使用OH基形成及用氢燃料分级和稀释剂添加以减小氧燃料烃燃烧系统中的CO和O₂排放的制作方法

专利名称：使用OH基形成及用氢燃料分级和稀释剂添加以减小氧燃料烃燃烧系统中的CO和O₂排放的制作方法
技术领域：
本发明涉及在发电厂中使用的气体和液体燃料涡轮发动机，并且特别地涉及用于工业燃气涡轮发动机中的改进燃烧器设计，所述燃烧器使用氢燃料分级(staging)和稀释剂给料提供减小的二氧化碳和氧排放以便控制OH基的形成和燃烧废气(exhaust)中的CO。
背景技术：
燃气涡轮发动机典型地包括压缩器部段、燃烧器部段以及旋转以生成电力的至少一个涡轮机。压缩器直接排出到燃烧器部段中，在所述燃烧器部段中烃燃料被喷射、混合并且燃烧以产生热能和动能。燃气通过通道进入并且通过涡轮机的一级或多级，所述涡轮机的一级或多级提取来自废气的旋转能量，所述旋转能量然后用于生成电力。 为了获得最大工作效率，燃气涡轮机燃烧系统(特别是使用“多罐(multiplecan) ”燃烧器设计的燃气涡轮机燃烧系统)在不同燃料组分、压力、温度和燃料/空气比率条件的宽范围上操作，优选地能够使用液体或气体燃料或燃料的组合(被称为“双火(dualfire) ”系统)。用于燃气涡轮机燃烧器中的许多候选烃燃料包含倾向于抑制燃烧和/或减小系统的能力和效率的有害污染物和/或其它过程的副产物。另外，许多现有的燃气涡轮机系统倾向于在略富模式(rich mode)下操作，即，略小于燃烧整个烃燃料混合物所必需的给料中的氧的精确化学计算量，导致燃料的至少一些不完全燃烧，并且因此导致一定量的一氧化碳和氧必然存在于废气中。因此，在常规燃气涡轮机系统中，燃烧产物总是包含由额定燃烧温度下的平衡化学(equilibrium chemistry)产生的CO和少量过量氧,甚至具有分解成CO和O2的一些CO2燃烧产物。另外，不能在多数燃气涡轮发动机中获得燃料和空气的完美混合，导致存在于给料中的一些氧不与烃燃料反应。因此，来自多数燃气涡轮机燃烧器(特别是多罐燃烧器)的最后产生的废气流主要包括N2和CO2,但是在设计上仍然包含残余量的CO和02，所述残余量的CO和O2最终必须在下游操作中被去除或反应以便保持期望的燃气涡轮机总效率。从常规燃气涡轮发动机的废气流去除过量的CO和O2的一种已知解决方案使用催化剂系统，其中燃烧产物穿过发动机的涡轮机部段并且然后穿过热回收蒸汽发生器(“HRSG”)，废气流的一部分由氧化催化剂处理，所述氧化催化剂在HRSG中的较低温度下改变CO和O2和CO2之间的平衡并且强制微量的CO和O2转化为CO2,导致更环境友好的废气流，即，具有CO2和更低的氧含量。然而为了使催化剂接近零氧和CO含量，足够量的CO必须存在以消耗废气中的所有02。考虑到多数燃气涡轮机操作的实际性(即，在每个燃烧器罐中的略富燃烧环境)，已知废气中的过量CO对总体发动机操作具有副作用，原因是CO的能含量(energycontent)将不完全被捕获，最终导致系统的效率惩罚。因此，在燃气涡轮机工业中最小化并且小心地控制由每个“罐”中的燃烧产生的废气流中的过量CO的量并且检测和控制离开燃烧器的CO含量已变得重要。
