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燃烧室的烧嘴装置,相关的燃烧室及燃料的燃烧方法

阅读:918发布:2021-02-20

IPRDB可以提供燃烧室的烧嘴装置,相关的燃烧室及燃料的燃烧方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及燃烧室(12)的一种烧嘴装置以及相关的燃烧室(12),尤其燃气轮机燃烧室或蒸汽发生器燃烧室,其包括多个烧嘴(8),它们分别设计用于在供入起氧化剂作用的纯氧的情况下燃烧含碳的燃料。本发明的目的是提供一种烧嘴装置,它应在保持简单和经济的结构及运行方式的同时,遵照恰当的燃烧理念,使燃料的燃烧有特别高的能效和非常低的残留物排放。与此同时,应不超过包围燃烧室(12)的外壁(6)允许的材料温度。为此按本发明将第一个烧嘴(8)设计为,使得在正常工作时每单位时间供给它的氧量与化学计算的必要的氧量的比值(λ),比用于沿烟气流向(14)看处于下游的第二个烧嘴(8)的比值(λ)大。,下面是燃烧室的烧嘴装置,相关的燃烧室及燃料的燃烧方法专利的具体信息内容。

1.燃烧室(12)、尤其燃气轮机燃烧室或蒸汽发生器燃烧室的烧嘴装置, 包括多个烧嘴(8),它们分别设计用于在供入起氧化剂作用的纯氧的情况 下燃烧含碳的燃料,其中,第一个烧嘴(8)设计为,使得在正常工作时每 单位时间供给它的氧量与化学计算的必要的氧量的比值(λ),比对于沿烟 气流向(14)看处于下游的第二个烧嘴(8)的比值(λ)大。

2.按照权利要求1所述的烧嘴装置,其中,沿烟气流方向(14)看至 少一个设计用于以氧余量(λ>1)正常工作的烧嘴(8)布置在一个设计用 于以氧缺量(λ<1)正常工作的烧嘴(8)之前。

3.按照权利要求1或2所述的烧嘴装置,其中,在具有多个沿烟气(R) 的流向(14)看彼此相继地排列、各有一定数量烧嘴(8)的烧嘴面的主段 内部,沿烟气(R)的流向(14)看布置在下游越远处的烧嘴(8),它在正 常工作时每单位时间供给的氧量与化学计算的必要的氧量的比值(λ)越小。

4.按照权利要求3所述的烧嘴装置,其中,沿烟气(R)的流向看第 一个烧嘴面的烧嘴(8)在正常工作时每单位时间供给的氧量与化学计算的 必要的氧量的比值(λ)大于3,以及优选地约为数值5。

5.按照权利要求3或4所述的烧嘴装置,其中,在所述主段内部,沿 烟气(R)的流向看最后一个烧嘴面的烧嘴(8)在正常工作时每单位时间 供给的氧量与化学计算的必要的氧量的比值(λ)小于0.5,以及优选地约 为数值0.3。

6.按照权利要求3至5之一所述的烧嘴装置,其中,沿烟气(R)的 流向看在主段下游设有包括一定数量附加烧嘴(8)的副段,这些烧嘴分别 设计用于以氧余量(λ>1)正常工作。

7.按照权利要求1至6之一所述的烧嘴装置,其中,至少沿烟气(R) 的流向(14)看最后一个烧嘴面有一定数量的扩散烧嘴。

8.按照权利要求1至7之一所述的烧嘴装置,其中,至少沿烟气(R) 的流向(14)看最后一个烧嘴面有一定数量的在其中燃烧气态燃料的烧嘴 (8)。

9.一种具有按照权利要求1至8之一所述烧嘴装置的燃烧室,尤其燃 气轮机燃烧室或蒸汽发生器燃烧室。

10.按照权利要求9所述的燃烧室,一根烟气再循环管与它连接为,使 得在燃烧室(12)内引入的再循环烟气(R)只是在沿烟气(R)的流向(14) 看在后面的那些烧嘴面区域内进行。

