一种回流火焰区定向喷水的两级掺混氢燃烧器及燃烧方法

本发明涉及氢燃料燃烧及低排放燃烧，具体涉及一种回流火焰区定向喷水的两级掺混氢燃烧器及燃烧方法。

背景技术：

1、氢气燃烧不产生二氧化碳、碳烟等含碳燃烧产物，是燃气轮机、工业炉和动力装置实现低碳运行的重要燃料选择。然而，氢气的密度低、扩散系数大、点火能量低、可燃范围宽且火焰传播速度高，其燃烧组织同时面临混合、回火和氮氧化物排放等问题。

2、现有氢燃烧器常采用氢气直接射入空气主流的方式组织混合。氢气密度显著低于空气，纯氢射流相对于空气主流的动量通量比及穿透深度容易受到供氢压差、氢气流量和燃烧负荷变化的影响，可能造成氢气在近壁区域或局部区域富集。单纯通过提高氢气喷射压力增强穿透，会增加供氢系统负担；通过延长预混距离改善均匀性，又会增加可燃混合物在燃烧器内部的停留时间，从而提高自燃和回火风险。

3、另一方面，氢气在空气中燃烧时容易形成局部高温反应区，并由此生成热力型氮氧化物。现有湿式低排放技术包括在燃料或空气上游掺水、向燃烧室大范围喷水以及注入蒸汽等方式。上游均匀加水需要对较大范围的燃料或空气进行稀释和冷却，水利用率较低，并可能增加预混及供给系统的复杂程度；向燃烧室大范围喷水则难以使水雾与主要高温反应区域保持稳定的空间匹配，喷水量过大时还可能造成火焰局部淬熄、燃烧效率降低或燃烧不稳定。

4、现有混合强化结构和喷水结构通常分别设计：前者仅以燃料—空气均匀度为目标，后者仅依据燃烧室总体温度或燃料流量确定喷水位置，因而难以保证氢气混合后形成的火焰根部与水雾覆盖区域在不同负荷下持续对应。若水在氢气—空气混合完成之前进入流场，还可能改变上游混合过程、增加壁面液膜或造成局部可燃混合物输运不稳定。因此，混合位置、回流稳焰位置和水雾作用位置需要进行一体化设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种回流火焰区定向喷水的两级掺混氢燃烧器及燃烧方法，以解决纯氢直接射流的动量通量比和穿透深度容易随供氢工况变化、氢气混合位置在不同负荷下的一致性不足，以及传统整体喷水针对性不足的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种回流火焰区定向喷水的两级掺混氢燃烧器，包括一次空气旋流通道，所述一次空气旋流通道内部设置有旋流器，且一次空气旋流通道出口依次设置有收缩段和扩张段，所述收缩段与扩张段之间形成喉部；

4、二次空气通道，设置于所述一次空气旋流通道的径向外侧，其下游端封闭，所述二次空气通道通过多个混合射流二级入射孔与一次空气旋流通道连通；

5、氢气环形集气腔，设置于所述二次空气通道的径向外侧，所述氢气环形集气腔通过多个氢气一级入射孔与所述二次空气通道连通，所述氢气一级入射孔位于混合射流二级入射孔的上游；

6、中心水雾化喷嘴，沿所述一次空气旋流通道的中心轴线设置。

7、优选地，通入一次空气旋流通道的一次空气与通入二次空气通道的二次空气设置为同源供给，且一次空气速度、二次空气随总空气流量同步变化。

8、优选地，所述中心水雾化喷嘴包括独立的供水通道和喷口，所述喷口位于混合射流二级入射孔与喉部之间，且喷口出口方向朝向喉部。

9、优选地，所述旋流器包括旋流器叶片和旋流器外壳，所述旋流器外壳为一次空气旋流通道与二次空气通道之间的分隔壁，所述混合射流二级入射孔沿周向均匀设置在旋流器外壳上，且混合射流二级入射孔位于旋流器叶片与收缩段之间；所述二次空气通道和氢气环形集气腔之间设置有氢气喷注孔板，所述氢气一级入射孔沿周向均匀设置在氢气喷注孔板上。

10、优选地，所述氢气一级入射孔与所述混合射流二级入射孔在周向上错列设置，使氢气在到达混合射流二级入射孔前沿周向扩散并与二次空气掺混，所述氢气一级入射孔的孔径小于所述混合射流二级入射孔的孔径。

11、优选地，所述混合射流二级入射孔的轴线所确定的喷射方向具有径向向内分量，并相对于一次空气旋流通道的径向方向沿周向偏转。

12、优选地，所述中心水雾化喷嘴为离心雾化喷嘴，配置为喷出空心锥形水雾；所述喷口的安装位置以及喷雾锥角被配置为：燃烧器额定工况下，空心锥形水雾能够穿过所述喉部。

13、优选地，一种氢燃烧器实施的燃烧方法，其特征在于，包括：

14、一次空气通入到一次空气旋流通道内，流经旋流器形成一次旋流空气，二次空气通入到二次空气通道内，氢气通入到氢气环形集气腔内；

15、使氢气经氢气一级入射孔射入二次空气，并在二次空气通道内进行一级掺混，形成氢气-二次空气混合物；

16、所述氢气-二次空气混合物经混合射流二级入射孔射入一次旋流空气，使氢气-二次空气混合物射流与一次旋流空气进行二级掺混，形成氢气-空气混合物；

17、所述氢气-空气混合物依次流经收缩段和扩张段并燃烧，在扩张段的下游形成中心回流区及其外围的火焰根部区域；

18、水经独立供水通道输送至喷口，并由所述喷口在所述混合射流二级入射孔的下游形成锥形水雾，锥形水雾穿过喉部，锥形水雾锥面与火焰根部区域相交，并使部分水雾进入中心回流区。