已知燃气涡轮机领域中的两个附加实际特性导致需要控制形成于涡轮机废气中的CO的量。首先，燃气涡轮发动机的燃料与空气的比率受到有限控制限制，原因是控制给送到每个燃烧器的燃料的精确量的能力仅仅是有限的。其次，单独的燃烧器可能用略微不同的燃料与空气的比率进行操作，导致在逐罐基础上的排放的微小变化。燃烧器的那些附加基本设计特征造成需要使用微小量的过量燃料以操作燃气涡轮发动机并且产生适量的CO，使得最终使用催化处理消耗和/或消除仍然存在于废气中的所有(或几乎所有)氧。在过去，难以控制在初始燃烧期间产生的CO的精确量，特别是在逐罐的基础上。因此，需要一种燃烧系统，当操作先进、高效燃气涡轮发动机时所述燃烧系统依赖于略富、但是足够稀(lean)的烃燃料和空气的混合物产生空气污染物(特别是CO)的低排放。也需要小心地预测并且控制在初始燃烧期间在每个罐中形成的CO的量，以便最大化整个发动机的工作效率，包括任何下游催化处理操作。本发明通过一种使用烃主导燃料(例如天然气乃至“双火”燃料系统)而减小并且控制“氧燃料(oxyfuel) ”型燃气涡轮机燃烧器中的CO和氧排放的新方法，以解决以上问 题。与常规系统中一样，烃燃料使用氧化剂(例如，空气和/或富氧给料)在每个燃烧器中燃烧。已发现可以通过喷射附加、临时量的下述一种或多种辅助给料流而改善整个燃烧动力学。附加临时喷射导致受控量的OH基的形成，这又有助于减小在初始燃烧期间形成CO和游离(free) O2的量。也就是说，由喷射产生的OH基与CO组合以产生附加CO2,由此在废气流离开燃烧器之前减小未反应的CO和氧的量。最后，废气中的CO和O2的去除改善了整个燃气涡轮发动机的总效率。如上所述，本发明在“富”燃烧系统(即，具有大于I. O并且优选地在I. O和I. I之间的Phi值)中提供特别的优点。富燃烧典型地在废气中留下很少的氧并且产生易于形成OH基(“链断裂”式反应)的废气环境。在靠近燃烧器头部的该位置产生的所得混合物倾向于增加OH基密度，这又依靠形成CO2的后续反应减小CO的量。具体地，通过喷射少量的游离氢，之后喷射氧化剂元素并且然后喷射稀释剂流(例如，氮)，由氢喷射形成的OH基与CO反应以形成二氧化碳，然后可以通过常规手段更容易地并且有效地去除二氧化碳。本发明也保证其它有害排放(特别是NOx)不超过预期和/或规定EPA排气限制。也就是说，本发明提供了一种使用预混燃烧给料的燃烧系统，其特征可以在于略富，但是具有足够稀的燃料/空气混合物以保证区域中的热NOx形成仍然是可忽略的。添加氢和氧化剂给料之后添加稀释冷却剂也足以满足燃气涡轮机的入口温度要求。本发明因此特别有利于涡轮机的入口温度要求过高以致于排除单独通过稀预混燃烧获得低热NOx排放水平的可能性的应用。通过提供一种用于燃气涡轮机的燃烧器以实现本发明的这些和其它优点，所述燃烧器包括以下基本特征，如下面结合图1-3更详细地所述。在燃烧器内的指定时间和位置，在预定目标位置、规定的时间段，以固定量将氢气喷射到燃烧器的头部中，之后再次以指定量、固定的持续时间喷射氧化剂组分。喷射的氢和氧化剂的精确量将取决于正形成的OH基的量，这又控制CO2的最终形成。游离氢可以直接被供应或作为远离燃气涡轮发动机的已知重整(reforming)技术的产物被供应。一旦使用附加氢和氧化剂实现燃烧产物的平衡，将特定量的稀释剂(包括二氧化碳)喷射到燃烧器中(或备选地喷射到燃烧器的略下游)以便控制废气的温度并且在废气流到达涡轮机之前保持CO2的形成。
在下面结合图2和3所述的示例性实施例中，以固定的持续时间并且以精确的量将游离氢定期地喷射到系统中，之后使用氧化剂组分，例如空气或富氧给料流。平衡喷射到燃烧器头部中的氢和氧化剂的量用于控制OH基的形成，这又控制任何剩余CO的量。氧化剂组分倾向于增加OH的形成，然后OH与系统中的游离CO反应以根据经验式形成二氧化碳C0+0H—CO2值得注意的是，没有已知的现有技术的方法依赖于氢和氧化物喷射以精确地控制燃烧器罐中的那点的CO形成，特别是为了将CO的量减小到期望的化学计算量。

发明内容
