用于燃烧氢的燃烧装置和用于执行燃烧的方法与流程

本发明涉及用于氢与氧的燃烧的一种燃烧装置以及一种方法。这种燃烧装置主要用在发电厂中，在该发电厂中借助蒸汽轮机驱动发电机来发电。在此，对燃烧装置规定了蒸汽容量。通过能够有效地利用氢尤其改善了产生能量的可持续性。

背景技术：

1、为此，例如专利文献ep0452839b1公开了一种典型的燃烧装置，其最初具有圆柱体的形状。对于这种燃烧装置，在上游侧端处供给氢和氧，该氢和氧在燃烧装置的燃烧室中燃烧。产生的蒸汽在下游侧被导出，进而可用于例如蒸汽轮机。

2、氢与氧燃烧时的一个众所周知的问题是极高的燃烧温度。如果没有合适的对策，这会导致燃烧装置立即损坏。此外，已知的设计方案几乎只用于当需要功率峰值时或当初始蒸汽供应不足时的短期过渡。

3、为了保证燃烧装置有足够的使用寿命，通常建议对燃烧装置的壁部进行特别的冷却。在上述设计方案中，为此使用了双壁缸体，其中，在内侧布置管束。在此通过所述管束输送供给水，并且在转向后通过双壁缸体注入到燃烧室中。

4、这种设计方案的缺点是供给水直接被注入到燃烧区中。这导致一定程度上无法衡量氢是否不需要过量供给氧就完全燃烧。此外，这种设计导致了关键的过程管理，也即即使在短期供给水供应不足的情况下，也会造成燃烧装置的损坏。

5、从专利文献de112018000670t5已知一种燃烧装置的设计方案，其中向燃烧器供给氧和氢。在该燃烧装置中，燃烧器布置在流动通道中，使得由燃烧产生的热蒸汽居中地流过流动通道。现在，为了实现对燃烧装置的有利保护，对流动通道供给冷蒸汽。与流动泵类似，在此冷蒸汽被由燃烧产生的热蒸汽一同带走。因此，冷蒸汽包围热蒸汽，其中，随着路程的增加，冷蒸汽与热蒸汽混合，并且建立了对所用材料不危险的中间温度。

6、这种设计方案的缺点是，由于喷射泵的效应，相比于所产生的热蒸汽需要非常大量的冷蒸汽。此外，在该设计方案中难以设定最佳的过程管理，因为燃烧过程和燃烧器的状态基本上只能在理论上确定。

7、此外，由专利文献wo9731184a1已知一种用于燃烧氢的燃烧装置。对此提出，燃烧经过多个阶段进行。在此，在第一阶段中过量地供给氧，从而使得同时供给的氢完全燃烧。过量的氧致使在第一次燃烧中产生的温度相比于按照化学计量燃烧降低到可接受的程度。然而，为了能够实现进一步燃烧，首先通过涡轮来降低功率以及冷却由在燃烧中形成的水和剩余氧的组成的燃烧产物。接下来重复这些通过涡轮进行分离和降低功率的步骤。

8、尽管之前的设计方案实现了在避免超过允许的材料温度的情况下燃烧氢，但该解决方案需要对布置在多个阶段之间的涡轮进行大量装配工作。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是能够实现氢与氧的燃烧，其中可以实现有利的受控的过程管理(verfahrensführung)，并且可以保证燃烧装置的长使用寿命，并且特别是仍然可以在结构类型方面设计得简单。

2、所提出的目的通过根据权利要求1的所述的燃烧装置实现。在权利要求4中给出了一种能量产生装置。在权利要求5中给出了一种实现所述目的的方法。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

3、与氢燃烧的惯常构思相比，根据本发明的新构思基于分阶段燃烧，其中，直到最后阶段，两种反应参与物之一过量存在。

4、为此，用于燃烧两种反应参与物氢和氧的燃烧装置需要具有多个反应区段。每个反应区段在此包括燃烧室和邻接其的过渡区段。

5、在燃烧装置的运行期间，按照规定在各燃烧室中发生两种反应参与物的燃烧。为此，燃烧室优选具有管形的形状，其中在上游侧供给反应参与物。同样可以使用其他燃烧室的另外的已知设计方案。这样例如可以规定，通过侧壁部供给反应参与物。在任何情况下都显然必须将燃烧室设计成使得在燃烧期间出现的温度不会对燃烧室造成损坏。燃烧室显然应当设计成在下游侧开放，以确保所产生的水蒸汽和可能的话第一反应参与物的任何未燃烧的部分逸出。

