CN101424406B

CN101424406B - 用于在燃烧器内燃烧合成气的方法和装置

Info

Publication number: CN101424406B
Application number: CN2008101759790A
Authority: CN
Inventors: W·S·齐明斯基; G·O·克雷默; E·伊尔梅茨
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: US9080513B2; CH698040B1; CN101424406A; DE102008037502A1; US20090107105A1; CH698040A2; JP2009108858A

Abstract

本发明涉及用于在燃烧器内燃烧合成气的方法和装置，并且提供了一种干式低NOx燃烧器(14)。干式低NOx燃烧器(14)包括燃烧区(50)和与燃烧区流体连通的喷嘴，喷嘴用于将混合气态燃料(80)喷射到燃烧区中，其中喷嘴接收包括预定量的第一气态燃料(76)和预定量的第二气态燃料(78)的混合气态燃料(80)，并且第一气态燃料的改进沃泊指数(MWI)低于第二气态燃料的MWI，第一气态燃料的燃料反应性高于第二气态燃料的燃料反应性。

Description

用于在燃烧器内燃烧合成气的方法和装置

技术领域

本发明大体涉及燃烧器，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的干式低氮氧化物(NOx)(DLN)燃烧系统。

背景技术

至少一些已知的燃气涡轮发动机的燃烧系统燃烧合成气体或合成气，以产生驱动燃气涡轮的排气。然而，与其它燃料(诸如天然气)相比，一些已知的合成气具有低热值，并且因此与其它燃料相比也可能具有较低的改进沃泊指数(Modified Wobbe Index)(MWI)。另外，一些已知的合成气具有基于摩尔燃料分数的很大的氢含量，这可能导致带有非常短的特征化学时间(characteristic chemical time)的高反应性的燃料流。由于低MWI和高燃料反应性(fuel reactivity)的这种组合，常规的预混DLN燃烧系统可在燃烧合成气时经历逆燃(flashback)。“逆燃”是指这样的状态，即当燃料的引导和混合的空气动力被燃烧过程的快速的化学过程超越而允许反应在预混装置中稳定时发生的状态。已经明确确定的是，燃料的特征化学时间可与逆燃相关，即化学特征时间越长，则反应越慢，因此燃料引起逆燃事件的倾向性越小。随着时间的推移，逆燃的发生可能损坏燃烧器内的硬件。为了减少一些已知的干式低NOx燃烧系统中逆燃的发生，正常的操作需要严格的关于氢含量和MWI的燃料规格。

为了免除逆燃的顾虑，燃烧合成气的一些已知的燃烧系统基于扩散燃烧器，这种扩散燃烧器不使燃料与空气预混，并且不受逆燃的影响。这种系统喷射稀释剂，从而通过抑制反应的峰值温度来降低NOx排放。然而，与不包括将氮气喷射到燃烧器中的系统相比，在喷射之前可能需要氮气源靠近燃烧系统以及氮气可能需要额外的压缩，这可能增加燃烧系统的复杂性和/或成本。

另一个已知的系统引入氮气-水蒸气的混合物作为稀释剂，而又一个已知的系统将燃料-水蒸气的混合物喷射到燃烧器中来控制NOx形成，并且还有另外的系统使用二氧化碳。最终，水的可利用率和水的质量可能对这些系统产生不利影响，因此，使用蒸汽喷射的燃烧器可能需要成本昂贵并且复杂的蒸汽系统，以避免水的不利影响。

发明内容

一方面，提供了一种操作燃烧器的方法。该方法包括向燃烧器供应预定量的第一气态燃料，其中第一气态燃料具有第一改进沃泊指数(MWI)和第一燃料反应性，并且向燃烧器供应预定量的第二气态燃料，其中第二气态燃料具有高于第一MWI的第二MWI和低于第一燃料反应性的第二燃料反应性。该方法还包括将第一气态燃料和第二气态燃料混合在一起以形成混合气态燃料，并将混合气态燃料喷射到燃烧器中。

