汽化燃燒用液體燃料的系統及其使用方法

2023-07-12 03:15:06 3

專利名稱：汽化燃燒用液體燃料的系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及用於在燃燒裝置中適當地汽化、混合和傳輸液體燃料 或液化氣的方法和裝置。
背景技術：
燃燒裝置，如用於發電的燃氣輪機發動機，通常以天然氣作為燃 料(例如，壓縮天然氣或CNG)。通常，天然氣由約90-98體積％的甲 垸(CH4)組成，儘管某些含有低至82%的甲垸的氣體也被稱為天然氣。 除了甲垸外，天然氣可以包括C02、 02、 N2和高級碳氫化合物氣體， 如C2(乙烷、乙烯、乙炔)、C3(丙垸)、C4(丁垸)和C5(戊烷)。
在近來對燃氣輪機發動機用燃燒系統的研究中，通過在使用天然 氣時採用貧燃料預混合燃燒方式(lean， premixed combustion),在廢氣
排放方面取得了明顯的改進。在這種燃燒方式中，在到達火焰鋒之前， 天然氣與助燃空氣預混合。天然氣和空氣的貧燃料混合物在低於常規 擴散火焰燃燒室的溫度下燃燒，從而使廢氣流中汙染物(包括氮的氧化 物(NOx))含量較低。舉例來說，擴散火焰燃燒室的最大可允許NOx水 平通常為42 ppm @ 15% 02，而貧燃料預混燃燒燃氣輪機發動機的最 大可允許NOx水平目前通常為15 ppm @ 15% 02。擴散火焰燃燒室的 42 ppm NOx水平通常僅能通過將大量水汽或水加到燃燒室中以降低
火焰溫度來實現。
已嘗試將貧燃料預混合燃燒裝置用於燃燒代用的高級碳氫化合 物液體燃料(如油類和柴油機燃料)和高級碳氫化合物燃料氣(如丙烷
(C3)和丁烷(C4))。本文中，"高級碳氫化合物燃料"指其中燃料中至 少50重量％的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子的燃料。不幸的 是，當使用代用燃料時，這些燃燒裝置難以在貧燃料預混合預氣化 (LPP)燃燒方式下操作。為使用液體燃料或液化氣產生貧燃料預混合預 氣化火焰(本文中，術語"液體燃料"應被理解成包括通常在室溫和大 氣壓力下是液態的燃料，及經冷卻和/或加壓而液化的氣體)，液體必 須首先蒸發進入載氣中(通常是空氣)以產生燃料氣(即燃料蒸汽/空氣 混合物)，然後在到達火焰鋒之前與另外的助燃空氣混合。然而，使用 這種汽化液體燃料/液化氣和空氣混合物可能會發生被稱為自動點火 (auto-ignition)的現象。自動點火是在燃燒裝置中預定火焰位置之前的 燃料自發點火。在將所述燃料送入燃燒裝置時，例如由於燃料通常、 提前或其它受熱就會導致提前點火的發生。自動點火使燃燒裝置的效 率下降並使其損壞，從而縮短燃燒裝置的使用壽命和/或會增加不想要 的排放物。
已進行各種嘗試來避免在這種貧燃料預混合燃燒裝置中高級碳 氫化合物液體燃料的自動點火，但沒有任何一種嘗試取得全部成功。 因此，可以使用天然氣和高級碳氫化合物液體燃料的"雙燃料"燃燒 裝置，例如燃氣輪機發動機，通常當使用天然氣時以貧燃料預混合方 式運行，當使用高級碳氫化合物液體燃料時以擴散方式運行。以擴散 方式燃燒液體燃料是不理想的，因為與以貧燃料預混合方式燃燒的天 然氣相比，這會增加NOx和其它排放物。