6、根据本发明，过渡区段同样设计为开放的通道。与其他已知的分阶段的燃烧相比，这里基本上省去了阶段之间的例如通过涡轮的能量排出。

7、过渡区段的形状在这里是无关紧要的，其中，优选地同样选择了类似于燃烧室的优选地管形的形状。在此，过渡区段将前一燃烧室与后一燃烧室连接(最后的燃烧室之后的过渡区段处除外)。因此，过渡区段在燃烧室之间提供自由的流动横截面。就此而言，例如在过渡区段中是否布置了用于产生涡流的静态元件是无关紧要的。

8、为了能够燃烧，首先需要第一供应装置，其可以供给第一反应参与物。

9、此外，需要第二供应装置，其可以供给第二反应参与物。

10、如果第一反应参与物是氢，则第二供应装置供给氧，相反，如果第一反应参与物是氧，则第二供应装置供给氢。

11、为了能够实现不可缺少的冷却而设有供水部，可以由该供水部提供冷却介质。在此可以规定，输送液态水或冷蒸汽。同样可以与供水部分开地提供液态水和冷蒸汽或者由液态水和冷蒸汽组成的混合物。

12、带有第一燃烧室的第一反应区段具有布置在上游侧的至少一个喷射喷嘴。通过喷射喷嘴，在燃烧装置的运行期间将第一反应参与物、也即氢或氧引入到第一燃烧室中。显然，需要从第一供应装置到喷射喷嘴的连接。

13、此外，位于上游侧的第一燃烧室具有至少一个喷射开口，通过该喷射开口将第二反应参与物，即氧或氢，引入到第一燃烧室中。显然，为此需要从第二供应装置到喷射开口的连接。

14、此外规定，在第一次燃烧期间或之后供给冷却介质。为此，在第一燃烧室处和/或第一过渡区段处至少有第一进水口，通过该第一进水口可以供给相应的冷却介质。

15、还需要具有第二燃烧室的第二反应区段，其邻接第一过渡区段。同样，在第二燃烧室的上游侧存在用于再次供给第二反应参与物的至少一个第二喷射开口。显然，同样需要从第二供应装置到该喷射开口的连接。

16、第二反应区段的第二过渡区段位于第二燃烧室的下游。

17、根据本发明在此规定，在第二燃烧室处和/或第二过渡区段处也存在至少一个进水口，通过该进水口再次可以供给冷却介质。

18、此外，至少需要具有第三燃烧室的第三反应区段。其类似地邻接第二过渡区段。同样，在第三燃烧室的上游侧存在用于重复供给第二反应参与物的至少一个喷射开口。

19、类似地，第三反应区段的第三过渡区段位于第三燃烧室的下游。

20、此外，根据本发明，需要在第三燃烧室处或第三过渡区段处也存在至少一个进水口，通过该进水口再次可以供给冷却介质。

21、为了在燃烧装置中燃烧氢而规定，通过所述至少一个喷射喷嘴将两个反应参与物之一引入分阶段的反应区段的燃烧室中，并且通过所述喷射开口将另一反应参与物引入分阶段的反应区段的燃烧室中。在此重要的是，除了在最后的燃烧室中的最终燃烧期间之外，第一反应参与物总是过量地存在。即有意地供给偏离化学计量的更大量的第一反应参与物。

22、相应地，通过喷射开口将第二反应参与物引入到第一燃烧室中，并且通过喷射喷嘴引入对于化学计量燃烧来说所需的量的至少1.5倍。也即，与所述第一反应参与物相反，仅将对于完全燃烧来说不足份额的第二反应参与物引入到第一燃烧室中。

23、根据实际的用途，也即产生热蒸汽，在第一燃烧室中进行氢与氧的燃烧，其中随之形成热蒸汽。不过，与惯常方法相比，在第一反应区段中仅发生第一反应参与物的部分燃烧。由于比例不对等，所以在此第一反应参与物不可避免地会残留一部分。

24、为了避免在随后的反应区段中的再次燃烧期间温度连续升高，在第一反应区段中通过所述至少一个进水口将冷却介质供给到可选地燃烧室中或邻接的过渡区段中或者既供给到燃烧室中也供给到过渡区段中。所述冷却介质在此可以是液态水或冷蒸汽。同样可以规定，通过一个水开口或分别的水开口同时供给液态水和冷蒸汽。

25、通过将热的由燃烧形成的蒸汽与冷却介质混合，产生了中等温度的蒸汽。因此，在第一过渡区段的出口处，由中等温度的蒸汽和第一反应参与物的剩余未燃烧部分组成的混合物离开第一过渡区段。

