用於在燃燒器內燃燒合成氣的方法和裝置的製作方法

2023-09-19 20:14:40 4

專利名稱：用於在燃燒器內燃燒合成氣的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及燃燒器，並且更具體地涉及用於燃氣渦輪發動機
的乾式低氮氧化物(NOx) (DLN)燃燒系統。
背景技術：
至少一些已知的燃氣渦輪發動機的燃燒系統燃燒合成氣體或合
成氣，以產生驅動燃氣渦輪的排氣。然而，與其它燃料(諸如天然氣) 相比， 一些已知的合成氣具有低熱值，並且因此與其它燃料相比也可 能具有較低的改進沃泊指數(Modified Wobbe Index)(MWI)。另外，一 些已知的合成氣具有基於摩爾燃料分數的很大的氳含量，這可能導致 帶有非常短的特徵化學時間(characteristic chemical time)的高反應性的 燃料流。由於低MWI和高燃料反應性(foel reactivity)的這種組合，常 規的預混DLN燃燒系統可在燃燒合成氣時經歷逆燃(flashback)。"逆 燃"是指這樣的狀態，即當燃料的引導和混合的空氣動力被燃燒過程 的快速的化學過程超越而允許反應在預混裝置中穩定時發生的狀態。 已經明確確定的是，燃料的特徵化學時間可與逆燃相關，即化學特徵 時間越長，則反應越慢，因此燃料引起逆燃事件的傾向性越小。隨著 時間的推移，逆燃的發生可能損壞燃燒器內的硬:件。為了減少一些已 知的乾式低NOx燃燒系統中逆燃的發生，正常的操作需要嚴格的關於 氬含量和MWI的燃料規格。
為了免除逆燃的顧慮，燃燒合成氣的一些已知的燃燒系統基於擴 散燃燒器，這種擴散燃燒器不使燃料與空氣預混，並且不受逆燃的影 響。這種系統噴射稀釋劑，從而通過抑制反應的峰值溫度來降低NOx 排放。然而，與不包括將氮氣噴射到燃燒器中的系統相比，在噴射之 前可能需要氮氣源靠近燃燒系統以及氮氣可能需要額外的壓縮，這可能增加燃燒系統的複雜性和/或成本。
另 一個已知的系統引入氮氣-水蒸氣的混合物作為稀釋劑，而又一
個已知的系統將燃料-水蒸氣的混合物噴射到燃燒器中來控制NOx形
成，並且還有另外的系統使用二氧化碳。最終，水的可利用率和水的
5 質量可能對這些系統產生不利影響，因此，使用蒸汽噴射的燃燒器可 能需要成本昂貴並且複雜的蒸汽系統，以避免水的不利影響。

發明內容
一方面，提供了一種操作燃燒器的方法。該方法包括向燃燒器供 10 應預定量的第一氣態燃料，其中第一氣態燃料具有第一改進沃泊指數
(MWI)和第一燃料反應性，並且向燃燒器供應預定量的第二氣態燃料， 其中第二氣態燃料具有低於第一 MWI的第二 MWI和高於第一燃料反 應性的第二燃料反應性。該方法還包括將第 一氣態燃料和第二氣態燃 料混合在一起以形成混合氣態燃料，並將混合氣態燃料噴射到燃燒器 15 中。
另一方面，提供了一種乾式低NOx燃燒器。該燃燒器包括燃燒區 和噴嘴，其中噴嘴與燃燒區流體連通，用於將混合氣態燃料噴射到燃 燒區中。噴嘴接收包括預定量的第一氣態燃料和預定量的第二氣態燃 料的混合氣態燃料，其中第一氣態燃料的改進沃泊指數(MWI)高於第 20 二氣態燃料的MWI,第一氣態燃料的燃料反應性低於第二氣態燃料的 燃料反應性。
又一方面，提供了一種燃燒系統。該燃燒系統包括乾式低NOx 燃燒器和混合裝置，其中混合裝置與第一氣態燃料源和第二氣態燃料 源流體連通。混合裝置從第一氣態燃料源接收具有第一改進沃泊指數 25 (MWI)和第一燃料反應性的第一氣態燃料，以及從第二氣態燃料源接 收具有第二 MWI和第二燃料反應性的第二氣態燃料。第二 MWI低於 第一MWI,第二燃料反應性高於第一燃料反應性。混合裝置用於將第 一氣態燃料和第二氣態燃料混合成混合氣態燃料。該系統還包括與幹 式低NOx燃燒器和混合裝置流體連通的噴射裝置。該噴射裝置用於將混合氣態燃料噴射到乾式低NOx燃燒器中。


