用于布置减少排放的催化剂的系统的制作方法

本发明涉及包括排气系统的燃气涡轮发电设备，排气系统包括过渡管道、废气排气管道、排气器出口和催化剂，其中催化剂布置成使得排气流在排气管道中遇到催化剂。

背景技术：

催化剂插入排气管道中以从燃气涡轮发动机的排气除去污染物。这些催化剂壁跨越排气管道且垂直于穿过管道的排出气流。当气体流过壁中的孔口、通道或蜂窝孔时，壁引起排出气体快速地增大速度。快速加速导致达到15英寸水(H₂O)的较大压力损失。

大的压力损失不是期望的。为了最大限度减小压降，排气管道的流动通路沿穿过管道的流动方向给予较大的截面面积。增大排气管道的截面增加管道的成本和足迹(footprint)。

技术实现要素：

构想出了用于催化剂支撑平台的新颖定向，其中平台的正面在排气管道中倾斜。使催化剂支撑平台(例如，壁)成角度增大了平台的暴露的表面面积，且由此允许排出气体流过的孔口的数目增加。孔口的数目越多，则穿过催化剂支撑平台的压降就越低。

一种用于燃气涡轮发电设备的排气区段包括：与来自燃气涡轮发动机的排出气体流体连通的排气管道，其中排出气体沿流动方向流过排气管道；催化剂支撑平台，其跨越排气管道中的流动通路使得排出气体穿过平台，其中平台包括具有催化剂涂布的表面的孔口，且催化剂支撑平台包括相对于流动方向布置成大于十(10)度的角度的部分。

催化剂支撑平台可大致为具有平行于流动方向的圆锥轴线的圆锥形，其中圆锥形状具有沿流动方向汇聚的V形截面。孔口可具有相对于流动方向成十度到九十度范围定向的轴线。圆锥轴线还可不同于平行于流动方向。

此外，催化剂支撑平台可定向在相对于流动方向成十度到九十度范围的角度的平面中。或者，催化剂支撑平台可包括梯级，其中各个梯级包括在大致垂直于流动方向的平面中的立面，以及在大致平行于流动方向的平面中的梯面。

一种用于燃气涡轮发电设备的排气区段包括：过渡管道；排气管道；排气流出排气器；排气管道或排气流出排气器内的多孔催化剂支撑平台，其中催化剂支撑平台延伸跨过排出空气流通路使得来自燃气涡轮发动机的排出空气流过平台；且催化剂支撑平台布置成使得排出空气流与排出空气流的方向成十度到九十度范围的角度遇到催化剂。

技术方案1. 一种用于燃气涡轮发电设备的排气区段，包括：

与来自燃气涡轮发动机的排出气体流体连通的排气管道，其中所述排出气体沿流动方向流过所述排气管道；

催化剂支撑平台，其跨越所述排气管道中的流动通路使得所述排出气体穿过所述平台，其中所述平台包括具有催化剂涂布的表面的孔口，且所述催化剂支撑平台具有至少部分不垂直于所述流动方向的前面。

技术方案2. 根据技术方案1所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂支撑平台大致为具有平行于所述流动方向的圆锥轴线的圆锥形。

技术方案3. 根据技术方案2所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述圆锥形具有沿所述流动方向汇聚的V形截面。

技术方案4. 根据技术方案1所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，多个所述孔口具有相对于所述流动方向成十度到九十度范围定向的轴线。

技术方案5. 根据技术方案1所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂支撑平台定向在相对于所述流动方向成十度到九十度范围的角度的平面中。

技术方案6. 根据技术方案1所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂支撑平台包括梯级。

技术方案7. 根据技术方案6所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，各个梯级包括在大致垂直于所述流动方向的平面中的立面，以及在大致平行于所述流动方向的平面中的梯面。

技术方案8. 根据技术方案1所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂涂布的表面包括氧化剂或还原剂涂层。

