专利名称：预混合催化部分氧化式燃料重整器的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及用于分级式和再热式燃气轮机系统(gasturbine system)的基于 预混合催化部分氧化(catalytic partial oxidation)的燃料重整器系统(fuel reformer system)，且更具体地说涉及采用该燃料重整器系统的燃气轮机系统。
背景技术：
燃料喷射和混合对于在燃气涡轮发动机中实现高效且清洁的燃烧是很关键的。在 气态燃料的情况下，期望的是获得燃烧区中的燃烧产物、空气和燃料之间的最佳混合水平。来自燃气涡轮发动机的废气包含例如氮氧化物(NOX)等物质，其是有害的、需控 制的排放物。因此，对于以部分预混合(PP)或稀薄(lean)预混合(LP)燃烧模式运行的燃 气轮机存在日益增加的需求，以试图满足日益严格的排放目标。PP和LP燃烧减少有害的 NOx排放，而不会损失燃烧效率。然而，在低排放的燃气涡轮发动机的发展中通常会遇到燃烧不稳定性，也被称为 燃烧动态特性(dynamics)。呈压力、放热率的波动形式以及其它流扰动形式的燃烧动态特 性可能导致例如稀薄熄灭、结构振动、至腔室的过量的热传递等问题，并从而导致系统的故障。在涡轮燃烧室之前将部分燃料重整为富氢的(hydrogenrich)合成气，且之后将 合成气混合到燃料中是一种通过改进燃烧动态特性而增强燃气轮机运转能力的方法。一种 方法采用富含催化剂的系统以用于恰在燃气轮机预混合之前重整燃料并进一步并入到燃 气轮机燃料撬块(skid)中。
发明内容
简要地说，根据一个实施例，提供了 一种燃气轮机系统。这种燃气轮机系统包 括燃料重整器系统，其包括燃料入口、氧气入口(oxygen inlet)、预混合区(pre-mixing zone)、扩散器(diffuser)、催化部分氧化区(catalytic partial oxidation zone)、稀释 区(dilution zone)、燃气轮机预混合器以及燃气轮机燃烧器，燃料入口构造成用于接收燃 料流；氧气入口构造成用于引入含氧气体(oxygen-containing gas)；预混合区构造成用 于在预混合装置中将燃料流和含氧气体混合以形成气态预混物(gaseous pre-mix)；其中 预混合装置包括构造成用于对燃料流进行预调节(pre-condition)的流调节装置，其中， 流调节装置设置在氧气入口的上游；扩散器设置在流调节装置的下游并与之成流体连通， 其中，扩散器构造成用于为预混合区中的气态预混物提供热屏蔽(thermal shield)；催化 部分氧化区设置在扩散器的下游并与之成流体连通，并且构造成用于接收气态预混物，其 中，催化部分氧化区包括催化剂组合物(catalyst composition)，其构造成用于使燃料和 氧气发生反应以产生合成气；并且稀释区设置在反应区的下游并与之成流体连通，并构造 成用于将燃料混合回到合成气中以形成氢富化的(hydrogen-enriched)燃料混合物(fuel mixture)；燃气轮机预混合器构造成用于将来自燃气轮机压缩机的含氧气体与氢富化的燃料混合物相混合；并且燃气轮机燃烧器构造成用于燃烧氢富化的燃料混合物。在另一实施例中，一种运行燃气轮机系统的方法包括将燃料流的一部分引入到 燃料重整器系统的预混合区中；将含氧气体引入到流调节装置的燃料流中以促进燃料流和 氧气的预混合从而形成气态预混物；在催化部分氧化区中存在催化剂组合物的条件下使气 态预混物发生反应，从而通过催化部分氧化而形成合成气；将合成气流引入到燃料流中以 形成氢富化的燃料混合物；在燃气轮机预混合器中将氢富化的燃料混合物与含氧气体相混 合；在燃气轮机燃烧器中燃烧氢富化的燃料混合物；并利用与发电机处于有效连通的燃气 轮机产生电功率。 在又一实施例中，燃料重整器系统包括燃料入口、氧气入口、预混合区、扩散器、催 化部分氧化区和稀释区，燃料入口构造成用于接收燃料流；氧气入口构造成用于引入第一 含氧气体；预混合区构造成用于在预混合装置中将含氧气体和燃料流的第一部分相混合以 形成气态预混物；扩散器设置在预混合区的下游并与之成流体连通，其中，扩散器构造成用 于在预混合区和催化部分氧化区之间提供热屏蔽；催化部分氧化区设置在预混合区的下游 并与之成流体连通，并构造成用于接收气态预混物，其中，催化部分氧化区包括催化剂组合 物，其构造成用于使燃料和氧气发生反应以便由气态预混物产生合成气；并且稀释区设置 在催化部分氧化区的下游并与之成流体连通，并构造成用于将合成气混合到燃料流的第二 部分中以形成燃料混合物。
