CN101397937A - 低排放涡轮系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低排放涡轮系统和方法。该涡轮系统包括：压缩机，其构造为用于压缩环境空气；和燃烧器，其构造为用于从压缩机接收压缩空气并燃烧燃料流以产生排气。该涡轮系统还包括用于从燃烧器接收排气以进行发电的涡轮；其中，该排气的第一部分与环境空气混合以形成低氧空气流，并且低氧空气流被压缩机压缩并被引导至燃烧器以燃烧燃料流，从而产生低NOx排气。

Description

低排放涡轮系统和方法
技术领域
本发明大体涉及涡轮系统，更具体地涉及低排放涡轮系统和方法。
背景技术
各类燃气涡轮系统已为人们所知并处于应用阶段。例如，航改燃气涡轮用于诸如发电、船舶推进、燃气压缩、利用废能发电、海上平台发电等应用。通常，燃气涡轮包括：压缩机，其用于压缩空气流；和燃烧器，其将压缩空气与燃料组合并点燃该混合物以产生排气。此外，通过涡轮使排气膨胀以便进行发电。
通常，此类系统的燃烧器设计为将诸如NOx和一氧化碳(CO)排放的排放降到最低。在某些传统的系统中，使用贫燃预混合燃烧技术来减少此类系统的排放。通常，通过降低燃烧器反应区中的火焰温度来控制NOx的排放。在操作中，通过在燃烧之前预混合燃料和空气来实现低的火焰温度。此外，某些燃气涡轮系统使用高水平的气流，由此导致具有足以降低NOx形成的火焰温度的贫燃料混合物。然而，由于贫燃火焰具有低的火焰温度，所以其导致高的CO排放。此外，对于此类燃烧器来说，可操作性窗口变得非常小，并且要求这些燃烧器远离贫燃熄火极限进行操作。因此，在燃烧器设计空间之外操作燃烧器中所使用的预混合器很困难。
此外，当充分贫燃的火焰受到发电设置变化、流动扰动或燃料组分变化的影响时，所导致的当量比波动可造成燃烧损失。这种熄火可造成动力损失以及静止涡轮中代价高昂的停机时间。
某些其他系统使用后燃烧控制技术来控制排放。例如，可利用选择性催化还原(SCR)技术来作为附加的NOx控制措施。在SCR工艺中，可将气态的或液态的还原剂(例如，氨)直接注入到来自涡轮的排气中，然后使其通过与NOx反应的催化剂。还原剂将排气中的NOx转换成氮和水。然而，由于此类系统的成本和所增加的复杂性，所以加入额外的构件(例如，用于SCR工艺的催化反应器)是一项挑战。
因此，需要一种具有低排放的涡轮系统。此外，还希望提供提高涡轮系统总体效率而不会相应地增加热力型NOx形成的燃烧技术。
发明内容
简要地，根据一个实施例，提供一种涡轮系统。该涡轮系统包括：压缩机，其构造为用于压缩环境空气；以及燃烧器，其构造为用于从压缩机接收压缩空气并燃烧燃料流以产生排气。该涡轮系统还包括用于从燃烧器接收排气以进行发电的涡轮，其中排气的第一部分与环境空气混合以形成低氧空气流，并且该低氧空气流被压缩机压缩并被引导至燃烧器以燃烧燃料流，从而产生低NOx的排气。
另一实施例还包括一种涡轮系统。该涡轮系统包括压缩机，其构造为用于压缩环境空气以及至少一部分排气，以形成经压缩的低氧空气流。该涡轮系统还包括燃烧器，其构造为用于从压缩机接收经压缩的低氧空气流，并且以富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来燃烧燃料流以产生排气。该涡轮系统还包括用于从燃烧器接收排气以便进行发电和产生低NOx排气的涡轮，其中排气的第一部分再循环至压缩机以形成低氧空气流。
在另一实施例中，提供一种整体煤气化联合循环(IGCC)系统。该IGCC系统包括构造为用于从煤中产生合成气燃料的燃气发生器和连接至该燃气发生器的涡轮系统。该涡轮系统包括压缩机，其构造为用于压缩环境空气和至少一部分排气以产生经压缩的低氧空气流。该系统进一步包括燃烧器，其构造为用于从压缩机接收经压缩的低氧空气流，并且以富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来燃烧合成气燃料，从而产生排气。该涡轮系统还包括用于从燃烧器接收排气以便进行发电和产生低NOx排气的涡轮，其中排气的第一部分再循环至压缩机以形成低氧空气流。