技术方案9. 一种用于燃气涡轮发电设备的排气区段，包括：

过渡管道；

排气管道；

排气流出排气器；

所述排气管道或排气流出排气器内的多孔催化剂支撑平台，其中所述催化剂支撑平台延伸跨过排出空气流通路使得来自燃气涡轮发动机的排出空气流过平台；且所述催化剂支撑平台布置成使得所述排出空气流与所述排出空气流的方向成十度到九十度范围的角度穿过所述平台中的催化剂涂布的孔口。

技术方案10. 根据技术方案9所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂支撑平台大致为具有平行于所述流动方向的圆锥轴线的圆锥形。

技术方案11. 根据技术方案10所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述圆锥形具有沿所述流动方向汇聚的V形截面。

技术方案12. 根据技术方案9所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，多个所述孔口具有相对于所述流动方向成十度到九十度范围定向的轴线。

技术方案13. 根据技术方案9所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂支撑平台定向在相对于所述流动方向成十度到九十度范围的角度的平面中。

技术方案14. 根据技术方案9所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂支撑平台包括梯级。

技术方案15. 根据技术方案14所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，各个梯级包括在大致垂直于所述流动方向的平面中的立面，以及在大致平行于所述流动方向的平面中的梯面。

技术方案16. 根据技术方案9所述的用于燃气涡轮发电设备的排气区段，其中，所述催化剂涂布的表面包括氧化剂或还原剂涂层。

附图说明

图1a为示例性常规排气系统的图示；图1b为根据图1a的燃气涡轮系统的备选视图；

图2a为根据本发明的排气系统的第一实施例的图示；图2b为根据图2a的燃气涡轮系统的备选视图；

图3a为根据本发明的排气系统的第二实施例的图示；图3b为根据图3a的燃气涡轮系统的备选视图；

图4a为根据本发明的排气系统的第三实施例的图示；图4b为根据图4a的燃气涡轮系统的备选视图；

图5a为根据本发明的排气系统的第四实施例的图示；图5b为根据图5a的燃气涡轮系统的备选视图；

图6a为根据本发明的排气系统的第五实施例的图示；图6b为根据图6a的燃气涡轮系统的备选视图；

图7a为根据本发明的排气系统的第六实施例的图示；图7b为根据图7a的燃气涡轮系统的备选视图；

图8a为根据本发明的排气系统的第七实施例的图示；图8b为根据图8a的燃气涡轮系统的备选视图；

图9a为根据本发明的排气系统的第八实施例的图示；图9b为根据图9a的燃气涡轮系统的备选视图；以及

图10为根据本发明的排气系统的第九实施例的图示。

零件清单

100 燃气涡轮系统

101 平台催化剂

102 排气管道

103 排气流

104 过渡级

106 风扇

107 NH₃

108 热废气

109 风机

111 蒸发器/混合器

112 CO催化剂

200 燃气涡轮系统

201 催化剂

203 排气流

206 冷却流、冷却空气

212 CO催化剂

300 燃气涡轮系统

301 催化剂

302 排气管道

303 流

312 CO催化剂

400 燃气涡轮系统

401 催化剂壁、催化剂结构

402 排气管道

403 流

412 CO催化剂

500 燃气涡轮系统

501 阶梯梯级催化剂

503 流

512 CO催化剂

600 燃气涡轮系统

601 催化剂楔

603 流

612 CO催化剂

700 燃气涡轮系统

701 催化剂圆锥

703 流

712 CO催化剂

800 燃气涡轮系统

801 催化剂

803 流

812 CO催化剂

900 燃气涡轮系统

901 催化剂

903 流

912 CO催化剂

1001 催化剂

1002 排气管道

1010 排气器。

具体实施方式

图1a为常规燃气涡轮系统100的图示，其特征为包含在其排气管道102内的平台101中的定向成正交于排出气流103的催化剂。如图1a所述，流出涡轮系统100的空气(将处于高温和高速)经由过渡级104进入排气管道102，其中排气可与通过风扇106供应的冷却空气混合，且/或其可具有通过风机109引入的热废气108和NH₃的混合物，NH₃ 107和热废气108可选地穿过蒸发器/混合器111。可包括NH₃ 107和热废气的排出气体然后被迫穿过催化剂101。催化剂可用于根据环境法律要求除去NOx。如图所示，催化剂通常布置为正交(垂直)于穿过排气管道102的气流103的壁。在本文所示的常规设计中，排出气流103被迫突然加速且穿过催化剂壁，导致不利的较大压降，且导致燃气涡轮的效率损失。流103可选地穿过额外的催化剂，诸如CO催化剂112。图1a和图1b示出了燃气涡轮系统100的备选视图。

图2a为燃气涡轮系统200的第一实施例的图示，其特征为根据本发明的排气系统。在第一实施例中，图1a的壁状催化剂结构改为由大致V形的催化剂201替换。V形催化剂201可定向成使得V的尖端指向排出气流203的方向。V形催化剂201可布置成使得V形催化剂的臂起源于排气管道上与常规催化剂大致相同的位置或不同的位置，其中V形从其向外突出。V形可大致为楔形，包括可为相同或不同的长度的两个结构。

