用于燃烧含钒燃料的系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于燃烧含钒燃料的系统和方法，所述系统构造为有利于防止五氧化二钒（V2O5）的形成，并减少废气中的三氧化二钒（V2O3）和四氧化二钒（V2O4）粒子中的至少一者的浓度。所述燃烧系统包括含钒燃料供应和燃烧器。所述燃烧器构造为产生包含三氧化二钒（V2O3）和/或四氧化二钒（V2O4）粒子的燃烧器废气，并燃烧包含含钒燃料、环境空气、和所述燃烧器废气的一部分的减少氧的混合物。所述燃烧系统也包括粒子分离器，所述粒子分离器构造为从所述燃烧器废气中去除基本上全部V2O3和/或V2O4粒子。本发明也提供了一种用于燃烧燃料的方法和一种发电系统。
【专利说明】用于燃烧含钒燃料的系统和方法
【技术领域】
[0001]本说明书公开的主题涉及燃烧含钒燃料，更特别地涉及用于燃烧燃气涡轮发动机中的含f凡燃料(vanadium-containing fuels)而不使用燃料添加剂的系统和方法。
【背景技术】
[0002]石油燃料中的钒浓度为在馏分燃料中的小于0.5ppm至在次等燃料中的高达400ppm。次等燃料为便宜的燃料，且理想用于燃气涡轮发动机中。然而，与在燃气涡轮发动机表面上的含钒沉积物相关的腐蚀问题限制了更便宜的次等燃料的使用。在燃烧过程中，钒形成钒氧化物(包括五氧化二钒(V2O5)),其对燃气涡轮发动机构件具有高度腐蚀性作用。
[0003]目前的实践为使用诸如镁添加剂的钒氧化物抑制剂处理次等燃料，所述钒氧化物抑制剂将钒污染物转化为固体钒酸镁，从而在涡轮叶片上产生固体非腐蚀性灰沉积物。尽管这些灰沉积物为非腐蚀性的，但沉积物可能不利于燃气涡轮发动机操作。镁作为添加剂使用导致这些灰状沉积物在内部燃气涡轮发动机部件上累积，这需要周期性关闭和清洁燃气涡轮发动机以去除沉积物。在一些情况中，燃气涡轮发动机可需要每周关闭并在水洗过程中清洗。除了短的废物清洗循环之外，具有高点火温度的更高效率的燃气涡轮发动机可能依赖于通过将空气注入经过这些部件的表面的喷嘴和容器的冷却。固体钒酸镁沉积物可堵塞空气冷却端口并导致过热。因此，能够以清洁的馏分燃料高效操作的燃气涡轮发动机通常降级用于以次等含钒燃料操作。因此，希望在燃烧次等含钒燃料时减少V2O5的形成而无需使用镁添加剂，并从废气中去除以较低氧化态存在的钒氧化物。
【发明内容】
[0004]在一方面，本发明提供了一种燃烧系统。所述燃烧系统包括供应至燃烧器的含钒燃料。所述燃烧系统也包括构造为燃烧减少氧的混合物(reduced-oxygen mixture)的至少一个燃烧器，由此有利于防止V2O5的形成，所述减少氧的混合物包含含钒燃料、环境空气、和燃烧器废气的至少一部分。所述燃烧器进一步构造为产生包含V2O3和V2O4粒子中的至少一者的燃烧器废气。所述燃烧系统也包括粒子分离器，所述粒子分离器构造为从燃烧器接收燃烧器废气。所述粒子分离器进一步构造为从所述燃烧器废气中去除基本上全部的V2O3粒子、和/或V2O4粒子。
[0005]在另一方面，本发明提供了一种用于燃烧燃料的方法。所述方法包括将含钒燃料导入到至少一个燃烧器。所述方法也包括将燃烧器废气的至少一部分导入到所述至少一个燃烧器以产生减少氧的混合物。另外，所述方法包括在所述至少一个燃烧器中燃烧所述减少氧的混合物，以产生包括V2O3粒子和四氧化二钒V2O4粒子中的至少一者的燃烧器废气，其中燃烧所述减少氧的混合物有利于防止五氧化二钒V2O5的形成。所述方法还包括将所述燃烧器废气导入到粒子分离器，并从所述燃烧器废气中去除基本上全部的V2O3粒子、和/或V2O4粒子。
[0006]从所述燃烧器废气中去除基本上全部的V203粒子和V204粒子的步骤还包括在金属基材和陶瓷基材中的至少一者上形成至少一层吸收材料。所述吸收材料包括二氧化钛(Ti02)、氧化铝(A1203)、二氧化锆(Zr02)、二氧化硅(Si02)、沸石、修补基面涂层和中间层中的至少一者。
