的混合气在入口处混合时，这种热的CO的外围涡流，作为燃料是非常有利的。
在燃烧器中再循环流相对于主(线性)流体流的比例可以变化。进入涡旋的流体与在出口处离开燃烧器的流体的比例，在反应器起着燃烧室的作用的操作模式，优选地，不小于百分之七(7％)，在反应器起着重整装置的操作模式中，不小于百分之十(10％)。
如上面讨论过的，为了保持所需深度的这种流体流，该室的表面应当是弯曲的，以基本上连续的方式保持其沿一个方向弯曲(例如，不来回地弯曲)。当在出口处的流体具有大约1100℃的温度时，该分界层的深度为大约1mm，当流体在出口的温度为大约800℃时，该深度为大约2mm，在更低的温度，该深度深得多，例如，在380-420℃时，一直低到该分界层将具有大于再循环涡流中的再循环流体的中心核的直径的深度。
从而，在涡旋的外围遇到被导入到燃烧空间内的引入的主流体流的交汇点或者靠近入口的区域内，获得以下的条件最高的温度位于在两个流体流的界面上，以及，在同一个方向上追随交汇点运动的两个流体流之间具有较高的相对速度。这两个条件的结果是，从涡旋的外围向引入的主流体流的分界面的非常强烈的热传递，这种热传递的特征在于，由于上面所述的条件，热传递的速度非常高。从而，涡旋能够以最有效的方式向引入的主流体流的界面层传递热能。因此，引入的主流体流的表面层被点火，并且稳定地燃烧，而与燃料/空气比无关，起着引燃火焰的作用，但是，在两个流体流之间没有明显的紊流混合，这种紊流混合会导致“热”点和“冷”点的形成、温度的均化以及其它现有的封闭式涡旋燃烧器所固有的不受欢迎的现象。应当注意，作为惯性扩散的结果，首先，燃烧的燃料到达引入的流体流的表面层，“冷”的方向出发前往涡旋的中心部分，从而提供连锁反应的条件，即，以和燃烧的速度相当的速度氧化的条件，并且，随着涡旋的速度相对于引入的气流的速度的进一步增加，燃烧的速度也可以增加，从而，利用比传统的燃烧器中使用的稀得多的混合气(ke约0.5)导致受控爆炸燃烧。这种现象导致引入的气流的温度的突然增高，以及，作为其结果，导致就在燃烧靠近的入口处，迅速和均匀地加热引入的气流的整个主体，从而，引入的气流的动能或者速度从入口区域开始增大，这种增大一直延续到出口区域，因此提供热喷嘴效应，这种热喷嘴效应给予再循环涡流以冲量，使之以更高的速度运动。应当注意，无需涡旋所再循环流与引入的流体流的机械(紊流)混合，只通过利用上面模描述的机理发生这种通过引入的气流的迅速的加热，并不存在涡旋再循环流与引入的流体流的机械(紊流)混合。
在根据本发明的燃烧器中利用热喷嘴现象，使得能够增大流体流通过出口离开燃烧空间的速度，与此同时，几乎完全消除了再循环(涡旋)流与通过燃烧空间的流体流主体的紊流混合。从而显著地减少在燃烧空间内的损失。为了产生热喷嘴效应，采用圆形表面，并且该圆形表面没有任何流体流扰动元件，例如开口，凹槽，凸起，流体入口等，尤其是，借助上面提到的惯性扩散和通过引入的流体流的主体迅速加热与在两个流体流之间的高温界面相结合，确保了再循环涡流中等气体分子的重新分布。不存在将会导致“热”点和“冷”点的形成的混合，确保最小的NOx形成水平。由于燃烧产物不被紊流(机械混合)与引入的流体混合，所以，可以是非常稀的引入的燃料和空气的混合气，不会变得更稀，因为燃烧气体和燃料/空气混合气以平行流的方式运动(在相同的方向以不同的速度)，它们之间没有机械混合。这种优点使得能够在任何碳氢化合物燃料在理论上可以氧化的温度，保持非常稀的混合气的燃烧。
碳氢化合物燃料的燃烧温度可以低于500℃，燃烧器的出口气体温度低到350-330℃。这是氧化温度，所以，如果使用传统的燃烧器结构，则CO2和H2O的形成速度将会降低超过1000倍。但是，由于上面提到的惯性扩散，新形成的CO、CO2和H2O向具有较高的燃料含量的区域内(从涡旋的中心向外围)、及然后向界面层的重新布局的速度，比标准的大约1m/s的燃烧速度高几倍，而在根据本发明的燃烧器中的燃料成分的氧化速度与在现有技术的燃烧器中的燃烧速度为同一个数量级。
如上面所述，没有流体(包括燃料)添加到再循环流中的燃烧产物内(至少不添加到燃烧空间的入口和出口之间的圆形再循环流表面上的主要部分内)，再循环流的紊流度非低(在任何传统的燃烧器的最低的值以下)。其结果是，在涡旋中没有碳微粒形成。其有利的结果是，不存在从再循环流向燃烧器壁的热辐射损失，以及在再循环流从离开燃烧器向入口区域流动的燃烧产物中分离出来的分离点起的区域内，燃烧器壁的比较低的温度。应当注意，在该分离点上游的燃烧器壁的温度，对CO水平没有任何影响。
向涡旋表面与化学反应的燃料和空气混合气之间的热交换，不仅由温度场决定；它依赖于涡旋及燃料和空气混合气的化学组成。在两个气流的温度之间存在差异(涡旋温度较高)，并且在它们的化学成分之间存在差异(涡旋包含有更多的CO2和H2O，新鲜的混合气包含更多的燃料和氧)。从而，如果两个气流在同一个方向运动而没有机械混合的话，产生用于扩散过程的条件，更具体地说，产生用于热扩散和浓度扩散的条件。气压扩散可以忽略不计，它只在向受控爆炸燃烧转变时是重要的。
