用於燃燒含釩燃料的系統和方法
2023-12-04 16:34:46 2
用於燃燒含釩燃料的系統和方法
【專利摘要】本發明提供了一種用於燃燒含釩燃料的系統和方法，所述系統構造為有利於防止五氧化二釩（V2O5）的形成，並減少廢氣中的三氧化二釩（V2O3）和四氧化二釩（V2O4）粒子中的至少一者的濃度。所述燃燒系統包括含釩燃料供應和燃燒器。所述燃燒器構造為產生包含三氧化二釩（V2O3）和/或四氧化二釩（V2O4）粒子的燃燒器廢氣，並燃燒包含含釩燃料、環境空氣、和所述燃燒器廢氣的一部分的減少氧的混合物。所述燃燒系統也包括粒子分離器，所述粒子分離器構造為從所述燃燒器廢氣中去除基本上全部V2O3和/或V2O4粒子。本發明也提供了一種用於燃燒燃料的方法和一種發電系統。
【專利說明】用於燃燒含釩燃料的系統和方法
【技術領域】
[0001]本說明書公開的主題涉及燃燒含釩燃料，更特別地涉及用於燃燒燃氣渦輪發動機中的含f凡燃料(vanadium-containing fuels)而不使用燃料添加劑的系統和方法。
【背景技術】
[0002]石油燃料中的釩濃度為在餾分燃料中的小於0.5ppm至在次等燃料中的高達400ppm。次等燃料為便宜的燃料，且理想用於燃氣渦輪發動機中。然而，與在燃氣渦輪發動機表面上的含釩沉積物相關的腐蝕問題限制了更便宜的次等燃料的使用。在燃燒過程中，釩形成釩氧化物(包括五氧化二釩(V2O5)),其對燃氣渦輪發動機構件具有高度腐蝕性作用。
[0003]目前的實踐為使用諸如鎂添加劑的釩氧化物抑制劑處理次等燃料，所述釩氧化物抑制劑將釩汙染物轉化為固體釩酸鎂，從而在渦輪葉片上產生固體非腐蝕性灰沉積物。儘管這些灰沉積物為非腐蝕性的，但沉積物可能不利於燃氣渦輪發動機操作。鎂作為添加劑使用導致這些灰狀沉積物在內部燃氣渦輪發動機部件上累積，這需要周期性關閉和清潔燃氣渦輪發動機以去除沉積物。在一些情況中，燃氣渦輪發動機可需要每周關閉並在水洗過程中清洗。除了短的廢物清洗循環之外，具有高點火溫度的更高效率的燃氣渦輪發動機可能依賴於通過將空氣注入經過這些部件的表面的噴嘴和容器的冷卻。固體釩酸鎂沉積物可堵塞空氣冷卻埠並導致過熱。因此，能夠以清潔的餾分燃料高效操作的燃氣渦輪發動機通常降級用於以次等含釩燃料操作。因此，希望在燃燒次等含釩燃料時減少V2O5的形成而無需使用鎂添加劑，並從廢氣中去除以較低氧化態存在的釩氧化物。
【發明內容】
[0004]在一方面，本發明提供了一種燃燒系統。所述燃燒系統包括供應至燃燒器的含釩燃料。所述燃燒系統也包括構造為燃燒減少氧的混合物(reduced-oxygen mixture)的至少一個燃燒器，由此有利於防止V2O5的形成，所述減少氧的混合物包含含釩燃料、環境空氣、和燃燒器廢氣的至少一部分。所述燃燒器進一步構造為產生包含V2O3和V2O4粒子中的至少一者的燃燒器廢氣。所述燃燒系統也包括粒子分離器，所述粒子分離器構造為從燃燒器接收燃燒器廢氣。所述粒子分離器進一步構造為從所述燃燒器廢氣中去除基本上全部的V2O3粒子、和/或V2O4粒子。
[0005]在另一方面，本發明提供了一種用於燃燒燃料的方法。所述方法包括將含釩燃料導入到至少一個燃燒器。所述方法也包括將燃燒器廢氣的至少一部分導入到所述至少一個燃燒器以產生減少氧的混合物。另外，所述方法包括在所述至少一個燃燒器中燃燒所述減少氧的混合物，以產生包括V2O3粒子和四氧化二釩V2O4粒子中的至少一者的燃燒器廢氣，其中燃燒所述減少氧的混合物有利於防止五氧化二釩V2O5的形成。所述方法還包括將所述燃燒器廢氣導入到粒子分離器，並從所述燃燒器廢氣中去除基本上全部的V2O3粒子、和/或V2O4粒子。
