一种实现氢燃料宽负荷柔和燃烧方法

本发明涉及氢燃料燃烧，具体地，涉及一种氢燃料宽负荷柔和燃烧方法及装置。

背景技术：

1、氢是一种清洁能源，由掺氢逐渐过渡到纯氢燃料，是逐步实现燃气轮机深度脱碳的必然选择。为了获得低nox排放，现役燃气轮机的主流燃烧技术是贫预混系统，其运行在贫燃极限附近，易发生燃烧不稳定。相比天然气，氢的燃烧速度更快、点火延迟时间更短和体积热值更大，导致使用氢燃料时，贫预混系统极易产生热声振荡和回火等燃烧不稳定现象，影响系统设备正常运行。

2、稀释扩散燃烧，可解决氢燃料回火和自燃等安全问题，但存在显著缺点：与没有稀释的燃机系统相比，效率下降；与贫预混系统相比，nox排放更高，燃烧噪声更大，系统复杂性更高，因此资本和运营成本更高。

3、柔和燃烧的特点是反应物入口温度高于自燃点，燃烧温升低于自燃点。燃烧空间内，没有显著火焰锋面，反应物均匀分布，燃烧温升小，因此燃烧温度低和燃烧面弥散，nox排放和噪声都很低；可采用非预混的燃烧方式，避免回火、热声振荡等燃烧不稳定现象；燃烧室内及出口温度品质高,无超高温区域,且最高温度点低，燃烧室和涡轮叶片的热应力大大降低，可减少燃烧室的冷却，提高透平叶片寿命。

4、理论上，柔和燃烧的nox排放比轴向分级还要低一个数量级，并且不存在火焰传播引起回火等问题。但是变负荷条件下，柔和燃烧性能恶化，nox排放激增，柔和燃烧稳定运行范围窄。因为，柔和燃烧多采用燃气/烟气回流方式，完成可燃混合物稀释、燃烧、燃气生成等所有过程，受烟气回流比、掺混效率影响较大。

5、催化燃烧是反应物在催化剂表面发生的复杂物理化学过程。催化剂降低了燃料的活化能，可实现低温燃烧，低nox排放；燃烧发生在催化剂表面，可适应宽广燃料浓度范围，易于控制。已有催化燃烧燃气轮机技术中，催化燃烧室为整体式反应器，壁面负载型贵金属催化剂；燃料先进入整体式反应器，然后在常规燃烧室中发生均相燃烧。所以，催化燃烧技术主要存在整体式反应器压损大，贵金属催化剂成本高昂，且易烧结失活等问题；未对均相燃烧采用控制技术，导致nox排高。

6、因此，氢虽然是一种无碳能源载体，但作为燃气轮机燃料时，存在nox排放高、易热声振荡和易回火等问题。虽然，柔和燃烧可实现氢燃料的低nox排放，解决热声振荡和回火等问题，但变负荷条件下性能恶化严重，无法适应氢燃气轮机宽负荷运行的要求。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

7、专利文献cn114110658a采用主体为整体式反应器，燃气和燃料需要先进行混合，才能进入反应器通道，因此，难以适用于要求低压力损失的场景，如航空发动机、重型燃气轮机燃烧室等；随着增压比的提高，在混合过程中有燃烧风险。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种氢燃料宽负荷柔和燃烧方法及燃烧装置，改进氢燃料柔和燃烧的变工况性能。主体采用微混燃烧器，燃料和空气经分配盘相应流道进入微混燃烧器通道内混合并燃烧。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种氢燃料宽负荷柔和燃烧方法，包括：

3、获取供应燃料中一部分氢燃料，进入分配盘的燃料流道，流入微混燃烧器各个通道；获取一部分压缩空气，进入分配盘的空气流道，流入微混燃烧器各个通道；

4、将所述气体在微混燃烧器通道内混合并进行催化燃烧，生成第一级高温燃气；

5、将所述第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气在柔和燃烧室内发生卷吸掺混，并进行柔和燃烧，生成第二级高温燃气；