11.按照权利要求9或10所述的燃烧室,具有水或水蒸气的喷入装置, 它设在沿烟气(R)的流向(14)看在后面的那些烧嘴面的区域内。

12.按照权利要求9至11之一所述的燃烧室,具有一定数量的装在燃 烧室内腔中产生涡流和/或促进烟气(R)横向混合的流线形物体。

13.一种具有按照权利要求9至12之一所述燃烧室(12)的蒸汽发生 器。

14.一种具有按照权利要求9至12之一所述燃烧室(12)的燃气轮机。

15.一种在具有多个烧嘴(8)的燃烧室(12)内在供入起氧化剂作用 的纯氧的情况下燃烧含碳燃料的方法,其中,各第一个烧嘴(8)和第二个 沿烟气流方向(14)看处于下游的烧嘴(8),每单位时间供给的氧量和各 自燃料量彼此的关系调整为,使对于第一个喷嘴供给的氧量与化学计算的 必要的氧量的比值(λ)要比对于第二个喷嘴的比值(λ)大。

16.按照权利要求15所述的方法,其中,第一个烧嘴(8)以氧余量(λ >1)工作以及第二个烧喷以氧缺量(λ<1)工作。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种燃烧室,尤其燃气轮机燃烧室或蒸汽发生器燃烧室的 烧嘴装置,包括多个烧嘴,它们分别设计用于在供入起氧化剂作用的纯氧 的情况下燃烧含碳的燃料。此外,本发明还涉及一种燃烧室和一种具有燃 烧室的蒸汽发生器以及具有燃烧室的燃气轮机。除此之外本发明还涉及一 种在这种燃烧室内供给纯氧的情况下含碳燃料的燃烧方法。