圖1是示例性燃氣渦輪燃燒系統的局部示意側視圖。
附圖標記列表
10發動機
12壓縮機
14燃燒器
1016渦輪
18渦輪噴嘴
20空氣
22發動機殼體
24過渡管道
1526燃燒器殼體
28端蓋組件
30流體套筒
32襯裡
34燃燒襯裡蓋組件
2036支杆
38空氣通道
40內壁
42外壁
44孑匕
2546火花塞
48交叉火焰管
50燃燒區
52燃燒氣體54噴嘴組件
56預混管組件
58燃燒器進口端
60主燃料供應管路
562第一燃料供應源
64第二燃料供應源
66混合裝置
68第一燃料供應管路
70燃料流調節裝置
1072第二燃料供應管路
74調節裝置
76第一燃料
78第二燃料
80混合燃料
1582控制系統
具體實施例方式
圖1是示例性燃氣渦輪發動機10的局部示意側視圖。燃氣渦輪 發動機10包括壓縮機12、乾式低NOx燃燒器14和渦輪16。在圖1
20 中僅示出渦輪16的第一級噴嘴18。在示例性的實施例中，渦輪16可 旋轉地聯接到帶有轉子(未示出)的壓縮機12上，該轉子聯接到單根公 共軸(未示出)上。壓縮機12使進口空氣20增壓，然後進口空氣20被 導入燃燒器14，用於冷卻燃燒器14並為燃燒過程提供空氣。更具體 地，導入燃燒器14的空氣20沿與穿過發動機10的空氣流大致相反
25的方向流動。在示例性的實施例中，燃氣渦輪發動機10包括繞發動 機殼體22周向地定向的多個燃燒器14。更具體地，在示例性的實施 例中，燃燒器14例如為環管形燃燒器，但並不限於環管形燃燒器。 在示例性的實施例中，燃燒器14包括在渦輪16上遊聯接的雙壁型過渡管道24。另外，在示例性的實施例中，各燃燒器14包括聯接 至發動機殼體22和端蓋組件28的大致圓柱形的燃燒器殼體26。端蓋 組件28例如包括供應管、歧管、岡門，它們用於將氣態燃料、液態 燃料、空氣和/或水導入燃燒器，和/或使發動機10起到本文所描述的 5 作用的任何其它部件。
在示例性的實施例中，大致圓柱形的流體套筒30聯接到燃燒器 殼體26中，使得套筒30與殼體26大致同心地對齊。在示例性的實 施例中，流體套筒30包括聯:接到其中的燃燒襯裡32。燃燒襯裡32在 流體套筒30中大致同心地對齊並聯接到燃燒襯裡蓋組件34上。燃燒
10 襯裡蓋組件34通過多個支杆36和相關的安裝組件(未示出)固定在燃 燒器殼體26中。襯裡32聯接到過渡管道的內壁40上，流體套筒30 if關接到過渡管道24的外壁42上。
在示例性的實施例中，空氣通道38分別限定在襯裡32與流體套 筒30之間以及過渡管道24的內壁40和外壁42之間。過渡管道的外
15 壁42包括限定在其中的多個孔44，孔44使得來自壓縮機12的壓縮 空氣20能夠進入空氣通道38。在示例性的實施例中，空氣20沿與從 壓縮機12朝向端蓋組件28的中心流(未示出)的方向大致相反的方向 流動。另外，在示例性的實施例中，燃燒器14還包括多個火花塞46 和多個交叉火焰管48。火花塞46和交叉火焰管48延伸穿過限定在燃
20 燒襯裡蓋組件34下遊和燃燒區50中的襯裡32中的孔口(未示出)。火 花塞46和交叉火焰管48點燃各燃燒器14中的燃料和空氣以產生燃 燒氣體52。