在该新颖系统中，改善的催化剂相比于常规设计给予排出空气额外的截面面积以供穿过。催化剂201自身可为包括孔阵列的蜂窝设计，其可为用于除去污染物且尤其是NOx。在其达到新颖的催化剂布置时，排气流203将以非九十度的角度遇到催化剂201，这将减轻能量损失，且因此还减轻系统的压力损失。冷却流206可与废气203混合，且降低203的温度，因为催化剂201可在降低的温度下具有改善的功能。混合的废气203和冷却空气206相对于流动方向成角度流过催化剂201。该过程给予系统更多停留时间和更大截面面积以允许氨和NOx的催化反应。相比之下，在常规系统中，较小的截面面积和较少/减少的停留时间将导致较大的压降，且对应地导致燃气涡轮效率的较大下降。图2a和图2b示出了燃气涡轮系统200的视图。流203可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂212)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图3a为根据本发明的第二实施例的图示。在该实施例中，图2a的V形利用定向成指向排出气流303的方向的圆锥形催化剂301替换。替代包括图2a的实施例的V形的大致平区段，图3a示出了执行与图2a的V形催化剂相同的功能的位于排气管道302内的圆锥形。圆锥起源于排气管道的边缘周围，且沿排出气流303的方向变窄。在备选实施例中，催化剂可构造为中空的锥体结构。催化剂结构的外围的形状将由对应的排气管道302的形状确定。圆锥可定向成使得其中心轴线与排出气流303对准。圆锥可作为备选定向成使得圆锥具有定向成相对于排出气体的流动方向成大于零的角度的中心轴线。限定圆锥的一端的圆形(或矩形)边缘可同心地布置在圆锥所位于的区段内，或可相对于排出区段和穿过其间的气流偏移或成角度。图3a和图3b示出了燃气涡轮系统300的视图。流303可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂312)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图4a为根据本发明的第三实施例的图示。在该实施例中，定向成垂直于排出气流的常规平壁利用成角度的催化剂壁401替换。催化剂将锚固到排气管道且朝排气器向后延伸，其中其更下游端还将构造成大致接触排气管道，且需要排出气体在流出系统之前穿过催化剂结构401。替代在排气管道402内或除在排气管道402内之外，成角度的壁的实施例可布置在流出排气器内。图4a和图4b示出了燃气涡轮系统400的视图。流403可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂412)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图5a为根据本发明的第四实施例的图示。在该实施例中，成角度的催化剂改变成构造为大致阶梯梯级构造501。此实施例可定向成使得阶梯梯级由垂直于排出气流503的节段和平行于排出气流503的其它节段构成。在另一种构造中，阶梯梯级催化剂501由既不垂直又不平行于排出气流503的方向的节段构成。节段可全部为相同长度，或节段可在长度上改变。节段可全部相对于彼此以相同对的角度定向，或节段可使用一定范围的角度定向。具体选择的角度将取决于使用的特定排气管道502的结构。图5a和图5b示出了燃气涡轮系统500的视图。流503可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂512)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图6a为根据本发明的第五实施例的图示。图6a倒转图2a的V形。在该实施例中，催化剂楔601指向与排出气流603相反的方向。在该构造中，排出气体分流，且在穿过催化剂之前被迫向外。V形这里提供在其穿过催化剂之前使排气流603分流的益处，这不同于图2a的V形(其将空气流聚集在其楔内)。两种构造均提供优于常规设计的益处，因为额外的停留时间和表面面积提供给排气流。图6a和图6b示出了燃气涡轮系统600的视图。流603可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂612)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图7a为根据本发明的第六实施例的图示。图7a倒转图3a的圆锥形。在该实施例中，催化剂圆锥701指向与排出气流703相反的方向。在该构造中，排出气体分流，且在穿过催化剂之前被迫向外。圆锥形这里提供在其穿过催化剂之前使排气流分流的益处，这不同于图3a的圆锥形(其将空气流聚集在其圆锥内)。两种构造均提供优于常规设计的益处，因为额外的时间和表面面积提供给排气流。图7a和图7b示出了燃气涡轮系统700的视图。流703可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂712)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图8a为根据本发明的第七实施例的图示。图8a提供了带有阶梯梯级构造加至图2a和图6a的V形的催化剂801。采用将图5a中所示的阶梯梯级应用于图2a和图6a的V形进一步提供额外的表面面积以有助于使更多排出气体穿过催化剂801，以及减小压降的效果。图8a和图8b示出了燃气涡轮系统800的视图。流803可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂812)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图9a为根据本发明的第八实施例的图示。图9a提供了带有阶梯梯级构造加至图3a和图7a的圆锥形的催化剂901。采用将图3a和图7a的圆锥形应用于图5a中所示的阶梯梯级进一步提供额外的表面面积以有助于使更多排出气体穿过催化剂901，以及减小压降的效果。图9a和图9b示出了燃气涡轮系统900的视图。流903可选地穿过额外的催化剂(诸如CO催化剂912)，其可为根据本文所述的任何非限制性实施例布置的常规设计。