现在参照图纸，它们是示例性的实施例，且其中，相似的元素用相同的标号标出图1是燃气轮机系统的一示例性实施例的概略图，其具有预混合催化部分氧化式 燃料重整器系统；图2是图1的预混合催化部分氧化式燃料重整器系统的一示例性实施例的概略 图；图3是图1的燃料重整器系统的另一示例性实施例的概略图；图4是来自图3的燃料重整器系统的预混合装置的一示例性实施例的示意图；图5是来自图3的燃料重整器系统的预混合装置的另一示例性配置的横截面图， 其包括多个反向(counter)旋流叶片；图6是图5的预混合装置的该示例性实施例的另一横截面图；图7是图3的燃料重整器系统的横截面图，特别显示了催化部分氧化区和反应区； 且图8是图1的燃气轮机系统的燃气轮机燃烧器的一示例性实施例的横截面图。 部件列表10 燃气轮机系统12 燃料重整器系统14 压缩机16 预混合器 18 燃料流20 燃烧器22 燃气轮机24 电网30 燃料滑流32 含氧气 体34 预混合区36 蒸汽38 热交换器40 CPO区(反应器)42 合成气 44 WGS反应器46 氢富化的合成气48 燃料混合物110 预混合区112 SCPO 区114 CPO区116 稀释区118 预处理区120 燃料旁通阀121 所期望的燃 料部分122 空气旁通阀124 燃料剩余部分126 合成气128 压缩机空气130 空气部分132 喷射孔(injection orifice) 134 空气剩余部分136 燃料混合物138 气态预混物140 增压压缩机200 预混合装置202 燃料入口 204 空 气入口206 预混合装置208 空气喷射位置210 预混合区域212 出口 300 预混合装置302 燃料入口 304 燃料流306 旋流叶片308 逆流旋流叶片310 运动方向312 运动方向314 氧气316 多个孔320 壁350 CPO催化剂400 燃料重整器系统402 预混合装置404 扩散器410 催化剂区420 CPO区500 燃气轮机燃烧器502 燃烧器壳体504 燃烧器衬套506 燃料流508 氧气510 预混合区域512 燃烧室
具体实施例方式如以下详细所述，本公开的实施例提供了一种包含燃料重整器系统的燃气轮机系 统和提供该相同者的方法。这种燃气轮机系统利用通过催化部分氧化形成的合成气。通过 使一部分天然气或燃料与空气混合并反应而产生合成气，从而增加氢气的浓度。合成气然 后可与天然气或燃料相混合，并发送给燃气轮机燃烧器。氢气引入到天然气或燃料中将容 许降低稀薄熄灭点(lean blow out point)并增强燃烧动态特性。同没有将额外的氢气引 入到燃料中的系统相比，通过将氢气添加到燃料中可将燃气轮机范围度(turndown)降低 到40%以下。当对电的需求较低时，降低稀薄熄灭点允许进一步降低去向燃气轮机的流率，从 而节省燃料并减少排放。本文使用的用语“稀薄熄灭点”指的是燃烧器中燃烧丧失(loss of combustion)的点。燃料组成和流扰动方面的变化导致足够稀薄的火焰中的燃烧丧失。 本文使用的用语“燃烧动态特性”指的是影响燃气轮机的运行的，在气压、温度、放热和不稳 定的流振荡等方面的波动。期望的是，利用高度反应性的燃料组分(例如氢气)来运行燃 气轮机系统，以帮助限制燃烧丧失。而且，本文公开的燃料重整器系统尺寸紧凑，且复杂性 有所减少。因此现有的燃气轮机系统可很容易地在低成本且不会显著地影响燃气轮机系统 尺寸的条件下被改装以包括发电机。现在转到图1，显示了方框图，其示出了燃气轮机系统10的一示例性实施例。燃气 轮机系统10包括用于将氢气掺杂(doping)到燃气轮机燃料中的燃料重整器系统12。压缩 机14与燃料重整器系统12及燃气轮机预混合器16成流体连通。