[0006]從所述燃燒器廢氣中去除基本上全部的V203粒子和V204粒子的步驟還包括在金屬基材和陶瓷基材中的至少一者上形成至少一層吸收材料。所述吸收材料包括二氧化鈦(Ti02)、氧化鋁(A1203)、二氧化鋯(Zr02)、二氧化矽(Si02)、沸石、修補基面塗層和中間層中的至少一者。
[0007]在另一方面，本發明提供了一種發電系統。所述發電系統包括至少一個燃氣渦輪發動機和供應至所述燃氣渦輪發動機的含釩燃料。所述燃氣渦輪發動機包括可旋轉軸、至少一個燃燒器、至少一個壓縮機和連接至所述可旋轉軸的至少一個渦輪機。所述燃燒器構造為燃燒含釩燃料、空氣和燃氣渦輪發動機廢氣中的至少一部分的減少氧的混合物，由此有利於防止V2O5粒子的形成。另外，所述燃燒器構造為產生含有V2O3和V2O4粒子中的至少一者的燃燒器廢氣。所述渦輪機在所述燃燒器的下遊連接，並構造為從所述燃燒器廢氣接收和提取能量，並排放渦輪機廢氣。此外，所述發電系統也包括粒子分離器，所述粒子分離器構造為從所述燃燒器廢氣和所述渦輪機廢氣中的至少一者中去除基本上全部的V2O3和V2O4粒子。
[0008]所述粒子分離器設置於所述至少一個渦輪機的上遊。
[0009]所述至少一個壓縮機包括與所述至少一個燃燒器的上遊流體連通聯接的主要空氣壓縮機，所述主要空氣壓縮機構造為壓縮環境空氣，並將經壓縮的環境空氣排放至所述至少一個燃燒器。所述至少一個壓縮機還包括與所述主要空氣壓縮機的下遊和所述至少一個燃燒器的上遊流體連通聯接的增壓壓縮機，所述增壓壓縮機構造為進一步壓縮所述經壓縮的環境空氣。
[0010]所述系統還包括廢氣再循環(EGR)系統，所述廢氣再循環(EGR)系統構造為將所述渦輪機廢氣中的至少一部分導入所述至少壓縮機。
[0011]所述粒子分離器還可設置於所述至少一個渦輪機的下遊。
[0012]所述系統還包括與所述粒子分離器的下遊流體連通聯接的熱回收蒸汽發生器(HRSG)，所述HRSG構造為接收所述渦輪機廢氣以用於產生蒸汽。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為構造用於燃燒含釩燃料的示例性燃燒系統的示意圖。
[0014]圖2為圖1的示例性燃燒系統的另一示例性燃燒系統的示意圖。
[0015]圖3為用於減少在圖1的示例性燃燒系統的燃燒器廢氣中的三氧化二釩(V2O3)和四氧化二釩(V2O4)粒子中的至少一者的濃度的方法的流程圖。
[0016]圖4為包括至少一個燃氣渦輪發動機的示例性發電系統的示意圖，所述至少一個燃氣渦輪發動機使用圖1的示例性燃燒系統燃燒含釩燃料。
[0017]圖5為圖4的示例性發電系統的另一示例性發電系統的示意圖。
[0018]圖6為圖4的示例性發電系統的另一示例性發電系統的示意圖。
[0019]圖7為圖4和6的不例性發電系統設置的另一不例性發電系統的不意圖。
[0020]圖8為圖4、5和6的不例性發電系統設置的另一不例性發電系統的不意圖。
[0021]圖9為圖4、7和8的示例性發電系統設置的另一示例性發電系統的示意圖。
[0022]圖10為圖4和7的示例性發電系統設置的另一示例性發電系統的示意圖。
[0023]圖11為圖4、7和10的示例性發電系統設置的另一示例性發電系統的示意圖。
[0024]圖12為圖4、5和10的示例性發電系統設置的另一示例性發電系統的示意圖。[0025]圖13為圖4、11和12的示例性發電系統設置的另一示例性發電系統的示意圖。
