CN101881453A - 具有稀释剂开口的被鼓送空气的合成气燃料喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有稀释剂开口的被鼓送空气的合成气燃料喷嘴。提供了一种用于与燃烧器(16)一起使用的燃料喷嘴尖端(30)。该燃料喷嘴尖端包括：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，该燃料管构造成以便将燃料引导到限定在燃烧器内的混合区(32)中；以及联接到燃料管上的空气套环(34)，该空气套环包括构造成以便将空气排到混合区中的多个沿周向隔开的空气开口。

Description

具有稀释剂开口的被鼓送空气的合成气燃料喷嘴
技术领域
本文描述的实施例大体涉及整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统，且更具体而言涉及用于与IGCC动力发生系统一起使用的燃料喷嘴。
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，以及/或者炉渣添加物-的混合物转换成通常称为“合成气”的部分氧化的气体。控制输送到燃气涡轮发动机的流体的混合对于发动机的性能和/或排放来说可能是关键的。
例如，不适当和/或不充分的混合可导致火焰紧贴地附着到燃料喷嘴尖端上和/或紧贴地附着在喷嘴内，从而提高燃料喷嘴尖端和/或喷嘴的温度。此外，不适当和/或不充分的混合可能会或可能不会在流的中心中建立分离区，从而提高或降低旋涡破裂的可能性。另外，不适当和/或不充分的混合可导致限定在燃烧器内的再循环稳定区向下游转移，从而使火焰分开，且提高一氧化碳排放的产生。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种组装用于与燃烧器一起使用的燃料喷嘴尖端的方法。该方法包括提供燃料管，以及将空气套环联接到该燃料管上。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通过第一组多个燃料开口和第二组多个燃料开口排到混合区中。空气套环形成有多个沿周向隔开的空气开口。该空气套环定向成使得空气可通过该多个空气开口排到混合区中。
在另一个实施例中，提供了一种用于与燃烧器一起使用的燃料喷嘴尖端。该燃料喷嘴尖端包括燃料管和联接到该燃料管上的空气套环。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。该燃料管构造成以便将燃料引导到限定在燃烧器内的混合区中。空气套环包括构造成以便将空气排到混合区中的多个沿周向隔开的空气开口。
在又一个实施例中，提供了一种用于在整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统中使用的燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括燃烧器和燃料喷嘴尖端，该燃料喷嘴尖端包括燃料管和联接到该燃料管上的空气套环。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。该燃料管构造成以便将燃料引导到限定在燃烧器内的混合区中。空气套环包括构造成以便将空气排到混合区中的多个沿周向隔开的空气开口。
附图说明
图1是示例性整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统的示意图；
图2是可与图1所示的IGCC动力发生系统一起使用的示例性燃气涡轮发动机的示意图；
图3是可与图2所示的燃气涡轮发动机一起使用的示例性燃料喷嘴尖端的透视图；
图4是图3所示的燃料喷嘴尖端的内部视图；
图5是图3所示的燃料喷嘴尖端的端视图；以及
图6是图3所示的燃料喷嘴尖端的截面图。
部件列表
10   燃气涡轮发动机
12   压缩机
16   燃气涡轮发动机燃烧器
20   涡轮
21   轴
24   排气喷嘴
30   燃料喷嘴尖端
32   燃烧器混合区
34   空气套环
36   先导燃料管
42   燃料管面
44   下游端