在另一实施例中，提供一种操作涡轮系统的方法。该方法包括：产生压缩空气流；燃烧该压缩空气流与燃料流以形成排气；使排气膨胀来进行发电。该方法还包括压缩并混合排气的第一部分与空气流以形成低氧空气流；以及燃烧低氧空气流与燃料流以产生低NOx排气。
在另一实施例中，提供一种减少来自涡轮系统的排放的方法。该方法包括：压缩空气流和至少一部分排气以产生低氧空气流；以及以富燃-淬熄-贫燃模式来燃烧低氧空气流与燃料流以产生低NOx的排气。该方法还包括使排气膨胀来进行发电。
附图说明
当参照附图阅读如下详细说明时，可更好地理解本发明这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的字符代表相似的部件，其中：
图1是根据本技术各方面的示例性涡轮系统的图示。
图2是根据本技术各方面的另一示例性涡轮系统的图示。
图3是根据本技术各方面的图2的涡轮系统示例性构造的图示。
图4是根据本技术各方面的具有RQL燃烧模式的图1-3的涡轮系统的示例性构造的图示。
图5是以不同的燃烧模式使燃料和空气混合及反应的图示。
图6是在使用和不使用EGR和RQL技术的情况下从涡轮系统产生NOx的示例性结果的图示。
图7是根据本技术各方面的整体煤气化联合循环(IGCC)系统的图示。
附图标记：
10     涡轮系统
12     压缩机
14     环境空气
16     燃烧器
18     压缩空气
20     燃料流
22     排气
24     涡轮
26     发电机
28     轴
30     排气的第一部分
32     低氧空气流
34     低NOx排气
36     HRSG
38     蒸汽
40     蒸汽涡轮
42     发电机
44     EGR阀
60     涡轮系统
62     排气的第二部分
64     CO2捕获系统
66     分流器
80     涡轮系统
82     混合器
84     风扇
86     水淬系统
88     净化单元
90   冷凝器
92   冷凝清除单元
94   排气
96   经处理的排气
110  燃气涡轮系统
112  富燃区
114  淬熄区
116  稀释区
118  淬熄空气
120  稀释空气
122  当量比
124  温度
126  非预混燃烧模式
128  最大NOx形成区
130  RQL燃烧模式
140  产生自涡轮系统的NOx的结果
142  当量比
144  NOx水平
146  在不存在EGR+RQL的情况下的涡轮系统的NOx结果
148  在存在EGR+RQL的情况下的涡轮系统的NOx结果
160  IGCC
162  燃气发生器
164  涡轮系统
168  蒸汽涡轮
170  燃料给料
172  氧气
174  合成气
178  气体冷却及清洁单元
180   污染物
182   经净化的合成气
184   空气
186   压缩机
188   燃烧器
190   涡轮
192   发电机
194   电能
196   电网
198   排气
200   蒸汽发生器
202   蒸汽
204   热
206   蒸汽
208   发电机
210   排气
212   低氧空气流
214   EGR阀
216   应急排气管
具体实施方式