压缩机14构造成用于将 空气供给燃料重整器系统12和预混合器16。燃料流18也与燃料重整器系统12成流体连 通。如以下将更详细论述的那样，燃料和空气在燃料重整器系统12中组合并发生反应以形 成合成气，该合成气然后可被与更多燃料组合并发送到燃气轮机预混合器16中。合成气和 燃料与来自压缩机14的空气进一步混合，且全部预混合的燃料被馈送给燃烧器20。预混合 的燃料在燃烧器20中进行燃烧，并在燃气轮机22中膨胀。涡轮通过燃烧和膨胀而被驱动， 且能量被转化成电，其可发送给电网24以提供功率，或者可被储存并在以后被使用。图2进一步示出了图1的燃料重整器系统12的一示例性实施例。燃料滑流 (slipstream) 30从主燃料流18中分离出来，与来自燃气轮机压缩机14的含氧气体32的滑 流组合，并被发送至燃料重整器系统12的预混合区34中。本文使用的用语“含氧气体”通 常用于指适合与燃料混合以用于形成氢富化的燃料混合物的任何氧化剂。示例性的含氧气 体可包括但不局限于空气、纯氧气(O2)、氧富化的空气、含有氧气和蒸汽的燃烧排气等等。在一可选的实施例中，燃料滑流30可与蒸汽36组合，并被馈送穿过热交换器38，该热交换器38构造成用于在燃料滑流30与含氧气体32的滑流在预混合区34中进行混合 之前预热燃料滑流30。经过预热的燃料滑流30 (带有可选的蒸汽36)然后可在预混合区 34中与含氧气体32进行预混合。在另一实施例中，蒸汽可以是燃料滑流30或含氧气体滑 流32的组成部分，而非如图2中所示出的单独的供给流。
燃料和含氧气体进行混合以形成气态预混物，其立即被馈送到催化部分氧化反应 器40中。气态预混物经历催化部分氧化反应并形成合成气42。当合成气42被以燃料流 18进行稀释以形成氢富化的燃料混合物时，合成气42可被冷却，或者，可利用蒸汽冷却合 成气42。当在燃料重整器系统12中存在可选的热交换器38时，合成气42可通过经过热交 换器而被冷却至为大约250摄氏度(°C )至大约450°C，特别地大约325°C至大约375°C的 温度。当在燃料重整器系统12中存在可选的水煤气变换(WGS)反应器44时，冷却合成气 42是特别有利的。WGS反应器44可设置在催化部分氧化反应器40的下游，并且在这种情 况下，位于热交换器38的下游。WGS反应器44可构造成用于通过使蒸汽与合成气中的一氧 化碳发生反应以形成更多氢气从而进一步增加合成气中的氢气浓度。然后可使氢富化的合 成气46与燃料流18重新组合以形成燃料混合物48，其可被馈送到燃气轮机系统10的燃烧 器20中。图3是另一方框图，其示出了图1的燃料重整器系统12的另一示例性实施 例。燃料重整器系统12包括预混合区110、选择性催化部分氧化(SCPO)区112、CPO 区114和稀释区116。在进入燃气轮机系统中之前可被加压的燃料流18可在预处理区 (pretreatmentzone) 118中进行预调节。在多种实施例中，燃料可被与水或蒸汽预混合，可 被预热，可借助于设置在该区中的燃料旋流器、流增强器、扰动生成器等等而被预调节，可 被过滤以减少燃料中的杂质(例如硫)的水平，以及预处理区118中其它类似的预调节措 施。燃料旁通阀120可设置在燃料流源18和燃料预处理区118之间的流体连通中。燃料 旁通阀120可构造成将所期望的燃料流的部分121发送到合成气生成器的预处理和预混合 区中，以用于在系统中生成氢气含量(hydrogencontent)。燃料流18的剩余部分124可通 过燃料旁通阀120定向至稀释区116，在该处，燃料流的剩余部分124可与在CPO区114中 产生的合成气126组合。类似地，通过设置成与压缩机14、燃料重整器系统12和燃气轮机预混合器16成流 体连通的空气旁通阀122可定向来自压缩机14的空气128。空气的一部分130可被发送至 预混合区110，用于与燃料相混合。如以下将更详细所描述的，通过设置在预混合区110周 围的空气喷射孔132可将空气130馈送到预混合区110中。可选地，该系统还可包括位于 空气旁通阀122和空气喷射孔132之间并与之成流体连通的增压压缩机140。