[發(fā)明專利]一種陣列駐渦燃料-空氣預(yù)混器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110380006.2
• 申請(qǐng)日: 2011-11-25
• 公開（公告）號(hào): CN103134078A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王岳;于宗明;孔文俊;王寶瑞;艾育華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院工程熱物理研究所
• 主分類號(hào): F23R3/28
• 分類號(hào): F23R3/28
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域，是用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的一種陣列駐渦燃料-空氣預(yù)混器。本發(fā)明包括燃料空氣預(yù)混器及與之配合用于引導(dǎo)和組織氣流和穩(wěn)定火焰的外周壁和中心體結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)是化石能源清潔利用的重要設(shè)備之一。隨著國家燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，降低氮氧化物(NOx)排放的技術(shù)對(duì)增強(qiáng)燃?xì)廨啓C(jī)的市場競爭力起關(guān)鍵作用。

NOx的生成機(jī)理主要有三種：熱力型，燃料型和快速型。對(duì)于以天然氣等清潔能源為主要燃料的燃?xì)廨啓C(jī)而言，以熱力型NOx為主，控制熱力型NOx的生成需要降低燃燒室內(nèi)火焰的峰值溫度。一種方法是擴(kuò)散燃燒加注氮?dú)饣蛩魵獾认♂寗珟硇式档汀⒃O(shè)備和控制復(fù)雜等問題。有效并且先進(jìn)的方法是用預(yù)混器將燃料和空氣在進(jìn)入燃燒室之前混合均勻，形成燃料-空氣比例低于燃燒化學(xué)當(dāng)量比的貧混合氣后再送入燃燒室進(jìn)行燃燒，這種貧預(yù)混式燃料室也稱為干式低NOx(DLN)或干式低排放(DLE)燃燒室，已成為主流技術(shù)并且在燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)中普遍應(yīng)用，是燃?xì)廨啓C(jī)降低污染的重大進(jìn)展，美國專利No.5259184介紹了這種裝置的一個(gè)代表性示例。

對(duì)于貧預(yù)混燃燒室，預(yù)混器對(duì)其工作性能有重要影響。在預(yù)混器中，燃料和空氣分別進(jìn)入，在流動(dòng)中接觸并混合。如果預(yù)混器中混合過程需要時(shí)間較長并且不可控制，那么在燃燒室較高的空氣進(jìn)氣溫度和壓力下，燃料-空氣混合氣容易因流動(dòng)和濃度不均勻，在一些局部發(fā)生自燃和回火，導(dǎo)致燃燒發(fā)生在預(yù)混器內(nèi)，損壞部件，使燃燒室不能安全穩(wěn)定工作。因此加強(qiáng)燃料-空氣摻混、縮短停留時(shí)間、增加流動(dòng)和混合過程的可控程度是改進(jìn)預(yù)混器技術(shù)的方向之一。

為了達(dá)到更加苛刻的NOx排放指標(biāo)，要求預(yù)混器出口處的燃料-空氣混合氣接近燃料的貧燃極限。如果混合不夠均勻，按照接近貧燃極限加注的燃料容易在局部不滿足著火條件從而引起火焰局部淬熄，發(fā)生震蕩燃燒甚至脫火，因此需要進(jìn)一步增加預(yù)混器的混合均勻性。

貧預(yù)混火焰對(duì)氣流擾動(dòng)極為敏感，擾動(dòng)也是震蕩燃燒和脫火的重要誘發(fā)因素，因此希望預(yù)混器能降低氣流擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)出口流動(dòng)平穩(wěn)。

發(fā)展低碳燃燒和替代燃料，要求燃?xì)廨啓C(jī)在高效低污染的同時(shí)拓展燃料適應(yīng)性，用貧預(yù)混燃燒室燃燒含氫和高含氫燃料。氫氣的可燃范圍寬，火焰溫度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤鹧鎰?dòng)態(tài)特征強(qiáng)烈，對(duì)于預(yù)混器防自燃、防回火、摻混均勻、降低氣流擾動(dòng)提出了更高的要求。

目前應(yīng)用在貧預(yù)混燃燒室上的預(yù)混器采用旋流剪切以增強(qiáng)混合，需要較長的混合段與混合時(shí)間，流動(dòng)和混合的可控性差，對(duì)于天然氣燃料，不能完全避免自燃和回火，對(duì)于含氫和高氫的替代燃料不可用。其混合的均勻性不夠，且旋流剪切容易引發(fā)大尺度非穩(wěn)態(tài)旋渦，形成擾動(dòng)，因此支持天然氣燃料接近貧燃極限的穩(wěn)定預(yù)混燃燒有困難，實(shí)際應(yīng)用中要求復(fù)雜的燃燒模態(tài)組合及控制策略加以配合。

雙環(huán)形對(duì)轉(zhuǎn)式旋流預(yù)混器是較早應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃料-空氣預(yù)混器，由于構(gòu)造了強(qiáng)剪切流場，這一類型的預(yù)混器具有較好的混合性能，但是由于不能在出口下游的流場中心區(qū)域產(chǎn)生較強(qiáng)的回流流動(dòng)，以及剪切流帶來的擾動(dòng)和間歇性，這種預(yù)混器的火焰穩(wěn)定性較差。美國專利No.5165241、No.5251447、No.5351477、No.5590529、No.5638682和No.5680766介紹了其代表性的示例。

旋流噴嘴型燃料-空氣預(yù)混器使用較大的來流導(dǎo)向葉片產(chǎn)生旋流，并在葉片前緣噴注燃料，使得預(yù)混器出口下游流場中產(chǎn)生了混合氣體的中心回流流動(dòng)，改善了火焰穩(wěn)定性。但是由于流動(dòng)中的剪切作用較弱，燃料與空氣的摻混均勻度較低，因此這種預(yù)混器的摻混性能并不理想。美國專利No.6438961介紹了這一預(yù)混器的代表性示例。

雙環(huán)形對(duì)轉(zhuǎn)式旋流噴嘴預(yù)混器綜合了上述兩種預(yù)混器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)旋流器結(jié)構(gòu)，并在葉片前緣噴注燃料，利用旋流器出口的兩股反向旋流的剪切進(jìn)一步強(qiáng)化混合，利用預(yù)混器出口處的非流線型中心體產(chǎn)生回流流動(dòng)，提高火焰穩(wěn)定性。但是由于預(yù)混器出口流場存在強(qiáng)剪切和回流分離流動(dòng)，其下游流場出現(xiàn)大尺度非穩(wěn)態(tài)旋渦，流動(dòng)平穩(wěn)性較差，從而直接影響了貧燃料預(yù)混火焰的穩(wěn)定性。中國專利CN1707163A介紹了這一預(yù)混器的代表性示例。