如下文详述，本技术实施例用于减少涡轮系统中的排放，并且用于提供提高涡轮系统总体效率的燃烧技术，而同时减少NOx的形成。在某些具体实施例中，本技术包括使用排气再循环(EGR)以及富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来将排放(例如NOx)降到最低。
现在翻到图示并先参照图1，其显示涡轮系统10。涡轮系统10包括构造为用于压缩环境空气14的压缩机12。此外，涡轮系统10包括与压缩机12流体连通的燃烧器16。燃烧器16构造为用于从压缩机12接收压缩空气18，并且用于燃烧燃料流20以产生排气22。在一个示例性实施例中，燃烧器16包括干式低排放(DLE)或干式低NOx(DLN)燃烧器。另外，涡轮系统10包括位于燃烧器16下游的第一涡轮24。涡轮24构造为用于使排气22膨胀，以驱动外部负载(例如发电机26)来发电。在所示实施例中，压缩机12经由轴28由涡轮24所产生的动力所驱动。
在该示例性实施例中，排气22的第一部分30与环境空气14混合以形成低氧空气流32。在某些实施例中，第一部分30包括从产生自涡轮24的排气的约35％至约50％。在一个示例性实施例中，低氧空气流包含低于约13％体积的氧。此外，因此被称为低氧空气流32的低氧空气和排气的混合物被压缩机12压缩并被引导至燃烧器16以燃烧燃料流20，从而产生低NOx的排气34。具体来说，燃料流20与低氧空气流32的燃烧可有利于降低火焰的温度，由此导致NOx的减少。另外，燃料流20与低氧空气流32的燃烧使得富燃料的燃烧能够导致NOx的进一步减少。
本文中使用的术语“富燃料燃烧”是指燃料流20与空气32的燃烧，其中当量比或燃料-氧化剂比约大于1。在一个示例性实施例中，低NOx排气流34包含约小于30ppm的NOx水平。在某些实施例中，低NOx排气流34包含约小于5ppm的NOx水平。
在该实施例中，涡轮系统10包括构造为用于从涡轮24接收排气30以产生蒸汽38的热回收蒸汽发生器(HRSG)36。此外，涡轮系统10包括用于使用来自HRSG 36的蒸汽经由发电机42进行额外发电的第二涡轮，例如蒸汽涡轮40。在该所示实施例中，涡轮系统10包括用于控制排气的第一部分30从HRSG 36流到压缩机12的流量的EGR阀44。此外，低氧空气流32与燃料流20在燃烧器16内以RQL燃烧模式燃烧。RQL燃烧模式将参照图4和图5在下文详述。
图2是根据本技术各方面的另一示例性涡轮系统60的图示。如参照图1所述，来自HRSG 36的排气30的第一部分31与环境空气14混合以形成低氧空气流32。随后，低氧空气流32被压缩机12压缩并被引导至燃烧器16以燃烧燃料流20，从而产生低NOx的排气34。在该示例性实施例中，来自HRSG 36的排气的第二部分62引导至二氧化碳捕获系统64。应注意的是，排气的第一部分30包含二氧化碳。因此，当部分30与环境空气14混合并在燃烧器16中燃烧时，二氧化碳捕获系统64处的总体二氧化碳浓度增大。应注意的是，相同的参考标号有时用来显示该工艺中不同阶段时的气体。分流器66可用来分流来自HRSG的第一部分30和第二部分62。
图3是图2的涡轮系统60的示例性构造80的图示。如参照图1和图2所述，来自HRSG 36的排气的第一部分30通过使用混合器82与环境空气14混合，以形成低氧流32。此外，来自HRSG 36的排气的第二部分62引导至二氧化碳捕获系统64。在某些实施例中，在与环境空气14混合之前可对排气的第一部分30进行处理，以形成低氧空气流32。具体来说，在使第一部分30与环境空气14混合之前，可对排气的第一部分30进行冷却、净化以及通过提取冷凝水来干燥。
在操作时，将来自涡轮24的排气30引导至HRSG36。可将排气的第一部分30引导至风扇84，并且然后引导至水淬系统86。此外，排气30还可通过净化元件88以移除来自该气体的污染物。然后，在将该气体引入至压缩机12之前，可将经净化的排气30引导至冷却器/冷凝器90。在某些实施例中，可使用冷凝清除单元92来从排气30中去除酸。此外，然后可将经处理的排气94与环境空气14混合以形成低氧流32。在某些实施例中，可将经处理排气94的部分96引导至应急排气管。