46   先导燃料管面
48   先导燃料开口
50   动力发生系统
51   主空气压缩机
52   主燃料开口
53   空气分离单元
54   主燃料开口
56   气化器
58   空气开口
60   压缩机
62   清洁装置
64   发电机
68   空隙
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
本文描述的系统和方法有利于从使得能够产生浓焰同时降低火焰保持问题的燃料喷嘴排出燃料-空气混合物。特别地，本文描述的系统和方法有利于以微弱的旋流将燃料-空气混合物从燃料喷嘴排到燃烧器混合区内。
图1是示例性整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统50的示意图。在该示例性实施例中，系统50包括主空气压缩机51、空气分离单元53、气化器56、清洁装置62和燃气涡轮发动机10。在该示例性实施例中，发动机10包括压缩机12、燃烧器16和涡轮20。
在操作期间，空气流过主空气压缩机51，主空气压缩机51将压缩空气排到空气分离单元53。在该示例性实施例中，额外的压缩空气从燃气涡轮发动机压缩机12供应到空气分离单元53。
空气分离单元53将压缩空气分离成氧气流O2和气体副产物流NPG(也称为过程气体流)。在该示例性实施例中，空气分离单元53将氧气流O2引导到气化器56，经由压缩机60将至少一些过程气体流NPG引导到燃气涡轮发动机燃烧器16，且将至少一些过程气体流NPG引导到大气。在该示例性实施例中，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包括介于约90％和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。或者，代替氮气，过程气体流包括(H2O)蒸汽，其中，过程气体流包括介于约90％和100％之间的(H2O)蒸汽。
气化器56将空气分离单元53供应的氧气流O2、液态水和/或蒸汽、燃料的混合物、含碳物质，以及/或者炉渣添加物转换成通常称为“合成气”的部分氧化的气体。虽然气化器56可使用任何燃料，但是在一些实施例中，气化器56使用煤、石油焦炭、残油、油乳剂、柏油砂和/或其它类似的燃料。在该示例性实施例中，气化器56经由清洁装置62将合成气引导到燃气涡轮发动机燃烧器16。更具体地，在该示例性实施例中，气化器56产生包括二氧化碳CO2的合成气，且清洁装置62使二氧化碳CO2与合成气分离。由清洁装置62从合成气中分离出来的二氧化碳CO2可被排到大气，再循环到喷射喷嘴70以便由气化器56使用，被压缩和螯合(sequester)以进行地质存储(未显示)，以及/或者进行处理以获得工业用气体(未显示)。
图2是可与图1所示的系统50一起使用的发动机10的示意图。在该示例性实施例中，发动机10包括以串联的轴向流动关系布置的压缩机12、燃烧器16和涡轮20。压缩机12和涡轮20通过轴21联接在一起。在一个备选实施例中，发动机10包括通过第二轴联接在一起的高压压缩机和高压涡轮。
在操作期间，压缩机12压缩空气，且压缩空气被引导到燃烧器16。燃烧器16混合来自压缩机12的压缩空气、来自空气分离单元53(在图1中显示)的压缩过程气体，以及来自气化器56(在图1中显示)的合成气，以产生混合物，该混合物燃烧，产生燃烧气体，燃烧气体被引导朝向涡轮20。该燃烧气体通过排气喷嘴24排出，其中该气体离开发动机10。在该示例性实施例中，来自发动机10的动力输出驱动将电功率供应到电网(未显示)的发电机64(在图2中显示)。
更具体地，在该示例性实施例中，发动机10还包括至少一个燃料喷嘴(在图2中未显示)，该至少一个燃料喷嘴将压缩空气、压缩过程气体和合成气引导到限定在燃烧器16内的燃烧器混合区32(在图3中显示)。燃烧器16在燃烧器混合区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。在该示例性实施例中，使用过程气体流有利于控制来自发动机10的排放，且更具体地讲，有利于降低燃烧温度和发动机10内产生的氮氧化物排放水平。