在示例性的實施例中，多個燃料噴嘴組件54聯接到端蓋組件28 上。儘管本文只描述了一種類型的燃料噴嘴組件54，但是多於一種類 25 型的噴嘴組件或任何其它類型的燃料噴嘴可包含在燃燒器14中。在 示例性的實施例中，燃燒襯裡蓋組件34包括多個預混管組件56,各 預混管組件56大致限定相應的燃料噴嘴組件54。在示例性的實施例 中，各預混管組件56包括如下類型的組件，該組件又包括被預混管呼拉(hula)密封件(未示出)隔開的兩個管(未示出)。當燃燒襯裡蓋組件 34在操作狀態期間膨脹時，呼拉密封件使雙管組件能夠進行熱膨脹和 熱收縮。
另外，在示例性的實施例中，各預混管組件56包括支承空氣旋 5 流器(未示出)的套環(未示出)，該空氣旋流器可例如靠近各燃料噴嘴組 件54的徑向最外側的壁(未示出)定位，與各燃料噴嘴組件54整體形 成，和/或以使發動機10起到本文所描述的作用的任何其它適當的構 造而構造而成。旋流器的方位使得流經空氣通道38的空氣20在燃燒 器14的燃燒器進口端58處(在端蓋組件28與燃燒襯裡蓋組件34之間) 10 反向，並且流經空氣旋流器和預混管組件56。限定在各空氣旋流器中 的燃料通道(未示出)引導燃料經過孔的布置，該孔根據燃氣渦輪發動 機10的操作模式將氣態燃料連續地引入流過的空氣20中，以產生燃 料和空氣的混合物，該混合物在預混管組件56下遊的燃燒區50中點 燃。
15 在示例性的實施例中，燃燒器14包括主燃料供應管路60，主燃
料供應管路60通過燃料混合裝置66聯接至第一燃料供應源62和第 二燃料供應源64。更具體地，第一燃料供應管路68聯接在第一燃料 供應源62與燃料混合裝置66之間，並包括第一流量調節裝置70。第 二燃料供應管路72聯接在第二燃料供應源64與燃料混合裝置66之
20 間，並包括第二流量調節裝置74。儘管只顯示並描述了兩個流量調節 裝置70和74，但是燃燒器14可包括任意適當數目的流量調節裝置和 /或使燃燒器14起到本文所描述的作用的其它適當的構件。在示例性 的實施例中，第一燃料供應源62、第一燃料供應管路68和/或第一燃 料流調節裝置70可在其中包括第一燃料76。類似地，第二燃料供應
25 源64、第二燃料供應管路72和/或第二燃料流調節裝置74可在其中 包括第二燃料78。在示例性的實施例中，第一燃料76和第二燃料78 為具有不同成分的不同的燃料，這將在下面更詳細地描述。主燃料供 應管路60構造成將混合燃料80 >^人燃料混合裝置66噴射到燃燒器14
9中。
在示例性的實施例中，燃料混合裝置66構造成將第一燃料76和 第二燃料78混合成大致均勻的混合燃料80。可選地，第一燃料76和 第二燃料78可使用混合裝置66之外的裝置進行混合。例如，燃料76 5 和燃料78可在公共的燃料供應源(未示出)、端蓋組件28、預混管組件 56、燃料噴嘴組件54和/或使燃燒器14起到本文所描述的作用的任何 其它適當的混合裝置中進行混合。另外，在示例性的實施例中，混合 裝置66便於通過調節混合燃料80中第一燃料76和第二燃料78的比 例來調整混合燃料80的改進沃泊指數。 10 如本文所用，術語"改進沃泊指數"或"MWI"是指溫度校正的
沃泊指數。MWI使用下式進行計算
V&《
其中LHV是以每標準立方英尺的英制熱量單位(BTU/scf)進行計 量的低熱值，Tg是燃料以蘭金(Rankine)(。R)度為單位的絕對溫度，而
15 SG是燃料相對於空氣在ISO狀態下的比重。該等式例如描述在D.M. Erickson等人的"Design Considerations for Heated Gas Fuel" , GE Power Systems (March 2003)中。因此，MWI是燃料的體積能量含量的計算 量度並直接與燃料的溫度和低熱值相關。通常，較低的MWI表示低 熱值，相反，較高的MWI表示高熱值。另外，如本文所用，術語"燃