如上所述，在燃烧器16内，低氧空气流32与燃料流20以RQL燃烧模式燃烧。图4是图1-3中具有RQL燃烧模式的涡轮系统的示例性构造110的图示。在该示例性实施例中，燃烧器16包括：富燃区112，其构造为用于允许燃料流20进行富燃料燃烧；以及淬熄区114，其构造为用于允许燃料流20的从富燃料燃烧到贫燃料燃烧的转换。
本文中使用的术语“贫燃料燃烧”是指燃料流20与空气32的燃烧，其中当量比或燃料-氧化剂比约小于1。此外，燃烧器16包括构造为用于允许燃料流20进行贫燃料燃烧的贫燃区116。在某些实施例中，约60％至约90％的低氧空气流32与燃料流20混合，并被引入富燃区112，以促进燃料流20的富燃料燃烧。
在操作时，低氧流32在富燃区112内燃烧，以允许进行富燃料燃烧，富燃料燃烧可促进缺氧条件下的燃烧，由此使得NOx的形成减少。具体来说，富燃区112中的富燃料条件下的不完全燃烧会产生带有高浓度的一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物的气氛。此外，富燃区112中氧的存在降到了最低。因此，转化为NOx的氮的转化降到了最低。此外，由于部分燃烧引起的较低峰值温度也减少了热力型NOx的形成。
此外，来自富燃区112的部分燃烧的燃烧气体然后在淬熄区114中被稀释。在某些实施例中，来自压缩机12的淬熄空气118可引入淬熄区114以稀释部分燃烧的燃烧气体。此外，在某些实施例中，可将稀释空气120引入贫燃区116以促进燃料流20的贫燃料燃烧。
图5是燃料与空气在不同燃烧模式下的混合和反应的定性图示。横坐标轴122代表指示空气与燃料混合的当量比(ξ)。在该示例性实施例中，轴线122上所指示的数字，例如0和1代表空气中燃料的质量分数。纵坐标轴124代表指示各种模式下的化学反应的温度。如图所所示，在非预混燃烧模式126中，反应流演变穿过(evolve through)约为1.0的当量比ξ，并且具有T0的初始温度。此外，反应流相对于最终组分ξ＝ξfinal和温度T＝Tfinal在当量比ξ＝ξstoich处获得最大温度T＝Tstoich。在该实施例中，位于最大温度Tstoich附近的区128代表其中NO产生量最大的区域。在RQL燃烧模式(其大体上由参考标号130代表)中，富产物与空气快速混合(其由混合曲线129表示)，而反应的目的是实现ξ＝ξfinal，T＝Tfinal。应注意的是，火焰温度将在富燃料燃烧模式中降低，从而使得NOx形成减少。此外，在贫燃料燃烧模式中，燃烧是通过使用额外氧化剂来完成，并且为了使CO完全燃烧而变成CO2，由此将燃烧器出口温度提高到所希望的水平Tfinal。
有利地，排气再循环与RQL燃烧相结合的技术使得能够大大地减少NOx的形成。图6是在使用和不使用上述EGR和RQL技术的情况下从涡轮系统产生的NOx的示例性结果140的图示。横坐标轴142代表燃料-氧化剂比或当量比，而纵坐标轴144代表以ppm为单位进行测量的产生自涡轮系统的NOx水平。在不使用EGR和RQL原理的情况下的来自涡轮系统的结果由曲线146表示。此外，在使用上述EGR和RQL技术的情况下的来自涡轮系统的结果由曲线148表示。在该示例性实施例中，曲线148表示具有约45％EGR的涡轮系统的NOx形成的结果，其中氧浓度降到约14.8％。可看出，在某一重要当量比以外的范围，使用EGR和RQL燃烧的涡轮系统的NOx水平大大低于不使用EGR和RQL燃烧的涡轮系统的NOx水平。