增压压缩机 140构造成用于提高进入预混合区110的空气流130的压力，从而进一步提高该区中的燃料 和空气的混合动态特性。不被燃料重整器系统12所利用的压缩机空气的剩余部分134通 过旁通阀122转向至燃气轮机预混合器16，其中，在被馈送到燃气轮机系统10中的燃烧器 20之前，空气134被与燃料混合物136预混合。馈送到预混合区110中的燃料部分被容许与来自压缩机14的空气130相混合。 气态预混物138越过选择性催化部分氧化催化剂而被馈送到CPO区中。催化剂构造成用于 将空气和燃料转化成氢气和一氧化碳。空气和燃料被容许在CPO区114中发生反应，以产 生合成气126的气体混合物，其主要包括氢气和一氧化碳。在一个实施例中，合成气126包括氢气、一氧化碳、氮气和水。CPO区114可具有任何适合于由特定的燃料和空气的比形成 合成气的停留时间。在一个实施例中，CPO区114可具有少于大约500毫秒(ms)，尤其少 于大约200ms的停留时间。用语“停留时间”指这样的时段，在该时段期间，燃料和空气在 CPO区中发生反应。在一个实施例中，空气和燃料可在预混合区110中按照富比例(rich proportion)进行混合。在本文中使用时，用语“富比例”指的是为大约0. 6至大约1. 6的 空气中的氧原子数量对燃料中的碳原子数量的化学计量比。 在CPO区114之后，合成气126行进至稀释区116，其中，合成气126可与燃料剩余 流124相组合。合成气126中的氢气可通过添加的燃料而被稀释；并且，热的、氢富化的燃 料混合物136可被馈送至燃气轮机预混合器16，其中，氢富化的燃料与氧气进一步混合，并 喷射到燃气轮机系统的燃烧器中。如提到的那样，本文所描述的燃料重整器系统12是一种紧凑、低成本的系统。在 一个实施例中，系统12可具有相当于标准的90喷嘴燃气涡轮机中的单个喷嘴燃烧器的尺 寸的尺寸。在一特殊的实施例中，合成气生成器系统12可具有这样的面积，其等于燃气轮 机燃烧器20的面积的大约0. 1至大约0. 9。本文所描述的合成气生成器系统的紧凑尺寸使 得其适合于改装到现有的燃气轮机系统上。改装的系统对现有的用于燃气轮机的燃料供给 进行重整。因此，燃料重整器系统12不仅改善了燃气轮机系统10的燃烧动态特性，而且其 在不需要支出与购买完全新的燃气轮机系统相关联的资本成本的情况下实现了这一点。改 装系统的另一优势是其可在不干涉燃气轮机运行的条件下进行维护。例如，改装的燃料重 整器系统可被离线和被维护(例如，更换催化剂)，并且燃料供给被容许绕过该系统，从而 防止了对燃气轮机运行的阻断。图4是可在燃气轮机的燃料重整器系统的预混合区中被采用的预混合装置的一 示例性实施例200的示意图。在所示出的实施例中，预混合装置200包括燃料入口 202，其 构造成用于将燃料流引入到预混合装置200中。另外，预混合装置200包括构造成用于引 入氧气至其处的空气入口 204。此外，采用了预混合装置206以便对燃料流进行预调节(在 引入氧气至其处之前)。如在这个实施例中所见，流调节装置包括燃料重整器系统的预处理 区，并且设置在预混合区本身内。预混合装置206可包括多个旋流叶片，其构造成用于为燃 料流提供旋流运动。备选地或附加地，预混合装置206可包括喷嘴，其构造成用于使燃料流 加速到所期望的速度。在其它实施例中，可设想各种其它类型的流调节装置以用于对燃料 流进行预调节。在运行中，燃料流通过预混合装置206的该多个旋流叶片而被预调节。此外，通过 空气入口 204可在相对于燃料流的喷射方向大致成横向的方向上引入氧气。通过设置在该 多个旋流叶片下游的多个孔或喷射孔、通过设置在该多个旋流叶片的各个旋流叶片上的多 个孔，和/或通过预混合装置200的中心体或壁，空气可在位置208处被喷射。跨越用于引 入空气的多个孔的压力降可小于大约5%。在一个实施例中，可以这样的角度喷射空气，该 角度具有垂直于流动方向的分量。此外，喷射孔还可绕预混合装置200的中心体的轴线引 入旋流。预调节的燃料流和空气在预混合区域210中进行混合以形成气态预混物，其通过 出口 212而被进一步定向至CPO区(未显示)以用于催化部分氧化。在所示出的实施例 中，预混合区域210设计成，通过最大限度地减小再循环区，即使在存在点火源的情况下也 可抵抗火焰保持(flame holding)。