[0007]在另一方面，本发明提供了一种发电系统。所述发电系统包括至少一个燃气涡轮发动机和供应至所述燃气涡轮发动机的含钒燃料。所述燃气涡轮发动机包括可旋转轴、至少一个燃烧器、至少一个压缩机和连接至所述可旋转轴的至少一个涡轮机。所述燃烧器构造为燃烧含钒燃料、空气和燃气涡轮发动机废气中的至少一部分的减少氧的混合物，由此有利于防止V2O5粒子的形成。另外，所述燃烧器构造为产生含有V2O3和V2O4粒子中的至少一者的燃烧器废气。所述涡轮机在所述燃烧器的下游连接，并构造为从所述燃烧器废气接收和提取能量，并排放涡轮机废气。此外，所述发电系统也包括粒子分离器，所述粒子分离器构造为从所述燃烧器废气和所述涡轮机废气中的至少一者中去除基本上全部的V2O3和V2O4粒子。
[0008]所述粒子分离器设置于所述至少一个涡轮机的上游。
[0009]所述至少一个压缩机包括与所述至少一个燃烧器的上游流体连通联接的主要空气压缩机，所述主要空气压缩机构造为压缩环境空气，并将经压缩的环境空气排放至所述至少一个燃烧器。所述至少一个压缩机还包括与所述主要空气压缩机的下游和所述至少一个燃烧器的上游流体连通联接的增压压缩机，所述增压压缩机构造为进一步压缩所述经压缩的环境空气。
[0010]所述系统还包括废气再循环(EGR)系统，所述废气再循环(EGR)系统构造为将所述涡轮机废气中的至少一部分导入所述至少压缩机。
[0011]所述粒子分离器还可设置于所述至少一个涡轮机的下游。
[0012]所述系统还包括与所述粒子分离器的下游流体连通联接的热回收蒸汽发生器(HRSG)，所述HRSG构造为接收所述涡轮机废气以用于产生蒸汽。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为构造用于燃烧含钒燃料的示例性燃烧系统的示意图。
[0014]图2为图1的示例性燃烧系统的另一示例性燃烧系统的示意图。
[0015]图3为用于减少在图1的示例性燃烧系统的燃烧器废气中的三氧化二钒(V2O3)和四氧化二钒(V2O4)粒子中的至少一者的浓度的方法的流程图。
[0016]图4为包括至少一个燃气涡轮发动机的示例性发电系统的示意图，所述至少一个燃气涡轮发动机使用图1的示例性燃烧系统燃烧含钒燃料。
[0017]图5为图4的示例性发电系统的另一示例性发电系统的示意图。
[0018]图6为图4的示例性发电系统的另一示例性发电系统的示意图。
[0019]图7为图4和6的不例性发电系统设置的另一不例性发电系统的不意图。
[0020]图8为图4、5和6的不例性发电系统设置的另一不例性发电系统的不意图。
[0021]图9为图4、7和8的示例性发电系统设置的另一示例性发电系统的示意图。
[0022]图10为图4和7的示例性发电系统设置的另一示例性发电系统的示意图。
[0023]图11为图4、7和10的示例性发电系统设置的另一示例性发电系统的示意图。
[0024]图12为图4、5和10的示例性发电系统设置的另一示例性发电系统的示意图。[0025]图13为图4、11和12的示例性发电系统设置的另一示例性发电系统的示意图。
[0026]尽管各个实施例的特定特征可能在一些附图中而不在其他附图中显示，但这仅是为了方便。任何附图的任何特征可结合任何其他附图的任何特征参考和/或要求保护。
【具体实施方式】
[0027]本说明书描述的特征、功能和优点可在本公开的各个实施例中独立地实现，或者可在其他实施例中组合，进一步的细节可参照如下说明书和附图发现。如本说明书所用，以单数描述且前面具有词语“一个”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确指明这种排除。此外，对“一个实施例”的指代不旨在被解释为排除也引入所述特征的另外的实施例的存在。另外，除非明确相反指出，否则“包含”、“包括”或“具有”一个或多个具有特定性质的元件的实施例可包括另外的不具有所述性质的这种元件。
[0028]如在以下说明书和权利要求书中所用，可使用大概的语言来修饰可能变化的任何定量表示，而不会导致其相关的基本功能的改变。因此，由一种或多种术语(如“大约”、“约”和“基本上”)修饰的值不局限于所指出的精确值。在至少一些情况中，大概的语言可对应于用于测量值的仪器的精密度。在以下说明书和权利要求书中，除非上下文或语言另外指出，否则范围限定可进行组合或相互交换；这样的范围被确定并包括包含于其中的所有子范围。