图7是根据本技术各方面的整体煤气化联合循环(IGCC)系统160的图示。IGCC系统160包括燃气发生器162和联接至燃气发生器162的涡轮系统164。另外，IGCC系统160包括蒸汽涡轮168，蒸汽涡轮168联接至涡轮系统164，并且构造为用于通过利用来自涡轮系统164的排气的热来产生电能。
在操作中，燃气发生器162接收燃料给料170以及通常产生于现场空气分离单元(未示出)中的氧气172。在所示实施例中，燃料给料170包括煤。在其他实施例中，燃料给料170可包括任何低值燃料(LVF)。这些实例包括：煤、生物质、垃圾、油砂、城市垃圾、焦炭等。燃料给料170和氧气172在燃气发生器162中反应，以产生富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气174。此外，给料中的矿物质转变成可用于铺设路基、掩埋造地和其他应用的矿渣产物176。
燃气发生器162所产生的合成气174被引导至气体冷却及清洁单元178，在气体冷却及清洁单元178中，合成气174被冷却，并且去除污染物180以产生净化的合成气182。在所示实施例中，污染物180例如包括硫、水银或二氧化碳。此外，经净化的合成气182在涡轮系统164中燃烧以产生电能。在该示例性实施例中，进入的空气流184经由压缩机186压缩，且将经压缩的空气引导至燃烧器188以燃烧来自燃气发生器162的合成气182。此外，来自燃烧器188的燃烧器气体流通过涡轮190膨胀以驱动发电机192，用于产生可引导至电网196以进一步利用的电能194。
在所示实施例中，将来自涡轮系统164的排气198引导至热回收蒸汽发生器(HRSG)200，并且用来使水沸腾以形成用于蒸汽涡轮168的蒸汽202。此外，在某些实施例中，可将来自蒸汽涡轮168的热204联接到HRSG200，以提高HRSG200的效率。另外，可将来自HRSG200的蒸汽206的一部分引入燃气发生器162，以控制产生自燃气发生器162的合成气174中H2:CO的比。蒸汽涡轮168驱动发电机208以产生同样可引导至电网196以进一步利用的电能194。
在所示实施例中，排气198的一部分210与环境空气184混合以形成低氧空气流212。在该示例性实施例中，低氧空气流具有低于约12％的氧。此外，使用压缩机186对低氧空气流212进行压缩。然后，以参照图4-5所述的RQL燃烧模式燃烧经压缩的低氧空气流212与合成气燃料182，以产生低NOx排气。在某些实施例中，低NOx排气具有低于约30ppm的NOx水平。可使用EGR阀214来控制排气210流到压缩机186的流量。此外，如上所述，燃烧器164可包括富燃区112、淬熄区114和贫燃区116(见图4)以促进RQL燃烧模式。另外，如参照图2所示，可将排气的第二部分62引导至二氧化碳捕获系统64。此外，在某些实施例中，可将排气210引导至应急排气管216。
以上所述方法的各个方面可在不同应用(例如，二氧化碳捕获和分离设备、低排放燃气涡轮和IGCC系统)中具有用途。如上所述，本技术使用排气再循环和RQL燃烧模式来大大地减少此类系统的NOx形成。有利地，本技术可提高涡轮系统和二氧化碳捕获和分离设备的总体效率，而不会相应地增加热力型NOx的形成。此外，本技术消除了对额外构件的需要，例如，无需用于在现有涡轮系统中减少NOx水平的催化反应器，由此降低此类系统的成本。
尽管本文仅描述和显示本发明的某些特征，但本领域技术人员会想到多种修改和变化。因此，应理解的是，权利要求书意图覆盖属于本发明的真正精神范围内的所有修改和变化。

Claims (10)

1.一种涡轮系统(10)，其包括：
压缩机(12)，其构造为用于压缩环境空气(14)；
燃烧器(16)，其构造为用于从所述压缩机(12)接收压缩空气(18)并且燃烧燃料流(20)以产生排气(22)；和
