CN118009353A - 一种耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，包括由内而外同轴固定设置的燃烧管、燃料通道外管和空气通道外管；燃烧管的前端设有进气孔板，进气孔板上设有轴向进气通孔，燃烧管的后端为烟气出口，多级燃烧腔间隔设有一级多孔介质和二级多孔介质，燃烧管上对应二级多孔介质的位置设有贯穿燃烧管管壁的燃料喷注孔；燃料通道外管的前端设有空气输入通孔，燃料通道外管的后端设有与环形燃料通道贯通的氨燃料入口；空气通道外管的后端设有与环形空气通道贯通的空气入口。本发明能够实现适用氨燃料的清洁、稳定和高效燃烧，可以解决现有技术中传统燃气轮机燃烧室无法实现氨燃料预裂解、宽范围稳定燃烧困难以及NOx排放较多的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧装置，具体是一种耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，属于燃气轮机技术领域。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机，广泛应用于电力工业、石化工业、航空航天、船舶、军事等领域。只有压气机、燃烧室和燃气涡轮这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环，大多数燃气轮机均采用简单循环方案。燃气轮机的工作原理：压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，通过燃烧装置与喷入的燃料混合后燃烧成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；通过高温燃气推动燃气涡轮做功带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。
不同的应用场景对燃气轮机的要求和使用状况也不相同，功率在10兆瓦以上的燃气轮机多数用于发电，而30～40兆瓦以上的几乎全部用于发电。面对全球脱碳迫切需要与日趋严格的环保法规，低碳排放以及低NOx污染物排放燃气轮机的需求也日益增强。新型零碳或低碳燃料替代传统的化石燃料可以有效降低二氧化碳排放。
氨气是一种零碳燃料，又是高效储氢载体，具有能量密度高、储运安全、成本低等显著优势，通过清洁低碳氢合成的绿氨被业内认为是理想的清洁能源载体，因此开发以氨气作为燃料的燃气轮机是对现有燃气轮机进行脱碳的极具潜力的路径之一。但燃气轮机内氨燃料的燃烧利用过程目前仍然存在巨大挑战，与常规碳氢燃料相比，氨燃烧存在火焰速度低、可燃范围窄、污染物排放较高等问题。为了提高氨的燃烧稳定性，掺氢燃烧是一种提高燃烧速度的有效方式。由于氨燃料富含氢元素，氨气可以在催化剂的作用下分解成氮气和氢气，从而提供了氢来源。因此，开发耦合氨燃料预裂解的燃气轮机燃烧装置，实现氨燃料高效稳定燃烧和较低的污染物排放，是氨燃料燃气轮机大规模推广应用的关键，是业内亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，能够实现适用氨燃料的清洁、稳定和高效燃烧，可以解决现有技术中传统燃气轮机燃烧室无法实现氨燃料预裂解、宽范围稳定燃烧困难以及NOx排放较多的问题。
为实现上述目的，本耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置包括由内而外同轴固定设置的燃烧管、燃料通道外管和空气通道外管；
燃烧管的前端同轴封堵固定设有进气孔板，进气孔板上设有轴向进气通孔，燃烧管的后端为烟气出口，进气孔板与烟气出口之间的燃烧管内腔形成多级燃烧腔，多级燃烧腔自前至后依次间隔设有一级多孔介质和二级多孔介质，燃烧管上对应二级多孔介质的位置设有贯穿燃烧管管壁的燃料喷注孔；
燃料通道外管整体呈前端封堵的盲孔轴套结构，燃料通道外管的前端封堵位置对应进气孔板的位置设有空气输入通孔，燃料通道外管的内表面与燃烧管的外表面之间形成环形燃料通道，燃料通道外管的后端设有与环形燃料通道贯通的氨燃料入口，环形燃料通道内固定填充有整体呈环形结构的催化剂组件、且催化剂组件至少位于燃料喷注孔的后方，催化剂组件包括氨分解制氢催化剂；
空气通道外管整体呈前端封堵的盲孔轴套结构，空气通道外管的内表面与燃料通道外管的外表面之间形成环形空气通道，空气通道外管的后端设有与环形空气通道贯通的空气入口。
作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质包括自前至后依次设置的一级多孔介质I和一级多孔介质II。