[0026]儘管各個實施例的特定特徵可能在一些附圖中而不在其他附圖中顯示，但這僅是為了方便。任何附圖的任何特徵可結合任何其他附圖的任何特徵參考和/或要求保護。
【具體實施方式】
[0027]本說明書描述的特徵、功能和優點可在本公開的各個實施例中獨立地實現，或者可在其他實施例中組合，進一步的細節可參照如下說明書和附圖發現。如本說明書所用，以單數描述且前面具有詞語「一個」的元件或步驟應理解為不排除多個所述元件或步驟，除非明確指明這種排除。此外，對「一個實施例」的指代不旨在被解釋為排除也引入所述特徵的另外的實施例的存在。另外，除非明確相反指出，否則「包含」、「包括」或「具有」一個或多個具有特定性質的元件的實施例可包括另外的不具有所述性質的這種元件。
[0028]如在以下說明書和權利要求書中所用，可使用大概的語言來修飾可能變化的任何定量表示，而不會導致其相關的基本功能的改變。因此，由一種或多種術語(如「大約」、「約」和「基本上」)修飾的值不局限於所指出的精確值。在至少一些情況中，大概的語言可對應於用於測量值的儀器的精密度。在以下說明書和權利要求書中，除非上下文或語言另外指出，否則範圍限定可進行組合或相互交換；這樣的範圍被確定並包括包含於其中的所有子範圍。
[0029]本說明書所述的系統和方法涉及燃燒次等含釩燃料而不使用釩氧化物抑制劑(inhibitors),如鎂添加劑。在燃燒次等含釩燃料的燃燒系統中，提供本發明的系統和方法以用於在廢氣中產生固體三氧化二釩(V2O3)和/或四氧化二釩(V2O4)粒子，以從廢氣中去除V2O3和V2O4粒子，並有利於在廢氣中防止五氧化二釩(V2O5)的形成。產生V2O3和V2O4且同時限制V2O5的形成是所期望的，因為前兩種氧化物V2O3和V2O4可被認為是耐火氧化物(熔點超過3450華氏度(° F))。然而，V2O5的熔點為約1270° F。因此，V2O5在典型的燃氣渦輪發動機操作溫度下為液體，並對發動機構件具有高度腐蝕作用。
[0030]在一個示例性燃燒系統中，將來自燃燒系統的廢氣的一部分循環至燃燒系統的入口中，然後在被引入到燃燒系統的燃燒器之前與環境空氣混合。作為結果，用於燃燒的混合物具有比環境空氣更低百分比的氧氣。該減少氧的氣體在燃燒器中使用含釩燃料燃燒，從而產生基本上不含氧的廢氣。另外，廢氣中二氧化碳(CO2)的百分比更高，因為廢氣的一部分被循環至燃燒系統入口，這促進了下遊的CO2分離過程。在廢氣循環至燃燒系統入口之前，使廢氣經過釩氧化物粒子分離器以去除固體釩氧化物，如V2O3和V204。該分離過程將清潔的廢氣提供至燃燒系統入口，由此防止對燃燒系統的內部構件的損壞。
[0031]在如上示例性燃燒系統中，出乎意料地發現燃燒次等含釩燃料而不使用釩氧化物抑制劑(如鎂添加劑)以及使用高比例的廢氣再循環(EGR)(大約30體積％至70體積％之間)有利於通過降低燃燒器中所燃燒的減少氧的混合物中的氧的百分比而防止V2O5的形成。通過產生基本上無氧的廢氣，即將廢氣中的氧濃度限制到少於1%的體積，已發現可停止V2O3和V2O4氧化反應至腐蝕性V2O5。
[0032]來自示例性燃燒系統的基本上無氧的廢氣可通過在燃燒器中基本上化學計量地燃燒而實現。即，含氧的新鮮空氣供應可匹配燃料流，從而在化學計量的略微偏離之內進行燃燒。換言之，在燃燒器中混合的含釩燃料和空氣的量可包括其中摩爾比略微偏離化學計量比的組成。
[0033]消除腐蝕性V2O5的形成允許使用含釩燃料而無需鎂添加劑或其他釩氧化抑制劑，這轉而允許示例性燃燒系統在更高的燃燒溫度下操作，因此增加效率。使用更高百分比的EGR提供了另外的有益效果，如降低氮氧化物(NOx)排放和增加廢氣中CO2的濃度(因此顯著降低使用常規裝置離析和分離CO2的難度和成本)。
