CN101881452A - 具有稀释开口的吹气式合成气燃料喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有稀释开口的吹气式合成气燃料喷嘴。具体而言，提供了一种结合燃烧器(16)使用的燃料喷嘴尖(30)。该燃料喷嘴尖包括：包括第一组多个沿周向隔开的燃料开口(52)和第二组多个沿周向隔开的燃料开口(54)的燃料管，该燃料管构造成用以引导燃料到限定在燃烧器内的混合区域(32)中；以及联接到燃料管上的空气套圈(34)，该空气套圈包括构造成用以排放空气到混合区域中的多个沿周向隔开的空气开口(58)，该多个空气开口中的至少一个定向成有助于在混合区域内产生大于0.6的涡流数。

Description

具有稀释开口的吹气式合成气燃料喷嘴
技术领域
文中所述的实施例主要涉及整体气化联合循环(IGCC)发电系统，且更具体地涉及结合IGCC发电系统使用的燃料喷嘴。
背景技术
至少一些已知的气化器将流体(包括空气和/或氧气、液态水和/或蒸汽、燃料和/或渣滓添加物)的混合物转化成通常称为“合成气”的部分氧化的气体。控制输送至燃气涡轮发动机的流体的混合对于发动机的性能和/或排放物而言可能很重要。
例如，不适当地和/或不充分地混合可导致火焰附着在燃料喷嘴尖(tip)附近和/或附着在喷嘴内，从而升高了燃料喷嘴尖和/或喷嘴的温度。而且，不适当地和/或不充分地混合可能在流动中心生成或未生成分离区域，从而提高或降低了涡旋破碎的可能性。此外，不适当地和/或不充分地混合可导致限定在燃烧器内的回流稳定区域向下游移动，从而使火焰分开和增加产生了一氧化碳排放物。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种组装结合燃烧器使用的燃料喷嘴尖的方法。该方法包括提供燃料管和将空气套圈(collar)联接到燃料管上。该燃料管形成有第一组多个沿周向隔开的燃料开口和第二组多个沿周向隔开的燃料开口。该燃料管定向成使得燃料可经由第一和第二组多个燃料开口排放到混合区域中。空气套圈形成有多个沿周向隔开的空气开口。该多个空气开口中的至少一个定向成有助于在混合区域内产生大于0.6的涡流数。空气套圈定向成使得空气可经由多个空气开口排放到混合区域中。
在另一实施例中，提供了一种结合燃烧器使用的燃料喷嘴尖。该燃料喷嘴尖包括燃料管和联接到燃料管上的空气套圈。燃料管包括第一组多个沿周向隔开的燃料开口和第二组多个沿周向隔开的燃料开口。燃料管构造成用以引导燃料到限定在燃烧器内的混合区域中。空气套圈包括构造成用以排放空气到混合区域中的多个沿周向隔开的空气开口。该多个空气开口中的至少一个定向成有助于在混合区域内产生大于0.6的涡流数。
在又一实施例中，提供了一种用于整体气化联合循环(IGCC)发电系统中的燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括燃烧器和燃料喷嘴尖，其中，燃料喷嘴尖包括燃料管和联接到燃料管上的空气套圈。燃料管包括第一组多个沿周向隔开的燃料开口和第二组多个沿周向隔开的燃料开口。燃料管构造成用以引导燃料到限定在燃烧器内的混合区域中。空气套圈包括构造成用以排放空气到混合区域中的多个沿周向隔开的空气开口。该多个空气开口中的至少一个定向成有助于在混合区域内产生大于0.6的涡流数。
附图说明
图1是示范性的整体气化联合循环(IGCC)发电系统的示意图；
图2是可结合图1中所示的IGCC发电系统使用的示范性燃气涡轮发动机的示意图；
图3是可结合图2中所示的燃气涡轮发动机使用的示范性燃料喷嘴尖的透视图；
图4是图3中所示的燃料喷嘴尖的内部视图；
图5是图3中所示的燃料喷嘴尖的端视图；以及
图6是图3中所示的燃料喷嘴尖的截面图。
零件清单
10   发动机
12   压缩机
16   燃烧器
20   涡轮
21   轴
24   排气喷嘴
30   燃料喷嘴尖
32   燃烧器混合区域
34   空气套圈
36   辅助燃料管
40   一次燃料管
42   燃料管面
44   下游端
46   辅助燃料管面
48   辅助燃料开口
50   系统
52   一次燃料开口
53   空气分离单元
54   一次燃料开口
56   气化器
58   空气开口
60   压缩机
62   净化装置
64   发电机
68   间隔
70   喷射喷嘴
112  第一外径
122  第二外径
158  厚度
200  外径