在燃烧器的运转过程中，热扩散和浓度扩散的比例发生变化；但是，浓度扩散在涡旋与燃料空气混合气之间的热交换中总是占优势。浓度扩散实际上对于热交换过程的强度具有决定性的作用。如果把化学反应计算在内的话，是很难精确地估价在热交换过程当中的浓度梯度的。应当注意，在涡流与燃料和空气流中的界面层内CH4(或其它燃料)和O2的浓度的变化，不仅影响热能传递过程，而且也影响反应方向(直接反应和逆反应)。例如，如果在燃料和空气混合气中CH4的浓度增加(由于和设计的给定值相比，等值系数增大的结果)，在界面层中，燃料重整过程将开始占据优势。与向涡旋供应的氧比例相结合，这将导致涡旋外围的温度下降，其结果是，到达涡旋中心部分的分子的温度也会降低。同时发生的两个过程将导致涡旋温度降低到亚临界值以下，造成熄火。这就是为什么像以前做的那样通过涡流与燃料和空气的混合气的简单的机械混合不能解决稀混合气的稳定的燃烧的原因，因为，在这种情况下，向燃料和空气混合气提供热能，伴随着CO2和H2O供给的同时增加，同时降低涡旋以及燃料和空气混合气的温度。根据本发明，扩散过程在两个气流(它们之间没有机械混合)之间占优势，并且，相对于热能消耗者—燃料和空气混合气的速度而言，在气流相遇(涡旋)的入口处的热能能源具有增大的速度。
强烈的涡旋向燃料/空气混合气的热传递，以如下的方式起动热喷嘴效应。燃料和空气混合气气流的外围层总是以很高的热传递速率从涡旋外围以及CO2、CO和H2O的“热”分子接受热能。因此，提供将燃料和空气流的外围点火并维持该层的燃烧的条件。一旦该外围层被点火，燃烧就以非常高的速度传播遍及整个燃料和空气气流的主体，气流速度在热喷嘴效应的作用下开始升高。其结果是，燃料和空气气流的动能增加。燃料和空气气流外围层的稳定的燃烧(稳定火焰)不仅被涡流的高温以及从涡旋外围向燃料和空气的外围的高速度的热传递所确保，其中，所述高速度的热传递形成一种“引燃火焰”。而且，CO2、CO和H2O分子向该“引燃火焰”层的连续的和充足的供应，使得在任何瞬时状态下，对于最小的燃料-空气比，以及在燃料的供应突然波动的情况下，确保持续的火焰。
燃料和氧分子与通过扩散从涡旋向燃料和空气混合气中移动的“热”分子沿着相反的方向移动。这是浓度扩散。氮分子以非常小的量从涡旋向燃料和空气混合气中扩散(热扩散)，氮多半不会从燃料和空气混合气中向涡旋中移动，因为在涡旋和燃料和空气混合气中的氮的浓度基本上相等。进入涡流与燃料和空气气流之间的界面层内的燃料的一部分，被点火，但是，在该层中的燃料的主要部分被重整。一次(“热”)CO分子，以及氢的一部分，停留在界面层中。
某些停留的分子被氧化成CO2和H2O，它们返回到燃料和空气混合气中。大部分的一次(“热”)CO分子和氢，以CO和H2的形式返回到燃料和空气的混合气中。它们产生涡旋的“撞击力”。“冷的”分子(作为重整的结果获得的)，所谓的二次CO、H2以及氧，将移动到涡旋的中心(它们具有较低的惯性，因为其热运动速度较低)。它们并不能全部到达中心。它们中的一部分，在其向中心移动的路途中，将被氧化成CO2和H2O，被离心力返回到涡旋的外围(被惯性扩散)，等等。
这种过程图解地表示在图1和图1A中，其中，点代表“热的”CO、CO2、H2O和H2分子，加号代表“冷的”燃料分子和氧。箭头表示如上所述的分子的运动方向，再循环涡流和引入的燃料和空气混合气的气流相遇的点表示在“O”处。
再循环涡流与引入的燃料和空气混合气的气流的界面层的放大的示意的部分视图，表示在图1A中。符号“X”代表由重整形成的、输入到涡旋的外围层中的CO。该图表示在入口区域扩散到引入的燃料和空气混合气中的CO，极大地帮助燃烧。如将会理解的，尽管再循环涡流的速度V2大于引入的燃料和空气混合气的速度V1，但是，再循环涡流外围层的速度V3远低于引入的燃料和空气混合气气流的速度(从表面起有一个速度梯度，在该层中的平均速度大约在V1的1/5的范围内)。
在界面层中发生的过程，示于图2的图表。可以看出，随着时间的推移，燃料水平(CH4)下降，但是，温度(T)几乎保持不变(没有增高，而在传统的燃烧器中，则会增高)，因为强烈的燃料的重整一直在进行，同时形成“冷的”和“热的”CO分子。在接触时间大约经过2/3之后，或者，在本实施例中，在两个气流相遇之后大约经过0.7至0.8ms，温度T开始上升。
实施根据本发明的燃烧方法的通常优选的方式是，令燃烧器的设计符合以下的尺寸配置关系a≥1.4bd≤2.2b2r+b≥c≥r+b其中r是圆形表面的半径(见图6)；a是燃烧空间的入口与出口之间的距离；b是入口部的高度；c是燃烧空间在半径r方向的最大尺寸；d是出口部的高度。
如果d大于2.2b，热喷嘴的横截面面积会太大，不能达到给予涡旋初始冲量的所需的燃料和空气气流的速度。如果c大于2r+b，横截面面积太大，不能达到所需的燃料和空气气流的速度，它对于涡旋的作用将会降低，涡旋在其与燃料和空气气流的界面的区域内的速度会太低。优选地，出口的横截面面积不大于入口的横截面面积的2.2倍。相对于在反应器起着燃烧室的作用的操作模式中使用的入口横截面面积而言，当需要变化到反应器起着重整装置的作用的操作模式时，入口横截面的面积减小。
