无焰燃烧的理论最早源于英国帝国理工学院的Weinberg 在1971 年提出的“超焓燃烧”的概念,1991 年Wunning 在工业炉上依靠射流卷吸烟气实现了无焰燃烧。目前无焰燃烧逐渐被引入到燃气轮机领域,2005 年瑞典举行的无焰燃烧技术在燃气轮机和先进推进技术领域的研讨会上,对无焰燃烧归纳出以下优点:
( 1)不会产生热声不稳定性;
( 2)极低的熄火极限;
( 3) 极低的NOx 排放;
( 4)高效率的燃烧;
( 5)分布式的火焰特性可以快速氧化CO;
( 6) 均匀的出口温度场。
但由于燃气轮机燃烧室的工作环境与工业炉有较大的差别,不能将工业炉的无焰燃烧技术照搬到燃气轮机上,其原因是:
( a)燃气轮机燃烧室近似一个绝热环境,不像工业炉内有加热物料,热量不断被吸收;
( b) 燃气轮机燃烧室的过量空气系数较大,燃烧产生的烟气中仍然有15% 左右的氧,工业炉燃烧室出口只有3%的氧含量;
( c) 燃气轮机燃烧室处于加压燃烧状态,工业炉燃烧室内为微负压;
( d) 燃气轮机燃烧室内高温气体是为了对涡轮做功,要尽量减少压力损失
发展现状:燃气轮机无焰燃烧技术的发展主要在2004年以后,综合考虑了工业炉与燃气轮机燃烧室特性的不同,对燃烧室进行了一定改进,通过烟气循环流动实现烟气与氧化剂的掺混,以营造高温低氧的氛围。无焰燃烧器结构主要有以下几种型式。
1.1 EU 燃烧器
EU 燃烧器是Siemens公司根据Wunning 的工业炉无焰燃烧器改进而成,如图1 所示。EU 燃烧器入口处,有一个杯状凹面,其周围均匀布置有12 个喷管深入燃烧室一定长度,喷管长度根据要产生的回流区大小、压力损失、射流温度等因素可以调节,空气从燃烧器头部凹面的背面,沿径向布置的小孔进入喷管与燃料预混射入燃烧室,由于射流受到燃烧室壁面的限制,产生的涡团向燃烧室中心流动,并回流至凹面的低压区,与新鲜混合物掺混。
1. 2 UC 燃烧器
辛辛那提大学对EU 燃烧器的研究表明: 由于中心回流区是依赖壁面对射流的限制形成,当射流速度增加时,在壁面与射流之间形成的小漩涡区冲击中心回流区,破坏已经形成烟气循环结构,减弱烟气的掺混作用,为此辛辛那提大学对此结构作了一定改进,设计了UC 燃烧器,把喷嘴数量减为6个,并将喷嘴倾斜一定的角度射入燃烧室,空气从燃烧室底部经周向均匀布置的旋流孔射入燃烧室,形成扩散燃烧,如图2 所示。