涡轮(24)，其用于从所述燃烧器(16)接收所述排气(22)以进行发电；其中，所述排气(22)的第一部分与所述环境空气混合以形成低氧空气流(32)，并且所述低氧空气流(32)被所述压缩机(12)压缩并被引导至所述燃烧器(16)以燃烧所述燃料流(20)，从而产生低NOx的排气(34)。
2.如权利要求1所述的涡轮系统(10)，其特征在于，所述排气的第一部分包含所述涡轮(24)产生的排气的约35％至约50％。
3.如权利要求1所述的涡轮系统(10)，其特征在于，所述燃烧器(16)构造为用于以富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来燃烧所述燃料流(20)。
4.如权利要求3所述的涡轮系统(10)，其特征在于，所述燃烧器(16)包括：
富燃区(112)，其构造为用于允许所述燃料流(20)的富燃料燃烧；
淬熄区(114)，其构造为用于允许所述燃料流(20)的从所述富燃料燃烧到贫燃料燃烧的转换；和
贫燃区(116)，其构造为用于允许所述燃料流(20)的所述贫燃料燃烧。
5.如权利要求4所述的涡轮系统(10)，其特征在于，所述低氧空气流(32)的约60％至约90％与所述燃料流混合，并且引入所述富燃区以促进所述富燃料燃烧。
6.一种涡轮系统(10)，其包括：
压缩机(12)，其构造为用于压缩环境空气(14)和排气(30)的至少一部分，以形成经压缩的低氧空气流；
燃烧器(16)，其构造为用于从所述压缩机(12)接收所述经压缩的低氧空气流，并且以富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来燃烧燃料流(20)以产生所述排气；和
涡轮(24)，其用于从所述燃烧器(16)接收所述排气，以进行发电和产生低NOx的排气；其中，所述排气的第一部分再循环至所述压缩机以形成所述低氧空气流(32)。
7.一种整体煤气化联合循环(IGCC)系统(160)，其包括：
燃气发生器(162)，其构造为用于从煤中产生合成气燃料；和
涡轮系统(10)，其联接至所述燃气发生器(162)并且包括：
压缩机(12)，其构造为用于压缩环境空气和排气的至少一部分，以形成经压缩的低氧空气流；
燃烧器(16)，其构造为用于从所述压缩机接收所述经压缩的低氧空气流，并且以富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来燃烧所述合成气燃料以产生所述排气；和
涡轮(24)，其用于从所述燃烧器接收所述排气以进行发电和产生低NOx的排气；其中，所述排气的第一部分再循环至所述压缩机以形成所述低氧空气流。
8.一种操作涡轮系统的方法，其包括：
产生压缩空气流；
燃烧所述压缩空气流与燃料流以形成排气；
使所述排气膨胀以进行发电；
压缩并混合所述排气的第一部分与所述空气流，以形成低氧空气流；并且
燃烧所述低氧空气流与所述燃料流以产生低NOx的排气。
9.一种减少来自涡轮系统的排放的方法，其包括：
压缩空气流和排气的至少一部分以产生低氧空气流；
以富燃-淬熄-贫燃模式来燃烧所述低氧空气流与燃料流以产生低NOx的排气；并且
使所述排气膨胀以进行发电。
10.一种涡轮系统，其包括：
压缩机，其构造为用于压缩环境空气和排气的至少一部分以形成经压缩的低氧空气流；
干式低排放(DLE)燃烧器，其构造为用于从所述压缩机接收所述经压缩的低氧空气流，并且以富燃-淬熄-贫燃(RQL)燃烧模式来燃烧燃料流以产生所述排气；
涡轮，其用于从所述燃烧器接收所述排气以进行发电和产生低NOx的排气；其中，所述排气的第一部分再循环至所述压缩机以形成所述低氧空气流；和
热回收蒸汽发生器(HRSG)，其构造为用于从所述涡轮接收所述排气以产生蒸汽。
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