CN101253366B - 调节气态燃料成分的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调节气态燃料成分的装置，包括：气态燃料供应件(2)；氧化物供应件(3)；和燃烧设备(1、9、10)，其利用所述氧化物部分燃烧第一比例的燃料，从而产生包含中间燃烧产物的部分燃烧产物，所述部分燃烧产物与剩余比例未部分燃烧的燃料混合，从而提供经调节的燃料，其中所述部分燃烧受到控制，从而提供产生预定经调节的燃料所需的中间燃烧产物。

Description

调节气态燃料成分的装置
技术领域
本发明涉及调节气态燃料成分的装置。
背景技术
已知可以降低燃气涡轮发动机的燃烧温度来降低不希望的燃烧副产品水平，即降低发动机的排放。降低温度减少了NOX(氧化氮)的产生。但是，降低温度不能太过分，否则将导致增多一氧化碳和未燃烧碳氢化合物的产生。
降低燃气涡轮发动机燃烧温度中碰到的问题在于，燃烧火焰损失，或者熄火。换句话说，降低燃烧温度通常导致燃烧不稳定。如果燃烧过的燃料和空气混合物包含富含燃料的容器(pocket)，则这种容器有助于在温度降低时维持燃烧。当然，排放水平将不能像温度降低时，燃烧过的混合物为完全均匀的混合物的情形那样低。
已知在采用气态涡轮发动机燃料时，通过以氢气掺杂或丰富燃料来解决这个问题。氢气具有非常高的火焰速度，因此用来维持燃烧火焰。所用的氢气可以通过燃料化学重构而从燃料本身获得。可替代的是，可以使用瓶装氢气。从燃料本身获得氢气是一个复杂的过程，因此费用高。在使用瓶装氢气的情况下，可能在可用空间受限的环境中需要很多瓶氢气。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种调节气态燃料成分的装置，包括：气态燃料供应件；氧化物供应件；和燃烧设备，其利用氧化物部分燃烧第一比例的燃料，从而产生包含中间燃烧产物的部分燃烧产物，所述部分燃烧产物与剩余比例未部分燃烧的燃料混合，从而提供经调节的燃料，其中所述部分燃烧受到控制，从而提供产生预定经调节的燃料所需的中间燃烧产物。
优选地所述燃料供应件包括通道，气态燃料沿着该通道流动；所述氧化物供应件包括一个或多个进入馈送件，其穿过该通道的壁面；且所述燃烧设备基本上设置在所述通道内，位于燃料沿着所述通道流动的路径中。
优选地所述燃烧设备包括：燃烧器，其用来将氧化物与所述第一比例的燃料混合；燃烧舱，其位于所述燃烧器下游，其中发生所述第一比例的燃料的所述部分燃烧；和点火器，其用来点燃所述部分燃烧。
所述燃烧舱可以包括位于所述舱下游区域的熄火孔，所述剩余比例未部分燃烧的燃料从外部经由所述熄火孔而进入所述舱的内部，从而熄灭所述舱中的部分燃烧并与所述部分燃烧产物混合。
所述燃烧舱可以包括泄流孔，所述剩余比例未部分燃烧的燃料借助所述泄流孔从所述舱外部进入内部，以冷却所述舱的壁面。
在以下借助示例说明的装置中，燃烧器包括：上游板，其包括与所述进入馈送件连通的氧化物端口；径向涡旋器，位于该板下游，用于引导所述第一比例的燃料，以使其基本上径向向内行进并呈涡旋运动，所述径向涡旋器从所述板的端口接收氧化物，用来与所述第一比例的燃料混合；和预燃舱，位于该径向涡旋器下游，其从所述涡旋器接收燃料和氧化物涡旋流。
在以下借助示例说明的装置中，形成所述上游板，使得燃料能环绕/穿过其中部，在环绕/穿过所述中部而到达所述径向涡旋器中部区域之前，撞击在所述中部的燃料将之冷却。
以下借助示例说明的装置包括位于所述燃烧舱的遮罩延伸件，从而促使所述剩余比例未部分燃烧的燃料与所述部分燃烧产物混合，所述遮罩延伸件从所述通道壁面隔开，从而由经过所述延伸件和所述壁面之间的燃料冷却。
以下借助示例说明的装置包括涡流二极管，其位于所述燃烧设备上游，用来减小压力波动上游的通道和/或所述设备引起的噪音。
优选地对于所述部分燃烧的控制包括控制部分燃烧中氧化物与燃料的比率，从而促使产生中间燃烧产物一氧化碳。
所述氧化物可以是空气。
所述气态燃料可以包括甲烷。