20 料反應性"是指燃料的摩爾氫含量，而摩爾氳含量本身又是燃料的特 徵化學時間的標誌。眾所周知，氫極其易燃，並且在氣態燃料中加入 氫可對混合氣流的燃燒極限、火焰速度和總體的燃燒特性有重大影 響。
在示例性的實施例中，第一燃料76是合成氣體或合成氣，第二 25 燃料78是天然氣。在下文中，"第一燃料"和"合成氣，，可互換地 使用，"第二燃料"和"天然氣"可互換地使用。另外，如本文所用， 術語"合成氣體"或"合成氣"是指通過氣化工藝產生的氣態燃料。 合成氣主要包括但不限於只包括一氧化碳(CO)、 二氧化碳((302)和氳氣(H2)，而成分取決於原材料。另外，如本文所用，術語"天然氣"是
指主要包括甲烷(CH4)的氣態燃料，位是也包括而不限於包括乙烷 (C2H6)、 丁烷(C4H"、丙烷(C3Hs)、 二氧化碳(C02)、氮氣(N2)、氦氣(He。 和/或硫化氬(H2S)。例如，天然氣可具有70-90% (體積分數)的甲烷、 55-15%(體積分數)的乙烷、少於5%(體積分數)的丙烷和丁烷，其餘的 體積成分可包括其它氣體，諸如二氧化碳、氮氣和/或石克化氫。
根據天然氣的溫度，天然氣的MWI可在大約42到大約54之間。 合成氣的MWI通常低於大約20。另外，天然氣的特徵化學時間比合 成氣的特徵化學時間慢大約5到大約10倍。通常，合成氣的MWI範
10 圍和燃津牛反應性可使逆燃發生，因此，在示例性的實施例中，預定量 的天然氣78與合成氣76混合，以便降低合成氣76的特徵化學時間。 更具體地，在示例性的實施例中，選擇天然氣78的百分比和合成氣 76的百分比，從而便於調節混合燃料80所產生的特徵化學時間，使 得與只燃燒合成氣76相比便於減少逆燃。在示例性的實施例中，選
15 擇合成氣76和天然氣78的百分比，以產生具有大約15到大約54之 間的MWI的混合燃料80。另夕卜，在示例性的實施例中，混合燃料80 具有使其特徵化學時間為合成氣76的特徵化學時間的至少大約兩倍 的燃料反應性。混合少於10%(體積分數)的天然氣足以使合成氣的特 徵化學時間大約增至三倍，由此使逆燃的傾向性降低三倍。
20 在示例性的實施例中，控制系統82揭:作地聯接到第一燃料流調
節裝置70和第二燃料流調節裝置74上，以分別控制進入燃料混合裝 置66的第一燃料76和第二燃料78的相對量。控制系統82可例如但 不限於是計算機系統和/或使燃燒器14起到本文所描述的作用的任何 其它系統。在示例性的實施例中，控制系統82構造成允許具有預定
25 質量流速和/或體積流速的第 一燃料76流經第一燃料供應管路68並進 入燃料混合裝置66，從而便於實現混合燃料80的預定的MWI和燃料 反應性。類似地，控制系統82構造成允許具有預定質量流速和/或體 積流速的第二燃料78流經第二燃料供應管路72並進入燃料混合裝置66,從而{更於實現混合燃料80的預定的MWI和燃料反應性。
可選地，控制系統82可構造成通過控制流動特性而不是控制質 量流速和/或體積流速來控制進入燃料混合裝置66的第 一燃料76和第 二燃料78的相對量。在一個實施例中，控制系統82聯接到燃料混合 5 裝置66上，以調節和/或監控燃料76和78在混合裝置66中的混合。 在另 一個實施例中，控制系統82聯接到燃料混合裝置66和/或主燃料 供應管路60上，以調節噴射到燃燒器14中的混合燃料80的量。在 又一個實施例中，端蓋組件28中的構件聯:接到控制系統82上，用於 控制進入燃燒器14、燃料噴嘴組件54和/或預混管組件56的混合燃 10 津牛80。