近來，另一個日益重要的問題與液化天然氣的使用相關。最近由 於家用天然氣供應不足，使液化天然氣更為常用。當運輸液化天然氣 時，通常是通過油輪(tanker)，高級碳氫化合物氣體具有較高的沸點。 當液體天然氣被再汽化用作氣態燃料時，在從貯存容器中取出的液化 天然氣的最後部分中含有較高百分比的高級碳氫化合物燃料。由於上 述自動點火問題，這部分液化天然氣不能用於許多現有的貧燃料預混 合天然氣燃燒室中。
與使用天然氣的燃燒裝置相似的燃燒裝置也被用於鍋爐、焚化爐 和渦輪發動機及其它燃燒發動機中，其包括發電外的應用，如用於軍 艦推進。在軍艦用渦輪發動機的使用中遇到的問題包括需要較大的空 間以容納常規壓縮氣體燃料和由於在常規渦輪發動機中使用代用液 體燃料而產生的大量排放物。這些排放物會破壞環境，並帶來危險， 例如，產生的可視性排放物會暴露艦艇的位置。
因此仍然需要開發新型的燃燒裝置(如渦輪發動機等)，其採用貧 燃料預混預蒸發方式，既能燃燒天然氣又能燃燒高級碳氫化合物液體 燃料。對於包括發電在內的多種應用，這種燃燒裝置令人滿意的雙燃 料選擇使其在成本控制和燃料選擇上具有相當的靈活性。
發明概述
本發明的實施方案主要通過提供一種機構來解決上述問題及其 它問題，所述機構用於從多種液體燃料或液化氣中製備氧含量低於周 圍空氣的預汽化燃料氣，這種燃料氣可送入燃燒裝置中作為氣態燃 料。在優選實施方案中，這種預汽化燃料氣可用於現有燃燒天然氣的 貧燃料預混合燃燒裝置中。這種氣態燃料可用於渦輪發動機、柴油和 汽油發動機中，如用於向海軍艦艇、火車頭、飛機和汽車供應能量。 本發明也適用於多種其它燃燒裝置，特別適用於對點火控制和/或排放 物控制要求較高的燃燒裝置。例如，使用本發明即使在擴散火焰燃燒
室中也可降低NOx。通過增加低氧氣流/燃料氣混合物的熱容量可以 減少排放物，這是因為加入的惰性氣體可用以降低火焰溫度，從而減 少NOx。
在本發明一個實施方案中，惰性氣流或含有氧含量低於周圍空氣 的其它氣流被用於汽化液體燃料或液化高級碳氫化合物天然氣，並將 所得低氧汽化燃料氣送入燃燒裝置中。通過將燃料與氧濃度適當降低 的氣流混合，可以防止或充分延緩汽化燃料的反應，從而避免自動點 火。下文說明的高度點火控制及本發明的其它特徵可用於降低或控制 排放物或燃燒不穩定性。
本領域公知的多種裝置或系統可用於供應惰性氣流，並且多種惰 性氣體可用於本發明中。例如，在本發明一個實施方案中，可以由來 自預燃器或燃燒裝置下遊的汙濁的廢氣來提供用於汽化液體燃料或 液化氣體的低氧氣流，從而避免自動點火。通過適當地調節這種廢氣 流，該廢氣流可用於汽化任何液體燃料或液化氣，所述液體燃料或液 化氣一旦經適當處理並與廢氣流混合就可直接送入燃燒裝置作為氣 態燃料。在本發明另一個實施方案中，使用空氣分離器單元將低氧氣 流供應至液體燃料或液化氣汽化器。
有利的是，這使其成為用於從各種液體燃料或液化氣和壓縮空氣 製備預汽化燃料的獨立單元，預汽化燃料一旦經適當處理和混合就可 直接供應至適於燃燒天然氣的現有渦輪發動機中。然後，所得混合物 以貧燃料預混合方式燃燒，從而提高發動機性能。例如，這種改進可 以包括但不限於，改進廢氣排放物和/或提高火焰穩定性，其包括降低 燃燒裝置的不穩定性。
用於本發明實施方案中的空氣分離器單元從空氣中分離氧氣和 氮氣。空氣分離器的輸出包括兩種氣流，第一種氣流氧氣高、氮氣低 ("富氧氣流")，第二種氣流氧氣低、氮氣高(本實施方案中得到的低