本发明延伸至燃气涡轮发动机，包括在其燃料供应件中安装如前所述的装置。
根据本发明第二方面，提供一种调节气态燃料成分的方法，包括步骤：利用氧化物部分燃烧第一比例的气态燃料，以产生包括中间燃烧产物的部分燃烧产物；和将所述部分燃烧产物与剩余比例未部分燃烧的燃料混合，从而产生经调节的燃料，其中所述部分燃烧受到控制，从而提供产生预定经调节的燃料所需的中间燃烧产物。
附图说明
现在将借助示例参照附图说明本发明，其中：
图1是本发明第一装置的示意图；
图2是沿图1中箭头B观察的视图；
图3是沿图1中箭头A观察的视图；
图4是沿图1中IV-IV线切开的截面；
图5是本发明第二装置的示意图；
图6是沿图5中VI-VI线切开的截面；
图7是本发明第三装置的示意图；
图8是本发明第四装置的示意图；
图9a、9b和9c是使用本发明的装置生产一氧化碳的图谱；
图10是四种燃气涡轮发动机燃料的典型成分构成表。
具体实施方式
将要说明的装置以一定比例供应部分燃烧产物来丰富燃气涡轮发动机燃料甲烷的供应，所述部分燃烧产物包括中间燃烧产物，特别是一氧化碳。一氧化碳的高火焰速度用来在燃气涡轮发动机后续燃烧富集燃料时支持燃烧火焰。而且，一氧化碳在高低流速之间的边界处维持火焰方面特别优良，即一氧化碳具有高耐应变性。这是燃气涡轮发动机燃烧中防止燃烧中断(flameout)所希望的特性。
参照图1至4，第一装置包括高压甲烷燃料供应管2、空气进入馈送件3、燃烧器1、火焰管10和点火器9。进入馈送件3为燃烧器1提供机械支撑。可替代的是，可以设置单独的支撑杆。甲烷燃料顺着供应管2沿箭头14方向流动，从而对燃气涡轮发动机进行供应。燃烧器1包括前板6、包括涡旋通道5a的径向涡旋器5和预燃舱7。
甲烷燃料从图1左侧流出，并经过空气进入馈送件3之间。一定比例的燃料进入涡旋通道5a，从而径向向内朝着预燃舱7行进。剩余比例的燃料顺着供应管2继续流动，到达火焰管10。
空气供应到空气进入馈送件3，并经由端口4喷射到前板6的后表面上。燃料和空气在预燃舱7中混合成涡旋流，以使可燃混合物形成在离开预燃舱7壁面的流体中部。
该可燃混合物行进到火焰管10。点火器9点燃初始燃烧，见火焰8。此后，燃烧自身维持。在离开预燃舱7壁面的预燃舱7中部形成可燃混合物保证了由火焰8形成的热空气不与火焰管10壁面接触，因此不会导致其热损坏。而且，在火焰管10壁面上形成泄流孔11，以使一部分前述剩余比例的燃料(未燃烧比例的燃料)经过管10，从而带走由火焰8辐射到管10的热量，见箭头21。
经由进入馈送件3供应的空气布置成不足以完全燃烧这些空气在预燃舱7中与之混合的燃料。换句话说，所述空气布置成预燃舱7中的空气/燃料混合物为燃料富集的，以使燃烧管10中仅发生部分燃烧。这种部分燃烧导致产生中间燃烧产物，特别是一氧化碳。空气供应不足还能保证燃料供应管2内的燃烧不会变成不可控制。
火焰管10中的燃烧因行经火焰管10中的熄火孔13的未燃烧比例的燃料所形成的稀释喷流12而熄灭。这种熄火还用来彻底混合未燃烧的燃料与部分燃烧产物，包括一氧化碳。由稀释喷流12立即熄火将不希望的中间燃烧产物碳/炭黑最少化(相对于一氧化碳来说需要相对长的时间形成碳)。部分燃烧的热产物与未燃烧的燃料混合将燃烧产物冷却，防止它们变得太热。
所产生的富含一氧化碳的甲烷燃料接着供应到燃气涡轮发动机。正如前面解释的，一氧化碳具有稳定燃气涡轮发动机燃烧的效果。
目的是为了火焰管10中部分燃烧的空气/燃料混合物能产生最大量的一氧化碳。
图9a、9b和9c的图谱示出了对于各种等价比例(EQR)和压力来产生一氧化碳。图9a的图谱假设甲烷燃料温度为300开尔文，图9b的图谱假设燃料温度为400开尔文，而图9c的图谱假设燃料温度为500开尔文。空气/燃料等价比例(EQR)定义为混合物中燃料对空气的比例除以所谓化学计量值。所述化学计量值是实现完全(相对于部分来说)燃烧的燃料对空气的比例。因此，富含燃料的混合物具有大于1的EQR。图谱中的压力表示燃料供应管2中的甲烷燃料压力。