背景技术

致力于限制CO2引起的气候变化,导致为了实现燃烧矿物燃料的低排 放的热电厂要采取整个一系列的技术选择。与有CO2分离装置的不同类型 电厂设计方案相比,业已表明所谓的Oxifuel过程从技术观点和可预期的效 率而言有特别有利的特性。此外在市场成熟度、投资成本和运行成本方面 也是有利的。
对于Oxifuel过程,取代含氮的燃烧用空气,在蒸汽发生器或燃气轮机 的燃烧室中引入高纯度(达99.9%)的氧气流作为氧化剂,氧气流为了分 离氮的份额事先在配属的空气分解设备内从吸入的环境空气析取。因此, 作为燃烧含碳的矿物燃料时的燃烧产物,在理想的情况下仅产生二氧化碳 (CO2)和水蒸气(H2O);氮氧化物(NOx)和其他有害物质基于在燃料内 含有的份额或污染仅形成比较少的量。由此从燃烧室流出的废气流在水蒸 气份额凝结后实际上只还有二氧化碳(CO2),它例如在商业上作为置换剂 用于在几乎耗尽石油和天燃气蕴藏时提高开采量,或可以潜入并因而可以 不影响气候地储存在制盐场的蓄水层内。
目前,这种“零排放电厂”在技术上的可行性可在一些测试设计和研 究设备中证实,其中尤其相应的燃烧方案仍是正在认真研究的技术主题。 通常在电厂运行时和用于生产有效热量的过程中,燃烧对效率有很大的影 响,确切地说,不仅从热力学的观点而且从避免排放的观点出发。这种影 响对于Oxifuel过程甚至有更强烈的程度,从而有理由要为相应的研究计划 和优化措施付出代价。
在燃烧室内空间条件均匀的情况下,理想的是按化学计算法燃烧,此 时燃料质量流量和氧质量流量彼此的关系调整为,与通过相关的化学反应 方程式在燃料完全燃烧成二氧化碳及水时所要求的一样。由此,除废气损 失外,还可以将新鲜空气鼓风机、抽风通道等的能量需求,亦即在那里产 生的吸气损失,减到最低程度。然而,在力求按化学计算燃烧时实际上已 经存在的第一个问题是,基于在燃烧室燃烧区内仅仅由于火焰传播、流体 动力学等便已经引起不可避免的不均匀性,不可能保证在燃烧室或火焰的 所有区域内准确地提供(在当地)为燃料的完全燃烧所需要的氧量。由此 形成有氧余量和氧缺量的烟气束,其基于热气体高的粘度只是不充分地混 合。其结果是导致一氧化碳(CO)和碳氢化合物(CnHm)不希望的高(残 余物)排放量。
为了在技术上实现Oxyfuel法而带来的第二个严重问题在于,对于许多 燃烧方式和燃料,在燃烧室内部产生的燃烧温度超过相邻燃烧室壁的材料 最大允许的温度。此外,在不完全Oxyfuel燃烧的情况下形成灰残渣,为了 它们的合理处理同样不应当超过某个温度上限。所述的问题恰恰在以纯氧 作为氧化剂的近似化学计算燃烧时尤为突出,因为在这种情况下可能出现 3000℃以上的温度。
因此,为了避免由于不允许的高温损坏燃烧室,开发了一些降低燃烧 温度的不同方案。迄今建议的所有Oxyfuel过程,在惰性气体温合物中燃料 的近似化学计算()的氧化是共同的。例如,按建议的第 一种燃烧方案可例如规定内部的烟气再循环,如在所谓的FLOX燃烧器中 采用的那样。通过烟气的混合使燃烧过程非绝热地进行。这意味着,在燃 烧期间已经从燃烧区提取热量并传给已冷却的再循环烟气,从而显著降低 燃烧室内部的局部峰值温度。然而这种设计方案的一个缺点在于,燃烧室 和连接在其下游的导引废气的部件必须针对比较大的体积流量或质量流量 设计,这导致相应地具有大流动横截面的大容积结构方式。由此对于此类 电厂设备造成比较高的生产成本。
此外,基于所述原理的蒸汽发生器还要求能利用比较大的热量通过对 流传热来汽化或过热供应水,为此需要在烟道内悬挂大尺寸的对流加热面。 但是,从能量的观点看,通常值得追求的是保持辐射热占总燃烧功率的份 额尽可能大。
与烟气再循环不同,按第二种燃烧方案也可以通过喷入水或蒸汽或通 过使用湿燃料实现火焰冷却。当然也可以如烟气再循环时那样,在这里以 增大废气损失为代价达到降低燃烧温度,因为提高烟气质量流量原则上会 降低能量转换效率。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是,提供一种本文卡头所述类型的烧嘴 装置和一种相关的燃烧室,它在保持结构和运行方式简单而经济的同时, 遵照恰当的燃烧理念,可以按Oxyfuel法在能效特别高和剩余物排放特别低 的情况下燃烧含碳燃料。此外,应当为一种基于这种原理的设备提供一种 特别适用的运行方法。
