CN101451718A - 催化地稳定的燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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CN101451718A CNA2008101836547A CN200810183654A CN101451718A CN 101451718 A CN101451718 A CN 101451718A CN A2008101836547 A CNA2008101836547 A CN A2008101836547A CN 200810183654 A CN200810183654 A CN 200810183654A CN 101451718 A CN101451718 A CN 101451718A
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L·B·小达维斯
D·J·巴勒维克
J·J·利平斯基
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Abstract

本发明涉及一种催化地稳定的燃气轮机燃烧器。具体而言，其涉及这样的燃气轮机燃烧器(230)，该燃气轮机燃烧器(230)可包括中心燃烧喷嘴(240)和若干个围绕所述中心燃烧喷嘴(240)的外燃烧喷嘴(180－220)，该中心燃烧喷嘴(240)带有位于其中的催化剂(250)。

Description

催化地稳定的燃气轮机燃烧器
技术领域
本申请大致涉及燃气轮机引擎(gas turbine engines)，更具体地说，涉及用于燃气轮机的催化地稳定的(catalytically stabilized)燃烧器(combustor)。
背景技术
在高于大约2800华氏度(大约1538摄氏度)的温度下，存在于空气中的氮和氧组合而形成氮氧化物(NO和NO2，统称为NOX)。结果，现代的低排放的燃气轮机通常使用非常稀薄的、预混合火焰(flame)，以实现低NOX的燃烧。可运行边界包括“稀薄熄火”(“LBO”)，其可能导致一个或多个燃烧器中的火焰部分地或完全地熄灭。另一边界是声压振荡或燃烧动态(combustion dynamics)。这些燃烧动态可能影响燃烧系统整体上的可操作性或耐用性。结果就是，可能需要单独地调整各个燃气轮机，以在保持运转同时仍满足排放控制要求。然而，这种调整不仅可能影响试运行所需要的时间，而且还可能需要处理环境变化或负荷变化。
可通过为燃烧器提供稳定的锚固火焰(anchoring flame)来影响LBO边界和燃烧动态边界。在较老式的低NOX的燃烧器中，这种锚固火焰可通过引燃扩散焰(piloting diffusion flame)来提供。然而，这种类型的引燃可能造成NOX排放高于所希望的或可容许的水平。具体地说，在现代的带有高燃烧温度的燃气轮机中，扩散引燃的使用将使得所希望的单位数的NOX排放难以被达到。
因而，对于低NOX的燃烧器而言，需要获得更稳定的锚固火焰。这种稳定的锚固火焰应减少熄火的倾向性，提高高温段(hot section)的寿命，放松调整要求，并扩大低NOX的运行范围。
发明内容
因此，本申请提供了一种用于燃气轮机的燃烧器。燃气轮机燃烧器可包括里面带有催化剂的中心燃烧喷嘴和若干个围绕中心燃烧喷嘴的外燃烧喷嘴。
本申请还提供了带有中心燃烧喷嘴和若干个外燃烧喷嘴的燃气轮机燃烧器的运行。该方法包括如下步骤：将催化剂定位在中心燃烧喷嘴中，并将离开中心燃烧喷嘴的燃料-空气混合物调节至大约1000华氏度至1500华氏度(大约538摄氏度至816摄氏度)的温度范围内。
本申请还提供了一种燃气轮机燃烧器。这种燃气轮机燃烧器可包括里面带有催化剂的催化燃烧喷嘴和若干个定位在催化燃烧喷嘴附近的非催化燃烧喷嘴。
结合附图和附属权利要求，通过回顾以下所作的详细说明，本领域中的普通技术人员将明晰本申请的这些特征以及其它特征。
附图说明
图1是燃气轮机引擎的侧面横截面图，其显示了压缩机、透平和燃烧器的部分。
图2是在这里所述的干式低NOX燃烧器的前平面图。
图3是在这里所述的催化燃烧器的侧面横截面图。
零部件清单：
100  燃气轮机引擎
110  压缩机
120  燃烧器
130  燃烧筒
140  涡轮节
150  轴
160  DLN2.6燃烧器
170  第一喷嘴
175  歧管
180  第二喷嘴
190  第三喷嘴
200  第四喷嘴
210  第五喷嘴
220  第六喷嘴
230  催化燃烧器
240  催化喷嘴
250  催化剂层
具体实施方式
现在参看图纸，在所有的这几张图纸中相似的标号表示相似的元件，图1显示了燃气轮机引擎100的一部分。总地说来，燃气轮机引擎100包括压缩机110。压缩机110压缩进入的气流。然后，气流排放至燃烧器120。燃烧器120包括若干个燃烧筒(combustion cans)130。压缩空气和燃料在燃烧筒130中被点燃，并被用于驱动涡轮节140。在涡轮节140中，热的燃烧气体的能量转换成机械功。一些功通过轴150而用于驱动压缩机110，而其余部分可用于驱动负载，例如发电机。
作为示例，燃气轮机引擎100可以是可从纽约(New York)的斯卡奈塔第市(Schenectady)的通用电器公司(General Electric Company)得到的7FA+e多用途(utility)燃气轮机引擎。这里可使用带有燃烧器120的其它类型的燃气轮机引擎100。
燃烧器120可以是同样可从纽约的斯卡奈塔第市的通用电器公司得到的干式低NOX(“DLN”)燃烧器。特别地，燃烧器120可为通常所说的DLN2.6燃烧器。如图2中所示，DLN2.6燃烧器160包括第一喷嘴170和五(5)个在周围的外喷嘴，即第二喷嘴180、第三喷嘴190、第四喷嘴200、第五喷嘴210和第六喷嘴220。这里可使用任意数量的喷嘴。第一喷嘴170可以独立于外喷嘴180-220之外的方式获得燃料供给。为此，同外喷嘴180-220相比，第一喷嘴170可具有单独的歧管175。因此可相对于外喷嘴180-220而调节第一喷嘴170的燃料-空气比。外喷嘴180-220可以是相同的，而第一喷嘴170可以与外喷嘴180-220相似但带有简化的几何结构以便在可利用的空间内进行装配。大约九(9)ppm的NOX和CO排放目标在超过大约百分之五十(50％)的负荷范围上是可能的。在这里可使用其它配置和类型的燃烧器160。
图3显示了这里所述的催化燃烧器230。催化燃烧器230可在很大程度上与上面所述的DLN2.6燃烧器160相同，但其中，第一喷嘴170被催化喷嘴(catalytic nozzle)240所替代。催化喷嘴240可包括位于其中的一个或多个催化剂层250。这里可使用催化喷嘴240和催化燃烧器230的其它配置。
催化剂层250可包括贵金属(precious metals)、VIII族贵金属(GroupVIII noble metals)、碱金属、金属氧化物或它们的任何组合作为活性成分。可使用例如锆、钒、铬、锰、铜、铂、钯、锇、铱、铑、铈、镧、其它镧系元素、钴、镍、铁等等元素。催化剂层250可直接施加于衬底上，或者施加于由氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、氧化镁、其它难熔金属氧化物、或它们的任意组合所组成的涂层(washcoat)或中间粘合层上。涂覆催化剂的衬底可由各种耐高温材料制成。优选耐高温金属合金，尤其是由铁、镍和/或钴与铝、铬和/或其它合金材料(alloying material)相结合而组成的合金。尤其优选高温镍合金。其它可使用的材料包括陶瓷、金属氧化物、金属间化合物材料(intermetallicmaterials)、碳化物和氮化物。最优选金属衬底，这归因于其优良的导热性，其容许对催化剂层250进行有效的背面冷却。这里也可使用其它的材料和配置。
催化喷嘴240可以是康涅狄格州(Connecticut)纽黑文市(NewHaven)的精确燃烧公司(Precision Combustion，Inc.)的、以“RCL”为名称进行销售的喷嘴。这里可使用其它类型的催化喷嘴240。可能只有一部分燃料起反应，以使得喷嘴240的内部温度可被保持在可接受的范围内。可通过喷嘴240将空气、未反应的燃料、燃烧产物和高度反应性的部分燃烧产物的混合物注入到燃烧流(combustion stream)中。理想地，这种混合物处于大约1000华氏度至大约1500华氏度(大约538摄氏度至大约816摄氏度)的温度范围内。当来自催化喷嘴240的流被注入到由外喷嘴180-220所提供的空气和燃料的涡流混合物中时，这种相对较热的高度反应性的燃气流将为预混合火焰提供稳定的锚点(anchor)。因此，可将外喷嘴180-220调节至较低的运行温度。
通过引燃火焰，部分地起反应的燃气的相对较低的温度将产生非常少的NOX。来自喷嘴240的燃气并不意图将燃烧器230中的混合物点燃，而只是在一旦点燃的情况下为火焰提供稳定的锚点。通过提供这种相对较低温度的锚点，能改善可操作性并减少燃烧脉动而不会对NOX排放产生负面影响。
外喷嘴180-220中的一部分或全部同样可由催化喷嘴240所代替。这种替换提供了获得显著地降低的NOX排放水平的可能性，其超过了传统的稀薄预混合燃烧器(lean premix combustor)所能实现的水平。这里可使用任意数量或任意配置的催化喷嘴240。
应该理解的是，前面所述只涉及本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员在此可作出众多的改变和修改，而不会脱离由所附权利要求所限定的本申请的范围和主要精神及其等效物。