尺寸a决定涡旋与燃料和空气气流的接触时间。优选地，该时间应大于1ms。根据流体在入口处的入口速度，可以获得尺寸a，所述入口速度优选地为10到20m/s。
当新鲜的燃料和空气混合气被加热时(温度的上升约为150℃)，在燃料和空气气流中通常存在着不均匀的温度分布曲线，在传统的燃烧器中，通常在点火之前，当混合气被再循环的热气体加热时，发生这种新鲜燃料和混合气的加热。温度的不均匀性可以高达100％，这意味着，每一个气流的喷射流(jet of flow)实际上可以保持在和进入燃烧器之前的空气气流的温度相同的温度。在燃料燃烧的末尾，温度的不均匀性大致相同。如果燃烧器的出口温度应当约为1200℃的话，由于上面提到的不均匀性，在气流内温度可以高达1500℃。尽管在1200℃时NO2的水平是可以接受的，但是在高温下一氧化二氮的排放明显的更高。这表示在图3中，其中，曲线I表示对于更热的燃料空气混合气层的一氧化二氮的排放，曲线II表示对于较冷的燃料空气混合气层的一氧化二氮的排放。可以看出，在同一个燃烧器中，NO2可以处在1ppm和10ppm和更高的水平。曲线III表示对于在点火之前被加热的燃料和空气混合气中均匀的温度分布曲线图的情况。
试图通过将更热的气体引入到新鲜的燃料和空气气流中来消除温度的不均匀性，会导致这样的事实，即，与可能预期的情况相反，接受更热的燃烧产物的燃料和空气混合气的部分与接受较少的燃烧产物的混合气的剩余部分相比，会被加热到较低的温度。这可以用下述事实进行解释，即，过多量的热的燃烧产物，引起更强烈的燃料重整，这是导致温度降低的原因。对于燃料和空气的不良的混合来说，这种现象变得更加显著，因此，由于更高的重整速度，具有更高燃料水平的气流的区域，温度的降低甚至更低。这可以从图4中看出，图4表示燃料和空气混合气气流中的温度与涡旋外围的速度的函数关系。可以看出，在燃料和空气气流中的温度上升一直增加，直到涡旋外围的速度变成入口流体流速的1.2至1.25倍为止，在该点之后温度下降，尽管将大量的热能注入到入口流体流中。
因此，很明显，上面所述的温度的不均匀性在燃料和空气气流中一直保持到点火的时刻。当燃料和空气的混合气点火时，较冷的部分将会更早地烧完，并且变得比未点火之前较热的部分更热。对于降低排放所希望的涡旋外围速度而言，由于上面描述过的重整作用，在燃烧着的燃料和空气混合气内(在点火后)，温度的不均匀性甚至变得更高。这可以用下面的事实加以解释，即，燃料和空气混合气的较热的部分，在混合气的比较冷的部分的燃烧已经完成之后，还将继续燃烧。这时的温度不均匀性可以高达约500℃。
上面所述的燃烧过程之间的不同，由具有不同温度的气流喷射流(flow jets)中的不同的燃烧化学来解释。由于较冷的射流包含更多的燃烧产物，所以，在这些射流中的CO的氧化速度，由熟悉本领域的人员公知的一级化学反应方程式决定x＝a1-b1[exp(-kt)](1)其中x是在燃烧产物中的目前的CO水平(mol)；a1是初始的CO水平(mol)；k是反应的动力学常数(2.15mol/s)；b1是温度系数t是燃烧的时间(s)。
包含有较少的燃烧产物的较热的气流喷射流根据二级化学反应方程式燃烧，该方程式反映了在这种喷射流中，扩散质量传递对在这种喷射流中的燃烧过程的影响
x＝a2-b2[exp(-kt)]+Deff[exp(-mt2)] (2)其中x、a2、b2、k和t具有和x、a1、b1、k和t相同含意；Deff是有效扩散系数(mol/cm2*s)；m是非双体碰撞系数(cm-1*s-1)。
下面参照图5说明这两个方程式的工作方式，该图5表示CO和CH的浓度(％)与燃烧时间的函数关系。曲线I代表由方程式(1)描述的动力学，可以看出，燃料在很短的燃烧时间内快速地燃尽，这有利于降低NOx的排放，同时具有最小的CO水平。曲线II表示由方程式(2)描述的动力学，可以看出，燃烧过程比前一种情况花费长得多的时间，加上较高的燃烧温度，导致高的NOx的排放，以及非常慢的CO的燃尽。应当指出，曲线II是在假定均质的燃料和空气的混合气的理想的情况下给出的。对于在现有技术的燃烧器中可获得的燃料和空气混合气，结果将会差得很多。
为了消除现有技术中的上述缺点，需要正好在燃烧区域的入口处，在将流体流导入到燃烧器的入口的整个横截面上，均匀地提高主空气气流的温度。重要的是，在进入燃烧区域之前，基本上整个引入的气流主体，都接受到基本上相同的热能。如果情况是这样的话，对于燃料和空气的混合气的整个主体而言，燃料重整条件基本上是相同的。
这种方法的优点如下所述。由于被点火的气流在燃料和空气混合气点火之前没有温度的不均匀性，所以，在整个气流主体上，基本上在相同的温度发生燃烧，在这种情况下，在燃烧器出口处在最大的设计给定值温度，例如，为1200℃，在燃烧器内，在任何一点上，温度都不会在这个水平以上。已知，这是最小的NO2的形成温度和最剧烈的CO的燃尽温度。当用于燃气涡轮发动机中时，这使得可以将燃烧器设计成等于TIT的燃烧温度。在燃烧区域内的均匀的温度分布曲线图确保没有过热点和局部过热的燃烧器区域，因此，使得燃烧器的制造更便宜和更简单，并且延长燃烧器的寿命。
