[发明专利]氨燃料预分解-再生冷却燃烧室、燃气轮机及运行方法

说明书

本发明公开了一种氨燃料预分解‑再生冷却燃烧室、燃气轮机及运行方法。燃烧室空气通道内设置有第一氨燃料通道和第二氨燃料通道，能够分别通入液氨燃料。空气通道内靠近喷嘴组一侧设置有燃料换热器，与喷嘴组连通。火焰筒内设置有氨分解通道，进口端与第二氨燃料通道相连，出口端和燃料换热器相连。第一氨燃料通道靠近喷嘴组一端设置，且其出口端与燃料换热器相连。使一部分液氨燃料通过氨分解通道内吸热分解为含氢混合气，一部分液氨燃料用于冷却含氢混合气，实现了氨预分解和燃料再生冷却。本发明具有强化燃烧室壁面、火焰筒、火焰的冷却，将氨汽化并热分解为氢气以提高燃烧效率、拓宽低负荷运行边界、降低氮氧化物排放等优点。

技术领域

本发明涉及一种氨燃料预分解-再生冷却燃烧室、燃气轮机及运行方法，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

燃气轮机燃烧室内火焰温度很高，燃烧室壁面和火焰筒需要冷却，而燃用氨的燃烧室的这一问题更为严峻。为控制氮氧化物排放而采用的富燃-猝熄-贫燃燃烧方式存在最优当量比而不能随意调节，此时燃烧室头部燃烧区温度很高，为燃烧室内温度最高的区域；而为了提高氨的火焰速度，通常需掺氢燃烧，进一步提高了燃烧区温度。另一方面，高参数燃机的燃烧室入口空气温度较高，对燃烧室的冷却能力变差；沿火焰筒向燃烧区注入空气进行气膜冷却的方式也因可能在火焰中产生较多氮氧化物而受到限制。以上因素使得氨燃机燃烧室内燃气和火焰筒温度过高而缺少有效的冷却手段。

此外，燃气轮机常用的气体碳氢燃料的热沉相对小，冷却潜力有限，大多由燃料管路直接送至喷嘴进行燃烧或仅对燃烧室局部区域做简单冷却。氨的常温饱和蒸汽压约为10bar，主流燃机燃烧室压力高于10bar，因此燃料源为液态氨，需要吸热蒸发后燃烧。氨作为燃料的燃烧速度远低于目前广泛应用的碳氢燃料，掺氢是一种提高燃烧速度的有效方式。氢可由燃料氨分解得到而不必单独购买，但氨分解通常在低压和催化剂条件下进行，需要单独的氨分解设备，较为不便。氨在常压下的汽化吸热量和分解为氮气和氢气的吸热量分别占燃烧热的约7％和15％，具备有效降低空气和火焰的温度的潜力。

发明内容

本发明旨在提供一种氨燃料预分解-再生冷却燃烧室、燃气轮机及运行方法，对氨汽化和分解吸热的合理利用将在提高燃烧室冷却效果、减少冷却空气用量的同时，将液氨汽化且为燃烧提供氢气以改善燃烧而无需单独的氨预分解设备。

本发明通过以下技术方案实现：

一种燃烧室，包括燃烧室外筒和设置在燃烧室外筒内的火焰筒，所述火焰筒和所述燃烧室外筒之间为空气通道，所述火焰筒一端设置有喷嘴组，且在喷嘴组的喷出端形成燃烧区，所述燃烧区位于所述火焰筒内；所述空气通道内设置有第一氨燃料通道和第二氨燃料通道，能够分别通入液氨燃料；所述空气通道内靠近所述喷嘴组一侧设置有燃料换热器，所述燃料换热器与所述喷嘴组连通；所述火焰筒内设置有氨分解通道，所述氨分解通道进口端与所述第二氨燃料通道相连，出口端和燃料换热器相连；所述第一氨燃料通道靠近喷嘴组一端设置，且其出口端与所述燃料换热器相连。

进一步的，所述第一氨燃料通道选用管式结构，第二氨燃料通道选用盘管结构或槽道结构。

进一步的，所述氨分解通道选用耐高温管道或双层板壳结构，所述双层板壳结构之间形成能够作为燃料通道的中空夹层。

进一步的，所述氨分解通道内设置有催化剂层，能够填充催化剂。

进一步的，所述空气通道内还设置有第三氨燃料通道，其出口端与所述喷嘴组相连。

进一步的，第一氨燃料通道出口端与所述燃料换热器之间还设置有雾化装置。

进一步的，所述第三氨燃料通道选用盘管结构或槽道结构。

氨燃料预分解-冷却再生燃气轮机，包括压气机、燃料源，如上所述的燃烧室，以及涡轮，其中所述燃烧室至少设置一个；所述压气机、燃料源分别与所述燃烧室相连。

燃气轮机的氨燃料预分解-再生冷却方法，包括：