另一方面，提供了一种干式低NOx燃烧器。该燃烧器包括燃烧区和喷嘴，其中喷嘴与燃烧区流体连通，用于将混合气态燃料喷射到燃烧区中。喷嘴接收包括预定量的第一气态燃料和预定量的第二气态燃料的混合气态燃料，其中第一气态燃料的改进沃泊指数(MWI)低于第二气态燃料的MWI，第一气态燃料的燃料反应性高于第二气态燃料的燃料反应性。

又一方面，提供了一种燃烧系统。该燃烧系统包括干式低NOx燃烧器和混合装置，其中混合装置与第一气态燃料源和第二气态燃料源流体连通。混合装置从第一气态燃料源接收具有第一改进沃泊指数(MWI)和第一燃料反应性的第一气态燃料，以及从第二气态燃料源接收具有第二MWI和第二燃料反应性的第二气态燃料。第二MWI高于第一MWI，第二燃料反应性低于第一燃料反应性。混合装置用于将第一气态燃料和第二气态燃料混合成混合气态燃料。该系统还包括与干式低NOx燃烧器和混合装置流体连通的喷射装置。该喷射装置用于将混合气态燃料喷射到干式低NOx燃烧器中。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮燃烧系统的局部示意侧视图。

附图标记列表：

10 发动机

12 压缩机

14 燃烧器

16 涡轮

18 涡轮喷嘴

20 空气

22 发动机壳体

24 过渡管道

26 燃烧器壳体

28 端盖组件

30 流体套筒

32 衬里

34 燃烧衬里盖组件

36 支杆

38 空气通道

40 内壁

42 外壁

44 孔

46 火花塞

48 交叉火焰管

50 燃烧区

52 燃烧气体

54 喷嘴组件

56 预混管组件

58 燃烧器进口端

60 主燃料供应管路

62 第一燃料供应源

64 第二燃料供应源

66 混合装置

68 第一燃料供应管路

70 燃料流调节装置

72 第二燃料供应管路

74 调节装置

76 第一燃料

78 第二燃料

80 混合燃料

82 控制系统

具体实施方式

图1是示例性燃气涡轮发动机10的局部示意侧视图。燃气涡轮发动机10包括压缩机12、干式低NOx燃烧器14和涡轮16。在图1中仅示出涡轮16的第一级喷嘴18。在示例性的实施例中，涡轮16可旋转地联接到带有转子(未示出)的压缩机12上，该转子联接到单根公共轴(未示出)上。压缩机12使进口空气20增压，然后进口空气20被导入燃烧器14，用于冷却燃烧器14并为燃烧过程提供空气。更具体地，导入燃烧器14的空气20沿与穿过发动机10的空气流大致相反的方向流动。在示例性的实施例中，燃气涡轮发动机10包括绕发动机壳体22周向地定向的多个燃烧器14。更具体地，在示例性的实施例中，燃烧器14例如为环管形燃烧器，但并不限于环管形燃烧器。

在示例性的实施例中，燃烧器14包括在涡轮16上游联接的双壁型过渡管道24。另外，在示例性的实施例中，各燃烧器14包括联接至发动机壳体22和端盖组件28的大致圆柱形的燃烧器壳体26。端盖组件28例如包括供应管、歧管、阀门，它们用于将气态燃料、液态燃料、空气和/或水导入燃烧器，和/或使发动机10起到本文所描述的作用的任何其它部件。

在示例性的实施例中，大致圆柱形的流体套筒30联接到燃烧器壳体26中，使得套筒30与壳体26大致同心地对齐。在示例性的实施例中，流体套筒30包括联接到其中的燃烧衬里32。燃烧衬里32在流体套筒30中大致同心地对齐并联接到燃烧衬里盖组件34上。燃烧衬里盖组件34通过多个支杆36和相关的安装组件(未示出)固定在燃烧器壳体26中。衬里32联接到过渡管道的内壁40上，流体套筒30联接到过渡管道24的外壁42上。