涉及烧嘴装置技术问题按本发明这样得以解决,及,第一个烧嘴设计 为,使得在正常工作时每单位时间供给它的氧量与化学计算的必要的氧量 的比值,比用于沿烟气流方向看处于下游的第二个烧嘴的比值大。
在这里有利地,沿烟气流向看至少一个设计用于以氧余量正常工作的 烧嘴布置在一个设计用于以氧缺量正常工作的烧嘴之前。
本发明考虑问题的出发点是,为了避免与烟气再循环相关联的缺点, 在燃气轮机或蒸汽发生器的一种按Oxyfuel原理工作的燃烧室内应将燃烧 设计为,使含碳燃料的热焓仅阶梯式逐步释出,并因而通过在空间分配热 量释出,蒸汽发生器借助要蒸发的流动介质时和在燃气轮机燃烧室例如借 助外部冷却剂,可以充分冷却构成燃烧区边界的燃烧室壁。
在进行这种阶梯式燃烧原理的具体设计和技术性转换时,起先考虑一 种具有在多个烧嘴面内按梯次配置烧嘴的烧嘴装置,其中,沿烟气流动方 向看首先布置的烧嘴设计用于以氧缺量工作,排列在下游的烧嘴设计用于 以氧余量工作。这样一种布局,亦即就烟气而言在先的那些烧嘴面在正常 工作时每单位时间供给一个烧嘴的氧量与针对燃料质量流量为化学计算必 要的氧量的比值λ比在后面的那些烧嘴面的比值λ小,例如在传统的燃烧 过程已证明是适用的,其中在燃烧室内引入含氮的燃烧用空气。以此方式 可以在这种设备中尤其促使减少Nox排放,在这里设计方案的有效性主要基 于,在燃烧室烟气出口侧末端以超化学计算()的供氧 量工作的烧嘴,在此区域内基于比较高的进口冲量保证在此区域内特别均 匀地混合燃烧用空气。由此,未完全氧化的燃料份额和燃烧过程的中间产 物在燃烧室的此范围内再一次地特别良好和完全转化或氧化。
现在,显然出人意料地表明,这种由传统的燃烧过程已知的并在那里 容易理解的设计方案,对于那些按Oxyfuel法在浓含氧量的空气中进行的、 鉴于温度方面预先规定的燃烧过程,由于燃烧室材料有限的耐温性决定的 边界条件,因而是不适用或至少是不利的。也就是说,在这种情况下沿烟 气流向首先布置的烧嘴必须以比较大的氧缺量(例如以λ=0.3)工作,反之, 处于下游的“上部”烧嘴面必须以极高的氧余量(例如以λ=5)工作,为的 是在总体上看不超过允许的燃烧温度。在这里,在超化学计算与欠化学计 算()的烧嘴之间的过渡区无法拒绝地形成很高的温度 峰值,它们即使通过经由燃烧室壁的散热也不能充分降低,从而在那里不 可避免地(局部)超过允许的燃烧温度。
由于所述的原因,按现在所建议的设计方案,采用一种“逆阶梯式燃 烧”或“逆阶梯式供氧”,其中,至少一部分设计用于按超化学计算工作方 式(亦即以氧余量工作)的烧嘴,就烟气流动方向而言布置在一定数量的 设计用于欠化学计算(亦即以氧缺量)工作的烧嘴之前。
尽管这种烧嘴装置原则上存在下列危险:在燃烧室内局部形成一氧化 碳(CO)束,它们在设置在出口附近的“上部”烧嘴面内,基于在那里比 较少的供氧量以及较小的入流冲量,难以与氧完全混合。在有些情况下这 可能引起不允许的高CO排放。然而所述问题在本发明的情况下采取下述措 施得以解决,即,基于燃烧温度沿烟气流动方向所述的有利分布,当取消 要不然常用的烟气再循环或将相应的再循环体积流量设计为比迄今在传统 的设备中常见的小得多时,仍能借助要蒸发的流动介质(或在燃气轮机的 情况下借助冷却剂)实现燃烧室壁的充分冷却。因此,现在燃烧室在结构 设计上就横截面而言比传统的具有类似功率的蒸汽发生器中的燃烧室小得 多,这促使尤其在“上部”烧嘴面内燃烧用空气的自然混合,以及极为有 效地限制上述CO排放问题。
按上述设计方案的特别有利的扩展设计,设置多个沿烟气的流动方向 隔开距离地排列、各有一定数量烧嘴的烧嘴面,其中,对于一个烧嘴,它 沿烟气的流动方向看布置在下游越远,在正常工作时每单位时间供给的氧 量与化学计算的必要的氧量的比值λ(以下简称“空气比”)越小。换句话 说:λ的设计值沿烟气流的方向从一个烧嘴面到另一个烧嘴面单调减小。