氧氣流，及其它實施方案中的其它低氧氣流，被稱為"氧低氣流"(the oxygen-reduced stream)或"低氧氣流"(the reduced oxygen stream))。在
本發明一個實施方案中，空氣分離器使用在本領域中稱作"吸附法" 的方法來製備所述氣流。
然後在送入燃燒裝置之前，低氧氣流可以與汽化液體燃料或液化 氣體混合。由於汽化燃料需要足量的氧氣以進行燃燒，因此通過將汽 化燃料與低氧氣流(如混有低水平的氧氣和適合水平的非可燃性氮氣) 混合，可以防止或充分延緩汽化燃料的燃燒，從而避免自動點火。然 後，將燃料和低氧氣流的混合物用作氣態燃料送入燃燒裝置中，在此 燃料/低氧氣流可與氧源(例如，進氣)混合而在發動機中燃燒。
在本發明一個實施方案中，空氣分離器使用從渦輪壓縮機供應的 壓縮空氣。可選擇地或另外地，空氣分離器可以使用從任何壓縮空氣 源供應的壓縮空氣。
在本發明一個實施方案中，空氣分離器產生的富氧氣流可被供應 至燃燒裝置的燃料燃燒區的下遊，以減少渦輪發動機的排放物。將富 氧氣流供應至燃燒後排放物流中可降低燃燒裝置產生的汙染物，例如 通過促進廢氣流中未燃燒的燃料和/或一氧化碳的氧化。
在本發明一個實施方案中，空氣分離器產生的富氧氣流可被送入 燃燒裝置以拓寬燃燒裝置的使用範圍。
許多液體碳氫化合物燃料適用於本發明。這些液體燃料或液化氣
包括但不限於柴油機燃料、#2燃料油、汽油、高級碳氫化合物含量提 高的液化天然氣、其它液化氣(包括液化C2、 C3、 C4、 C5等)和易燃 性液體廢物流(如製造過程中得到的廢物流)。
在本發明一個實施方案中，通過混合適當比例的低氧氣流，可以 控制以燃料氣流質量或體積計的熱值。這方便了燃料氣例如通過現有 天然氣燃料系統向燃燒裝置的供應。
本領域所屬技術人員通過考査下面的說明書或實施本發明，將更 加明白本發明的其它優點和新特徵。


圖l(a)是本發明實施方案的方塊圖； 圖l(b)和圖l(c)是適用於圖l(a)實施方案的不同類型燃燒室的方 塊圖2是流程圖，表明根據本發明實施方案的使用液體燃料或液化 氣和燃燒裝置的方法；
.圖3是根據本發明實施方案的配有液體燃料或液化氣燃燒裝置的 燃氣輪機發動機的方塊圖4是流程圖，表明根據本發明實施方案的使用液體燃料或液化 氣及燃氣輪機發動機的方法；
圖5(a)是根據本發明實施方案的配有液體燃料或液化氣燃燒裝置 的燃氣輪機發動機的方塊圖5(b)、 (c)、 (d)和(e)是圖5(a)的燃氣輪機發動機的各種燃燒室結 構的方塊圖；及
圖6是流程圖，表明根據本發明實施方案的使用液體燃料或液化 氣及燃氣輪機發動機的方法。
發明詳述
結合優選的燃燒系統實施方案討論本發明。列出具體細節，如燃 料類型和氣流的氧含量，是為了更徹底地理解本發明。本文討論的優 選實施方案不應被理解成限制本發明。此外，為容易理解，某些處理 步驟分成幾步；然而，這些步驟不應被解釋為截然分開或與其性能相 關。
本文中，"汽化"應被理解成不同於"氣化"。氣化是指如下過 程通過使非氣態燃料(如煤)與周圍空氣或富氧氣流部分反應(例如燃 燒)，而將非氣態燃料轉化成氣態燃料的過程。相反，由於存在相對於 周圍空氣而言氧含量降低的氣流，所以在本發明的汽化過程中液體燃 料的反應基本上受到抑制。
本發明被認為特別適用於貧燃料預混預蒸發燃燒裝置，因此主要
結合這一點進行討論。然而，本發明不應理解成受到這種限制。例如，