在操作中，空氣20通過進口(未示出)進入發動機10並在壓縮機 12中壓縮。經壓縮的空氣20從壓縮機12中排出並導入燃燒器14中。 空氣20通過孔44進入燃燒器，然後通過空氣通道38流向燃燒器14 的端蓋組件28。流經空氣通道38的空氣20在燃燒器進口端58處被
15迫使使其流向反向，並被重新引導經過空氣旋流器和預混管組件56。 為了產生通過端蓋組件28供給到燃燒器14的混合燃料80,控制 系統82控制第一燃料流調節裝置70和第二燃料流調節裝置74，以允 許相應的燃料76和78流入混合裝置66。更具體地，控制第一燃料流 調節裝置70，以允許第一燃料76從第一燃料供應源62中排出，通過
20第 一燃料供應管路68並進入燃料混合裝置66中。相似地控制第二燃 料流調節裝置74,以允許第二燃料78從第二燃料供應源64中排出， 通過第二燃料供應管路72並進入燃料混合裝置66中。控制各個燃料 流調節裝置70和74，從而便於實現各燃料76和78在混合燃料80中 的預定百分比(體積分數)。
25 在示例性的實施例中，天然氣78與合成氣76混合以產生混合燃
料80,混合燃料80具有百分比在混合燃料80總體積的大約5%到大 約50%之間的天然氣78。在另一個實施例中，混合燃料80中天然氣 78和合成氣76的百分比分別為大約20%和大約80%(體積分數)。在另一個實施例中，天然氣78和合成氣76的百分比(體積分數)基於幹 式低NOx燃燒器14的設計，以便使混合燃料80的MWI和燃料反應 性在設計規格之內。
在示例性的實施例中，燃料混合裝置66在其中混合第一燃料76 5 和第二燃料78，使得從燃料混合裝置66中排出的混合燃料80大致均 勻。混合燃料80從燃料混合裝置66中排出，通過主燃料供應管路60 並進入燃燒器14中。另外，在示例性的實施例中，控制系統82調節 供給到噴嘴組件54和/或預混管組件56的空氣20和混合燃料80。當 控制系統82啟動燃氣渦輪發動機10的啟動程序時開始點燃， 一旦火
10 焰持續地形成，火花塞46則從燃燒區50中退出。在燃燒區50的相 對端，高溫燃燒氣體52經由過渡管道24和渦輪噴嘴18導向渦輪16。 在一個實施例中，在燃燒過程期間，通過增加噴射到燃燒器14中的 第 一燃料76的量對逆燃事件進行校正，這是因為與第二燃料78相比， 第一燃料76具有較高的MWI和較低的燃料反應性。
15 上述方法和裝置便於合成氣在不加入稀釋劑的情況下在燃燒器 中進行乾式低NOx燃燒。更具體地，天然氣與合成氣混合，以便於合 成氣在乾式低NOx燃燒器中燃燒。加入天然氣便於延緩合成氣的特徵 化學時間，以防止逆燃，並且因此^^於減少火焰附近的構件的損壞和
20 已知的乾式低NOx燃燒器的設計規格之內，這是因為少量的天然氣對 於合成氣的燃燒化學特性具有較大的影響。另外，與在其中噴射合成 氣和稀釋劑的燃燒器相比，上述方法和裝置還便於降低燃燒器的成本
和複雜性，這是因為天然氣可在燃燒器中用作備用燃料，並且因此可 在沒有增加成本和/或硬體的情況下方便地加以應用。 25 以上詳細地描述了用於在燃燒器中燃燒合成氣的方法和裝置的
示例性實施例。該方法和裝置並不受限於本文所描述的具體的實施 例，而是該方法和裝置的構件可與本文所描述的其它構件獨立地或分 離地加以利用。例如，混合燃料還可與其它燃燒系統和方法一起應用，並且不受限於僅僅與本文所描述的乾式低NOX燃燒器一起應用。相 反，本發明可在許多其它燃料的燃燒應用中執行並利用。