19、优选地，一次空气和二次空气由同一空气源供给，并分别流经结构尺寸和流动阻力关系确定的一次空气流路和二次空气流路，使二次空气穿过混合射流二级入射孔的速度与二级入射位置处一次旋流空气的局部速度随总空气流量同步变化，并使所述氢气-二次空气混合射流与一次旋流空气之间的动量通量比j在设计工作范围内保持于预设范围。

20、优选地，在点火阶段或低负荷阶段停止喷水或采用第一喷水量，在燃烧负荷升高后采用大于所述第一喷水量的第二喷水量，并根据压力脉动或火焰状态限制或降低喷水量。

21、本发明具有以下优点：

22、（1）本发明采用两级掺混结构，氢气先与二次空气在一级混合段内掺混，再一同射入一次旋流空气，实现短距离混合，能够提升氢气与空气的混合均匀性；同时避免设置过长可燃预混通道，降低氢气自燃、回火风险，提升燃烧器工作安全性与燃烧稳定性。

23、（2）二次空气通道下游端封闭，二次空气仅能通过混合射流二级入射孔进入一次空气旋流通道，气流路径固定，有利于稳定两级掺混的流场结构。

24、（3）燃烧器中心设置定向喷水雾化结构，水雾由混合射流二级入射孔下游喷入流场，不参与上游一级掺混过程；水雾作用于火焰根部及中心回流区，降低局部燃烧温度，抑制热力型氮氧化物生成，进一步改善燃烧稳定性。

1.一种回流火焰区定向喷水的两级掺混氢燃烧器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的氢燃烧器，其特征在于，通入一次空气旋流通道（102）的一次空气与通入二次空气通道（106）的二次空气设置为同源供给，且一次空气速度、二次空气随总空气流量同步变化。

3.根据权利要求1所述的氢燃烧器，其特征在于，所述中心水雾化喷嘴（104）包括独立的供水通道（1041）和喷口（1042），所述喷口（1042）位于混合射流二级入射孔（1031）与喉部（1023）之间，且喷口（1042）出口方向朝向喉部（1023）。

4.根据权利要求1所述的氢燃烧器，其特征在于，所述旋流器（101）包括旋流器叶片（1011）和旋流器外壳（103），所述旋流器外壳（103）为一次空气旋流通道（102）与二次空气通道（106）之间的分隔壁，所述混合射流二级入射孔（1031）沿周向均匀设置在旋流器外壳（103）上，且混合射流二级入射孔（1031）位于旋流器叶片（1011）与收缩段（1021）之间；所述二次空气通道（106）和氢气环形集气腔（107）之间设置有氢气喷注孔板（105），所述氢气一级入射孔（1051）沿周向均匀设置在氢气喷注孔板（105）上。

5.根据权利要求4所述的氢燃烧器，其特征在于，所述氢气一级入射孔（1051）与所述混合射流二级入射孔（1031）在周向上错列设置，使氢气在到达混合射流二级入射孔（1031）前沿周向扩散并与二次空气掺混，所述氢气一级入射孔（1051）的孔径小于所述混合射流二级入射孔（1031）的孔径。

6.根据权利要求1所述的氢燃烧器，其特征在于，所述混合射流二级入射孔（1031）的轴线所确定的喷射方向具有径向向内分量，并相对于一次空气旋流通道（102）的径向方向沿周向偏转。

7.根据权利要求3所述的氢燃烧器，其特征在于，所述中心水雾化喷嘴（104）为离心雾化喷嘴，配置为喷出空心锥形水雾（110）；所述喷口（1042）的安装位置以及喷雾锥角被配置为：燃烧器额定工况下，空心锥形水雾能够穿过所述喉部（1023）。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的氢燃烧器实施的燃烧方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的燃烧方法，其特征在于，一次空气和二次空气由同一空气源供给，并分别流经结构尺寸和流动阻力关系确定的一次空气流路和二次空气流路，使二次空气穿过混合射流二级入射孔（1031）的速度与二级入射位置处一次旋流空气的局部速度随总空气流量同步变化，并使所述氢气-二次空气混合射流与一次旋流空气之间的动量通量比j在设计工作范围内保持于预设范围。

10.根据权利要求9所述的燃烧方法，其特征在于，在点火阶段或低负荷阶段停止喷水或采用第一喷水量，在燃烧负荷升高后采用大于所述第一喷水量的第二喷水量，并根据压力脉动或火焰状态限制或降低喷水量。