[0034]圖1為構造用於燃燒含釩燃料的一個示例性燃燒系統10的示意圖。燃燒系統10包括構造為燃燒含釩燃料14的燃燒器12。燃燒系統10也包括構造為接收燃燒器廢氣的一部分18和環境空氣20的流體傳輸裝置16。流體傳輸裝置16進一步構造為將所述燃燒器廢氣的一部分18和環境空氣20導入到燃燒器12。燃燒器12構造為基本上化學計量地燃燒減少氧的混合物，所述減少氧的混合物包含含釩燃料14、環境空氣20和燃燒器廢氣的一部分18，其中基本上全部的存在於燃燒器12中的氧被燃燒。所得燃燒器廢氣22可基本上不含氧，例如含有少於1%體積的氧。在一個實施例中，流體傳輸裝置16為壓縮機。在其他實施例中，流體傳輸裝置16可為使燃燒系統10能夠如本說明書所述起作用的任何裝置。
[0035]在示例性實施例中，燃燒系統10還包括EGR系統26。EGR系統26包括釩氧化物粒子分離器24 (「(particle s印arator)粒子分離器」)，所述釩氧化物粒子分離器24構造為在燃燒器廢氣流過並接觸粒子分離器24時，基本上去除存在於燃燒器廢氣22中的全部的V2O3粒子和V2O4粒子。當燃燒器廢氣22從粒子分離器24離開時，其可分為至少兩個部分。燃燒器廢氣的一部分18被循環至流體傳輸裝置16。在一個實施例中，廢氣的剩餘部分28被釋放至大氣；而在另一實施例中，廢氣的剩餘部分28被送至CO2分離單元(未顯示)以在被釋放至大氣之前分離CO2。
[0036]EGR系統26可與燃燒系統10 —起使用，以在燃燒系統10的燃燒器廢氣22中獲得更高濃度的CO2,並限制燃燒器廢氣22中V2O5的形成。V2O5的形成可通過減少在燃燒器12中燃燒的減少氧的混合物中的氧含量百分比而停止，因為環境空氣20與包括降低的氧含量的燃燒器廢氣的一部分18混合。另外，EGR系統26可用於增加燃燒器廢氣22中的CO2含量。如上所述，在一個實施例中，廢氣的剩餘部分28被引導至CO2分離單元。可使用任何CO2分離技術，例如胺處理、PSA、膜等。在分離之後，可將富含CO2的氣體引導至CO2調節系統(包括CO2壓縮系統)。來自燃燒系統10的燃燒器廢氣22中CO2濃度的增加提高了 CO2分離過程的效率。在一些實施例中，燃燒器12中燃燒的減少氧的混合物中的氧含量為大約14%體積至大約16%體積之間，並且來自燃燒器12的燃燒器廢氣22中的氧含量為大約0%體積至大約1%體積之間。該低含量的氧導致有利於防止V2O5的形成，並將燃燒器廢氣22中的CO2濃度增加直至大約10%體積。
[0037]圖2為圖1的示例性燃燒系統10的另一示例性燃燒系統100的示意圖。如參照圖1所述，在一個實施例中，熱交換器30可流體連通地連接至EGR系統26，並構造為接收燃燒器廢氣的一部分18。可提供熱交換器30，以將所述燃燒器廢氣的一部分18的溫度降低至大約60華氏度(° F)至約160° F之間的範圍。熱交換器30可被引入在粒子分離器24的下遊的任何位置的EGR系統26中。可選擇地或同時地，鼓風機32可流體連通地連接至EGR系統26。在一些實施例中，鼓風機32可位於在熱交換器30的上遊的EGR系統26中。在其他實施例中，鼓風機32可位於在熱交換器30的下遊的EGR系統26中。鼓風機32可構造為在將所述燃燒器廢氣的一部分18經由EGR系統26被遞送進入流體傳輸裝置16之前增加所述燃燒器廢氣的一部分18的壓力。