若沿热燃气流动方向看第一烧嘴面的一个或多个烧嘴的空气比大于3 并优选地例如值为5,以及另一方面沿热燃气流动方向看最后一个烧嘴面的 一个或多个烧嘴的空气比小于0.5并优选地例如值为0.3,则对于一大类重 要的烧嘴构型存在特别有利的情况。
此外在这方面可能相宜是,在如此构成的烧嘴主组或主段沿烟气流方 向看的下游设一些附加的烧嘴,它们总是设计用于以氧余量正常工作。这 意味着此时存在一连串λ=5;...;λ=0.3;λ=1.5;的烧嘴,其中在这一串末 端附加的超化学计算的烧嘴面保证将例如剩余的CO束完全转化成CO2。
与之不同或附加地,沿烟气的流向看例如最后一个或最后两个烧嘴面 的后部烧嘴也可以设计为扩散烧嘴,其中引入没有在燃烧室燃烧区内预混 合的氧和燃料。在这里,燃烧所需的氧通过扩散经由火焰边缘侵入火焰内, 由此在“逆阶梯式”烧嘴装置的这一比较关键的区域内形成特别有利的流 动和混合状况。
出自于同样的原因,按另一项有利的设计,沿烟气流向看在后面的(亦 即在立式的锅炉结构形式中在上部的)烧嘴面设计用于燃烧例如由液态燃 料在各自烧嘴的预气化器内产生的气态燃料。也就是说,以此方式在“上 部”烧嘴区内即使体积流量比较小也能获得比较强的入流冲量,这些入流 冲量对于混合燃烧用空气并因而为了避免残余CO是必要的。与之不同或附 加地,也可以规定在燃烧室的此区域内喷入水/水蒸气。在这种情况下从能 量的观点看特别有利的是,在燃烧室内喷入的水与基于燃烧过程同时产生 的蒸汽一起接着在烟气凝结设备中凝出,并将蒸发时吸收的热量作为有效 热量重新回收。
为了改善在“上部”供给欠化学计算的氧量的烧嘴面区域内的混合, 也可以规定在此区域内烟气的部分再循环。因此有利的是将烟气再循环管 与燃烧室连接为,使得在燃烧室内引入再循环烟气只是在沿烟气流向看在 后面的那些烧嘴面区域内进行。不过在这里与传统的烧嘴设计方案和迄今 已知的Oxyfuel过程相比,所述再循环的部分流量可以说是保持得较小,为 的是有必要显著提高通过燃烧室的总体积流量。
最后,也有利的是,通过装在燃烧室内腔中的流线形物体或内部配件, 改善在燃烧室内腔中的横向混合和/或促进烟气流形成涡流。燃烧器喷嘴的 这种配置和定向同样可以最佳地达到所述的设计目的。
在这里介绍的设计方案可使用于结构型式完全不同的蒸汽发生器中, 以及不限于立式的蒸汽锅炉。例如火室或燃烧室也可以按卧式布置,由此 规定烟气基本上沿水平的流动方向。与之不同,燃烧室也可以是折叠式的。 此外,“逆阶梯式燃烧”的设计方案也可以使用于燃气轮机燃烧室。
涉及方法的技术问题是这样得以解决的,即,各第一个烧嘴和第二个 沿烟气流方向看处于下游的烧嘴,每单位时间供给的氧量和各自的燃料量 彼此的关系调整为,使供给的氧量与化学计算的必要的氧量的比值λ用于 第一个喷嘴的要比用于第二个喷嘴的大。在这方面有利地沿烟气流向看在 前面的烧嘴面以氧余量(λ>1)和在后面设在锅炉出口侧的烧嘴面以氧缺 量(λ<1)工作。
在这里,例如在第一种极端情况下,全部烧嘴的燃料质量流量总是选 择为同样大小,此时氧质量流量分别按当地力求的λ值调整(阶梯式供氧)。 当然,也可是相反的情况,此时氧质量流量对于所有烧嘴同样大小以及各 自的燃料质量流量根据λ空间分布的目标值调整(阶梯式供燃料),以及可 以实施所有处于它们之间的方案。当例如燃烧煤粉时,有利的是倾向于阶 梯式供氧。
采用本发明获得的优点尤其在于,通过恰当组合“Oxyfuel燃烧”和“逆 阶梯式供氧”原理,可以实现蒸汽发生器的一种燃烧设计方案,它在能效 高和保持废气流有害物含量低的同时,基于燃烧室内比较适度的燃烧温度, 所以对外壁和与该外壁毗邻的燃烧室构件的耐热性要求特别低,由此可以 比较经济地制造燃烧室。此外,基于与传统的技术相比低得多或甚至完全 取消对再循环气体的需求,所以与之有关的设备构件可以针对较小的体积 流量设计或取消。燃烧室本身就直径而言也可以设计得比迄今必要的紧凑 得多。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的一种实施例。附图分别示意地表示, 其中:
图1至图3表示一种矿物燃料加热的蒸汽发生器第一种至第三种方案 的纵剖面,它的烧嘴装置分别针对以Oxyfuel原理为基础的“逆阶梯式燃烧” 设计的。