[0029]本说明书所述的系统和方法涉及燃烧次等含钒燃料而不使用钒氧化物抑制剂(inhibitors),如镁添加剂。在燃烧次等含钒燃料的燃烧系统中，提供本发明的系统和方法以用于在废气中产生固体三氧化二钒(V2O3)和/或四氧化二钒(V2O4)粒子，以从废气中去除V2O3和V2O4粒子，并有利于在废气中防止五氧化二钒(V2O5)的形成。产生V2O3和V2O4且同时限制V2O5的形成是所期望的，因为前两种氧化物V2O3和V2O4可被认为是耐火氧化物(熔点超过3450华氏度(° F))。然而，V2O5的熔点为约1270° F。因此，V2O5在典型的燃气涡轮发动机操作温度下为液体，并对发动机构件具有高度腐蚀作用。
[0030]在一个示例性燃烧系统中，将来自燃烧系统的废气的一部分循环至燃烧系统的入口中，然后在被引入到燃烧系统的燃烧器之前与环境空气混合。作为结果，用于燃烧的混合物具有比环境空气更低百分比的氧气。该减少氧的气体在燃烧器中使用含钒燃料燃烧，从而产生基本上不含氧的废气。另外，废气中二氧化碳(CO2)的百分比更高，因为废气的一部分被循环至燃烧系统入口，这促进了下游的CO2分离过程。在废气循环至燃烧系统入口之前，使废气经过钒氧化物粒子分离器以去除固体钒氧化物，如V2O3和V204。该分离过程将清洁的废气提供至燃烧系统入口，由此防止对燃烧系统的内部构件的损坏。
[0031]在如上示例性燃烧系统中，出乎意料地发现燃烧次等含钒燃料而不使用钒氧化物抑制剂(如镁添加剂)以及使用高比例的废气再循环(EGR)(大约30体积％至70体积％之间)有利于通过降低燃烧器中所燃烧的减少氧的混合物中的氧的百分比而防止V2O5的形成。通过产生基本上无氧的废气，即将废气中的氧浓度限制到少于1%的体积，已发现可停止V2O3和V2O4氧化反应至腐蚀性V2O5。
[0032]来自示例性燃烧系统的基本上无氧的废气可通过在燃烧器中基本上化学计量地燃烧而实现。即，含氧的新鲜空气供应可匹配燃料流，从而在化学计量的略微偏离之内进行燃烧。换言之，在燃烧器中混合的含钒燃料和空气的量可包括其中摩尔比略微偏离化学计量比的组成。
[0033]消除腐蚀性V2O5的形成允许使用含钒燃料而无需镁添加剂或其他钒氧化抑制剂，这转而允许示例性燃烧系统在更高的燃烧温度下操作，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)排放和增加废气中CO2的浓度(因此显著降低使用常规装置离析和分离CO2的难度和成本)。
[0034]图1为构造用于燃烧含钒燃料的一个示例性燃烧系统10的示意图。燃烧系统10包括构造为燃烧含钒燃料14的燃烧器12。燃烧系统10也包括构造为接收燃烧器废气的一部分18和环境空气20的流体传输装置16。流体传输装置16进一步构造为将所述燃烧器废气的一部分18和环境空气20导入到燃烧器12。燃烧器12构造为基本上化学计量地燃烧减少氧的混合物，所述减少氧的混合物包含含钒燃料14、环境空气20和燃烧器废气的一部分18，其中基本上全部的存在于燃烧器12中的氧被燃烧。所得燃烧器废气22可基本上不含氧，例如含有少于1%体积的氧。在一个实施例中，流体传输装置16为压缩机。在其他实施例中，流体传输装置16可为使燃烧系统10能够如本说明书所述起作用的任何装置。
[0035]在示例性实施例中，燃烧系统10还包括EGR系统26。EGR系统26包括钒氧化物粒子分离器24 (“(particle s印arator)粒子分离器”)，所述钒氧化物粒子分离器24构造为在燃烧器废气流过并接触粒子分离器24时，基本上去除存在于燃烧器废气22中的全部的V2O3粒子和V2O4粒子。当燃烧器废气22从粒子分离器24离开时，其可分为至少两个部分。燃烧器废气的一部分18被循环至流体传输装置16。在一个实施例中，废气的剩余部分28被释放至大气；而在另一实施例中，废气的剩余部分28被送至CO2分离单元(未显示)以在被释放至大气之前分离CO2。
[0036]EGR系统26可与燃烧系统10 —起使用，以在燃烧系统10的燃烧器废气22中获得更高浓度的CO2,并限制燃烧器废气22中V2O5的形成。V2O5的形成可通过减少在燃烧器12中燃烧的减少氧的混合物中的氧含量百分比而停止，因为环境空气20与包括降低的氧含量的燃烧器废气的一部分18混合。另外，EGR系统26可用于增加燃烧器废气22中的CO2含量。如上所述，在一个实施例中，废气的剩余部分28被引导至CO2分离单元。可使用任何CO2分离技术，例如胺处理、PSA、膜等。在分离之后，可将富含CO2的气体引导至CO2调节系统(包括CO2压缩系统)。来自燃烧系统10的燃烧器废气22中CO2浓度的增加提高了 CO2分离过程的效率。在一些实施例中，燃烧器12中燃烧的减少氧的混合物中的氧含量为大约14%体积至大约16%体积之间，并且来自燃烧器12的燃烧器废气22中的氧含量为大约0%体积至大约1%体积之间。该低含量的氧导致有利于防止V2O5的形成，并将燃烧器废气22中的CO2浓度增加直至大约10%体积。