在示例性的实施例中，空气通道38分别限定在衬里32与流体套筒30之间以及过渡管道24的内壁40和外壁42之间。过渡管道的外壁42包括限定在其中的多个孔44，孔44使得来自压缩机12的压缩空气20能够进入空气通道38。在示例性的实施例中，空气20沿与从压缩机12朝向端盖组件28的中心流(未示出)的方向大致相反的方向流动。另外，在示例性的实施例中，燃烧器14还包括多个火花塞46和多个交叉火焰管48。火花塞46和交叉火焰管48延伸穿过限定在燃烧衬里盖组件34下游和燃烧区50中的衬里32中的孔口(未示出)。火花塞46和交叉火焰管48点燃各燃烧器14中的燃料和空气以产生燃烧气体52。

在示例性的实施例中，多个燃料喷嘴组件54联接到端盖组件28上。尽管本文只描述了一种类型的燃料喷嘴组件54，但是多于一种类型的喷嘴组件或任何其它类型的燃料喷嘴可包含在燃烧器14中。在示例性的实施例中，燃烧衬里盖组件34包括多个预混管组件56，各预混管组件56大致限定相应的燃料喷嘴组件54。在示例性的实施例中，各预混管组件56包括如下类型的组件，该组件又包括被预混管呼拉(hula)密封件(未示出)隔开的两个管(未示出)。当燃烧衬里盖组件34在操作状态期间膨胀时，呼拉密封件使双管组件能够进行热膨胀和热收缩。

另外，在示例性的实施例中，各预混管组件56包括支承空气旋流器(未示出)的套环(未示出)，该空气旋流器可例如靠近各燃料喷嘴组件54的径向最外侧的壁(未示出)定位，与各燃料喷嘴组件54整体形成，和/或以使发动机10起到本文所描述的作用的任何其它适当的构造而构造而成。旋流器的方位使得流经空气通道38的空气20在燃烧器14的燃烧器进口端58处(在端盖组件28与燃烧衬里盖组件34之间)反向，并且流经空气旋流器和预混管组件56。限定在各空气旋流器中的燃料通道(未示出)引导燃料经过孔的布置，该孔根据燃气涡轮发动机10的操作模式将气态燃料连续地引入流过的空气20中，以产生燃料和空气的混合物，该混合物在预混管组件56下游的燃烧区50中点燃。

在示例性的实施例中，燃烧器14包括主燃料供应管路60，主燃料供应管路60通过燃料混合装置66联接至第一燃料供应源62和第二燃料供应源64。更具体地，第一燃料供应管路68联接在第一燃料供应源62与燃料混合装置66之间，并包括第一流量调节装置70。第二燃料供应管路72联接在第二燃料供应源64与燃料混合装置66之间，并包括第二流量调节装置74。尽管只显示并描述了两个流量调节装置70和74，但是燃烧器14可包括任意适当数目的流量调节装置和/或使燃烧器14起到本文所描述的作用的其它适当的构件。在示例性的实施例中，第一燃料供应源62、第一燃料供应管路68和/或第一燃料流调节装置70可在其中包括第一燃料76。类似地，第二燃料供应源64、第二燃料供应管路72和/或第二燃料流调节装置74可在其中包括第二燃料78。在示例性的实施例中，第一燃料76和第二燃料78为具有不同成分的不同的燃料，这将在下面更详细地描述。主燃料供应管路60构造成将混合燃料80从燃料混合装置66喷射到燃烧器14中。

在示例性的实施例中，燃料混合装置66构造成将第一燃料76和第二燃料78混合成大致均匀的混合燃料80。可选地，第一燃料76和第二燃料78可使用混合装置66之外的装置进行混合。例如，燃料76和燃料78可在公共的燃料供应源(未示出)、端盖组件28、预混管组件56、燃料喷嘴组件54和/或使燃烧器14起到本文所描述的作用的任何其它适当的混合装置中进行混合。另外，在示例性的实施例中，混合装置66便于通过调节混合燃料80中第一燃料76和第二燃料78的比例来调整混合燃料80的改进沃泊指数。