引入的气流中的温度分布曲线的均匀性，使得燃烧器可以利用方程式(1)或者方程式(2)中之一很好地操作。如图4所示，对于涡旋外围的速度一直到入口流体流的速度的1.2倍时，燃烧过程主要按照方程式(2)发生，在燃烧器出口处具有低的NOx排放，以及相对比较低的CO排放。对于1.4与2之间的速度比，在燃烧器出口处的NOx和CO两者的排放都很低(见图5)。
优选地，在入口区域，将用于燃烧的空气的温度提高50℃到550℃。如果CO排放的要求不是太严格，可以使用更高的温升，这将极大地简化燃烧器的设计。在这种情况下，方程式(2)将决定燃烧操作，该过程不要求大量的再循环的热气体，这降低了燃烧器部件的热负荷。如果要求低的CO水平，则可以降低温升，但是，应当增大在靠近入口的区域内但在分界层的外部的涡旋外围的速度与进入主气流区域内的引入的主气流的速度之比，在1.4到2.2的范围内工作。在这种情况下，燃烧器按照方程式(1)工作，具有低的NOx的排放，而CO水平则显著降低，如图5中的曲线I所示。
在靠近入口的区域内但在分界层的外部的涡旋外围的速度与进入主气流区域内的引入的主气流的速度之比，在1.4到2.2的范围内。如上面所述，在该比值与入口流体流的温升之间存在着一定的关系。如可以从图4中看出，存在着两个区域，一个区域由方程式(2)控制，另一个区域由方程式(1)控制。在比例值近似于在0.8和1.5之间的过渡区域，由两个方程式(1)和(2)描述，在该区域，NOx水平高于左侧区域和右侧区域的水平，CO的水平只高于右侧的区域。这种过渡区域，例如在瞬态的情况下发生，并且，例如可以通过改变速度比例(例如通过改变入口横截面面积或者在分离点处的角度β)将其消除。
根据本发明的燃烧器，可以利用设置在燃烧空间的出口的下游的紊流增强器制成，以便改进残留的CO的氧化条件。在这种情况下，燃烧器可以根据方程式(2)以低的燃烧温度工作，并且仍然具有良好的CO排放性能。当为了进一步降低CO水平而根据方程式(1)工作时，可以采用相同的设备。
图6表示应用于喷燃炉的根据本发明的燃烧器，图6是一个剖视图。如图7所示，该燃烧器具有一个细长的结构，可以制成例如用于覆盖锅炉设备的炉壁所需要的长度。由标号10表示的燃烧器具有由壁12(也可以起着衬里的作用)限定的外壳。壁12和端壁14(在图7中只表示出一个右侧壁14)限定出燃烧器空间16，在该空间内发生燃料的燃烧。燃烧空间16具有彼此间隔开的入口18和出口20，并且，应当理解，流体(例如处于压力下的空气)通过入口18以速度V1被导入到燃烧空间16内，并通过燃烧空间16在朝向出口20的方向上运动，以便被用于一个设置在燃烧器10的下游的装置(未示出)中。根据本发明，燃烧器空间16具有一个圆形壁21，该圆形壁限定出用于再循环涡流的通路，所述涡流从通过燃烧空间16的出口20排出的流体流中分离出来。流体流的一部分，在其通过出口20被从燃烧空间16排出之前，在分离点22处从流体中分离出来，圆形表面21在分离点22与出口区域24之间延伸，其中，出口18位于该出口区域24内。这里所使用的术语“圆形”指的是“具有一个精确的或者近似的圆的外形轮廓”(Webster’s Third New International Dictionary of the EnglishLanguage，Merriam-Webster，Inc.)。应当理解，对于本发明而言，精确的圆是优选的，但是，近似于圆的形状，例如椭圆等，也可以用于达到本发明的目的。入口流体流通过燃烧空间16沿着用线O-O表示的路径运动。在入口流体流的运动方向与在入口18处的壁12的部分26之间、或者与在入口18处的再循环涡旋的方向之间的角度α，优选地在约85°和175°之间，在这里表示成一个直角。该角度的作用将在下面进行描述。在入口流体流的运动方向O-O和在分离/分接点22处的与壁12正切的平面T-T之间、或者在O-O方向与分接点22处的再循环涡旋的方向之间的角度β，优选地在约100°和15°之间。该角度的作用将在下面进行解释。尺寸a、b、c、d和r，在上面的根据本发明的燃烧方法的描述中进行过说明。
燃烧器以如下的方式运行。例如由鼓风机或者压缩机，通过入口18导入诸如空气等用于燃烧的流体，应当理解，可以将已经与燃料预先混合的空气导入，或者可以在入口处(未示出)将燃料单独地供应到流体流中。这种通过入口18导入的流体，沿着大体的O-O方向从燃烧空间16向出口20运动，该流体流的初始速度为V1。借助点火器(未示出，例如，可以安装在入口18的上游或者安装在燃烧空间16内)将燃料点火，并且开始在燃烧空间16内燃烧，导致形成热的燃烧产物，这些燃烧产物通过出口20排出，例如，用在锅炉内或者任何其它的热交换装置中。