图10为根据本发明的第九实施例的图示。图10示出了设在排气器1010中而非排气管道1002中的催化剂1001的备选构造。关于图2a-图9a论述和示出的催化剂的任何备选结构可构造和布置成置于排气器1010或排气管道1002中。使催化剂进一步向下游移动(即，进入排气器且穿过排气管道)给气体提供更多时间以供冷却和减慢而无干扰。额外的时间有助于减小与常规设计相关联的压力损失。

废气和/或排出气体与催化剂结构的交互的延迟在其穿过催化剂时向废气和/或排出气体提供较慢的速度，由此催化剂可除去NOx或另一污染物。较慢的速度使用常规不可用的若干催化剂结构设计中的任一种实现，由此催化剂的前表面有意地与排出气体和/或废气的流动方向失准。备选构造和布置有效地产生用于污染物(即，NOx)减少的更大截面面积。

额外的表面面积用于更好地催化排出气体中的污染物，因此为用于除去污染物的更有效且更高效的系统，同时还显著地降低与常规系统相关联的压降。经验上，发现备选设计将压降减小70%以上。对应地，根据燃气涡轮模型，本文所述的备选布置可导致相关联的燃气涡轮的功率输出增大至少5MW(兆瓦)。此外，通过最大限度减少增大排气管道的尺寸的需要，成本减少达到20%。

出于该应用的目的，可互换地使用"废气"和"排出气体"，在论述与燃气涡轮发电设备相关联的排气和/或废气的流动通路中使用的催化剂结构时，意味着本发明具有有益效果。

尽管结合目前认作是最实用且优选的实施例描述了本发明，但应理解的是，本发明不限于公开的实施例，相反，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。