如本文所用，术语“改进沃泊指数”或“MWI”是指温度校正的沃泊指数。MWI使用下式进行计算：

MWI = \frac{LHV}{\sqrt{Tg \cdot SG}}

其中LHV是以每标准立方英尺的英制热量单位(BTU/scf)进行计量的低热值，Tg是燃料以兰金(Rankine)(^oR)度为单位的绝对温度，而SG是燃料相对于空气在ISO状态下的比重。该等式例如描述在D.M.Erickson等人的“Design Considerations for Heated Gas Fuel”，GE PowerSystems(March 2003)中。因此，MWI是燃料的体积能量含量的计算量度并直接与燃料的温度和低热值相关。通常，较低的MWI表示低热值，相反，较高的MWI表示高热值。另外，如本文所用，术语“燃料反应性”是指燃料的摩尔氢含量，而摩尔氢含量本身又是燃料的特征化学时间的标志。众所周知，氢极其易燃，并且在气态燃料中加入氢可对混合气流的燃烧极限、火焰速度和总体的燃烧特性有重大影响。

在示例性的实施例中，第一燃料76是合成气体或合成气，第二燃料78是天然气。在下文中，“第一燃料”和“合成气”可互换地使用，“第二燃料”和“天然气”可互换地使用。另外，如本文所用，术语“合成气体”或“合成气”是指通过气化工艺产生的气态燃料。合成气主要包括但不限于只包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)和氢气(H₂)，而成分取决于原材料。另外，如本文所用，术语“天然气”是指主要包括甲烷(CH₄)的气态燃料，但是也包括而不限于包括乙烷(C₂H₆)、丁烷(C₄H₁₀)、丙烷(C₃H₈)、二氧化碳(CO₂)、氮气(N₂)、氦气(He₂)和/或硫化氢(H₂S)。例如，天然气可具有70-90％(体积分数)的甲烷、5-15％(体积分数)的乙烷、少于5％(体积分数)的丙烷和丁烷，其余的体积成分可包括其它气体，诸如二氧化碳、氮气和/或硫化氢。

根据天然气的温度，天然气的MWI可在大约42到大约54之间。合成气的MWI通常低于大约20。另外，天然气的特征化学时间比合成气的特征化学时间慢大约5到大约10倍。通常，合成气的MWI范围和燃料反应性可使逆燃发生，因此，在示例性的实施例中，预定量的天然气78与合成气76混合，以便降低合成气76的特征化学时间。更具体地，在示例性的实施例中，选择天然气78的百分比和合成气76的百分比，从而便于调节混合燃料80所产生的特征化学时间，使得与只燃烧合成气76相比便于减少逆燃。在示例性的实施例中，选择合成气76和天然气78的百分比，以产生具有大约15到大约54之间的MWI的混合燃料80。另外，在示例性的实施例中，混合燃料80具有使其特征化学时间为合成气76的特征化学时间的至少大约两倍的燃料反应性。混合少于10％(体积分数)的天然气足以使合成气的特征化学时间大约增至三倍，由此使逆燃的倾向性降低三倍。

在示例性的实施例中，控制系统82操作地联接到第一燃料流调节装置70和第二燃料流调节装置74上，以分别控制进入燃料混合装置66的第一燃料76和第二燃料78的相对量。控制系统82可例如但不限于是计算机系统和/或使燃烧器14起到本文所描述的作用的任何其它系统。在示例性的实施例中，控制系统82构造成允许具有预定质量流速和/或体积流速的第一燃料76流经第一燃料供应管路68并进入燃料混合装置66，从而便于实现混合燃料80的预定的MWI和燃料反应性。类似地，控制系统82构造成允许具有预定质量流速和/或体积流速的第二燃料78流经第二燃料供应管路72并进入燃料混合装置66，从而便于实现混合燃料80的预定的MWI和燃料反应性。