优选地，点火器不应当设置在再循环涡旋内，以避免与在区域内的流体流干扰。在罐式燃烧室的实施例中，交汇火焰管(cross-firetube)可以在这样的点处与罐接触，在所述点，每一个罐在再循环区域之外或者在再循环区域之前(但不在再循环区域之内，像有时传统上实施的那样)。或者，点火器甚至也可以配置在再循环室内，如果将其加以修改以便基本上不与流体流干扰的话。在燃烧产物(热气体)离开燃烧空间16之前，它们的一部分在分离点或者分接点22处从基本上沿着O-O线运动的主流体流中分离出来，以便形成由图6中的箭头28表示的再循环涡流。该涡流具有速度V2，该速度依赖于燃烧空间16的内部尺寸之间的比例，同时，也依赖于沿着圆形表面21的再循环涡流的特性。对于在分离点22处入口流体流的运动方向O-O与相对于壁12的正切平面T-T之间的角度β为45°的情况而言，沿着圆形表面21的涡流的紊流度约为0.008，如果角度β为100°的话，紊流度约为0.2。角度β的优选值为65°，紊流度约为0.03到0.025。应当理解，只有当将圆形表面21(至少在从分离点22开始并且沿着朝向入口18的方向延伸的该表面的的大部分)制造得很平滑时，才能够获得上面给出的紊流度的很低的值，即，没有任何孔洞、凹槽、凸起、流体入口等。在该表面上的任何这种不规则性，都将会肯定地、不可避免地扰动沿着表面21的涡流，将其紊流化，使紊流度上升，超过上述界限，达到0.2甚至更高，使之与传统的封闭式涡旋燃烧器中所发生的情况相似。在应用需要时，可以增大紊流度(在上面规定的限度内)，以便增加涡旋的温度。根据再循环流与入口流在入口18的区域24内相遇的条件，在85°到175°的范围内选择角度α。该角度的数值的增加，导致在两个流体流相遇时较低的紊流。当具有速度V2的再循环涡流在入口区域碰到具有速度V1的入口流体流时(V2＞V1)，如在上面为了说明在燃烧空间16内发生的过程时所详细描述的那样，两个流体流在它们之间限定出界面层。应当理解，由于上面所描述的热喷嘴效应，并且由于沿着圆形表面21的低的紊流度并且沿着该路径不存在紊流化的元件，所以，如上所述，速度V2大于速度V1，直到两个流体流在入口区域相遇的时刻为止，较高的速度V2一直保持得高于速度V1。
图8表示根据本发明的环形燃烧器的部分示意剖视图，对于和图6及7同样的部分用同等的参考标号表示，但是，在参考标号上加上100。在本实施例中，入口流体沿其流动的表面130在入口118处具有部分132，该部分132相对于入口流体流的大致方向O-O以0°到15°的角度γ倾斜。这种结构可以用于要求保持速度V1和V2之间的比值，并且燃烧器的径向尺寸有限的应用中。在这种情况下，不能通过简单地加大尺寸b增加入口的截面面积来降低速度V1，因为这将导致入口流与低紊流的再循环涡流的干扰。通过采用大于0°的角度γ，可以使尺寸b实际上不变，但是将流体流的截面面积制造得更大，而不会与再循环涡流发生干扰。至于其它方面，本实施例按照上面参照图6和7所描述的实施例的方式动作。
图9是按照图8设计的环形燃烧器的纵剖视图，对于和图6及7同样的部分用同等的参考标号表示，但是，在参考标号上加上200。这里，其不同之处在于，将角度α制造得更大些，对于两个流体流(再循环涡流和入口流体流)提供非常温和的低的紊流条件，以便降低CO水平。
图10表示图8中所示的燃烧器的实施例，对于同样的部分用加上300的同等的参考标号来表示，用来说明如何将图8和图9所示的燃烧器的实施例一起使用。这里，可以看出，角度γ大于0°，角度α大于90°。对于根据本发明的这样设计的燃烧器，对于小的径向尺寸的燃烧器，可以降低CO的水平。
图11表示根据本发明设计的筒形燃烧器。对于同样的部分用加上400的同等的参考标号来表示。这里的不同之处在于，入口流沿着径向方向被导入，并且沿着弯曲的路径O1-O1运动。限定出表面430的壁434可以在导套436中被移入和移出(从图中的左方向右方，反之亦然)。这使得可以将同一个燃烧器用于不同的用途，因为通过改变入口条件，可以改变速度V1和V2的比值，因此，改变燃烧器的设计点的最大温度。也可以将壁434配置成在燃烧器的操作过程当中进行运动(借助未示出的机构)，在这种情况下，例如，可以根据负荷条件改变燃烧器的最大温度。
图12和13表示根据本发明的燃烧器的实施例，其中，对入口18进行了更改。如图12所示，入口具有沿径向方向向内延伸的凸起13，所述凸起沿着开口的圆周间隔开设置，在图13中，入口具有径向凹槽15，所述凹槽15沿着开口的圆周间隔开设置。在这两种情况下，凸起和凹槽通过增大其表面面积确保引入的流体流的外周面的结构。这使得能够以和两个流体流的速度V1和V2之间的相同的比例，扩大入口流体流外围与再循环涡流之间的接触面积。借助这种配置，可以将燃烧器制造得比较短，或者以燃烧器的相同的长度加强两个流体流之间的相互作用。