26、如果最初过量供给的第一反应参与物是氢，则氧形成第二反应参与物。因此，过渡区段的出口处的混合物由蒸汽和氢组成。如果与此相反第一反应参与物是氧，则相应地氢是第二反应参与物，进而过渡区段的出口处的混合物是由蒸汽和氧组成的混合物。

27、根据本发明的构思，在其他反应区段中重复燃烧过程。为此，分别通过相应的喷射开口以对于相应的燃烧来说预先规定的量供给第二反应参与物。此外，对于根据本发明的构思重要的是，在另外的反应区段中分别通过进水口再次供给冷却介质，因此不超过在相应反应区段的出口处允许的初始温度。

28、是否需要供给第一反应参与物尤其取决于由先前的反应区段剩余地供给的量。如果该量已经足够了，则在相应的反应区段中不再供给另外的第一反应参与物。

29、在此，相应的供给、更确切地说供给的必要性还取决于，在相应的(但不是最后的)反应区段中的第一反应参与物应过量有多大。如果需要的话，至少通过至少一个相应的喷射喷嘴供给的第一反应参与物的量使得在相应的(除了最后的)燃烧室中存在对于化学计量燃烧来说所需的量的至少1.5倍。

30、在此应当注意，第一反应参与物相对于第二反应参与物的1.5倍量是指氢和氧两种组分，其中不考虑此外存在的水或水蒸汽的份额。

31、要注意的是，在最后的反应区段中应争取实现化学计量燃烧。就此而言，如果需要的话，以适合的量适应性地将第一反应参与物供给到最后的燃烧室中。

32、通过在第一反应参与物存在的情况下将第二反应参与物分别重新供给到相应的燃烧室中，在充分的边界条件下，显然将致使氢与氧的再次燃烧，进而致使再次形成热蒸汽。

33、尽管直到最后的燃烧过程在每次再次燃烧中都会残余一定份额的第一反应参与物(其中，第二反应参与物均基本上完全燃烧)，但是在所形成的混合物中的蒸汽的份额在相应的过渡区段的出口处升高。

34、与存在的反应区段的数量无关地规定，测定供给到燃烧装置的各个反应区段中的、通过喷射喷嘴供给的第一反应参与物的量和通过喷射开口供给的第二反应参与物的量，从而直到最后的反应区段，在相应的燃烧室中每次燃烧之后，都残留有相关份额的第一反应参与物以用于相应随后的反应区段。

35、本发明的基本思路是，通过减少第二反应参与物的供给降低燃烧温度进而偏离化学计量地改变混合比，除了在最后的反应区段的燃烧室中的燃烧之外。即，燃烧不像之前那样在单个阶段中化学计量地进行，而是在至少两个反应区段上进行非化学计量燃烧。

36、在此，在最后的燃烧之前的反应区段中的燃烧过程可能以过量的氧化剂(即“贫”)或以过量的燃料(即“富”)进行。在第一替代方案中，显然第一反应参与物是氧并且第二反应参与物是氢。在第二替代方案中，显然第一反应参与物是氢并且第二反应参与物是氧。

37、相应地，在有利的第一方法流程中，选择氢作为第一反应参与物，其直到最后的燃烧过程都过量地存在。与此相对地，将用于在那里发生的燃烧的规定量的氧供给到每个燃烧室。

38、替代地，在有利的第二方法流程中，选择氧作为第一反应参与物，其类似地直到最后的燃烧过程都过量地存在。这里，将用于在那里发生的燃烧的规定量的氢供给到每个燃烧室。

39、到目前为止，通常总是争取直接进行化学计量燃烧。为了防止燃烧装置的热损坏，需要大量冷却。

40、与此相对地，通过根据本发明的具有多阶段的部分燃烧的燃烧装置既实现了限制在燃烧期间产生的温度，又能够在不需要大量冷却介质的情况下实现燃烧的最佳控制，从而最终特别有利地燃烧氢。

41、在此目标仍旧是，在最后的反应区段中通过化学计量燃烧将氢完全燃烧掉。

42、随着氢和氧在若干反应区段上燃烧成蒸汽以及供给冷却介质进而进一步供给或形成蒸汽，容易想到在每个其他燃烧室中待燃烧的氢和氧在总量(具有蒸汽和第一反应参与物的过量部分)中的份额逐渐减小。