作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质I与一级多孔介质II紧密贴合连接，且一级多孔介质I的孔隙率小于一级多孔介质II的孔隙率。
作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质I的孔隙率为20％～60％，一级多孔介质II的孔隙率为60％～90％。
作为本发明的进一步改进方案，催化剂组件包括一级催化剂组件和二级催化剂组件，一级催化剂组件位于燃料喷注孔的后方、且一级催化剂组件包括低温型氨分解制氢催化剂，二级催化剂组件位于燃料喷注孔的前方、且二级催化剂组件包括高温型氨分解制氢催化剂。
作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质包括自前至后依次设置的一级多孔介质I和一级多孔介质II，二级催化剂组件设置在对应一级多孔介质II的位置。
作为本发明的进一步改进方案，自燃料喷注孔进入二级多孔介质内部的氨气燃料量为自氨燃料入口进入的氨气燃料总量的5％～30％。
作为本发明的进一步改进方案，轴向进气通孔相对于进气孔板中心对称设置为多个，多个轴向进气通孔呈多层环形阵列结构、且多个轴向进气孔的孔径按照从中心对称的中心到边缘的方向依次逐渐减小设置。
作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质与进气孔板之间设有间隙。
作为本发明的进一步改进方案，燃料喷注孔对应位于二级多孔介质的中前部位置，燃料喷注孔可设置为多个、且多个燃料喷注孔沿燃烧管的周向方向均布设置。
与现有技术相比，本耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置具有以下有益效果：
1、在热量回收利用方面，催化剂组件的裂解催化过程所需热量由燃烧器内燃料燃烧释放的热量直接提供，当燃烧装置启动后，氨燃料预裂解过程可在燃烧放热的情况下持续进行，无需额外热量输入，进一步的，根据燃烧腔内温度分布具有梯度的特性，设计了两级氨燃料预裂解过程，可充分利用低温以及中高温的催化条件，从而可提高一级燃烧入口混合气中的氢气含量，进而提高氨燃料的燃烧火焰稳定性，此外，燃料的流动方向与高温烟气的流动方向相反，燃烧管壁面温度因高温烟气加热而升高，较高的燃烧管壁面温度可以对来流燃料进行预热；
2、采用多孔燃烧技术与燃料分级燃烧技术相结合，多孔介质可以提高混合气分布的均匀性、提高火焰温度均匀性以及燃烧强度，燃料分级燃烧技术可以有效降低NOx排放，本燃烧装置内的一级燃烧区域的入口混合气内的氢气含量较高，火焰在贫燃工况下运行的燃烧稳定性较强，一级燃烧区域产生的高温烟气与二级燃料在多孔介质内部掺混并燃烧，在还原性气氛下有助于将一级燃烧区域生成的NOx还原成N2，从而可降低高温燃烧过程的NOx排放；
3、二级燃烧区域也采用多孔介质燃烧，二级燃料在二级多孔介质内部掺混并燃烧，可保证二级燃料与一级高温烟气的良好混合效果，可避免因一级高温烟气与二级燃料掺混不当导致局部高温而使NOx生成的问题；
4、耦合自热运行的双级氨燃料预裂解装置，同时整合多孔燃烧技术与燃料分级燃烧技术，可显著提高燃烧效率和火焰稳定性，同时污染物排放极低；本燃烧装置整体结构简单、集成度较高，组装方便，可通过环形阵列方式整合多支燃烧器，实现大功率输出，经济性较好，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的平面结构示意图；
图2是本发明燃烧管的立体结构示意图；
图3是本发明进气孔板的平面结构示意图；
图4是本发明的立体结构示意图；
图5是本发明的外形结构示意图。
图中：1-氨燃料入口，11-燃料通道外管，12-环形燃料通道，2-空气入口，21-空气通道外管，22-环形空气通道，3-进气孔板，31-轴向进气通孔，41-一级多孔介质I，42-一级多孔介质II，43-二级多孔介质，51-一级催化剂组件，52-二级催化剂组件，6-燃料喷注孔，7-烟气出口，71-燃烧管，72-多级燃烧腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明(以下以图1的左侧方向为前方进行描述)。
如图1至图5所示，本耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置包括由内而外同轴固定设置的燃烧管71、燃料通道外管11和空气通道外管21。