图14表示结合有根据本发明的环形燃烧器的燃气涡轮发动机的纵剖视图，其中，等同的部分用加上500的相同的参考标号表示。环形燃烧器510，基本上和参照图11描述和表示的燃烧器类似地构成，该环形燃烧器510安装在燃气涡轮发动机中，图中表示出安装在轴542上的带有一组喷嘴541的涡轮540。通过导管519将空气从压缩机(未示出)提供给燃烧空间516的入口518，供应给燃烧器。入口518具有扩散器544，该扩散器保持已经传递给空气气流的剩余的圆周旋涡，以便提高燃烧空间516内的入口空气气流的外周表面与再循环涡流528之间的相互作用。通过口546将燃料导入到燃烧空间516内，以便与空气预先混合。应当理解，燃料可以在燃烧器的上游和空气预先混合。入口区域524内、于壁部526上，设置另外的由548表示的用于空气和/或燃料的入口，以便在再循环涡流即将与通过入口518导入的空气气流的外围相遇之前，改变所述再循环涡流的结构。如果将燃烧器设计成在低的燃烧温度工作，例如1000℃，通过口548添加空气和燃料，会导致将温度提高到例如1500℃。相反地，如果将燃烧器设计成在1500℃的温度下工作，通过口548提供额外的空气，可以获得1000℃的较低的温度。空气和燃料可以通过口548以受控的量和受控的比例提供，以便在波动的条件下，围绕某个给定值，将燃烧器保持在任何所需的温度。燃烧器具有另外一个用550表示的用于燃烧空气的入口，以便将新鲜空气(例如氧)添加到燃烧产物内，所述燃烧产物从通过出口520排出的热气体流中分离出来，用于涡轮540。如果当量比太低，排气流需要更多的氧，用于氧化CO。如果燃烧器以太高的当量比工作，排气流会包含燃料的不完全氧化的成分CH和CO，在这种情况下，添加新鲜空气，会增强氧化反应，甚至提高排气温度。应当补充说明，通过口550添加空气，会将排气流紊流化并增强CO燃尽。很显然，也可以将熟悉本领域的人员公知的专用的紊流增强器安装到燃烧空间的出口的下游。应当理解，上面描述的通过口548添加空气和/或燃料以及通过口550添加空气的步骤，可以通过利用具有负荷和/或温度传感器以及适当的控制装置的控制系统来完成，所述控制系统利用熟悉本领域的人员公知的方法和设备，用于改变、接通或关闭附加的空气和燃料的供应。
图15是表示结合有根据本发明的环形燃烧器的燃气涡轮发动机的另外一个实施例的纵剖视图。该实施例利用共用旋翼叶盘612上的离心式压缩机600和向心式涡轮610，所述旋翼叶盘安装在轴颈支承在外壳615上的轴614上。根据本发明的燃烧器616具有限定出燃烧空间620的外壳618和衬里619，所述燃烧空间620在压缩机侧具有入口622，在涡轮侧具有出口624。燃烧器具有点火器626。在压缩机600和涡轮610之间的间隔壁具有用于再循环涡流的圆形表面630，该表面在出口624处的分离点632与燃烧空间620的入口622之间延伸。由图16(该图是沿着图15的箭头XVI取的视图)可以明显看出，由沿着O2-O2线、箭头634运动的燃烧产物的一部分形成的再循环涡流，在这种情况下，位于入口流的内部，所述入口流在与图中所示的相同的方向上沿着路径O2-O2运动。对于涡流紊流条件与上面对于前述实施例描述的条件相同的情况而言，这里的额外的优点是，该气流在燃料和空气的混合气气流提供的“气体润滑剂”上运动，这将会同时降低液压损失和热损失。如可以从图17中看出的那样，圆形表面630被叶片636(示于图16)分成段，所述叶片将流体流绕着发动机的纵轴O3-O3的圆周速度转换成涡旋速度V2。
应当注意，涡旋速度对入口流速度之比(V2/V1)对于排气中的CO水平有影响。图18表示，对于三种不同的V2/V1的比值，CO浓度与停留时间(ms)的函数关系。可以看出，最好的解决方案是具有最高的速度比，比如说2.2，但是，在这种情况下，能够获得的最高的温度降低。这意味着，在燃烧器出口要求高温的应用中，应当降低速度比，伴随着CO浓度的增高。上面讨论了可以用于控制较高的CO浓度的方法。
已经制造出根据本发明的环形燃烧器的原型，并对其进行了试验。一个燃烧器#1，具有760cm3的容量，以最大的可能的速度V2发生燃烧。在燃烧器中的最高温度约为1650℃。另外一个燃烧器#2具有690cm3的容量，以一个优选的速度V2发生燃烧，保证约1260℃的最高温度。燃烧器具有以下的规格内部直径100mm流量0.06kg/s压力1.2kg/cm2Texit650-1260℃在燃烧的天然气中进行试验，给出以下的结果·燃烧器确保稳定的点火，无需专门的起动燃料混合物的结构。
·燃烧器确保稳定的冷起动，无需任何预热。
·在500个起动循环之后，燃烧器内的金属没有显示出任何损坏的迹象。
·在当量比从0.7到0.17的整个燃烧条件的范围内，稳定的燃烧。
·在当量比从0.7到0.17所情况下，在整个试验期间内，在排气中未观察到可以看得见的颗粒物质。
某些试验结果给出如下。
表1--对于原型燃烧器#1(760cm3)的排放试验

注从表1到表4的所有的数据都参照15％的O2。
表2对于原型燃烧器#(690cm3)的CO排放试验结果

表3--对于原型燃烧器#2(690cm3)CO排放试验结果(气体分析器400HCLD)

表4--利用更精确的API200A气体分析器时获得的NOx排放试验结果；燃烧器#2(690cm3)

利用具有以下成分的燃料对原型燃烧器进行了试验
甲烷15-22％abs.