本發明也可用於RQL(富燃料燃燒-快速淬熄-貧燃料燃燒 (rich-quench-lean))燃燒裝置、部分預混合燃燒裝置或擴散火焰燃燒裝 置。
圖l問是本發明一個實施方案的燃燒系統的方塊圖，其包括常用 燃燒室5(本文中也被稱為"燃燒裝置")，用作燃燒液體燃料或液化氣 的燃燒器，例如但不限於，渦輪發動機或火花點火或壓縮點火發動機。 如圖l(a)所示，液體燃料/液化氣體汽化單元1與燃燒室5連接。低氧 汽化燃料流8從汽化單元1供應至燃燒室5。含氧氣流9也供應至燃 燒室5，如空氣源。在一個實施方案中，燃燒室5具有適當混合汽化 燃料流8與含氧氣流9的作用。
汽化單元1包括低氧氣流源2、液體燃料/液化氣體源3(本文中也 稱作"液體燃料"和/或"液化燃料")和汽化器單元4。所述液體燃料 /液化氣體汽化單元4混合併汽化分別來自所述液體燃料/液化氣體源 3和所述低氧氣流源2的供應流6和7。多種不同方法可被用於汽化 所述液體燃料流6和低氧氣流2。混合和汽化的順序並不重要。在某 些實施方案中，混合和汽化同時發生，如當低氧氣流被預熱至足以汽 化液體燃料的溫度時。在其它實施方案中，在與所述低氧氣流7混合 之前，所述液體燃料流6被部分或完全汽化，例如，通過加熱液體燃 料。在某些實施方案中，在混合和汽化之前所述低氧氣流7被加壓和 /或加熱。然後，通過與低氧氣流混合而能避免自動點火的汽化燃料流 8被送入燃燒室5，用於在燃燒過程中使用。
在某些實施方案中，汽化燃料流8的溫度需足夠高，以使在輸送 至燃燒室5的過程中，汽化燃料流8保持在露點以上。在另外的實施 方案中，如果汽化燃料流8在到達燃燒室5之前所必須經過的距離足 夠短，從而沒有足夠時間發生明顯冷凝，那麼汽化燃料流8的溫度可 以降至低於露點。在其它實施方案中，在汽化器4和燃燒室5之間加
熱汽化燃料流8。
所述低氧氣流源2產生氧含量相對於周圍空氣降低的氣流，通常 含有約21%的02。在本發明的某些實施方案中，低氧氣流的氧含量低 於極限氧指數。極限氧指數(LOI)是局部環境中的氧濃度，低於該濃度 材料不支持燃燒,並隨液體燃料不同而變化。L01通常約為10%~14%， 對於多種高級碳氫化合物燃料而言約為13%。氣流源2的氧含量降低 越大，自動點火受到的抑制越大。然而，需要更多功(即能量)來製備 低氧含量的氣流。這種作功將降低系統的總效率。因此，在某些實施 方案中，氣流源2的氧含量低至剛好足以抑制自動點火所需的量，可 以是高於或低於LOI。在本發明其它實施方案中，所述低氧氣流源2 不含氧。在一些實施方案中，低氧氣流源2供應的氣體是惰性的；在 其它實施方案中，來自氣流源2的氣體含有碳氫化合物(例如甲烷和/ 或高級碳氫化合物)。
足以抑制自動點火所需的氣流源2中的氧含量降低量取決於特定
應用，特別是取決於如下因素如燃料質量、混合/汽化過程、汽化氣 流到達燃燒室所經過的距離、汽化氣流當其離開汽化器時的熱度、在 燃燒之前低氧氣流/燃料混合物在燃燒室中的熱度、在燃燒室中從預混 合區到燃燒區的距離。
如上所述，圖1(a)的燃燒室5可以是圖l(b)所示的預混合燃燒室。 預混合燃燒室通常包括預混合區5b-l、主燃燒區5b-2、中間區5b-3 和稀釋區5b-4。在預混合燃燒室中，低氧汽化燃料氣流8被供應至預 混合區5b-l，並在那裡與含氧氣流9a(例如，空氣)預混合。含氧氣流 9a通常供應至其它區5b-2、 5b-3、 5b-4中的一些或全部中。在RQL 燃燒裝置中，低氧汽化燃料氣流8被供應至中間區5b-3。可選擇地， 圖1(a)的燃燒室5可以是圖l(c)所示的擴散燃燒室，其包括主燃燒區 5c-l，中間區5c-2和稀釋區5c-3。在常用擴散燃燒室中，低氧汽化燃 料氣流8被供應至主燃燒區5c-l，並在那裡在含氧氣流9a存在下燃