具体实施方式

在图1中表示的蒸汽发生器2有一个直立式蒸汽锅炉4,它的外壁6 由互相气密地相互焊接的分别组合成蒸发器面、过热器面或燃料节省器面 的蒸汽发生器管构成,在管内流过一种要汽化的流动介质,例如水或水/汽 温合物。为了给蒸汽发生器2点火,设多个烧嘴8,它们布置在一个处于漏 斗状底部区10上方的燃烧室12内。烧嘴10用于按所谓的Oxyfuel法燃烧 一种含碳的矿物燃料,例如煤、石油或天然气,在这种情况下取代含氮的 环境空气,在燃烧室12的燃烧区内引入纯氧作为氧化剂。所需要的氧在一 个为蒸汽发生器配设的空气分解设备(未表示)中获得,并通过管道输入 各自烧嘴8的预混合腔内,在那里还通入相关的燃料导管。
在燃烧时产生的基本上由二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)组成的烟 气R沿垂直的流动方向14离开燃烧室12,接着流过垂直烟道向上方与燃烧 室12相连的区段,以便在这种情况下将包含在其中的大部分热量经由悬挂 在烟道16内的对流加热面18,通过对流换热传给在对流加热面内导引的流 动介质,例如用于过热在外壁6的蒸汽发生器管中产生的蒸汽。最后,在 一个就烟气而言连接在蒸汽发生器下游的凝汽器(未表示)中分离出包含 在烟气R内水的份额,从而只还有纯二氧化碳作为对环境有害的燃烧产物 可进行废物排除或可供给其他使用装置。
一方面为了尽可能完全燃烧含碳的燃料及将其转化为期望的燃烧产物 CO2和H2O,以及另一方面为了降低出现的燃烧温度,采用一种阶梯式烧嘴 装置。在本例中烧嘴8布置在十个上下位置的烧嘴面内,其中上下直接相 继的阶梯或平面中的烧嘴8分别在空间上彼此错开。对于烧嘴运行特别重 要的参数,在这里是单位时间供给一个烧嘴8的氧量与涉及各自的燃料质 量流量按化学反应平衡方程式化学计算的必要的氧量的比值λ。与对于传统 结构方式的燃烧室在供给含氮的燃烧用空气时决定性的设计原则不同,现 在在Oxyfuel燃烧的范畴内规定一种烧嘴构型,其中,具有氧余量,亦即λ >1的“超化学计算”烧嘴布置在下方,亦即在烟气流动通道的始端。向上 方,亦即沿烟气R的流动方向14,如图所示λ值渐减。最后,在烟气出口 侧,燃烧室12的上端配置设计用于以欠化学计算的供氧量工作的λ<1的 烧嘴。燃烧温度沿燃烧室整个长度,亦即从第一个烧嘴面直至最后一个烧 嘴面保持常数约为1400℃。
基于所述的烧嘴构型,在本实施例中蒸汽发生器2运行时不需要否则 在Oxyfuel过程中常见的为了控制燃烧温度通常必然需要的烟气再循环。对 于设计用于燃烧室热功率为1000MW的蒸汽发生器而言,流过蒸汽锅炉或 烟道的烟气质量流量按模型计算仅约180kg/s,这比在利用传统燃烧设计和 烟气再循环的蒸汽发生器的情况下典型的预计值为约480kg/s小得多。因此, 按本实施例的蒸汽发生器2就横截面而言比类似的具有传统点火装置的蒸 汽发生器在结构设计上狭小得多;横截面积例如8m×8m就够了(要不然 需要13m×13m)。据此保证在燃烧室内腔使燃烧用空气良好横向地混合。 此外,“逆阶梯式燃烧”的设计方案有下述有利的特征,即直至蒸汽发生器 2整个燃烧室热功率的70%以辐射热的形式释放,其可以效率较高地通过 在外壁6的蒸汽发生器管内导引的流动介质排出。剩余的约30%的份额传 给烟气R,但可以借助对流加热面18使部分同样能重新利用。
不言而喻,专家可以使烧嘴装置及其构型的许多细节与设计方预定的 边界条件和电厂特殊要求相适应和改变,并不脱离本发明通过权利要求详 细说明的设计方案的保护范围。根据在这方面可设想的烧嘴构型的总体, 图2和图3中作为范例还表示出了另外两种特别有利的改型方案,其中重 要的工作温度可以直接从相应的附图中得出。
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