[发明专利]一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法及喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及一种低热值燃料气燃烧室喷嘴及其燃烧组织方法，属于燃气轮机燃烧及设备技术领域。

背景技术

燃气轮机用途广泛，针对工业重型燃气轮机，其主要用途为发电，燃气轮机在效率、经济竞争力、污染物排放控制，尤其是CO₂减排上有巨大发展潜力，是发电技术的重要组成部分。

工业发电用重型燃气轮机基本原理为通过空气压缩机压缩空气，送至燃烧室与燃料混合燃烧产生高温高压气体，推动透平输出功率并带动空气压缩机旋转。燃气轮机可以燃用多种燃料并有效控制氮氧化物（NO_X）生成。

燃气轮机燃烧室可以燃用多种燃料，典型气体燃料为天然气、典型液体燃料为轻柴油。在整体煤气化联合循环（IGCC）以及高炉煤气、焦炉煤气、化工驰放气利用环境中，燃气轮机的主要燃料为可燃成分包括H₂、CO、少量CH₄，以及H₂O、N₂、CO₂等惰性气体的混合气体，由于这些气体具有热值低、火焰传播速度快等共性，统称为中低热值燃料气。

中低热值燃料气的体积热值范围约为天然气的1/5至1/10，并不适用于天然气燃烧喷嘴，故需要对气体燃料喷嘴进行改造或者重新设计。

美国专利说明书US005211004A公开了一种燃气轮机喷嘴结构，该喷嘴结构为单喷嘴结构形式，中心为点火使用油喷嘴，外围为燃料通道，最外侧为空气通道。该喷嘴为典型GE公司单喷嘴结构形式，用于天然气、轻柴油等燃料，在燃烧中低热值燃料气时通过调整燃料孔流通面积与数目对该喷嘴进行改造。中国专利文献（申请号200610011661.X）同样公开了一种低热值燃烧室喷嘴结构与燃烧方法。这两种喷嘴结构与燃烧方法通过在喷嘴顶面对燃料气与空气进行部分预混，形成扩散-部分预混燃烧效果。但是由于燃烧室在相同出口温度下中低热值燃料气燃料体积流量约为天然气的5～10倍，燃烧室头部混合方式相比于燃烧天然气有较大差别，出现如下问题：1）燃料体积流量的增加导致喷嘴外层空气通道很难起到部分预混效果，实际上燃料气阻塞空气从喷嘴顶端进入；2）燃料体积流量增加导致头部燃料气与空气并不能充分混合，导致燃烧稳定性低，CO难于燃尽。采用典型的内层燃料、外层空气在喷嘴顶端部分预混的方式并不能完全符合中低热值燃料气在燃烧室内部燃烧要求。头部容易出现没有足够空气与燃料气充分掺混的现象，从而火焰主要存在于火焰筒后端现象。

发明内容

本发明的目的是针对中低热值燃料气热值低、火焰传播速度快、在燃烧室内体积流量大的特点，提供一种应用于燃气轮机燃烧室燃用中低热值燃料气燃烧组织方法与喷嘴结构。

本发明的技术方案如下：一种燃用中低热值燃料气的燃烧室喷嘴，其特征在于：该喷嘴包括中低热值燃料气进气管、中心空气内管、燃料气外管和喷嘴射流出口；所述的中心空气内管外壁与燃料气外管内壁之间形成燃料环腔，所述的喷嘴射流出口包括由外向内依次设置在喷嘴顶面的外侧空气射流出口、燃料气射流出口和中心空气射流出口。

沿喷嘴中心线设置中心空气进气管，该中心空气进气管与中心空气内管相连形成中心空气通道，中心空气通道与所述的中心空气射流出口连通；在喷嘴头部外侧设有外侧旋流空气管，在外侧旋流空气管内设有外侧径向空气旋流器，该外侧径向空气旋流器与外侧空气射流出口相连通；中低热值燃料气进气管采用切向进气管，切向进气管经所述的燃料环腔与燃料气射流出口相连通。

上述技术方案中，所述的外侧空气射流出口、燃料气射流出口以及中心空气射流出口三者位于同一平面上。所述外侧径向空气旋流器的数目为12～20个，流量系数为0.6～0.8。

本发明提供的一种燃用中低热值燃料气的燃烧室燃烧组织方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1）压气机出口空气的一部分分别通过火焰筒上的掺混孔、主燃孔、头部帽罩和气膜冷却孔逆流进入火焰筒，另一部分空气通过喷嘴进入火焰筒；

2）进入喷嘴的另一部分的压缩空气分为两路，其中一路中心空气从中心空气管注入后，沿中心空气通道并通过中心空气射流出口直接射入火焰筒；另一路通过位于喷嘴头部外侧的外侧旋流空气管进入，经外侧径向空气旋流器后形成旋流空气，由外侧空气射流出口进入火焰筒；

3）中低热值燃料气由中低热值燃料气进气管进入，以切向旋流形式进入燃料环腔后，由燃料气射流出口进入火焰筒；中低热值燃料气与旋流空气的旋流方向相反进入火焰筒，在火焰筒中形成富燃料值班火焰，通过剪切作用增强与空气掺混，形成龙卷风形态火焰。