燒o
圖2是根據本發明一個實施方案的液體燃料/低氧氣體汽化系統 的操作方法流程圖。在步驟10中，低氧氣流和來自液體燃料源的燃 料流都被供應至液體燃料汽化單元。在步驟11中，液體燃料汽化單 元混合併汽化供應流。汽化能量可由低氧氣流或其它能源供應。然後 在步驟12中，通過與所述低氧氣流混合而能避免自動點火的汽化燃 料流被供應至燃燒室。在步驟13中，所述燃燒室使用製得的液體燃 料/低氧氣流和氧源來產生可燃燒的混合物。
本發明燃燒系統的另一個實施方案如圖3所示。圖3的燃燒系統 包括常規燃氣輪機發動機14，其包括空氣壓縮機15(與助燃空氣源相 連，圖3未示)、燃燒室5(如上所述，其可以是預混合或擴散燃燒室)、 渦輪16和用於釋放排放物的通道17。該渦輪發動機14可與任何裝置 連接，例如，與發電機18或其它輸出連接，如海軍艦艇螺旋槳。在 此實施方案中，來自通道17的部分廢氣流20被用於將低氧氣流供應 至液體燃料/液化氣體汽化單元21。所述液體燃料/液化氣體汽化單元 21與常規燃氣輪機發動機14連接。該汽化單元21包括用於加壓所述 通道廢氣流20的壓縮機19、燃料汽化器4及液體燃料/液化氣體源3， 其可以包括在所述單元21中或可選擇地不包括在單元21內而是與其 相連。
圖4是根據本發明實施方案的與渦輪一起使用的液體燃料/低氧 氣體汽化系統的操作方法流程圖。在步驟25中，低氧含量的渦輪廢 氣流被供應至壓縮機。在步驟26中，所述壓縮機加壓燃氣輪機發動 機廢氣流。在步驟27中，壓縮機輸出的低氧氣流和液體燃料流被供 應至液體燃料汽化器。在步驟28中，將所述壓縮機輸出物與所述液 體燃料流混合，以汽化所述液體燃料。然後在步驟29中，將低氧的 汽化液體燃料流供應至燃氣輪機發動機的燃燒室。
在某些優選實施方案中，所述渦輪發動機14是使用天然氣的現
有貧燃料預混合裝置，所述液體燃料3是高級碳氫化合物液體燃料。
除了上述自動點火問題外，第二個問題是由於在使用天然氣的燃燒裝 置中使用高級碳氫化合物燃料引起的，由於高級碳氫化合物燃料比天 然氣具有更高的能量含量，因此使用天然氣的發動機的燃料氣分布和 定量系統通常需要改變以使用高級碳氫化合物燃料氣。然而，在優選
實施方案中，氣體汽化單元21被用於將低氧汽化燃料氣供應至渦輪 發動機14,因此不需要改變發動機14的燃料氣分布系統。這可通過 將汽化燃料與一定量的低氧氣體混合，使得來自汽化器4的低氧汽化 燃料氣的能量含量與天然氣的能量含量相當來實現。根據發動機14 所用的燃料定量方法，所述能量含量可以體積或質量計。在其它實施 方案中，低氧燃料氣的能量含量高於或低於天然氣，燃料分布系統被 構造成用於燃燒這種能量含量較高或較低的氣體。
舉例來說，燃料氣的熱值約與氣體分子中的碳原子數成比例。因 此，戊垸(C諷2;)的熱值約為天然氣主要成分甲烷(CH4)的5倍。如果在
圖3系統中使用液化戊垸作為液體燃料，則需要構造汽化器4以輸出 以體積計包括一份汽化的戊烷氣體和四份低氧氣體的燃料氣流，以便 用於配有定量甲烷的燃料氣分布系統的發動機14。