可选地，控制系统82可构造成通过控制流动特性而不是控制质量流速和/或体积流速来控制进入燃料混合装置66的第一燃料76和第二燃料78的相对量。在一个实施例中，控制系统82联接到燃料混合装置66上，以调节和/或监控燃料76和78在混合装置66中的混合。在另一个实施例中，控制系统82联接到燃料混合装置66和/或主燃料供应管路60上，以调节喷射到燃烧器14中的混合燃料80的量。在又一个实施例中，端盖组件28中的构件联接到控制系统82上，用于控制进入燃烧器14、燃料喷嘴组件54和/或预混管组件56的混合燃料80。

在操作中，空气20通过进口(未示出)进入发动机10并在压缩机12中压缩。经压缩的空气20从压缩机12中排出并导入燃烧器14中。空气20通过孔44进入燃烧器，然后通过空气通道38流向燃烧器14的端盖组件28。流经空气通道38的空气20在燃烧器进口端58处被迫使使其流向反向，并被重新引导经过空气旋流器和预混管组件56。

为了产生通过端盖组件28供给到燃烧器14的混合燃料80，控制系统82控制第一燃料流调节装置70和第二燃料流调节装置74，以允许相应的燃料76和78流入混合装置66。更具体地，控制第一燃料流调节装置70，以允许第一燃料76从第一燃料供应源62中排出，通过第一燃料供应管路68并进入燃料混合装置66中。相似地控制第二燃料流调节装置74，以允许第二燃料78从第二燃料供应源64中排出，通过第二燃料供应管路72并进入燃料混合装置66中。控制各个燃料流调节装置70和74，从而便于实现各燃料76和78在混合燃料80中的预定百分比(体积分数)。

在示例性的实施例中，无然气78与合成气76混合以产生混合燃料80，混合燃料80具有百分比在混合燃料80总体积的大约5％到大约50％之间的天然气78。在另一个实施例中，混合燃料80中天然气78和合成气76的百分比分别为大约20％和大约80％(体积分数)。在另一个实施例中，天然气78和合成气76的百分比(体积分数)基于干式低NOx燃烧器14的设计，以便使混合燃料80的MWI和燃料反应性在设计规格之内。

在示例性的实施例中，燃料混合装置66在其中混合第一燃料76和第二燃料78，使得从燃料混合装置66中排出的混合燃料80大致均匀。混合燃料80从燃料混合装置66中排出，通过主燃料供应管路60并进入燃烧器14中。另外，在示例性的实施例中，控制系统82调节供给到喷嘴组件54和/或预混管组件56的空气20和混合燃料80。当控制系统82启动燃气涡轮发动机10的启动程序时开始点燃，一旦火焰持续地形成，火花塞46则从燃烧区50中退出。在燃烧区50的相对端，高温燃烧气体52经由过渡管道24和涡轮喷嘴18导向涡轮16。在一个实施例中，在燃烧过程期间，通过增加喷射到燃烧器14中的第二燃料78的量对逆燃事件进行校正，这是因为与第一燃料76相比，第二燃料78具有较高的MWI和较低的燃料反应性。

上述方法和装置便于合成气在不加入稀释剂的情况下在燃烧器中进行干式低NOx燃烧。更具体地，天然气与合成气混合，以便于合成气在干式低NOx燃烧器中燃烧。加入天然气便于延缓合成气的特征化学时间，以防止逆燃，并且因此便于减少火焰附近的构件的损坏和/或磨损。加入天然气还便于使所喷射的燃料的MWI保持在至少一些已知的干式低NOx燃烧器的设计规格之内，这是因为少量的天然气对于合成气的燃烧化学特性具有较大的影响。另外，与在其中喷射合成气和稀释剂的燃烧器相比，上述方法和装置还便于降低燃烧器的成本和复杂性，这是因为天然气可在燃烧器中用作备用燃料，并且因此可在没有增加成本和/或硬件的情况下方便地加以应用。

以上详细地描述了用于在燃烧器中燃烧合成气的方法和装置的示例性实施例。该方法和装置并不受限于本文所描述的具体的实施例，而是该方法和装置的构件可与本文所描述的其它构件独立地或分离地加以利用。例如，混合燃料还可与其它燃烧系统和方法一起应用，并且不受限于仅仅与本文所描述的干式低NOx燃烧器一起应用。相反，本发明可在许多其它燃料的燃烧应用中执行并利用。