43、在此有利的是，第一反应参与物的过量部分在过程开始时更大，并且沿反应区段逐渐减小。

44、相应地有利的是，将第一反应参与物和第二反应参与物供给到第一燃烧室中，从而使得在燃烧室中存在的第一反应参与物的量是对于化学计量燃烧来说所需的量的至少三倍。

45、此外有利的是，在第二反应区段中也存在较高份额的第一反应参与物。在此以一定量供给第二反应参与物以及如果需要的话第一反应参与物，从而使得在燃烧室中存在的第一反应参与物的量是对于化学计量比来说所需的量的至少两倍。

46、此外特别有利的是，用于整个燃烧的沿若干阶段所需的第一反应参与物完全通过所述至少一个喷射喷嘴供给到第一燃烧室中。由此，第一反应参与物的减少的过量假定补偿了随着蒸汽增加而变化的混合比。

47、此外要考虑的是，与存在的反应区段的数量无关地，测定通过喷射喷嘴向燃烧装置供给的第一反应参与物的量和通过喷射开口向燃烧装置供给的第二反应参与物的量，从而如果可能的话在最后的燃烧室中进行化学计量燃烧。以特别有利的方式，通过在最后的反应区段中的燃烧实现完全消耗两种反应参与物。在这种情况下，只有蒸汽离开燃烧装置。

48、尽管几乎不可避免在最后的过渡区段的出口处残留至少一种反应参与物的最少残留物，但是如果有利地确定第一反应参与物和/或第二反应参与物供给到最后的燃烧室中的量，从而使得在最后的燃烧室中存在的第一反应参与物和/或第二反应参与物的量为对于化学计量燃烧来说所需的量的至少0.9倍，则该残留物被最小化。

49、此外有利的是，存在对于化学计量燃烧来说所需的量的至少0.95倍的量的第一反应参与物或第二反应参与物。特别有利的是，这对二者都成立。

50、然而也可以规定，应当防止特定的反应参与物仍然存在于最后的过渡区段处。在这种情况下优选的是，用于最后的燃烧过程的、允许部分地残留的反应参与物的另外的反应参与物的量以对应于化学计量燃烧来说所需量的至少1.01倍的量存在。特别优选地，允许残留的反应参与物在此以对于燃烧所需量的1.02倍存在于最后的燃烧室中。然而，这里的份额也不应增加到超出必要的程度。

51、为了防止在燃烧过程中温度在多个阶段中连续升高，对各次燃烧分别设置冷却过程，其中混合液态水和/或冷蒸汽作为冷却介质。在此可以发现，不仅对于不同的反应区段而且在相应的反应区段中都可以不同地选择冷却介质，也即液态水或冷蒸汽或者液态水以及冷蒸汽一起。

52、为了避免对相应的燃烧产生不必要的影响，特别有利的是，在相应的过渡区段中供给冷却介质。其他优点在于，一方面，可以更好地控制燃烧室中的燃烧，并且另一方面，由此通过相应地测定冷却剂的量简化了温度管理、特别是在相应反应区段的出口处的期望的初始温度的设定。因此，所述至少一个第一进水口布置在第一过渡区段处，所述至少一个第二进水口布置在第二过渡区段处，并且所述至少一个第三进水口布置在第三过渡区段处。

53、如果在第三反应区段之后布置有另外的第四反应区段，则将改善燃烧温度的限制和燃烧装置的控制。所述第四反应区段同样具有邻接第三过渡区段的第四燃烧室，该第四燃烧室具有第四喷射开口以及邻接第四燃烧室的第四过渡区段。

54、还可以想到同样设置另外的第五反应区段，其中，反应区段的确切数量取决于蒸汽的需要以及燃烧室和过渡区段的所选择的结构类型。

55、例如，在允许的构件温度较高(以及允许的温度梯度较高)的情况下，可以选择较高的燃烧温度，从而在每个阶段中都可以燃烧掉更高的份额。相反，低的允许的构件温度致使在相应的燃烧室中需要低的燃烧温度。因此，若允许的温度越高，则可能需要越少的阶段。在构件的温度耐受性较小的情况下，则较高数量的反应区段可能是有意义的。

56、如果存在具有另一燃烧室的至少一个另外的反应区段，那么就测定通过所述至少一个喷射喷嘴将第一反应参与物供给到反应区段的各个燃烧室中的量以及通过喷射开口将第二反应参与物供给到反应区段的各个燃烧室中的量，从而在相应的反应区段中的每次燃烧之后都存在用于至少一个后续反应区段的第一反应参与物的残留部分，直到最后的燃烧过程。