圖5a所示為本發明燃燒系統的另一個實施方案，其包括燃氣輪 機發動機14，該燃氣輪機發動機包括壓縮機15、燃燒室5、渦輪16 和用於釋放排放物的通道17。渦輪16可與發電機18或任何其它裝置 連接，如海軍艦艇螺旋槳。本發明一個實施方案的液體燃料/液化氣體 汽化單元31與燃氣輪機發動機14連接。所述渦輪還可以驅動壓縮機。 在圖5a所示的實施方案中，單元31包括空氣分離器32、輔助壓縮機 33、第二壓縮機34、燃料汽化器4和液體燃料/液化氣體源3，其可以 包括在單元31中或可選地不包括在單元31內而是與其相連。
所述壓縮機15具有壓縮氣體輸出，所述壓縮氣體輸出可以被供 應至所述空氣分離器32。所述空氣分離器32從發動機14的壓縮機15吸入壓縮空氣流(或其它來源的壓縮空氣流)，輸出富氧氣流41和低 氧氣流42，後者通常相對空氣而言含有大量氮氣。各種空氣分離器在 本領域中是公知的。在某些實施方案中，可以從所述壓縮機的中間階 段抽取壓縮空氣並將其送入所述空氣分離器。在某些實施方案中，空 氣分離單元使用被稱為吸附的方法來製備富氧氣流41和低氧氣流42。 在此實施方案中，空氣流可被壓縮至3個大氣壓以利於分離。
在圖5a的實施方案中，壓縮富氧氣流41，將壓縮的富氧氣流43 注入燃燒室5。所述低氧氣流42被供應至輔助壓縮機33，在那裡加 壓。然後，所得到的壓縮的低氧氣流45被供應至液體燃料/液化氣體 汽化單元4。所述液體燃料/液化氣體汽化單元4將來自所述液體燃料 /液化氣體源3的液體燃料/液化氣體物料6與壓縮的低氧氣流45在高 溫下混合，以汽化液體燃料/液化氣。所述壓縮的低氧氣流45和氣體 物料6的混合比取決於液體燃料3和發動機14的結構。如上所述， 可以選擇所述混合比將高級碳氫化合物液體燃料3用於燃燒天然氣的 發動機14，而不改變發動機14的燃料分布系統。然後，將汽化燃料/ 低氧氣流8供應至燃燒室5。
圖6是根據本發明實施方案的用於渦輪的液體燃料/低氧氣體汽 化系統的操作方法流程圖。如圖6所示，在步驟51中，在合適的階 段中/合適的壓力下從燃氣輪機發動機的空氣壓縮機中抽出壓縮空氣， 用於空氣分離單元中。在步驟52中，空氣分離單元吸入壓縮空氣流， 並產生富氧氣流和低氧氣流。在一個實施方案中，在步驟53中富氧 氣流被供應至第一輔助壓縮機，在步驟54中第一輔助壓縮機加壓富 氧氣流，然後在步驟55中加壓的富氧氣流被注入燃燒室。在某些實 施方案中，將富氧燃料流注入燃燒室5的火焰鋒下遊(例如，燃燒室(如 圖5(b)和5(c沖所示的預混合燃燒室)的中間區或稀釋區，或擴散燃 燒室)，以降低發動機14產生的汙染物量。在其它實施方案中，富氧 燃料流與來自壓縮機15的助燃空氣混合，所述助燃空氣被供應至如
圖5(d)(預混合燃燒室)和圖5(e)(擴散燃燒室)所示的燃燒室5的主燃 燒區中。這拓寬了燃燒室的k作範圍，使燃燒可在低當量比下進行(即 貧燃料燃燒)，從而降低汙染物如NOx的排放。在其它實施方案中， 富氧燃料流與來自壓縮機15的空氣簡單混合，並供應至燃燒室的所 有區中。
在步驟56中，來自空氣分離單元的低氧氣流被供應至第二輔助 壓縮機，在步驟57中，第二輔助壓縮機加壓所述低氧氣流。然後在 步驟58中，將所得到的壓縮低氧氣流和來自液體燃料源的液體燃料/ 液化氣流供應至液體燃料汽化單元。在步驟59中，所述液體燃料汽 化單元將供應的液體燃料/液化氣流和所述壓縮的低氧氣流在高溫下 混合，以汽化液體燃料/液化氣體。在本發明一個實施方案中，調節低 氧氣流和液體燃料/液化氣體的混合程度，以適應各種液體燃料/液化 氣的比熱值和/或質量或體積流速規格。然後在步驟60中，例如通過 現有的渦輪用天然氣燃料系統，將汽化燃料/低氧流供應至燃燒室。