在预混合装置200中，燃料流的温度可为大约100° F(38° °C )至大约 1,300° F(704°C )，并且空气的温度可为大约500° F (260°C )至大约1，400° F(760°C)。 此外，空气入口 204的有效面积对流调节装置206的有效面积的比为大约0. 1至大约0. 5。 预混合装置206可构造成将燃料流引入到预混合区域中。在本文中使用时，用语空气入口 的“有效面积“意图指穿过入口的空气的体积流率除以空气的平均速度。
图5是预混合装置300的另一示例性实施例的示意图。图5代表一种预混合装置 的备选设计。如图所示，预混合装置300包括燃料入口 302，以便将燃料流304引入到预混 合装置300中。此外，预混合装置300包括多个旋流叶片306，以便为燃料流304提供旋流 运动。另外，预混合装置300包括多个逆流(counter flow)旋流叶片308，其设置在所述该 多个旋流叶片306的附近。旋流叶片和逆流旋流叶片306和308的运动方向分别由参考标 号310和312来表示。在这个示例性的实施例中，燃料流304自旋流叶片306上游的入口 302而流动。此外，通过设置在旋流叶片306上的多个孔316而引入氧气314。对于该多个孔316的总的有效面积是用于预混合装置300的设计的旋流叶片306 的有效面积的大约1/2。此外，旋流叶片306的数量可为大约4至大约15。类似地，逆流 旋流叶片308的数量可为大约4至大约15。另外，旋流叶片306和308中的每个的回转角 (turning angle)可为大约20度至大约50度。在一个实施例中，逆流旋流叶片308的回转 角相对地大于旋流叶片306的回转角。如之前所描述的，燃料流304通过旋流叶片306和 308而被预调节，并且氧气314被与经过预调节的燃料流预混合以形成气态预混物，其被定 向至CPO和CPO区(见图1)。图6是图5的预混合装置300的另一横截面图的示意图。在这个示例性的实施例 中，燃料流304通过旋流叶片306而被引入和被预调节。此外，预混合装置300还包括设置 在该多个旋流叶片306附近的逆流旋流叶片308。如图所示，氧气314通过预混合装置300 的壁320而被引入并进入到旋流叶片306中。氧气314与经预调节的燃料流304混合以形 成气态预混物，该气态预混物随后被馈送越过CPO催化剂350并以催化的方式被转化成合 成气。应该注意的是，混合区域可以是直的或收敛的(converging)。此外，还可通过中心 体引入氧气314，该中心体带有防止流分离的空气动力学尖端。在某些实施例中，预混合装 置300的形状和设计在充当用于CPO催化剂的热屏蔽方面可为有效的。作为热屏蔽，预混 合装置的圆锥形状可有助于在预混合区中保持气态预混物的高速度，以防止燃烧向上游行 进到预混合区中。上述预混合装置设计有利地提供了反应物(燃料和氧气)在到达CPO区的催化剂 之前的更均勻的混合。这允许气态预混物被预热至较高的温度，从而提高CPO区的CPO反 应器的效率。在一个实施例中，气态预混物可被预热至为大约300°C至大约500°C、特别地 为大约350°C至大约450°C、且更特别地为大约375°C至大约425°C (例如，大约400°C )的 温度。在某些实施例中，来自燃气轮机压缩机的高温的含氧气体滑流足以在预混合区中加 热燃料和氧气的混合物。在另一实施例中，可例如利用热交换器(如图2中所示)对燃料 滑流进行预热。现在转到图7，显示了燃料重整器系统400的另一示意图。图7显示了上面公开的 与催化剂区410成流体连通的预混合装置的一示例402。在这个实施例中，扩散器404设置 在预混合装置的下游和催化剂区410的上游。扩散器404构造成用于将气态预混物与催化剂屏蔽开。扩散器404还构造成用于保持离开预混合装置402的气态预混物速度与催化剂 区410的相比更高。从而，防止了来自催化剂区410的火焰向上游行进到预混合装置中。 催化剂区410还与CPO区420成流体连通。设置在CPO区420的下游的可为稀释 区(未显示)。