210  中心线
252  第一径向距离
254  第二径向距离
258  径向距离
具体实施方式
文中所述的系统和方法有助于排放来自于燃料喷嘴的燃料-空气混合物，其中，该燃料喷嘴能够实现对于燃料的第一涡流数和对于空气的第二涡流数。如本申请中所用，涡流数定义为相对于轴向推力的角动量的轴向通量。
图1是示范性的整体气化联合循环(IGCC)发电系统50的示意图。在该示范性实施例中，系统50包括主要空气压缩机52、空气分离单元53、气化器56、净化装置62，以及燃气涡轮发动机10。在示范性实施例中，发动机10包括压缩机12、燃烧器16和涡轮20。
在运行期间，空气流动经过将压缩空气排放至空气分离单元53的主要空气压缩机52。在示范性实施例中，另外的压缩空气从燃气涡轮发动机的压缩机12供送至空气分离单元53。
空气分离单元53将压缩空气分离成氧气流O2和也称为过程气体流的副产气体流NPG。在示范性实施例中，空气分离单元53将氧气流O2引导至气化器56，经由压缩机60将至少一些过程气体流NPG引导至燃气涡轮发动机的燃烧器16，以及将至少一些过程气体流NPG引导至大气。在示范性实施例中，过程气体流NPG包括氮气。例如，在一个实施例中，过程气体流NPG包括处在大约95％至100％之间的氮气。过程气体流NPG还可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。作为备选，过程气体流包括代替氮气的(H2O)蒸汽，其中，过程气体流包括处在大约90％至100％之间的(H2O)蒸汽。
气化器56将空气分离单元53所供送的氧气流O2、液态水和/或蒸汽、燃料混合物、含碳物质和/或渣滓添加物转化成通常称为“合成气”的部分氧化的气体。尽管气化器56可使用任何燃料，但在一些实施例中，气化器56使用煤、石油焦、残油、油品乳化液、焦油砂和/或其它类似燃料。在示范性实施例中，气化器56将合成气经由净化装置62引导至燃气涡轮发动机的燃烧器16。更具体而言，在示范性实施例中，气化器56产生包含二氧化碳CO2的合成气，以及净化装置62从合成气中分离二氧化碳CO2。由净化装置62从合成气中分离出的二氧化碳CO2可排出至大气，再循环至喷射喷嘴70以供气化器56使用，进行压缩并隔离以便地质储藏(未示出)，和/或处理成用于工业用气体(未示出)。
图2是可结合图1中所示的系统50使用的发动机10的示意图。在示范性实施例中，发动机10包括压缩机12、燃烧器16，以及布置成串联的轴向流动关系的涡轮20。压缩机12和涡轮20经由轴21联接在一起。在备选的实施例中，发动机10包括高压压缩机和经由第二轴联接在一起的高压涡轮。
在运行期间，压缩机12压缩空气，并且压缩空气经引导通向燃烧器16。燃烧器16混合来自于压缩机12的压缩空气、来自于空气分离单元53(图1中所示)的压缩过程气体以及来自于气化器56(图1中所示)的合成气，用以产生经燃烧而生成引向涡轮20的燃烧气体的混合物。燃烧气体经由在其中气体引出发动机10的排气喷嘴24排放。在示范性实施例中，来自于发动机10的功率输出驱动向电网(未示出)供送电力的发电机64(图2中所示)。
更具体而言，在示范性实施例中，发动机10还包括至少一个燃料喷嘴(图2中未示出)，其引导压缩空气、压缩过程气体以及合成气通向限定在燃烧器16内的燃烧器混合区域32(图3中所示)。燃烧器16在燃烧器混合区域32内燃烧压缩空气、压缩过程气体和合成气以产生燃烧气体。在示范性实施例中，过程气体流的使用有助于控制来自于发动机10的排放物，且更具体而言，有助于降低燃烧温度和在发动机10内产生的一氧化二氮排放水平。
图3-6显示了可结合燃烧器16(图2中所示)使用的示范性的燃料喷嘴尖30。更具体而言，图3显示了燃料喷嘴尖30的透视图，图4显示了燃料喷嘴尖30的内部视图，图5显示了燃料喷嘴尖30的端视图；以及图6显示了燃料喷嘴尖30的截面图。
在示范性实施例中，燃料喷嘴尖30定位在关联的燃料喷嘴(未示出)的下游端44。而且，在示范性实施例中，燃料喷嘴尖30包括空气套圈34、辅助燃料管36，以及一次燃料管40。更具体而言，在示范性实施例中，一次燃料管40从辅助燃料管36沿径向向外且围绕该辅助燃料管36沿周向延伸。在示范性实施例中，空气套圈34在下游端44处联接到燃料管面42上。