[0038]圖3為用於減少在圖1的示例性燃燒系統10的燃燒器廢氣中的三氧化二釩(V2O3)和四氧化二釩(V2O4)粒子中的至少一者的濃度的方法200的流程圖。在操作示例性燃燒系統10的過程中，將含釩燃料導入到至少一個燃燒器中202。燃燒器廢氣的至少一部分18也從流體傳輸裝置16被導入到燃燒器12，以有利於在燃燒器內產生減少氧的混合物204。此夕卜，流體傳輸裝置16可將環境空氣20導入到燃燒器12中。或者，環境空氣20可通過主要空氣壓縮機被導入到燃燒器12。在另一實施例中，增壓壓縮機可接收來自主要空氣壓縮機的環境空氣20，並在將環境空氣20導入燃燒器12之前進一步壓縮環境空氣20。
[0039]另外，在操作示例性燃燒系統10的過程中，將燃燒器12中的減少氧的混合物燃燒而產生燃燒器廢氣22，所述燃燒器廢氣22包含V2O3粒子和V2O4粒子中的至少一者206。在一個實施例中，減少氧的混合物的燃燒基本上化學計量地進行，以產生燃燒器廢氣22。所得燃燒器廢氣22可基本上不含氧，例如含有少於1%體積的氧。該低含量的氧導致有利於防止V2O5的形成，並將燃燒器廢氣22中的CO2濃度增加直至大約10%體積。
[0040]此外，在示例性燃燒系統10的操作過程中，將燃燒器廢氣22導入粒子分離器208。所述粒子分離器從燃燒器廢氣中去除基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子210。當燃燒器廢氣22流過並接觸粒子分離器24時，完成存在於燃燒器廢氣22中的基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子的去除。
[0041]粒子分離器24可用於從燃燒器廢氣22和渦輪機廢氣36中的至少一者中分離和去除釩氧化物粒子(如V2O3和V2O4)(通常參見圖4-13)，其之前未用於(或甚至提出(據 申請人:所知))與燃燒含釩燃料14的燃氣渦輪發動機一起使用，主要是因為處理釩氧化物(如腐蝕性V2O5)的努力已集中於使用抑制劑(如鎂添加劑)預處理含釩燃料14以將釩汙染物轉化為固體fL酸鎂。
[0042]在示例性燃燒系統中，粒子分離器24通常位於燃燒器12的下遊。粒子分離器24可通常包括金屬或陶瓷基材。所述基材可包括任何合適的結構，如整體料、蜂窩狀單元、填充床、網狀泡沫、長管道、多個管道、網格或篩網、圓柱形、板等。所述基材可由高溫材料(如金屬合金、陶瓷等)組成或製得。所述基材的結構可通常由吸收材料塗布，所述吸收材料操作用以從廢氣中提取釩氧化物V2O3和V204。例如，基材可包括具有包括塗布有吸收材料的蜂窩狀單元的橫截面的圓柱體。
[0043]在其他實施例中，粒子分離器24的位置可變化。在一個實施例中，粒子分離器24可包括直接施用至位於渦輪機46與HRSG52 (見圖4)之間的排氣管(未顯示)的吸收材料。在另一實施例中，例如，在某些操作條件下、並取決於燃氣渦輪發動機40內不同的點處的溫度，可能期望將粒子分離器24設置於渦輪機46的上遊的燃氣渦輪發動機內，而不是使用分開的下遊粒子分離器。在另一實施例中，粒子分離器24可位於燃燒器12內。在某些實施例中，燃燒系統可包括多個粒子分離器24，例如，在燃燒器12中的第一粒子分離器、在渦輪機46的下遊的第二粒子分離器等等。
[0044]可用於從燃燒廢氣22中提取釩氧化物粒子(如V2O3和V2O4)的吸收材料的類型可基於所用的含釩燃料的類型而變化。所述吸收材料可包括任何合適類型的塗料，例如諸如如下的成分:二氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)(有時稱為氧化鋯)、二氧化矽(Si02)、沸石、修補基面塗層、中間層，以及如氧化鋁、石英的其他金屬氧化物和硝酸鹽，它們的共混物等。如下表1列出了在可單獨用作或以各種組合一起用作一種或多種吸收材料的一些但非全部的可能合適的材料。