如上所述，本發明的某些實施方案可以從液體燃料製備低氧燃料 氣流，其可被供應至用於燃燒其它燃料如天然氣的現有燃燒裝置如燃 氣輪機發動機中，而不用改變現有燃燒裝置。這可通過將燃料氣與惰 性低氧氣流混合以保持燃料氣的能量含量等於天然氣的能量含量來 實現，根據燃燒裝置所用的定量方法，所述能量含量以體積或質量計。 在大部分現有燃燒裝置中，可以控制燃料氣/助燃空氣比，以使混合物 更貧燃料(lean)或少貧燃料。本發明其它優點在於，在相同條件下(即 相同溫度、相同助燃空氣(或其它含氧氣體)供應等)，在當量比比甲烷 的當量比更低(更貧燃料)時，多種低氧的汽化高級碳氫化合物燃料可 以燃燒。例如，甲垸在空氣中的最小當量比通常約為0.5，而多種高 級碳氫化合物燃料當在空氣中的當量比約為0.45時可以燃燒。使用低 當量比可降低汙染物如NOx的排放。如上所述，在其中通過將來自空 氣分離器的富氧氣流加到助燃空氣流中來拓寬操作範圍的實施方案 中，燃燒裝置的操作當量比可以更低。在本發明其它實施方案中，可以製備能量含量比天然氣更高或更 低的低氧燃料氣。在此實施方案中，如果使用用於燃燒天然氣的燃燒 裝置，那麼燃燒裝置的燃料分布/定量系統需要適當變化。
現在已結合上述優點說明了本發明實施例。可以理解，這些實施 例僅是說明本發明。本領域所屬技術人員顯然可以做出多種修改和變 化。
權利要求
1.一種操作燃燒裝置的方法，該方法包括如下步驟使用包含碳氫化合物分子的液體燃料和稀釋氣體製備燃料氣；預混合所述燃料氣和包含氧氣的第二氣體，以在位於燃燒裝置的燃燒區上遊的預混合區內製備氣體混合物，所述預混合區經設計以使得所述氣體混合物在沒有稀釋氣體的情況下能夠自動點火；和在所述燃燒裝置的燃燒區內燃燒氣體混合物；其中所述稀釋氣體是惰性的並且其存在量使得所述燃料氣體在所述燃燒區上遊的反應受到相當大的抑制。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的含氧量足以 支持所述氣體混合物的燃燒。
3. 如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物是當量比小於 1的貧燃料混合物。
4. 如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料中至少50重量 %的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子。
5. 如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的氧含量低於 所述液體燃料的極限氧指數。
6. 如權利要求1所述的方法，其中所述燃燒裝置包括用於天然氣 的燃料定量系統。
7. 如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的當量比低於 在相同操作條件下甲垸可以燃燒的最小當量比。
8. 如權利要求1所述的方法，其中所述燃燒裝置是燃氣輪機發動機。