可以看出，EQR约为2至3.5的空气/燃料混合物在300开尔文到500开尔文的温度范围内容易产生最大量的一氧化碳。
参照图5和6，除了燃烧器1的前板6的圆形中心部分16厚度有点减小之外，第二装置与第一装置相同，并且第二装置在此处周围形成环形间隙23。中心部分16由支撑联杆31支撑在板6中，见图6。燃料15撞击中心部分16的前表面，从而在经过环形间隙23与预燃舱7中的空气混合之前将之冷却。作为替代包围中心部分16的环形间隙，可以形成穿过中心部分16主体的孔。燃料将会撞击中心部分16的前表面，在经过这些孔与预燃舱7中的空气混合之前将之冷却。
参照图7，第三装置与第一装置相同，除了添加了遮罩17以延伸火焰管10。由经过遮罩17与燃料供应管2之间的燃料冷却该遮罩。遮罩17足够长，以保证稀释喷流12的未燃烧燃料与火焰管10的部分燃烧产物完全混合。遮罩17保证部分燃烧产物的“热点”不会到达燃料供应管2来削弱/腐蚀/烧灼壁面。
参照图8，第四装置与第三装置相同，除了在燃烧器1的上游增加涡流二极管18，用来显著减小压力波动上游的通道和/或该装置产生的燃烧噪音，即避免从相同燃料歧管19运行的类似装置的干扰。
在上述借助示例说明的装置中，径向涡旋器混合了一定比例的气态燃料供应物与空气，从而形成用于部分燃烧的富含燃料的混合物。应该理解，这种混合无需利用径向涡旋器来进行。例如，可以由轴向涡旋器来进行混合，或者利用除涡旋器以外的混合设备进行混合。
上述借助示例说明的装置以一氧化碳丰富了燃气涡轮发动机燃料纯甲烷。当然在该装置的实际商业用途中，富集的燃气涡轮机燃料不会是纯甲烷，而是商用燃气涡轮机燃料。以下是三种商用燃气涡轮发动机的燃料：Biogas，UK Natural Gas和Refinery Gas。图10的表给出了构成这三种燃料的典型组分。表中的数字是体积百分比。
在上述借助示例说明的装置中，采用了一定比例的气态燃料，部分燃烧，然后与剩余比例未部分燃烧的气态燃料混合，从而提供最终燃料。该部分燃烧受到控制，以促使产生中间燃烧产物一氧化碳，从而使得最终燃料富含一氧化碳，从而改善燃烧稳定性。但是，应该理解，可以控制所述部分燃烧，以促使产生不同的中间燃烧产物来改善燃烧稳定性。在这一方面，应该理解，部分燃烧的目的在于提供中间燃烧产物，其中可用化学键的化合价未被完全填充。这种产物反应性高，因此火焰速度和耐应变性高，参见前面针对一氧化碳的说明。而且，这种产物还能削弱或“偷走”未燃烧燃料分子的化学键，增加这些分子的反应性。还应该注意，由于部分燃烧，所以最终富集燃料处于升高的温度下。这种温度升高也增大了燃料的反应性。
还应该理解，通过将FBN减少为N2，本发明具有理想的减少燃料中存在的燃料键合氮(fuel-bound nitrogen-FBN)的效果。尽管气态燃料通常很少具有FBN，但是在追求燃料超低排放或极低排放时，减少存在的FBN量也是有用的。
上述借助示例说明的装置丰富了供应给燃气涡轮发动机的气态燃料。应该理解，本发明可以用来丰富供应给往复式内燃发动机的气态燃料，此时要求/希望增大发动机中燃料的燃烧率。

Claims (15)

1.一种调节气态燃料成分的装置，包括：气态燃料供应件(2)；氧化物供应件(3)；和燃烧设备(1、9、10)，其利用所述氧化物部分燃烧第一比例的燃料，从而产生包含中间燃烧产物的部分燃烧产物，所述部分燃烧产物与剩余比例未部分燃烧的燃料混合，从而提供经调节的燃料，其中熄火孔(13)布置在所述燃烧设备(10)中，以允许经由所述剩余比例未部分燃烧的燃料形成的稀释喷流(12)来控制所述部分燃烧，所述剩余比例未部分燃烧的燃料进入所述部分燃烧区域，从而提供产生预定经调节的燃料所需的中间燃烧产物，所述燃烧设备(1、9、10)包括燃烧器和燃烧舱(10)，燃烧舱(10)位于所述燃烧器(1)下游，其中发生所述第一比例的燃料的所述部分燃烧，所述燃烧舱(10)包括泄流孔(11)，所述剩余比例未部分燃烧的燃料借助所述泄流孔从所述燃烧舱(10)外部进入内部，以冷却所述燃烧舱(10)的壁面。