[0037]图2为图1的示例性燃烧系统10的另一示例性燃烧系统100的示意图。如参照图1所述，在一个实施例中，热交换器30可流体连通地连接至EGR系统26，并构造为接收燃烧器废气的一部分18。可提供热交换器30，以将所述燃烧器废气的一部分18的温度降低至大约60华氏度(° F)至约160° F之间的范围。热交换器30可被引入在粒子分离器24的下游的任何位置的EGR系统26中。可选择地或同时地，鼓风机32可流体连通地连接至EGR系统26。在一些实施例中，鼓风机32可位于在热交换器30的上游的EGR系统26中。在其他实施例中，鼓风机32可位于在热交换器30的下游的EGR系统26中。鼓风机32可构造为在将所述燃烧器废气的一部分18经由EGR系统26被递送进入流体传输装置16之前增加所述燃烧器废气的一部分18的压力。
[0038]图3为用于减少在图1的示例性燃烧系统10的燃烧器废气中的三氧化二钒(V2O3)和四氧化二钒(V2O4)粒子中的至少一者的浓度的方法200的流程图。在操作示例性燃烧系统10的过程中，将含钒燃料导入到至少一个燃烧器中202。燃烧器废气的至少一部分18也从流体传输装置16被导入到燃烧器12，以有利于在燃烧器内产生减少氧的混合物204。此夕卜，流体传输装置16可将环境空气20导入到燃烧器12中。或者，环境空气20可通过主要空气压缩机被导入到燃烧器12。在另一实施例中，增压压缩机可接收来自主要空气压缩机的环境空气20，并在将环境空气20导入燃烧器12之前进一步压缩环境空气20。
[0039]另外，在操作示例性燃烧系统10的过程中，将燃烧器12中的减少氧的混合物燃烧而产生燃烧器废气22，所述燃烧器废气22包含V2O3粒子和V2O4粒子中的至少一者206。在一个实施例中，减少氧的混合物的燃烧基本上化学计量地进行，以产生燃烧器废气22。所得燃烧器废气22可基本上不含氧，例如含有少于1%体积的氧。该低含量的氧导致有利于防止V2O5的形成，并将燃烧器废气22中的CO2浓度增加直至大约10%体积。
[0040]此外，在示例性燃烧系统10的操作过程中，将燃烧器废气22导入粒子分离器208。所述粒子分离器从燃烧器废气中去除基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子210。当燃烧器废气22流过并接触粒子分离器24时，完成存在于燃烧器废气22中的基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子的去除。
[0041]粒子分离器24可用于从燃烧器废气22和涡轮机废气36中的至少一者中分离和去除钒氧化物粒子(如V2O3和V2O4)(通常参见图4-13)，其之前未用于(或甚至提出(据 申请人:所知))与燃烧含钒燃料14的燃气涡轮发动机一起使用，主要是因为处理钒氧化物(如腐蚀性V2O5)的努力已集中于使用抑制剂(如镁添加剂)预处理含钒燃料14以将钒污染物转化为固体fL酸镁。
[0042]在示例性燃烧系统中，粒子分离器24通常位于燃烧器12的下游。粒子分离器24可通常包括金属或陶瓷基材。所述基材可包括任何合适的结构，如整体料、蜂窝状单元、填充床、网状泡沫、长管道、多个管道、网格或筛网、圆柱形、板等。所述基材可由高温材料(如金属合金、陶瓷等)组成或制得。所述基材的结构可通常由吸收材料涂布，所述吸收材料操作用以从废气中提取钒氧化物V2O3和V204。例如，基材可包括具有包括涂布有吸收材料的蜂窝状单元的横截面的圆柱体。