Claims (9)

1.一种燃气轮机燃烧器(230)，其包括：
中心燃烧喷嘴(240)；
所述中心燃烧喷嘴(240)包括位于其中的催化剂(250)；和
围绕所述中心燃烧喷嘴(240)的多个外燃烧喷嘴(180-220)。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(230)，其特征在于，所述多个外燃烧喷嘴(180-220)包括五(5)个燃烧喷嘴(180-220)。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(230)，其特征在于，所述中心燃烧喷嘴(240)包括中心燃烧喷嘴歧管(175)。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(230)，其特征在于，所述催化剂(250)包括贵金属、VIII族贵金属、碱金属、金属氧化物或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(230)，其特征在于，所述催化剂(250)包括锆、钒、铬、锰、铜、铂、钯、锇、铱、铑、铈、镧、其它镧系元素、钴、镍或铁。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(230)，其特征在于，所述中心燃烧喷嘴(240)包括燃烧流，所述燃烧流处于大约1000华氏度至大约1500华氏度(大约538摄氏度至大约816摄氏度)的温度范围内。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(230)，其特征在于，所述多个外燃烧喷嘴(180-220)中的一个或多个外燃烧喷嘴包括位于其中的催化剂(250)。
8.一种运行燃气轮机燃烧器(230)的方法，所述燃气轮机燃烧器(230)带有中心燃烧喷嘴(240)和多个外燃烧喷嘴(180-220)，所述方法包括：
将催化剂(250)定位在所述中心燃烧喷嘴(240)中；并
将离开所述中心燃烧喷嘴(240)的燃料-空气混合物调节至大约1000华氏度至大约1500华氏度(大约538摄氏度至大约816摄氏度)的温度范围。
9.一种燃气轮机燃烧器(230)，其包括：
催化燃烧喷嘴(240)；
所述催化燃烧喷嘴(240)包括位于其中的催化剂(250)；以及
定位在所述催化燃烧喷嘴(240)附近的多个非催化燃烧喷嘴(180-220)。
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