氮 10-30％二氧化碳20-25％水(蒸气)一直到40％其它气体一直到7％。
试验结果和上面对于天然气所示的结果相同。
对于一个具体的燃烧器(见图22)，利用标准的当量比，直接燃烧反应比逆反应占优势。但是，在涡旋的表面层内发生燃料重整的逆反应，在这种情况下，该过程伴随着涡旋的温度的降低，其结果是导致燃烧器壁(沿着气流)的温度降低。见表6。
应当注意，在涡流的界面层和燃料及空气气流中CH4和O2的浓度的变化，不仅影响热能传递过程，而且还影响反应方向(直接反应和逆反应)。如果在燃料和空气的混合气中CH4的浓度大于燃烧的标准浓度(作为与设计给定值相比等值系数增大的结果)，燃料重整过程将在界面层中开始占优势。和向涡旋内供应的氧的比例相结合，这将导致涡旋外围温度的降低，因而，到达涡旋中心的分子的温度也将下降。同时发生的这两个过程，将会导致涡旋的温度降低到一个亚临界值，造成熄火。这是为什么像以前做的那样通过涡流与燃料和空气混合气的简单的机械混合不能解决稀混合气的稳定燃烧原因之一，因为，在这种情况下，向燃料和空气混合气提供热能，伴随着同时增大CO2和H2O的供应(导致增强的燃料重整)，同时涡旋以及燃料和空气混合气的温度降低。但是，由于在本发明中的边界“界面”层中发生的反应，根据本发明的燃烧器，可以在这种条件下稳定地进行操作。见表7。这种“重整模式”的操作，甚至在不存在火焰的情况下都可以稳定地并且连续地进行。
表5和6对于带有金属衬里的燃烧器，燃烧#2(690cm3)的稳定性试验结果(试验用气体燃料完成)。
表5

*每分钟标准升。当量比未确定。只有燃料流量变化，空气流量保持不变**60sl/m对于690cm3的燃烧器是优选的燃料消耗量。
表6

注。金属的温度在金属的外表面上测量，因为衬里没有任何冷却。
表7

上面描述了本发明的优选实施例。但是，应当理解，对于这里所提出的实施例可以进行各种改型和改变，而不超出在所附权利要求书中所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种燃烧器，包括反应器；入口，用于将主流体流导入到所述反应器内；出口，用于将被加热的流体从所述反应器中排出；所述反应器位于所述入口与所述出口之间，并且包括主流体流区域，所述主流体流的大部分沿着主流体流通路通过该区域；再循环区域，所述主流体流的较少的部分通过该再循环区域；其中，所述再循环区域部分地被一个壁所限定，所述壁具有以基本上连续的方式在一个方向上弯曲的内表面并且从靠近所述出口的分接点延伸到靠近所述入口的返回点，所述内表面以如下的方式成形并相对于所述主流体流通路定位，即，在所述反应器的操作过程中，使得在所述主流体流通路中的部分流体在所述分接点处转向以形成再循环涡流；以及其中，所述内表面进一步的特征在于，该内表面没有间断性，以便引起分界层沿着所述再循环涡流的外围基本上不受扰动的运动。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述反应器起着燃烧室的作用的操作模式中，所述再循环区域的体积不小于所述主流体流区域的体积。
3.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述反应器起着重整装置的作用的操作模式中，所述再循环区域的体积不小于所述主流体流区域的体积的两倍。
4.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述反应器起着燃烧室的作用的操作模式中，进入所述再循环区域的流体的体积与在所述出口排出的流体相比不小于百分之七。
5.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述反应器起着重整装置的作用的操作模式中，进入所述再循环区域的流体的体积与在所述出口排出的流体相比不小于百分之十。
6.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述分界层内的流体具有小于0.2的紊流度。
7.如权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，所述紊流度在0.008至0.01之间。
8.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述再循环流在所述分接点处的方向相对于所述主流体流路径在分接点处的方向所成的角度在15度至100度之间。
9.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述再循环流在所述返回点处的方向相对于所述主流体流路径在返回点处的方向所成的角度在85度至175度之间。
10.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在反应器起着燃烧室的作用的操作模式中，在靠近所述入口但在所述分界层之外的区域内的所述再循环涡流的速度与进入所述主流体流区域的所述主流体流的速度的比，在不小于1.4∶1的范围内。
11.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在反应器起着重整装置的作用的操作模式中，在靠近所述入口但在所述分界层之外的区域内的所述再循环涡流的速度与进入所述主流体流区域的所述主流体流的速度的比，在不小于2∶1的范围内。
12.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，当所述被加热的流体在所述出口处具有大约1100℃的温度时，所述分界层具有约1mm的深度。
13.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，当所述被加热的流体在所述出口处具有大约800℃的温度时，所述分界层具有约2mm的深度。
14.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，当所述被加热的流体在所述出口处具有在380-420℃范围内的温度时，所述分界层的深度大于在所述再循环涡流中的再循环流体的中心核的直径。
15.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述再循环涡流中的流体分层运动，并且所述层基本上不沿径向方向在涡旋内混合。