9. 如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是液化氣體，該 液化氣體是在室溫和大氣壓力下為氣態的組合物。
10. —種燃燒裝置，其包括燃燒器，該燃燒器具有接收燃料氣體的第一進口；接收含氧氣 體的第二進口，所述含氧氣體用於支持所述燃料氣體的燃燒；燃燒區 和位於該燃燒區上遊的預混合區；所述燃燒裝置經設計以在預混合區 中預混合所述燃料氣體和至少部分含氧氣體，以製備氣體混合物，並 在燃燒區燃燒所述氣體混合物；和與所述燃燒裝置的進口流體連接的燃料汽化單元，該燃料汽化單 元經設計以使用包含碳氫化合物分子和稀釋氣體的液體燃料產生燃 料氣體；其中所述預混合區經設計以使得所述氣體混合物在沒有稀釋氣 體的情況下能夠自動點火，並且所述稀釋氣體是惰性的並且其在燃料 氣體中的存在量使得所述燃料氣體在所述燃燒區上遊的反應受到相 當大的抑制。
11. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其還包括用於控制向第一進 口供應的燃料氣體的燃料氣體定量裝置，該燃料氣體定量裝置經設計 用於天然氣。
12. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃燒裝置經設計用於燃燒當量比小於1的氣體混合物。
13. 如權利要求10所述的燃燒裝置，其中所述液體燃料中至少 50重量％的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子。
14. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃料氣體的氧含量 低於所述液體燃料的極限氧指數。
15. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述氣體混合物的當量 比低於在相同操作條件下甲烷可以燃燒的最小當量比。
16. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述液體燃料是液化氣 體，該液化氣體是在室溫和大氣壓力下為氣態的組合物。
17. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃燒裝置是燃氣輪 機發動機。
18. 如權利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃燒裝置經設計以 使得在預混合區中使足以支持燃燒量的含氧氣體與燃料氣體預混合。
全文摘要
本申請涉及汽化燃燒用液體燃料的系統及其使用方法，其中將氧含量低於周圍空氣的氣流用於汽化液體燃料或液化的碳氫化合物氣體，或者與汽化的氣體混合，並將所得低氧汽化燃料氣送入燃燒裝置，如預混合燃燒室或擴散燃燒室。優選所述氣流的氧含量小於極限氧指數。通過將所述燃料與氧含量適當降低的氣流混合，可以避免在火焰鋒之前的自動點火。在某些實施方案中，所述低氧氣流從空氣分離器中產生或從所述燃燒裝置的廢氣中產生。
文檔編號F23R3/28GK101187477SQ20071016682
公開日2008年5月28日 申請日期2003年10月10日 優先權日2002年10月10日
發明者克里斯多福·F.·舍梅爾, 理察·J.·羅比, 麥可·S.·克拉森 申請人:Lpp燃燒有限責任公司