来自预混合区402的气态预混物可被馈送越过设置于催化剂区410中的催 化剂。催化剂可构造成用于将空气和燃料转化成氢气和一氧化碳。催化剂区410可布置成 与管状的CPO区420的轴线同轴。CPO区420可包括合适的催化剂支撑材料的蜂窝状结构， 催化剂覆在该结构上；或者，该结构本身可包含催化剂。例如，CPO区可包括覆有催化剂的 陶瓷蜂窝状整体料(monolith)或覆有催化剂的金属蜂窝状物，或包含催化剂的陶瓷蜂窝 状整体料。CPO区的蜂窝状结构可包括多个由覆有催化剂的壁所分隔开的通道；并且，不局 限于蜂窝状结构。气态预混物可穿过这些通道，越过催化剂，从而开始反应以便转化成合成 气。催化剂可以是任何用于促进选择性部分氧化的合适的材料。催化剂的示例可包括但不 局限于钼、钯、铑、铱、钌、氧化铬、氧化钴、铯、镍、铁、氧化铝，或其组合，以及其它适用于促 进部分氧化的类似的催化剂。CPO区420构造成用于提供从燃料中产生所期望的氢气浓度所需要的停留时间。 气态预混物流过催化剂区410的催化剂系统，并且该预混物以热和/或催化的方式被转化。 在CPO区420中在存在催化剂的条件下气态预混物的烃类燃料被空气部分地氧化以产生反 应产物气体，包括氢气、一氧化碳、水、二氧化碳、和未燃烧的烃类燃料。在所形成的合成气 于稀释区中被冷却和稀释之前，CPO区420还提供时间以使该部分氧化反应继续。在以下 的反应1-3中指出了越过催化剂区410中的催化剂、以及进一步在CPO区420中所发生的 主要的反应:CH4+V202 = C0+2H2 ； (1)C0+V202 = C02(2)H2+7202 = H2O(3)反应以甲烷(CH4)、即天然气的主要成分来示出。在其它实施例中，在燃料重整器 系统中其它类型的燃料可被采用，且其将依赖于在其中合成气被生成的燃气轮机系统。其 它燃料示例可包括但不局限于天然气、甲醇、乙醇、乙烷、液化石油气(LPG)、石脑油、典型 地为直馏石脑油或裂化石脑油(例如，举例而言，轻石脑油(Iightnaphthas)、全馏程石脑 油或甚至重石脑油)、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、气油(gas oil)、原油、氧化的碳氢化合物原料(oxygenated hydrocarbon feedstock)、精炼厂废气 (refineryoff gas)、伴生气(associated gas)、及其组合等等。另一方面，由CPO反应所得 到的合成气典型地包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、以及蒸汽。在一个实施例中，合成气还可 包括少量的氮气(N2)。在某些实施例中，合成气还可包括未反应的燃料。所公开的系统中 所使用的氧化剂可包括任何合适的含有氧气的气体，例如，举例而言，空气、富氧空气、或氧 贫化的(oxygen-d印leted)空气等等。如上面提到的那样，当将蒸汽添加至燃料和氧气中时，至合成气的 反应还可包括传统的蒸汽重整。在这种情况下，天然气遵循如下提到的反 应⑷和(5)被转化成氢气。CH4+ H2O O CO+ 3 H2(4) CO + H2O ο CO2+H2 (5)燃料重整器系统中的充分地(substantially)预混合的反应物的燃烧和转化导 致了紧凑的CPO区420，其实现了 CPO区中的接近平衡的组成和可忽略的固态碳的生成。 形成于CPO区420中的合成气然后可向下游行进至稀释区(如图3中所示)。稀释区构造 成用于在反应之后冷却合成气，并用燃气轮机燃料稀释合成气。基于燃料混合物的总的干体积(dry volume)，稀释区中所形成的氢富化的燃料混合物可具有大约25干体积百分比 (vol%)至45vol%的氢气浓度。如上面提到的那样，在期望更高的氢气浓度的情况下，在 CPO区之后可有利地采用WGS反应器，以提高合成气的氢气含量。