空气套圈34邻近燃料管面42形成有第一外径112。在示范性实施例中，第一外径112与一次燃料管40的外径200具有近似相同的尺寸。在示范性实施例中，空气套圈34从第一外径112的下游还形成有小于第一外径112的第二外径122。因此，第二外径122允许空气套圈34沿轴向滑动接近燃烧器混合区域32。
一次燃料管40的燃料管面42包括至少第一组多个沿周向隔开的一次燃料开口52。在示范性实施例中，燃料管面42还包括第二组多个沿周向隔开的一次燃料开口54，用以允许一次燃料管40排放更大体积的流体到燃烧器混合区域32中。在示范性实施例中，一次燃料开口52和54为大致圆形。作为备选，开口52和/或54可形成有允许一次燃料管40如文中所述那样起作用的任何截面形状。在示范性实施例中，一次燃料开口52和54围绕燃料喷嘴尖30的中心线210大致同心且沿周向地间隔开。更具体而言，在示范性实施例中，一次燃料开口52从中心线210向外以第一径向距离252间隔开，以及一次燃料开口54从中心线210向外以第二径向距离254间隔开。在示范性实施例中，第一径向距离252相比于第二径向距离254更短。
在示范性实施例中，一次燃料开口52和54将流体(未示出)排放到燃烧器混合区域32中。更具体而言，在示范性实施例中，一次燃料开口52和54将一次燃料(未示出)如吹气式气化器合成气排放到燃烧器混合区域32中。更具体而言，一次燃料开口52和54以关于中心线210倾斜地定向的预定排放角度θ1排放一次燃料。在示范性实施例中，排放角度θ1处在大约10°至大约30°之间。在一个实施例中，至少一个燃料开口54的排放角度θ1不同于至少一个燃料开口52的排放角度θ1。
辅助燃料管面46包括多个辅助燃料开口48。在示范性实施例中，辅助燃料开口48为大致圆形。作为备选，辅助燃料开口48可形成有允许辅助燃料管36如文中所述那样起作用的任何截面形状。在示范性实施例中，辅助燃料开口48将流体排放到燃烧器混合区域32中。更具体而言，在示范性实施例中，辅助燃料开口48将辅助燃料(未示出)或启动燃料排放到燃烧器混合区域32中。更具体而言，辅助燃料开口48以关于中心线210倾斜地定向的预定排放角度(未示出)排放辅助燃料。
空气套圈34包括多个沿周向隔开的空气开口58。在示范性实施例中，经由空气套圈34中的开口而非燃料管面42中的开口排放空气，允许经由一次燃料开口52和/或54排放更大体积的一次燃料。在示范性实施例中，空气开口58为大致圆形。作为备选，空气开口58可形成有允许空气开口58如文中所述那样起作用的任何截面形状。在示范性实施例中，空气开口58围绕中心线210大致沿周向间隔开。更具体而言，在示范性实施例中，空气开口58从中心线210向外以径向距离258间隔开。在示范性实施例中，径向距离258大于径向距离252和254。
在示范性实施例中，空气开口58将流体排放到燃烧器混合区域32中。更具体而言，在示范性实施例中，空气开口58将空气排放到燃烧器混合区域32中。更具体而言，空气开口58以关于中心线210倾斜地定向的预定排放角度θ2排放空气。在示范性实施例中，排放角度θ2处在大约40°至大约50°之间。空气套圈34的厚度158允许空气以排放角度θ2进行排放，同时在相邻的空气开口58之间沿周向限定间隔68。在示范性实施例中，排放角度θ1和排放角度θ2近似相等。作为备选，排放角度θ1和θ2可处在能使燃料-空气混合物如文中所述那样的任何角度。
在运行期间，辅助燃料管36在发动机10的启动和空转运行期间将辅助燃料或启动燃料排放至燃烧器混合区域32。在示范性实施例中，启动燃料为天然气。当需要附加动力时，辅助燃料管36停止将辅助燃料排放至燃烧器混合区域32，且一次燃料管40和空气套圈34分别将一次燃料和空气排放至燃烧器混合区域32。一次燃料开口52和54以排放角度θ1排放燃料，而空气开口58以排放角度θ2排放空气。更具体而言，使排放自一次燃料开口52和54以及空气开口58的一次燃料和空气打旋和混合有助于在燃烧器混合区域32内生成低于倾翻点(tipping point)的涡流数。在示范性实施例中，排放燃料的涡流数小于0.4左右，而排放空气的涡流数大于0.6左右。排放空气相对高的涡流有助于在下游产生涡旋破碎。而且，排放空气相对高的涡流还增强了燃料喷嘴的燃料灵活性。而且，各空气开口58的圆形形状允许产生浓密火焰，以便降低火焰稳定的可能性。
文中所述的方法和系统有助于排放具有对于排放燃料的第一涡流数和对于排放空气的第二涡流数的燃料-空气混合物。在示范性实施例中，吹气式合成气燃料喷嘴用于精炼装备或煤气化装备。文中所述的方法和系统通过示例而非限制的方式阐述了本公开内容。本说明书使得本领域普通技术人员能够明确地制作和使用本公开内容，描述了若干实施例、变体、变型、备选方案，以及本公开内容的用途，包括目前认为是实施本公开内容的最佳方式。