儘管本發明就許多具體的實施例進行了描述，但是，本領域的技 術人員可以認識到，本發明可在權利要求的精神和範圍內進行變化。
權利要求
1. 一種乾式低NOx燃燒器(14)，其包括燃燒區(50)；與所述燃燒區流體連通的噴嘴(18)，用於將混合氣態燃料(80)噴射到所述燃燒區內，其中，所述噴嘴接收包括預定量的第一氣態燃料(76)和預定量的第二氣態燃料(78)的所述混合氣態燃料，並且所述第一氣態燃料的改進沃泊指數(MWI)高於所述第二氣態燃料的MWI，所述第一氣態燃料的燃料反應性低於所述第二氣態燃料的燃料反應性。
2. 根據權利要求1所述的乾式低NOx燃燒器(14),其特徵在於， 所述噴嘴(18)接收包括預定量的天然氣和預定量的合成氣體的混合氣 態燃料(80)。
3. 根據權利要求2所述的乾式低NOx燃燒器(14)，其特徵在於， 所述噴嘴(18)接收包括大約5%到大約50%(體積分數)的天然氣的混合 氣態燃料(80)。
4. 根據權利要求1所述的乾式低NOx燃燒器(14)，其特徵在於， 所述噴嘴(18)接收具有在大約42到大約54之間的MWI的第 一氣態燃 料(76)，並且所述噴嘴接收具有低於大約20的MWI的第二氣態燃料 (78)。
5. 根據權利要求1所述的乾式低NOx燃燒器(14),其特徵在於， 所述噴嘴(l8)接收具有在大約15到大約54之間的MWI的混合氣態燃 料(80)。
6. —種燃燒系統，其包括 乾式低NOx燃燒器(14);與第 一 氣態燃料(76)源和第二氣態燃料(78)源流體連通的混合裝 置(66),其中，所述混合裝置從所述第一氣態燃料源接收具有第一改 進沃泊指數(MWI)和第一燃料反應性的第一氣態燃料，以及從所述第 二氣態燃料源接收具有第二MWI和第二燃料反應性的第二氣態燃料，並且所述第二 MWI低於所述第一 MWI，所述第二燃料反應性高於所 述第一燃料反應性，所述混合裝置用於將所述第一氣態燃料和所述第 二氣態燃料混合成混合氣態燃料(80);以及與所述乾式低NOx燃燒器和所述混合裝置流體連通的噴射裝置， 所述噴射裝置用於將所述混合氣態燃料噴射到所迷乾式低NOx燃燒 器中。
7. 根據權利要求6所述的燃燒系統，其特徵在於，所述混合裝 置(66)接收具有在大約42到大約54之間的第一 MWI的第 一氣態燃料 (76)。
8. 根據權利要求6所述的燃燒系統，其特徵在於，所述混合裝 置(66)接收為天然氣的第 一氣態燃料(76)。
9. 根據權利要求8所述的燃燒系統，其特徵在於，所述噴射裝 置接收包括大約5%到大約50%(體積分數)的天然氣的混合氣態燃料 (80)。
10. 根據權利要求6所述的燃燒系統，其特徵在於，所述混合裝 置(66)接收具有低於大約20的第二 MWI的第二氣態燃料(78)。
全文摘要
本發明涉及用於在燃燒器內燃燒合成氣的方法和裝置，並且提供了一種乾式低NOx燃燒器(14)。乾式低NOx燃燒器(14)包括燃燒區(50)和與燃燒區流體連通的噴嘴(18)，噴嘴(18)用於將混合氣態燃料(80)噴射到燃燒區中，其中噴嘴接收包括預定量的第一氣態燃料(76)和預定量的第二氣態燃料(78)的混合氣態燃料(80)，並且第一氣態燃料的改進沃泊指數(MWI)高於第二氣態燃料的MWI，第一氣態燃料的燃料反應性低於第二氣態燃料的燃料反應性。
文檔編號F23R3/42GK101424406SQ200810175979
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者E·伊爾梅茨, G·O·克雷默, W·S·齊明斯基 申請人:通用電氣公司