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气态燃料供应件(2)包括通道，所述气态燃料沿着该通道流动；所述氧化物供应件(3)包括一个或多个进入馈送件，其穿过该通道的壁面；且所述燃烧设备(1、9、10)基本上设置在所述通道内，位于所述燃料沿着所述通道流动的路径中。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述燃烧设备(1、9、10)的燃烧器用来将所述氧化物与所述第一比例的燃料混合；所述燃烧设备(1、9、10)还包括点火器(9)，其用来点燃所述部分燃烧。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述熄火孔(13)布置在所述燃烧舱(10)的下游区域中。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述燃烧器(1)包括：前板(6)，其包括与所述进入馈送件(3)连通的氧化物端口(4)；径向涡旋器(5)，位于该前板(6)下游，用于引导所述第一比例的燃料，以使其基本上径向向内行进并呈涡旋运动，所述径向涡旋器(5)从所述前板(6)的端口(4)接收氧化物，用来与所述第一比例的燃料混合；和预燃舱(7)，位于该径向涡旋器(5)下游，其从所述涡旋器(5)接收燃料和氧化物涡旋流。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，形成所述前板(6)，使得燃料能环绕或者穿过其中部(16)，在燃料环绕或者穿过所述中部(16)而到达所述径向涡旋器(5)中部区域之前，撞击在所述中部(16)的燃料将所述中部冷却。
7.如权利要求4或者如从属于权利要求4的权利要求5至6任一项所述的装置，进一步包括位于所述燃烧舱(10)的遮罩延伸件(17)，从而促使所述剩余比例未部分燃烧的燃料与所述部分燃烧产物混合，所述遮罩延伸件(17)从所述通道壁面隔开，从而由经过所述延伸件(17)和所述壁面之间的燃料冷却。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括涡流二极管(18)，其位于所述燃烧设备(1、9、10)上游，用来减小压力波动上游的通道和/或所述设备(1、9、10)引起的噪音。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，对于所述部分燃烧的控制包括控制所述部分燃烧中氧化物与燃料的比率，从而促使产生中间燃烧产物一氧化碳。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氧化物是空气。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气态燃料是燃气涡轮发动机燃料。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气态燃料包括甲烷。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气态燃料是往复式内燃发动机燃料。
14.一种燃气涡轮发动机，包括在其燃料供应件中安装如权利要求1所述的装置。
15.一种通过如权利要求1-13其中之一所述的装置调节气态燃料成分的方法，包括步骤：利用氧化物部分燃烧第一比例的气态燃料，以产生包括中间燃烧产物的部分燃烧产物；和将所述部分燃烧产物与剩余比例未部分燃烧的燃料混合，从而产生经调节的燃料，其中至少经由所述剩余比例的燃料形成的稀释喷流(12)来控制所述部分燃烧，从而提供产生预定经调节的燃料所需的中间燃烧产物，所述中间燃烧产物包括一氧化碳并且富含一氧化碳的经调节的燃料允许在燃气涡轮燃烧器中实现稳定的燃烧。
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