总之，本发明涉及一种用于减小氧燃料烃燃烧系统中的一氧化碳和氧排放的量的方法，所述方法包括以下步骤将限定量的烃燃料和氧化剂组分给送到典型地是在燃气涡轮发动机中发现的类型的一个或多个燃烧器中；点燃烃燃料和氧化剂的混合物以形成第一燃烧器废气流；在每个燃烧器的头部端部检测所述废气中的一氧化碳的量以便为了将游离·氢和补充氧化剂组分喷射到所述燃烧器中而确定在初始废气流的下游的一个或多个目标位置。两种喷射的组分用于减小保留在废气中的二氧化碳和氧的量，并且因此喷射的氢和氧化剂组分的量可以取决于一氧化碳的检测量而变化。进一步的，还包括以下步骤在所述第一燃烧器废气流的更远下游的点将稀释剂喷射到所述燃烧器中。进一步的，还包括以下步骤控制在所述稀释剂的喷射点的废气流的温度。进一步的，所述排放物包括一氧化碳和氧。进一步的，所述稀释剂包括二氧化碳。进一步的，将限定量的所述烃燃料和所述补充氧化剂给送到一个或多个燃烧器的所述步骤导致大于I. O的Phi值。进一步的，喷射到所述燃烧器中的所述氢的量是初始烃燃料给料的质量的大约1/10。进一步的，所述氧燃料烃燃烧系统包括多个燃烧器。进一步的，所述稀释剂以足够的量喷射到所述燃烧器中以阻止在所述氢喷射之后
进一步形成一氧化碳。进一步的，喷射所述氢和所述补充氧化剂的所述步骤导致形成足够量的OH基以通过与所述补充氧化剂反应形成CO2而减小CO的量。进一步的，所述氧化剂包括空气。进一步的，根据以下相关时间段进行氢、补充氧化剂和稀释剂的所述喷射氢2X ；补充氧化剂5X ;以及稀释剂6X，其中X是以毫秒计的喷射时间段。进一步的，氢、补充氧化剂和稀释剂的所述喷射的持续时间、量和频率控制燃烧器头部的紧接下游的OH基形成。本发明也预料到将固定量的稀释剂组分在初始废气流的更远下游的点喷射到一个或多个燃烧器中以便控制特别是与CO至CO2的转化相关的温度。已发现该方法在富操作系统(即，Phi值大于I. O的系统)中特别有益，其中一定量的一氧化碳固有地由初始燃烧反应产生。
本发明也包括一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括以下基本元件气体压缩器；多个燃烧器；涡轮机，所述涡轮机由来自所述燃烧器的膨胀废气驱动；用于所述燃烧器的初级燃料回路；用于将烃燃料和空气给送到每个燃烧器的装置；用于一个或多个所述燃烧器中的补充燃料回路，所述补充燃料回路由用于将附加氢和氧化剂组分给送到所述燃烧器中的多个氢和氧化剂喷射喷嘴限定；布置在废气流中的一氧化碳传感器；以及反馈控制器，所述反馈控制器用于确定并且控制减小存在于废气中的一氧化碳和氧的水平所必需的附加氢的量。进一步的，还包括用于将稀释剂喷射到所述燃烧器的废气流中以控制所述废气流的温度的装置。进一步的，所述反馈控制环包括布置在所述燃烧器的废气流中的一个或多个一氧化碳传感器。进一步的，所述反馈控制环包括布置在所述燃烧器的废气流中的一个或多个OH 基检测器。进一步的，所述氢喷射喷嘴给送等于给送到所述燃烧器的所述烃燃料的质量的大约1/10的氢的量。进一步的，所述燃气涡轮发动机还包括用于将稀释剂喷射到所述多个燃烧器中的
>J-U ρ α装直。进一步的，所述稀释剂包括C02。


图I是使用已知的烃燃料(例如天然气)、但是没有补充氢、氧化剂或稀释剂喷射的本领域中已知的常规燃烧系统的示意图；图2是根据本发明的示例性实施例构造的燃气涡轮机的预混燃烧器形成部分的横截面图；以及图3是简化的质量流量分布图，其示出了在本发明的示例性实施例中使用的氢、氧化剂和稀释剂组分的喷射动力学(包括喷射时间、持续时间和流率)。