[0043]在其他实施例中，粒子分离器24的位置可变化。在一个实施例中，粒子分离器24可包括直接施用至位于涡轮机46与HRSG52 (见图4)之间的排气管(未显示)的吸收材料。在另一实施例中，例如，在某些操作条件下、并取决于燃气涡轮发动机40内不同的点处的温度，可能期望将粒子分离器24设置于涡轮机46的上游的燃气涡轮发动机内，而不是使用分开的下游粒子分离器。在另一实施例中，粒子分离器24可位于燃烧器12内。在某些实施例中，燃烧系统可包括多个粒子分离器24，例如，在燃烧器12中的第一粒子分离器、在涡轮机46的下游的第二粒子分离器等等。
[0044]可用于从燃烧废气22中提取钒氧化物粒子(如V2O3和V2O4)的吸收材料的类型可基于所用的含钒燃料的类型而变化。所述吸收材料可包括任何合适类型的涂料，例如诸如如下的成分:二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)(有时称为氧化锆)、二氧化硅(Si02)、沸石、修补基面涂层、中间层，以及如氧化铝、石英的其他金属氧化物和硝酸盐，它们的共混物等。如下表1列出了在可单独用作或以各种组合一起用作一种或多种吸收材料的一些但非全部的可能合适的材料。
[0045]
【权利要求】
1.一种燃烧系统，其包括: 含钒燃料供应； 至少一个燃烧器，所述至少一个燃烧器构造为: 产生包含三氧化二钒(V2O3)粒子和四氧化二钒(V2O4)粒子中的至少一者的燃烧器废气；并 燃烧减少氧的混合物，并因而有利于防止五氧化二钒(V2O5)粒子的形成，所述减少氧的混合物包括含钒燃料、环境空气、和所述燃烧器废气的至少一部分；以及 粒子分离器，所述粒子分离器构造为接收所述燃烧器废气并从燃烧器废气中去除基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粒子分离器包括至少一层在金属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钛(Ti02)、氧化铝(A1203)、二氧化锆(Zr02)、二氧化硅(Si02)、沸石、修补基面涂层和中间层中的至少一者O
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个燃烧器进一步构造为用于基本上化学计量的燃烧。
4.根据权利要求1所述的系统，其还包括废气再循环(EGR)系统，所述废气再循环(EGR)系统构造为将所述燃烧器废气的至少一部分导入到所述燃烧器。
5.根据权利要求4所述的系统，其还包括与所述至少一个燃烧器流体连通联接的至少一个流体输送装置，所述至少一个流体输送装置构造为将环境空气和所述燃烧器废气的至少一部分中的至少一者导入到所述至少一个燃烧器。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述EGR系统包括至少一个热交换器，所述至少一个热交换器与所述粒子分离器的下游流体连通地联接，并构造为从所述燃烧器废气的至少一部分中去除至少一部分热能。
7.一种用于燃烧燃料的方法，其包括: 将含钒燃料导入至少一个燃烧器； 将燃烧器废气的至少一部分导入到所述至少一个燃烧器，以产生包括含钒燃料、环境空气、和燃烧器废气的至少一部分的减少氧的混合物； 在所述至少一个燃烧器中燃烧所述减少氧的混合物，以产生包含三氧化二钒(V2O3)粒子和四氧化二钒(V2O4)粒子中的至少一者的燃烧器废气，其中燃烧所述减少氧的混合物有利于防止五氧化二钒(V2O5)粒子形成； 将所述燃烧器废气导入粒子分离器；以及 从所述燃烧器废气中去除基本上全部的V2O3粒子和V2O4粒子。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，燃烧所述减少氧的混合物基本上化学计量地进行，以产生基本上不含氧的燃烧器废气。
9.根据权利要求7所述的方法，其还包括将环境空气导入具有主要空气压缩机的所述至少一个燃烧器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述导入环境空气的步骤包括组合环境空气与在所述主要空气压缩机的上游的所述燃烧器废气的至少一部分。
【文档编号】F02C3/22GK103850799SQ201310628965
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】A.M.埃尔卡迪, S.H.A.穆罕默德, N.D.乔世, H.卡林, G.O.克雷默, S.D.德雷珀, A.拉曼 申请人:通用电气公司