在燃烧器中燃烧气态液态以及 中卡路里或低卡路里燃料的方法 本发明涉及一种在带有旋流器(Drallerzeuger)的燃烧器中燃烧气态、液态及中卡路里或低卡路里燃料的方法。此外，本发明还涉及实施上述方法的燃烧器。
DE19547913A1公开了一种用于发热器的燃烧器，在该说明书的图中示出了一个旋流器100，轴向液体燃料经燃料喷嘴103以圆锥形液体燃料流的形式被喷入上述旋流器中。旋流器中的燃烧空气流成切向地并与上述液体燃料流成一角度地导向旋流器的旋转壳(Drallschalen)之间，最好通过相应的喷出口117使上述燃烧空气流与气体燃料混合。上述喷射口117主要用于导入天然气这种通常具有46MJ/kg高热值的燃料。至于亦被称为双燃烧器(Dualbrenner)的使用两类燃料的公知燃烧器的所有其它结构详情在上面提到的联邦德国公开说明书中已有所强调。
例如正如从上述说明书中所得知的那样，用于发热器的燃烧系统优选用于燃气轮机的驱动。恰巧在未来的燃气轮机应用领域附带可用天然气和燃料油作为双燃烧器燃料地设备也优先使用中卡路里或低卡路里燃料(Mbtu-resp.LBtu-Bennstoffe)但这些传统的燃料在燃烧后形成有害物质场。这些例如从煤或重油气化所得到的中卡路里或低卡路里燃料(Mbtu-resp.LBtu-Brennstoff)含有大量氢和一氧化碳，因此中卡路里燃料的热值仅约为天然气热值的三分之一，即约15MJ/kg。
尽管原则上可通过切向喷入口使燃烧气体流与类似于天然气的气态中卡路里燃料相混合，但却可能形成下述不足：即因此而使旋流器中存在混合的大体积流，从而使局部产生非常高的压力损失，这将持续地影响所形成的气体束流的稳定性。此外，混合的中卡路里燃料中含有大量具有强反应性能的氢，这对于燃烧器中火焰的回火而言具有很大的危险性。这种不正确的流动将进一步导致输入的燃料不正常燃烧，从而使燃烧过程明显恶化，例如使废气中的NOx明显增加。燃烧器中火焰的回火最终将导致燃烧器过热，而使某些燃烧器构件承受极大的热负荷并接近它们的热负荷临界值。
尽管在燃烧器出口附近喷入中卡路里燃料本身对旋转气流的稳定性影响不大，而且也避免了燃烧器中火焰的进一步回火，但由于混合段短，使中卡路里燃料和燃烧气体的混合不充分，因而燃烧过程类似于扩散，产生非常多的NOx。虽然通过将中卡路里燃料与氮或水蒸汽适当进行充分混合(hohe Beimischung)可减少NOx的发射量，但燃料被如此稀释又将导致燃气轮机效率降低。出于同样的考虑，在使用低卡路里燃料时也要增大输入量。
本发明的任务在于提供一种用于燃烧气态、液态及中卡路里或低卡路里燃料、带有旋流器的燃烧器和燃烧方法，在该方法中以圆锥形液体燃料柱形式的液态燃料被喷成雾状，上述液体燃料柱被切向流入旋流器中的旋转燃烧气体流包围，这样，可以在使用单一一种燃料的情况下使上面所提到的燃料的燃烧取得下述几方面效果：
a)明显减少对环境有影响的物质的发射量，尤其是减少NOx和CO的发射量；
b)确保旋流器中建立的流动关系，尤其可避免或消除燃烧器中火焰回流的隐患；
c)保证火焰稳定；
d)借助于燃料充分燃烧，增加能量的获得；以及
e)通过向燃烧器中喷入中卡路里非稀释燃料提高燃气轮机的效率。
权利要求1给出了完成本发明任务的技术方案，该权利要求描述了本发明的方法。权利要求6的主题是按照本发明方法进行工作的燃烧器。
从属权利要求的主题是按本发明构思的优选的另一些特征。本发明的主题思想在于：气体燃料(如天然气)、液体燃料(如石油)以及中或低卡路里燃料(所谓的Mbtu-或LBtu-Brennstoffe)在带旋流器的燃烧器中共同燃烧，其中中或低卡路里燃料沿轴向和/或同轴地被喷入燃烧器或旋流器中。最好在靠近液体燃料喷射口之处将上述燃料喷入旋流器的内部，上述液体燃料在喷入状态下在各燃烧器的旋流器内部逐渐形成圆锥形液体燃料柱。用这种方式可保证喷入旋流器内部的附加的细小雾状液体燃料能非常充分地与中或低卡路里燃料混合。