具体实施例方式如上所述，燃气涡轮发动机典型地包括压缩器部段、燃烧部段和涡轮机部段，其中压缩器部段由涡轮机通过公共轴连接驱动。燃烧部段名义上包括多个周向间隔燃烧器的圆形阵列，燃料/空气混合物在每个燃烧器中燃烧以产生气体的热能量流，所述气体的热能量流流动通过用于将气体引导到涡轮机部段的涡轮机叶片的过渡件。在共同拥有的美国专利第5，259, 184号中描述了常规燃烧器。为了本描述的目的，仅仅不出了一个燃烧器，但是应当理解围绕涡轮机布置的所有其它燃烧器将大致类似于图I中所示的燃烧器。当结合图1-3使用时，术语“氧燃料”表示燃烧系统使用天然气(或其它烃燃料)和氧(例如，环境空气给料)。当在本说明书中使用时，“稀释剂”表示空气、0)2和/或倾向于将燃烧器废气温度减小到在上述的初始氢喷射之后抑制附加CO形成的点的其它给料(包括氮)。当在本说明书中使用时，术语“毫秒”表示用于将给料喷射到燃烧器的以毫秒计的时间段。提及“第1.10”表示相比于基本燃料给送量(例如，天然气)而给送到燃烧器的氢的比率。字母“Μ”表示CO的形成的预测率(基于建模)。图1-3示出了本发明的主要方面。如上所述，通过平衡氢和氧化剂喷射到燃烧器中的流率、位置和定时，可以减小每个燃烧器的废气中的CO的量。在喷射时，氢和氧化剂在非平衡反应中反应以形成OH基，OH基又与在初始燃烧期间形成的CO反应以形成C02。二氧化碳不被认为是污染物并且可以通过下游催化操作更容易地从系统去除。尽管残余量的氧可能已经存在于燃气中，但是附加氧化剂组分有助于使用OH基促进CO至CO2的反应。参见附图，图I描绘了本领域中已知的常规燃气涡轮发动机的一般性示意图，但是没有出现附加喷射以改善燃烧器的性能，如本说明书中所述。燃气涡轮发动机10典型地包括气体入口 12，以用于将初始氧化剂(例如，环境空气)给送到压缩器部段14、燃烧部段
16、涡轮机部段18、由膨胀燃气驱动的动力涡轮机部段20和废气22。名义上，受控量的烃燃料(例如天然气)直接给送到燃气涡轮机燃烧器中，在所述 燃气涡轮机燃烧器中它被点火并且产生热能。从燃烧器离开的废气驱动燃气涡轮机18并且典型地在较低压力下进入热回收蒸汽发生器(未显示)。如上所述，燃烧部段常常包括多个周向间隔燃烧器的圆形阵列。规定燃料或燃料/空气混合物在每个燃烧器中燃烧以产生气体的热能量流，所述气体的热能量流流动通过用于将气体输送到涡轮机部段的涡轮机叶片的过渡件，其用作主要驱动力以通过旋转轴26和发电机24生成电力，如图所示。现在参考图2，具有中心轴线52的用于燃气涡轮发动机的燃烧器(大体上显示为30)包括分别具有初级空气和烃燃料给料器42和40的初级燃烧区域36，所述两种给料使用混流翼(mixing vane) 46喷射到燃烧器34的头端部分中。典型地，初级燃烧室30包括至少一个燃料给料器，所述燃料给料器提供第一燃料源和例如来自图I中的压缩器部段14的至少一种空气以形成进入燃烧器罐的入口压缩空气流42。名义上，混流翼46可以用于提供具有足够的环形动量的混合燃料/空气流，以通过燃料/空气通道而移动到初级燃烧区域36中。在混合头部的紧接下游，燃料空气混合物使用初级燃烧区域48中的引燃火焰点燃。其后，诸如在共同拥有的美国专利第6，192，688号中所述的组件将组合热燃气50引导到涡轮机部段18中的涡轮机喷嘴和涡轮机叶片中。示例性燃烧系统也可以包括多个启动燃料喷嘴、预混燃料喷嘴和点火装置(未显示)，例如电气化火花塞。因此，当压力下的空气与来自启动燃料喷嘴和/或预混燃料喷嘴的燃料混合时，发生初级燃烧区域中的初始燃