57、如果存在五个或更多个反应区段，则在每个过渡区段处都有利地存在用于进一步供给冷却剂的相应的进水口，至少直到最后的反应区段。虽然这看起来不是强制性的，但也可以在最后的反应区段的过渡区段处设置进水口。

58、通常有利的是，存在四个或五个反应区段。

59、相应的燃烧室和所属的过渡区段的外形可以基于燃烧腔室和热气体通道的已知实施方式来选择。至少通常各个区段、也即相应的反应区段的燃烧室和过渡区段的各个区段的相应的横截面适配于分别存在于相应区段处的材料流。

60、就此而言，一方面，可以设置相应燃烧室与相关过渡区段的结构分离部。例如，可以将燃烧室设计为所谓“管式燃烧室”的类型的构件，并且可以将过渡区段设计为所谓“过渡部”的类型的邻接构件。

61、在替代实施方式中，有利地使用在反应区段上延伸或者特别有利地在至少两个反应区段上延伸的构件，由此省去了燃烧室和过渡区段中的结构分离部。就此而言，燃烧室代表构件的如下子区段，在该子区段中按照规定进行在相应反应区段中的燃烧。相应地，过渡区段是构件的如下子区域，该子区域代表从一燃烧室到后续燃烧室或到后续装置的连接部。

62、为了实现有利的控制和过程管理，特别有利地存在温度确定单元。选择该温度确定单元，使得能够确定第一燃烧室中的第一燃烧温度、确定第二燃烧室中的第二燃烧温度以及确定第三燃烧室中的第三燃烧温度。如果存在至少一个另外的反应区段，则有利的是，同样可以确定至少一个另外的燃烧室中的燃烧温度。

63、此外，所述温度确定单元应当能够确定第一过渡区段的出口处的第一初始温度和第二过渡区段的出口处的第二初始温度以及第三过渡区段的出口处的第三初始温度。如果存在一个或多个另外的反应区段，则相应有利的是，还可以确定相应过渡区段的出口处的其他相应的初始温度。

64、燃烧温度或初始温度的确定能够以不同的方式进行。一方面，可以想到基于燃烧装置的给定特性以及关于所供给的介质(即第一反应参与物和第二反应参与物的物质流)的数据以及冷却介质及其温度，以足够的精度计算这些温度。

65、此外，可以有利地借助传感器探测例如不同壳体区段处的温度，以便能够确定燃烧装置的内部中的温度。用于确定燃烧温度的另外的可行方案也为本领域技术人员熟知，可以使用这些可行方案。

66、通过确定燃烧温度以及初始温度，可以控制有利的分阶段的燃烧。在此，在控制燃烧装置时，在相应的燃烧过程中出现的温度有利地限制在如下水平，在该水平下燃烧装置能够基本上无损地运行。就此而言，有利地以不超过相应的最大温度的方式控制燃烧装置。然而同时有利的是，(至少在标称负载下)燃烧温度接近最大温度进而可以实现高功率。例如可以规定，在燃烧装置的最大功率时，燃烧温度比最大温度低不少于100k、特别是不少于50k。

67、此外，基于对现有温度或所出现的温度的了解，可以进行冷却介质的最佳供给。为了实现在最佳的范围中进行相应下一次的燃烧，为此供给恰好所需量的冷却介质，使得在相应反应区段的出口处得到最佳的初始温度。

68、在此，初始温度应足够高，以便在后续燃烧过程中能够自燃。

69、此外有利的是，调节冷却量，使得在燃烧装置的最大功率的情况下，对于随后的燃烧过程，在初始温度和最大温度之间存在尽可能高的温度范围。

70、与此相反，在部分负载的情况下有利的是，供给一定量的冷却介质，从而在随后的燃烧过程中不超过最大温度。

71、例如，对于燃烧过程可以选择1800℃的最大温度，并且对于从第一个过渡区段到倒数第二个过渡区段的相应过渡区段的出口处的期望温度可以选择1000℃的目标温度。在相应的燃烧过程中，供给一定量的第二反应参与物，从而通过燃烧几乎达到最大温度。在燃烧后供给一定量的冷却介质，从而可能的话实现将初始温度降低至目标温度。

72、虽然可以使用冷蒸汽作为冷却介质，但对于所述方法有利的是使用液态水。通过使用液态水，由气化焓实现进一步的冷却效果。

73、使用液态水作为冷却介质的另外的特别的优点是更多地形成蒸汽，而当使用冷蒸汽作为冷却介质时，该冷蒸汽必须在对于其他目的来说太低的低温下就准备投入使用。