将中或低卡路里燃料沿轴向或同轴地喷入旋流器内部可导致燃烧器流场明显改变，通过附加喷入中卡路里燃料可加大上述轴向流部分，而旋转部分几乎以同样的方式减少。正如从上面所引用的联邦德国公开说明书DE19547913A1尤其从第4栏55-66行所描述的实例那样可用公知方式减少旋转部分，从而使所谓的回流气泡(Rückstrmblase)不稳定，以便使回流区火焰稳定。
与上面所提到的双燃烧器原理不同的是由于增大了轴向流动部分可以正常地将回流区中所产生的回流气泡吹掉，因此可显著地消除回火的隐患。
正如本文开始所提到的那样，当中或低卡路里燃料含有大量的氢并具有很强的反应性时，这些燃料仍确保燃烧所必需的火焰稳定性，此时将形成稳定火焰且不能有效地形成回流区。
还将中或低卡路里燃料逆流而上地送入液体燃料喷入口区域，以便与已喷入的燃料以及喷入旋流器中的燃烧气体很好的混合。按照这种方式，由于预混燃烧的混合段长，具有比较理想的NOx发射值，在对天然气进行预混燃烧时可获得上述发射值。
为了降低相应的发射值还可以不使氮或水蒸汽混合。这样做的特殊优点是避免了因稀释而引起的整个燃气轮机的效率降低。
实施本发明方法的燃烧器看作是对在上述联邦德国公开说明书DE19547913A1所描述的双燃烧器的改进，按照本发明，在用于天燃气和液态燃料的燃料系统上还附加将中或低卡路里燃料输入旋流器的第三燃料系统。最好在中心喷入口区域附近，通过喷入旋流器内部的液体燃料、通过旋流器的旋转壳，通过喷入口将中或低卡路里燃料喷入旋流器的内部。中或低卡路里燃料的输入与液体燃料输入沿轴向和/或同轴地进行，它们分别以旋流器轴对称。
下面参考附图根据一个实施例对本发明进行描述，本发明并不局限于这种一般的发明构思。
图1为按本发明建成的燃烧器的纵向剖面图；
图2为喷入中卡路里燃料的旋流器的横截面图。
图1中示出的燃烧器由一个旋流器1以及一个混合段2构成，该混合段沿流动方向与旋流器1相连。在旋流器1中设置有供从切向流入的多个切向燃烧气体流3(见图2)进入的圆锥形形成物。在西德公开说明书DE19547913A1图1至图5中详细描绘了旋流器1的结构和外形以及通过旋流器的形状可形成的流体动力学现象，关于这些情况将在下面明确指出。与旋流器1邻接的混合段2由带过渡通道22的过渡部分21以及紧邻的混合管23组成，这一点并非本发明的要点。提及这些燃烧器部件仅仅是希望对燃烧器装置作完整描述，以便能供给燃烧过程所需要的燃料。
在上部区域为圆锥形的旋流器1中，中心轴上设置了一个将液体燃料送入旋流器1内部的喷嘴4。围绕喷嘴4同轴地设有输入中卡路里燃料的输入管道5(见前头所示)，管道5穿过旋流器壳(Drallerzeugerschalen)6,7。通过相应的喷嘴8使细小分布的中卡路里燃料在旋流器1中沿轴向或同轴地附加到旋流器1内部所形成的气流中(图中未示出)并与之混合。
同样，还设置了气体燃料供给管9，气体燃料沿切向从外部与燃烧空气一道被送入旋流器中(见图2)。
与现有技术相比，附加地同轴供给中卡路里燃料将使通过设置有过渡管道22的过渡部分21之后、以及通过混合管23后导入的那部分物流的轴向部分加大，因此在公知的双燃烧器的情况下可正常地将燃烧室10范围内紧靠混合管23所形成的所谓“旋流破坏(Drall-Breakdown)”(回流气泡)吹掉。
最好利用同轴通入旋流器壳6,6′,7,7′的燃料喷射口8将中卡路里燃料最高效率地输入。可通过每个旋流器壳的一个或多个喷嘴喷入中卡路里燃料。
图2为按本发明所构成的旋流器1的横断面图。在旋流器1的轴向设有液体燃喷嘴4，在该喷嘴的四周成角度地顺序设有多个旋流器壳6,6’,7,7’。在各相邻的旋流器外壳之间的切向上将燃烧气体3沿切向输入旋流器1的内部，借助于带有相应喷入喷嘴的导管9使上述燃烧气体与天然气混合。在所示的例子中，旋流器壳6,6′,7,7′各有一个输入中卡路里燃料的燃料喷嘴穿过。根据应用情况的不同对每个旋流器壳也可设置多个喷嘴，因此，可以沿燃烧器方向在很宽的区域内改变轴向供给的中卡路里燃料量。