Jyti ο图2也示出了用于实现如上面大体上描述作为送至燃烧器头部的第一、第二和第三补充给料的氢、氧化剂和稀释剂的逐步引入的示例性装置。该次级喷射系统包括作为例子在图2中显示的多个氢喷射喷嘴60，所述氢喷射喷嘴周向地布置在靠近燃烧器头部的顶部的预定位置。名义上，进入燃烧器中的氢喷射点将组合成单歧管以允许在指定周边点处喷射氢。然而，可能期望仅仅氢喷射口 62中的选定氢喷射口是打开的并且流动的，这取决于进行中的燃烧器操作。以类似方式，可以使用单独的和/或歧管式氧化剂喷射口 64进行如上所述的混合头部的下游的定期氧化剂喷射，喷射口的数量和尺寸再次取决于实际的燃烧器操作和为了与CO反应而形成的OH基的量。用于确定减小最后废气中的一氧化碳和氧的水平所必需的氢和氧化剂的量的示例性反馈控制系统将名义上包括用于检测废气中(例如在图3中的组合燃气50处或附近)的一氧化碳和OH基的量的多个传感器以及控制送至燃烧器的氢和氧化剂给料的反馈控制环(未显示)。控制系统可以是例如在纽约州斯克内克塔迪市(Schenectady)的 GE Industrial & Power Systems 所出版的 Rowan, W. I.的“SPEEDTRONIC Mark V gas Turbine Control System，，，GE-3658D 中所述的 GeneralElectrical SPEEDTRONIC 燃气涡轮机控制系统的一部分。附图的图3包括简化的质量流量分布图，其示出了在本发明的示例性实施例中使用的氢、氧化剂和稀释剂组分的喷射动力学(包括开始时间、持续时间和在补充喷射期间的流量)。如图3所示，喷射被分级，发生氢喷射仅仅持续大约2毫秒，之后氧化剂喷射持续大约5毫秒的时间并且最后稀释剂喷射持续大约6毫秒，在该特定例子中使总喷射时间仅仅为大约20毫秒。如上所述，已发现喷射的持续时间、量和频率控制燃烧器头部的紧接下游的OH基形成。图3也示出燃烧器在具有I. 01的Phi值(参见图3中的注释I)的略富模式下操作，这保证在初始燃烧之后的氢喷射时一定量的CO将总是存在于废气中。图3也示出(参见注释2)在喷射步骤期间有效量的氢包括头部端部燃料自身的质量(即，在初始燃烧期间使用的燃料的水平)的大约1/10。可以在以下表中看到由氢、氧化剂和稀释剂的分级喷射产生的CO浓度的变化。
权利要求
1.一种用于减小氧燃料烃燃烧系统中的排放物(50)的量的方法，所述方法包括 (a)将烃燃料(40)和氧化剂(42)给送到所述燃烧系统中的一个或多个燃烧器(30)； (b)点燃所述烃燃料(40)和所述氧化剂(42)的混合物以形成第一燃烧器废气流； (c)检测在所述燃烧器(30)的头部端部存在于所述第一燃烧器废气流中的一氧化碳的量； (d)为了喷射氢￠0)和补充氧化剂￠4)而确定在所述第一燃烧器废气流的下游的点的所述燃烧器(30)内的一个或多个目标位置(36);以及 (e)基于一氧化碳的所述检测量在所述下游点将氢￠0)和所述补充氧化剂￠4)喷射到所述燃烧器(30)中。
2.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤控制在所述稀释剂的喷射点的废气流的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述稀释剂包括二氧化碳。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将限定量的所述烃燃料(40)和所述补充氧化剂(64)给送到一个或多个燃烧器(30)的所述步骤导致大于I. O的Phi值。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，喷射到所述燃烧器(30)中的所述氢(60)的量是初始烃燃料(40)给料的质量的大约1/10。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述氧燃料烃燃烧系统包括多个燃烧器(30)。