6、输出所述第二级高温燃气用于透平做功，完成氢燃料柔和燃烧。

7、优选地，所述获取燃料供应系统中一部分氢燃料，并与部分压缩空气进行均匀混合，包括：

8、获取供应燃料中一部分氢燃料，进入分配盘燃料流道；获取一部分压缩空气，进入分配盘空气流道；

9、其中：

10、所述一部分氢燃料占燃料流量的20～50％；

11、所述部分压缩空气占空气流量的50～70％；

12、所述氢燃料和压缩空气的混合比例为：1:30～1:90；

13、所述压缩空气的温度高于所述氢燃料的催化起燃温度。

14、优选地，所述将所述第一级高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气发生卷吸掺混，包括：

15、将所述微混燃烧器内生成的高温燃气与剩余氢燃料和剩余压缩空气进行卷吸、掺混和稀释，并使掺混后的气体和燃料在燃烧空间内均匀分布；其中：

16、所述剩余氢燃料占燃料流量的50～80％；

17、所述剩余压缩空气占空气流量的30～50％；

18、所述第一级高温燃气、氢燃料和压缩空气的流量混合比例为：31:1:30～91:1:90；

19、所述掺混后气体的温度高于氢燃料的自燃温度。

20、优选地，所述氢燃料包括：富氢燃料、纯氢燃料和/或氢基燃料。

21、优选地，所述微混燃烧器内生成高温燃气的温度为1000～1300k。

22、优选地，所述柔和燃烧室内生成高温燃气的温度为1500～1900k。

23、根据本发明的另一个方面，提供了一种氢燃料宽负荷柔和燃烧装置，包括依次连接的分配盘、微混燃烧器以及柔和燃烧室；其中：

24、所述分配盘，用于获取供应燃料中的一部分氢燃料和部分压缩空气，并将相应气体均匀地输送到微混燃器的各个通道内；

25、所述微混燃烧器，用于获取所述燃料分配盘内的氢燃料和来流空气并进行催化燃烧，生成高温燃气；

26、所述柔和燃烧室，用于获取所述第一级高温燃气、剩余氢燃料和剩余压缩空气，并进行卷吸掺混；对掺混后气体进行柔和燃烧，生成高温燃气，进入透平做功。

27、优选地，由数以百计且彼此独立的微通道平行排列而成，各个微通道之间由支撑盘连接，支撑盘同时也起分配燃料的作用，将适量的燃料送至每一个微通道。所述微通道为圆环状结构，内管壁负载有催化剂，内外管壁之间不发生燃烧，为冷却气流通道。

28、优选地，还包括燃料供应系统和压气机；其中：

29、所述燃料供应系统和压气机分别与所述分配盘和所述柔和燃烧室连接，用于提供氢燃料和压缩空气。

30、优选地，所述掺混后气体均匀分布于所述柔和燃烧室内。

31、优选地，所述一部分氢燃料占燃料流量的20～50％；

32、所述部分压缩空气占空气流量的50～70％。

33、优选地，所述剩余氢燃料占燃料流量的50～80％；

34、所述剩余压缩空气占空气流量的30～50％。

35、优选地，所述微混燃烧器内生成高温燃气的温度为1000～1300k。

36、优选地，所述柔和燃烧室内生成高温燃气的温度为1500～1900k。

37、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

38、本发明提供的氢燃料宽负荷柔和燃烧方法及燃烧装置，通过催化燃烧改善柔和燃烧变工况性能，实现宽负荷稳定运行。

39、本发明提供的氢燃料宽负荷柔和燃烧方法及燃烧装置，充分结合了催化燃烧及柔和燃烧的优势，有效解决了氢燃烧中的nox排放高、易热声振荡和易回火等问题，实现氢燃料的高效率和低nox排放燃烧，有利于解决氢能利用中的终端问题。

40、本发明提供的氢燃料宽负荷柔和燃烧方法及燃烧装置，一部分燃料和部分空气混合后先发生催化燃烧产生中等高温燃气，代替了传统柔和燃烧中的烟气，不受烟气回流性能影响，维持柔和燃烧的变工况性能。催化燃烧产生的高温燃气与剩余的空气和剩余氢燃料卷吸、混合和稀释，实现柔和燃烧，为透平做功提供高品质燃气。

41、本发明提供的氢燃料宽负荷柔和燃烧方法及燃烧装置，可有效应用于热力发电、航空发动机和燃气轮机等领域中。