16.如权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，热能从所述层的内部的一些层向所述层的外部的一些层传递。
17.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述外围涡流与通过所述入口的所述主流体流的交汇处，存在比所述反应器内的其它温度高的温度，在所述主流体流通过所述交汇处之后，所述外围涡流沿着和所述主流体流相同的方向运动，在所述外围涡流与所述主流体流之间形成界面层，并且其中，热能从所述外围涡流中的流体通过所述界面层传递给所述主流体流区域内的流体。
18.如权利要求17所述的燃烧器，其特征在于，通过所述入口的流体，在所述流体的靠近所述界面层的表面区域内，通过与所述界面层接触而被点燃，并起着用于燃烧器的引燃火焰的作用。
19.如权利要求17所述的燃烧器，其特征在于，在所述主流体流内的流体与在所述外围涡流内的流体之间，不存在可感知的紊流混合。
20.如权利要求17所述的燃烧器，其特征在于，所述界面层引起被建立并保持在所述主流体流区域内的热喷嘴。
21.如权利要求17所述的燃烧器，其特征在于，在所述界面层与所述主流体流相遇的所述界面层内，同时发生燃烧和燃料重整，在燃烧器的所述操作过程中，保持燃烧和重整的所述结合。
22.如权利要求20所述的燃烧器，其特征在于，所述出口的横截面面积不大于所述入口的横截面面积的2.2倍。
23.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，为了改变到所述反应器起着重整装置的作用的操作模式，相对于在所述反应器作为燃烧室操作的操作模式中使用的所述入口横截面面积而言，减小所述入口横截面面积。
24.一种在燃烧器中使燃料发生反应的方法，所述燃烧器包括反应器；用于将主流体流导入所述反应器的入口；用于将被加热的流体从所述反应器排出的出口；所述反应器位于所述入口和所述出口之间并包括主流体流区域和再循环流区域，所述方法包括以下步骤使所述主流体流的大部分在通路内沿着所述主流体流区域通过；使所述主流体流的较少的部分在通路内通过所述再循环区域，以便形成再循环涡流，所述再循环涡流使所述再循环区域内的流体的一部分返回到靠近所述入口的区域；使再循环流体的分界层沿着所述再循环区域的所述内壁表面基本上没有紊流地流动；使所述再循环涡流的外围部分与所述主流体流在靠近所述入口的区域内交汇，其中，所述外围流体流具有比所述主流体流更高的速度；顺着所述交汇的区域的所述外围流体流沿着与所述主流体大致相同的方向运动；通过扩散而基本上不通过机械混合，将所述外围流体流与所述主流体流混合；从而，在所述主流体流与所述外围流体流之间形成界面层，并从所述外围流体流中的流体通过所述界面层向所述主流体流区域内的流体进行显著的热能的传递。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述反应器起着燃烧室的作用的操作模式中，进入所述再循环区域的流体的体积与在所述出口排出的流体相比不大于百分之七。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述反应器起着重整装置的作用的操作模式中，进入所述再循环区域的流体的体积与在所述出口排出的流体相比不大于百分之十。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，沿着所述再循环区域的所述内壁表面的再循环流体流的所述分界层，具有小于0.2的紊流度。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，沿着所述再循环区域的所述内壁表面的再循环流体流的所述分界层，具有在0.008到0.01之间的紊流度。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述反应器起着燃烧室的作用的操作模式中，在所述外围涡流的所述较高速度与进入所述主流体流区域的所述主流体流的速度的比在不小于1.4∶1的范围内。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述反应器起着重整装置的作用的操作模式中，在所述外围涡流的所述较高速度与进入所述主流体流区域的所述主流体流的速度的比在不小于2∶1的范围内。
31.如权利要求24所述的方法，进一步包括使所述再循环涡流内的流体分层运动，其中，所述层基本上不在涡旋内沿径向方向混合。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于，热能从所述层中的一些内部的层向所述层中的一些外部的层传递。
33.如权利要求24所述的方法，进一步包括使通过所述入口进入的流体，在靠近所述界面层的所述流体的表面区域内，通过与所述界面层接触而被点燃，从而，起着用于燃烧器的引燃火焰的作用。
34.如权利要求24所述的方法，进一步包括将在所述主流体流中的流体与在所述外围涡流中的流体混合，而不引起明显的紊流。
35.如权利要求24所述的方法，进一步包括使得在所述主流体流区域内建立并保持热喷嘴。
36.如权利要求24所述的方法，进一步包括使得在所述界面层内同时发生燃烧和燃料重整，并且在燃烧器的操作过程中保持燃烧和重整的所述结合。
37.如权利要求24所述的方法，进一步包括，通过减小所述入口的横截面面积，将所述反应器起着燃烧室作用的操作模式改变到所述反应器起着重整装置的操作模式。
全文摘要
本发明涉及再循环流燃烧器，该燃烧器具有基本上弯曲的再循环室以及在该室内沿着涡流的分界层的外围没有障碍的流体流，以及，本发明涉及操作装置燃烧器的方法。这种燃烧器，在涡流与燃烧器中的主流体流之间，进一步具有低紊流的边界界面区域，在该区域内，发生对于燃烧过程非常有利的化学反应，并且，这种化学反应在燃烧器内建立起热喷嘴效应。这种类型的燃烧器，可以用于燃烧稀的和超稀的燃料和空气混合气，用于气体涡轮发动机，喷气发动机和火箭发动机，诸如锅炉等热力设备，热交换设备，化学反应器等。本发明的装置和方法，在需要时，也可以在促进燃料的重整，而不是在燃烧的条件下进行操作。
文档编号F23C3/00GK1875219SQ200480031894
公开日2006年12月6日 申请日期2004年8月27日 优先权日2003年10月3日
发明者阿纳托利·M·拉赫马伊洛夫, 阿纳托利·A·拉赫马伊洛夫 申请人:Alm蓝色火焰有限公司