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述稀释剂以足够的量喷射到所述燃烧器(30)中以阻止在所述氢￠0)喷射之后进一步形成一氧化碳。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，喷射所述氢￠0)和所述补充氧化剂(69)的所述步骤导致形成足够量的OH基以通过与所述补充氧化剂￠4)反应形成CO2而减小CO的量。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据以下相关时间段进行氢、补充氧化剂(64)和稀释剂的所述喷射氢2X ;补充氧化剂5X ;以及稀释剂6X，其中X是以毫秒计的喷射时间段。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，氢、补充氧化剂￠4)和稀释剂的所述喷射的持续时间、量和频率控制燃烧器(30)头部的紧接下游的OH基形成。
11.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括 气体压缩器(14)； 多个燃烧器(16)； 涡轮机(18)，所述涡轮机由来自所述燃烧器(16)的膨胀废气驱动； 用于所述燃烧器的初级燃料回路，所述燃料回路包括用于将烃燃料(40)和空气给送到每个燃烧器(30)的装置； 用于一个或多个所述燃烧器的补充燃料回路，所述补充燃料回路包括用于将附加氢给送到所述燃烧器(30)中的多个氢喷射喷嘴(60)； 一个或多个喷射口，用于将补充氧化剂￠4)给送到所述燃烧器(30)中的一个或多个中；以及 反馈控制环，用于控制减小存在于燃气涡轮机废气中的一氧化碳和氧的量所必需的附加氢和补充氧化剂给料￠4)的量。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，还包括用于将稀释剂喷射到所述燃烧器(30)的废气流中以控制所述废气流的温度的装置。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述反馈控制环包括布置在所述燃烧器(30)的废气流中的一个或多个一氧化碳传感器。
14.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述反馈控制环包括布置在所述燃烧器(30)的废气流中的一个或多个OH基检测器。
15.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述氢喷射喷嘴￠0)给送等于给送到所述燃烧器(30)的所述烃燃料(40)的质量的大约1/10的氢的量。
全文摘要
本发明涉及使用OH基形成及用氢燃料分级和稀释剂添加以减小氧燃料烃燃烧系统中的CO和O2排放，其包括以下步骤将限定量的烃燃料(40)和氧化剂(例如空气)(42)给送到发动机中的一个或多个燃烧器(30)并且点燃混合物以形成第一燃烧器废气流(22)；确定在燃烧器(30)的头部端部存在于初始燃烧器废气流(22)中的一氧化碳的量；为了喷射游离氢(60)和补充氧化剂(64)而确定在第一废气流的下游的点的燃烧器内的一个或多个目标位置；基于一氧化碳的检测量在指定下游位置将氢(60)和补充氧化剂(64)喷射到燃烧器(30)中；以及在燃烧器废气(22)的更远下游的点将稀释剂(例如CO2)喷射到燃烧器(30)中以控制废气温度。
文档编号F02C3/20GK102943710SQ20121026516
公开日2013年2月27日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者R.K.阿库拉, P.波波维奇 申请人:通用电气公司