上文详细描述了具有圆形稀释空气开口的吹气式合成气燃料喷嘴的示范性实施例及其组装方法。这些方法和系统不限于文中所述的具体实施例，而是相反，这些方法和系统的组成可与文中所述的其它组成独立和分开地予以采用。例如，文中所述的方法和系统可具有其它的工业和/或消费者应用，且不限于通过如文中所述的精炼装备或煤气化装备而予以实施。确切地说，本发明可结合许多其它行业予以实施和采用。
尽管本发明已根据各种具体实施例进行了描述，但本领域普通技术人员将会认识到的是，本发明可利用属于权利要求的精神和范围内的修改而予以实施。

Claims (10)

1.一种结合燃烧器(16)使用的燃料喷嘴尖(30)，所述燃料喷嘴尖包括：
燃料管，其包括第一组多个沿周向隔开的燃料开口(52)和第二组多个沿周向隔开的燃料开口(54)，所述燃料管构造成用以引导燃料到限定在所述燃烧器中的混合区域(32)中；以及
联接到所述燃料管上的空气套圈(34)，所述空气套圈包括构造成用以排放空气到所述混合区域中的多个沿周向隔开的空气开口(58)，所述多个空气开口中的至少一个定向成有助于在所述混合区域内产生大于0.6的涡流数。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口(52)和所述第二组多个燃料开口(54)中的至少一个构造成用以将燃料以关于所述燃料喷嘴尖的中心线(210)倾斜地定向的排放角度排放到所述混合区域(32)中。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖(30)，其特征在于，所述多个空气开口(58)中的至少一个构造成用以将空气以关于所述燃料喷嘴尖的中心线(210)倾斜地定向的排放角度排放到所述混合区域(32)中。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口(52)和所述第二组多个燃料开口(54)中的至少一个定向成有助于在所述混合区域(32)内产生小于0.4的涡流数。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口(52)和所述第二组多个燃料开口(54)围绕所述燃料喷嘴尖的中心线(210)大致同心。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖(30)，其特征在于，所述燃料管外接构造成用以引导辅助燃料到所述混合区域(32)中的辅助燃料管(36)。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口(52)和所述第二组多个燃料开口(54)中的至少一个构造成以处在大约10°至30°之间的排放角度引导燃料，以及所述多个空气开口(58)中的至少一个构造成以处在大约40°至50°之间的排放角度引导空气。
8.一种用于整体气化联合循环(IGCC)发电系统(50)的燃气涡轮发动机(10)，所述燃气涡轮发动机包括：
燃烧器(16)；以及
燃料喷嘴尖(30)，其包括：
包括第一组多个沿周向隔开的燃料开口(52)和第二组多个沿周向隔开的燃料开口(54)的燃料管，所述燃料管构造成用以引导燃料到限定在所述燃烧器内的混合区域(32)中；以及
联接到所述燃料管上的空气套圈(34)，所述空气套圈包括构造成用以排放空气到所述混合区域中的多个沿周向隔开的空气开口(58)，所述多个空气开口中的至少一个定向成有助于在所述混合区域内产生大于0.6的涡流数。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口(52)和所述第二组多个燃料开口(54)中的至少一个构造成以关于所述燃料喷嘴尖(30)的中心线(210)倾斜地定向的排放角度排放燃料到所述混合区域(32)中。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多个空气开口(58)中的至少一个构造成以关于所述燃料喷嘴尖(30)的中心线(210)倾斜地定向的排放角度排放空气到所述混合区域(32)中。
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