[0045]
【權利要求】
1.一種燃燒系統，其包括: 含釩燃料供應； 至少一個燃燒器，所述至少一個燃燒器構造為: 產生包含三氧化二釩(V2O3)粒子和四氧化二釩(V2O4)粒子中的至少一者的燃燒器廢氣；並 燃燒減少氧的混合物，並因而有利於防止五氧化二釩(V2O5)粒子的形成，所述減少氧的混合物包括含釩燃料、環境空氣、和所述燃燒器廢氣的至少一部分；以及 粒子分離器，所述粒子分離器構造為接收所述燃燒器廢氣並從燃燒器廢氣中去除基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述粒子分離器包括至少一層在金屬基材和陶瓷基材中的至少一者上形成的吸收材料，其中，所述吸收材料包括二氧化鈦(Ti02)、氧化鋁(A1203)、二氧化鋯(Zr02)、二氧化矽(Si02)、沸石、修補基面塗層和中間層中的至少一者O
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述至少一個燃燒器進一步構造為用於基本上化學計量的燃燒。
4.根據權利要求1所述的系統，其還包括廢氣再循環(EGR)系統，所述廢氣再循環(EGR)系統構造為將所述燃燒器廢氣的至少一部分導入到所述燃燒器。
5.根據權利要求4所述的系統，其還包括與所述至少一個燃燒器流體連通聯接的至少一個流體輸送裝置，所述至少一個流體輸送裝置構造為將環境空氣和所述燃燒器廢氣的至少一部分中的至少一者導入到所述至少一個燃燒器。
6.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述EGR系統包括至少一個熱交換器，所述至少一個熱交換器與所述粒子分離器的下遊流體連通地聯接，並構造為從所述燃燒器廢氣的至少一部分中去除至少一部分熱能。
7.一種用於燃燒燃料的方法，其包括: 將含釩燃料導入至少一個燃燒器； 將燃燒器廢氣的至少一部分導入到所述至少一個燃燒器，以產生包括含釩燃料、環境空氣、和燃燒器廢氣的至少一部分的減少氧的混合物； 在所述至少一個燃燒器中燃燒所述減少氧的混合物，以產生包含三氧化二釩(V2O3)粒子和四氧化二釩(V2O4)粒子中的至少一者的燃燒器廢氣，其中燃燒所述減少氧的混合物有利於防止五氧化二釩(V2O5)粒子形成； 將所述燃燒器廢氣導入粒子分離器；以及 從所述燃燒器廢氣中去除基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，燃燒所述減少氧的混合物基本上化學計量地進行，以產生基本上不含氧的燃燒器廢氣。
9.根據權利要求7所述的方法，其還包括將環境空氣導入具有主要空氣壓縮機的所述至少一個燃燒器。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述導入環境空氣的步驟包括組合環境空氣與在所述主要空氣壓縮機的上遊的所述燃燒器廢氣的至少一部分。
【文檔編號】F02C3/22GK103850799SQ201310628965
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】A.M.埃爾卡迪, S.H.A.穆罕默德, N.D.喬世, H.卡林, G.O.克雷默, S.D.德雷珀, A.拉曼 申請人:通用電氣公司