现在返回参看图3，氢富化的燃料混合物被从燃料重整器系统12向下游地馈送至 燃气轮机预混合器16。氢富化的燃料混合物可有助于降低稀薄熄灭点以及有助于控制燃气 轮机的燃烧动态特性。燃料重整器系统提供氢富化的燃料混合物，其可提供一种途径，用于 在没有稀薄熄灭或燃烧动态特性的条件下在燃气轮机系统的燃烧器中取得持续的稀薄的、 预混合或部分地预混合的火焰。因此，燃料合成气混合物与剩余的燃料一起被馈送至燃气 轮机的预混合器。图8是示例性的燃气轮机燃烧器500的示意性的横截面图。燃烧器500 包括燃烧器壳体502和设置在壳体502内的燃烧器衬套(liner)504。在运行中，可将燃料 流506 (其可包括来自燃料重整器系统的氢富化的混合物)引入至燃烧器并使其与经由预 混合装置(例如之前的图中任意者中所显示的那些)自压缩机而来的更多氧气508预混 合。预混合装置可被设置于壳体502内的燃气轮机预混合区域510内。在所示出的实施例 中，燃料流506通过预混合器而被预调节。燃料和氧气在燃烧室512中在高的温度和压力 下燃烧。已燃烧气体被燃烧器500的收敛形状所压缩，并向涡轮(未显示)行进，在该处， 使用来自压缩气体的膨胀的能量来驱动涡轮。涡轮可连接在发电机上，该发电机构造成用于从燃气轮机产生电。在某些实施例 中，可采用引火火焰(例如具有相对地低的预混合程度的燃料喷嘴)以用于在起动期间引 进火焰并用于确保燃烧室512中的稳定的燃烧。应该注意的是，当合成气存在时，充分地预 混合的燃料和氧气的燃烧可导致减少的NOx的生成，改善的火焰稳定性、以及提高的燃料效率。本文所公开的范围是包含性和可组合的(例如，“高达大约25%重量)，或 者，更特别地，大约5wt%至大约20wt%”的范围包含“大约5wt%至大约25wt%”的范围 的端点以及所有中间值，等等)。“组合”包含掺和物、混合物、合金、反应产物等等。此外， 用语“第一”、“第二”等等在本文并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元素与 另一元素区分开，并且用语“一”和“一种”在本文并不表示数量的限制，而是表示所指对象 (item)中的至少一个的存在。结合数量而使用的修饰语“大约”包含所声明的值，并且具有 由上下文所定的含义(例如，包括与该特定数量的测量相关联的误差度)。本文使用的复数 形式“(多种)”意图包括其所修饰的要素的单数和复数，从而包括一个或多个该要素(例 如，“(多种)着色剂”包括一种或多种着色剂)。整个说明书中对“一个实施例”、“另一实 施例”、“一实施例”等等的提及都意味着结合该实施例所描述的特定元素(例如，特征、结构 和/或特性)都包含在本文所描述的至少一个实施例中，并可存在或者不存在于其它实施 例中。另外，应该懂得，所描述元件可在多种实施例中以任何合适的方式组合。虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是应该懂得，可作出各种变化，并且等 效物可替代其元素，而不会脱离本发明的范围。另外，可作出许多修改以使特定的情形或材 料适应于本发明的教导而不会脱离本发明的本质范围。因此，所意图的是，本发明并不局限 于作为被构思用于实现本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，而是，本发明将包括落 在所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种燃气轮机系统(10)，包括燃料入口，其构造成用于接收燃料流(18)； 氧气入口，其构造成用于引入第一含氧气体(32，130)； 燃料重整器系统(12)，其包括预混合区(34，110)，其构造成用于在预混合装置(200，300，402)中将所述燃料流的第 一部分(30，121)与所述含氧气体混合以形成气态预混物(138)；扩散器(404)，其设置成在所述预混合区的下游并与之成流体连通，其中，所述扩散器 构造成用于在所述预混合区和催化部分氧化区之间提供热屏蔽；催化部分氧化区(40，114，420)，其设置成在所述预混合区的下游并与之成流体连通， 并且构造成用于接收所述气态预混物，其中，所述催化部分氧化区包括催化剂组合物，其构 造成用于使所述燃料和氧气发生反应，以便从所述气态预混物产生合成气(42，126)；和稀释区(116)，其设置成在所述催化部分氧化区的下游并与之成流体连通，并且构造成 用于将所述合成气混合到所述燃料流的第二部分(124)中，以形成燃料混合物(48，136)； 燃气轮机预混合器(16)，其构造成用于将来自燃气轮机压缩机(14)的第二含氧气体 (128)与所述燃料混合物相混合；和燃气轮机燃烧器(20，500)，其构造成用于燃烧所述燃料混合物。