燃烧管71的前端同轴封堵固定设有进气孔板3，进气孔板3上设有轴向进气通孔31，燃烧管71的后端为烟气出口7，进气孔板3与烟气出口7之间的燃烧管71内腔形成多级燃烧腔72，多级燃烧腔72自前至后依次间隔设有一级多孔介质和二级多孔介质43，燃烧管71上对应二级多孔介质43的位置设有贯穿燃烧管71管壁的燃料喷注孔6。
燃料通道外管11整体呈前端封堵的盲孔轴套结构，燃料通道外管11的前端封堵位置对应进气孔板3的位置设有空气输入通孔，燃料通道外管11的内表面与燃烧管71的外表面之间形成环形燃料通道12，燃料通道外管11的后端设有与环形燃料通道12贯通的氨燃料入口1，环形燃料通道12内固定填充有整体呈环形结构的催化剂组件、且催化剂组件至少位于燃料喷注孔6的后方，催化剂组件包括氨分解制氢催化剂，氨气燃料可经氨燃料入口1进入环形燃料通道12、并自后向前流动。
空气通道外管21整体呈前端封堵的盲孔轴套结构，空气通道外管21的内表面与燃料通道外管11的外表面之间形成环形空气通道22，空气通道外管21的后端设有与环形空气通道22贯通的空气入口2，压力空气可经空气入口2进入环形空气通道22、并自后向前流动。
将本耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置安装在燃气轮机上使用时，通过氨燃料入口1向环形燃料通道12内注入氨气燃料，通过空气入口2向环形空气通道22注入压力空气，氨气燃料沿环形燃料通道12自后向前流动、并通过催化剂组件发生裂解，在到达燃料喷注孔6时，一部分氨裂解燃料继续向前流动，另一部分氨裂解燃料自燃料喷注孔6进入二级多孔介质43内部，压力空气沿环形空气通道22自后向前流动、并经燃料通道外管11前端的空气输入通孔进入环形燃料通道12，进入环形燃料通道12的压力空气与流动至环形燃料通道12前端的氨裂解燃料掺混后经进气孔板3向后流动进入多级燃烧腔72、并在流经一级多孔介质时发生一级燃烧而形成一级燃烧烟气，一级燃烧烟气继续向后流动、并在流经二级多孔介质43时与二级多孔介质43中的氨裂解燃料混合发生二级燃烧，完全燃烧后的烟气经烟气出口7排出。氨气燃料在催化剂组件的催化作用下裂解为氮气和氢气，进而使一级燃烧区域入口处混合气内的氢气含量较高，火焰在一级多孔介质贫燃工况下运行的燃烧稳定性较强；一级燃烧区域产生的高温烟气与经燃料喷注孔6进入二级多孔介质43的二级燃料在二级多孔介质43内部掺混并燃烧，在还原性气氛下有助于将一级燃烧区域生成的NOx还原成N2，从而可降低高温燃烧过程的NOx排放。
为实现更好的一级燃烧效果，作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质包括自前至后依次设置的一级多孔介质I41和一级多孔介质II42，一级多孔介质I41作为预热区，一级多孔介质II42作为一次燃烧区。
为了保证燃烧的稳定性和防止回火，作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质I41与一级多孔介质II42紧密贴合连接，且一级多孔介质I41的孔隙率小于一级多孔介质II42的孔隙率，一级多孔介质I41的孔隙率可以为20％～60％，一级多孔介质II42的孔隙率可以为60％～90％。
为了实现更好的燃烧效果和更低的燃烧污染物排放，作为本发明的进一步改进方案，催化剂组件包括一级催化剂组件51和二级催化剂组件52，一级催化剂组件51位于燃料喷注孔6的后方、且一级催化剂组件51包括低温型氨分解制氢催化剂，二级催化剂组件52位于燃料喷注孔6的前方、且二级催化剂组件52包括高温型氨分解制氢催化剂，二级催化剂组件52可设置在对应一级多孔介质II42的位置，氨气燃料通过一级催化剂组件51后发生裂解，在到达燃料喷注孔6时，一部分氨裂解燃料继续向前流动、并通过二级催化剂组件52进一步裂解，使一级燃烧区域入口处混合气内的氢气含量进一步提高，另一部分氨裂解燃料自燃料喷注孔6直接进入二级多孔介质43内部。
为了实现更低的燃烧污染物排放，作为本发明的进一步改进方案，自燃料喷注孔6进入二级多孔介质43内部的氨气燃料量为自氨燃料入口1进入的氨气燃料总量的5％～30％。
为了实现气态燃料与压力空气更均匀的掺混和流动分布效果，作为本发明的进一步改进方案，轴向进气通孔31相对于进气孔板3中心对称设置为多个，多个轴向进气通孔31呈多层环形阵列结构、且多个轴向进气孔31的孔径按照从中心对称的中心到边缘的方向依次逐渐减小设置。
为实现气态燃料与压力空气更均匀的掺混效果，作为本发明的进一步改进方案，一级多孔介质与进气孔板3之间设有间隙，可保证经过进气孔板3的混合气体可以更均匀地流入一级多孔介质。
为实现更好的二级燃烧效果，作为本发明的进一步改进方案，燃料喷注孔6对应位于二级多孔介质43的中前部位置，燃料喷注孔6可设置为多个、且多个燃料喷注孔6沿燃烧管71的周向方向均布设置。
本耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置能够实现适用氨燃料的清洁、稳定和高效燃烧，可以解决现有技术中传统燃气轮机燃烧室无法实现氨燃料预裂解、宽范围稳定燃烧困难以及NOx排放较多的问题。
Claims (10)
1.一种耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，包括由内而外同轴固定设置的燃烧管(71)、燃料通道外管(11)和空气通道外管(21)；
燃烧管(71)的前端同轴封堵固定设有进气孔板(3)，进气孔板(3)上设有轴向进气通孔(31)，燃烧管(71)的后端为烟气出口(7)，进气孔板(3)与烟气出口(7)之间的燃烧管(71)内腔形成多级燃烧腔(72)，多级燃烧腔(72)自前至后依次间隔设有一级多孔介质和二级多孔介质(43)，燃烧管(71)上对应二级多孔介质(43)的位置设有贯穿燃烧管(71)管壁的燃料喷注孔(6)；
燃料通道外管(11)整体呈前端封堵的盲孔轴套结构，燃料通道外管(11)的前端封堵位置对应进气孔板(3)的位置设有空气输入通孔，燃料通道外管(11)的内表面与燃烧管(71)的外表面之间形成环形燃料通道(12)，燃料通道外管(11)的后端设有与环形燃料通道(12)贯通的氨燃料入口(1)，环形燃料通道(12)内固定填充有整体呈环形结构的催化剂组件、且催化剂组件至少位于燃料喷注孔(6)的后方，催化剂组件包括氨分解制氢催化剂；
空气通道外管(21)整体呈前端封堵的盲孔轴套结构，空气通道外管(21)的内表面与燃料通道外管(11)的外表面之间形成环形空气通道(22)，空气通道外管(21)的后端设有与环形空气通道(22)贯通的空气入口(2)。
2.根据权利要求1所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，一级多孔介质包括自前至后依次设置的一级多孔介质I(41)和一级多孔介质II(42)。
3.根据权利要求2所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，一级多孔介质I(41)与一级多孔介质II(42)紧密贴合连接，且一级多孔介质I(41)的孔隙率小于一级多孔介质II(42)的孔隙率。
4.根据权利要求3所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，一级多孔介质I(41)的孔隙率为20％～60％，一级多孔介质II(42)的孔隙率为60％～90％。
5.根据权利要求1所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，催化剂组件包括一级催化剂组件(51)和二级催化剂组件(52)，一级催化剂组件(51)位于燃料喷注孔(6)的后方、且一级催化剂组件(51)包括低温型氨分解制氢催化剂，二级催化剂组件(52)位于燃料喷注孔(6)的前方、且二级催化剂组件(52)包括高温型氨分解制氢催化剂。
6.根据权利要求5所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，一级多孔介质包括自前至后依次设置的一级多孔介质I(41)和一级多孔介质II(42)，二级催化剂组件(52)设置在对应一级多孔介质II(42)的位置。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，自燃料喷注孔(6)进入二级多孔介质(43)内部的氨气燃料量为自氨燃料入口(1)进入的氨气燃料总量的5％～30％。
8.根据权利要求1至6任一权利要求所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，轴向进气通孔(31)相对于进气孔板(3)中心对称设置为多个，多个轴向进气通孔(31)呈多层环形阵列结构、且多个轴向进气孔(31)的孔径按照从中心对称的中心到边缘的方向依次逐渐减小设置。
9.根据权利要求1至6任一权利要求所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，一级多孔介质与进气孔板(3)之间设有间隙。
10.根据权利要求1至6任一权利要求所述的耦合氨燃料预裂解的燃气轮机分级燃烧装置，其特征在于，燃料喷注孔(6)对应位于二级多孔介质(43)的中前部位置，燃料喷注孔(6)可设置为多个、且多个燃料喷注孔(6)沿燃烧管(71)的周向方向均布设置。
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