尽管本发明就许多具体的实施例进行了描述，但是，本领域的技术人员可以认识到，本发明可在权利要求的精神和范围内进行变化。

Claims

1. 一种干式低NOx燃烧器(14)，其包括：

燃烧区(50)；

与所述燃烧区流体连通的喷嘴，用于将混合气态燃料(80)喷射到所述燃烧区内，其中，所述喷嘴接收包括预定量的第一气态燃料(76)和预定量的第二气态燃料(78)的所述混合气态燃料，并且所述第一气态燃料的改进沃泊指数(MWI)低于所述第二气态燃料的MWI，所述第一气态燃料的燃料反应性高于所述第二气态燃料的燃料反应性，其中，所述混合气态燃料的MWI经由混合装置通过在喷射至所述燃烧区之前调节所述混合气态燃料内的所述第一气态燃料和所述第二气态燃料的比例来调整。

2. 根据权利要求1所述的干式低NOx燃烧器(14)，其特征在于，所述喷嘴接收包括预定量的第二气态燃料(78)和预定量的第一气态燃料(76)的混合气态燃料(80)，其中，所述混合气态燃料具有不同于所述第一气态燃料(76)或所述第二气态燃料(78)的改进沃泊指数(MWI)和燃料反应性。

3. 根据权利要求2所述的干式低NOx燃烧器(14)，其特征在于，所述第一气态燃料(76)为合成气体并且所述第二气态燃料(78)为天然气。

4. 根据权利要求2或3所述的干式低NOx燃烧器(14)，其特征在于，所述喷嘴接收包括5%到50%(体积分数)的第二气态燃料的混合气态燃料(80)。

5. 根据权利要求1所述的干式低NOx燃烧器(14)，其特征在于，所述喷嘴接收具有在42到54之间的MWI的第二气态燃料(78)，并且所述喷嘴接收具有低于20的MWI的第一气态燃料(76)。

6. 根据权利要求1所述的干式低NOx燃烧器(14)，其特征在于，所述喷嘴接收具有在15到54之间的MWI的混合气态燃料(80)。

7. 一种燃烧系统，其包括：

干式低NOx燃烧器(14)；

与第一气态燃料(76)源和第二气态燃料(78)源流体连通的混合装置(66)，其中，所述混合装置从所述第一气态燃料源接收具有第一改进沃泊指数(MWI)和第一燃料反应性的第一气态燃料，以及从所述第二气态燃料源接收具有第二MWI和第二燃料反应性的第二气态燃料，并且所述第二MWI高于所述第一改进沃泊指数(MWI)，所述第二燃料反应性低于所述第一燃料反应性，所述混合装置将所述第一气态燃料和所述第二气态燃料混合成具有第三MWI的混合气态燃料(80)，其中，所述混合装置便于通过调节所述混合气态燃料内的所述第一气态燃料和所述第二气态燃料的比例来调整所述第三MWI；以及

与所述干式低NOx燃烧器和所述混合装置流体连通的喷射装置，所述喷射装置用于将所述混合气态燃料喷射到所述干式低NOx燃烧器中，其中，所述混合气态燃料具有不同于所述第一气态燃料或所述第二气态燃料的改进沃泊指数(MWI)和燃料反应性。

8. 根据权利要求7所述的燃烧系统，其特征在于，所述混合装置(66)接收具有在42到54之间的第二MWI的第二气态燃料(78)。

9. 根据权利要求7所述的燃烧系统，其特征在于，所述混合装置(66)接收为天然气的第二气态燃料(78)。

10. 根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述喷射装置接收包括5%到50%(体积分数)的天然气的混合气态燃料(80)。

11. 根据权利要求7所述的燃烧系统，其特征在于，所述混合装置(66)接收具有低于20的第一改进沃泊指数(MWI)的第一气态燃料(76)。