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述预混合区(34)包括预混合装置 (206，300)，所述预混合装置(206，300)包括构造成用于为所述燃料流第一部分(30，121) 提供旋流运动的多个旋流叶片(306)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，还包括蒸汽入口，其构造成用于将蒸 汽(36)引入至所述预混合区(34)。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，还包括热交换器(38)，其设置成在所 述催化部分氧化区(40)的下游并与之成流体连通，其中，所述热交换器构造成用于同时地 冷却所述合成气(42)和预热所述燃料流(18)的第一部分(30)。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，还包括水煤气变换反应器(44)，其设 置成在所述催化部分氧化区(40)的下游并与之成流体连通，其中，所述水煤气变换反应器 构造成用于提高所述合成气(42)的氢气含量。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，还包括控制阀(122)，以便根据所述 催化部分氧化区(114)的氧碳比而控制所述第一含氧气体的体积流率。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，还包括控制阀(120)，用于控制所述 燃料流(18)的第一部分(121)的体积流率。
8.一种运行燃气轮机系统(10)的方法，其包括将燃料流(18)的第一燃料部分(30，121)引入到燃料重整器系统(12)的预混合区 (34，110)中；在预混合装置(206，300)中将第一含氧气体(32，130)引入至所述第一燃料部分，以促 进所述第一燃料部分与所述第一含氧气体的预混合，从而形成气态预混物(138)； 通过催化部分氧化而使所述气态预混物发生反应以形成合成气(42，126)； 将所述合成气引入到所述燃料流的第二燃料部分(124)中，以形成燃料混合物(48， 136)；在燃气轮机预混合器(16)中使所述燃料混合物与第二含氧气体(134)相混合；且 在燃气轮机燃烧器(20，500)中燃烧所述燃料混合物。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将蒸汽(36)引入到所述预混合区 (34)中和使所述蒸汽与所述第一燃料部分(30)组合，其中，所述组合进一步与所述第一含 氧气体(32)组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括通过水煤气变换反应而提高所述 合成气(42)的氢气含量。
全文摘要
本发明涉及一种预混合催化部分氧化式燃料重整器，具体而言，一种燃气轮机系统包括燃料入口；氧气入口；包括预混合区、扩散器、催化部分氧化区和稀释区的燃料重整器系统，预混合区用于在预混合装置中使燃料流的第一部分与含氧气体相混合以形成气态预混物，扩散器用于在预混合区和催化部分氧化区之间提供热屏蔽，催化部分氧化区用于接收气态预混物，其中，催化部分氧化区包括催化剂组合物，其用于使燃料和氧气发生反应以产生合成气，并且，稀释区用于将合成气混合到燃料流的第二部分中以形成燃料混合物；用于使来自燃气轮机压缩机的第二含氧气体与燃料混合物相混合的燃气轮机预混合器；以及用于燃烧燃料混合物的燃气轮机燃烧器。
文档编号F02C7/22GK102032050SQ20101000527
公开日2011年4月27日 申请日期2010年1月8日 优先权日2009年1月9日
发明者J·M·海恩斯, R·B·沃森, 刘科 申请人:通用电气公司