图3-6示出了可与燃烧器16(在图2中显示)一起使用的示例性燃料喷嘴尖端30。更具体地，图3示出了燃料喷嘴尖端30的透视图，图4示出了燃料喷嘴尖端30的内部视图，图5示出了燃料喷嘴尖端30的端视图；而图6示出了燃料喷嘴尖端30的截面图。
在该示例性实施例中，燃料喷嘴尖端30定位在相关联的燃料喷嘴(未显示)的下游端44处。此外，在该示例性实施例中，燃料喷嘴尖端30包括空气套环34、先导燃料管36和主燃料管40。更具体地，在该示例性实施例中，主燃料管40自先导燃料管36沿径向向外且在先导燃料管36周围沿周向延伸。在该示例性实施例中，空气套环34在下游端44处联接到燃料管面42上。
空气套环34在燃料管面42附近形成有第一外径112。在该示例性实施例中，第一外径112的大小与主燃料管40的外径200的大小大致相同。在该示例性实施例中，空气套环34在第一外径112的下游还形成有第二外径122，第二外径122小于第一外径112。这样，第二外径122使空气套环34能够沿轴向滑动到燃烧器混合区32附近。
主燃料管40的燃料管面42至少包括第一组多个沿周向隔开的主燃料开口52。在该示例性实施例中，燃料管面42还包括第二组多个沿周向隔开的主燃料开口54，以使得主燃料管40能够将较大量的流体排到燃烧器混合区32中。在该示例性实施例中，主燃料开口52和54是基本圆形的。或者，开口52和/或54可形成有使得主燃料管40能够如本文所描述的那样起作用的任何截面形状。在该示例性实施例中，主燃料开口52和54关于燃料喷嘴尖端30的中心线210基本同心地及沿周向隔开。更具体地，在该示例性实施例中，主燃料开口52自中心线210向外隔开第一径向距离252，而主燃料开口54自中心线210向外隔开第二径向距离254。在该示例性实施例中，第一径向距离252比第二径向距离254更短。
在该示例性实施例中，主燃料开口52和54将流体(未显示)排到燃烧器混合区32中。更具体地，在该示例性实施例中，主燃料开口52和54将诸如被鼓送空气(air blown)的气化器合成气的主燃料(未显示)排到燃烧器混合区32中。更具体地，主燃料开口52和54以相对于中心线210倾斜地定向的预定的排出角θ1排出主燃料。在该示例性实施例中，排出角θ1在约10°至约30°之间。在一个实施例中，至少一个燃料开口54的排出角θ1与至少一个燃料开口52的排出角θ1不同。
先导燃料管面46包括多个先导燃料开口48。在该示例性实施例中，先导燃料开口48是基本圆形的。或者，先导燃料开口48可形成有使得先导燃料管36能够如本文所描述的那样起作用的任何截面形状。在该示例性实施例中，先导燃料开口48将流体排到燃烧器混合区32中。更具体地，在该示例性实施例中，先导燃料开口48将先导燃料(未显示)或启动燃料排到燃烧器混合区32中。更具体地，先导燃料开口48以相对于中心线210倾斜地定向的预定的排出角(未显示)排出先导燃料。
空气套环34包括多个沿周向隔开的空气开口58。在该示例性实施例中，通过空气套环34中的开口而非燃料管面42中的开口排出空气使得能够通过主燃料开口52和/或54排出较大量的主燃料。在该示例性实施例中，空气开口58是基本圆形的。或者，空气开口58可形成有使得空气开口58能够如本文所描述的那样起作用的任何截面形状。在该示例性实施例中，空气开口58在中心线210的周围基本沿周向隔开。更具体地，在该示例性实施例中，空气开口58自中心线210向外隔开径向距离258。在该示例性实施例中，径向距离258大于径向距离252和254。
在该示例性实施例中，空气开口58将流体排到燃烧器混合区32中。更具体地，在该示例性实施例中，空气开口58将空气排到燃烧器混合区32中。更具体地，空气开口58以相对于中心线210倾斜地定向的预定的排出角θ2排出空气。在该示例性实施例中，排出角θ2介于约10°至约30°之间。空气套环34的厚度158使得空气能够以排出角θ2排出，同时在空气开口58之间附近周向地限定空隙68。在该示例性实施例中，排出角θ1和排出角θ2是大约相等的。或者，排出角θ1和θ2可处于使得能够进行如本文所描述的那样的燃料-空气混合的任何角度。
在操作期间，先导燃料管36在发动机10的启动和怠速操作期间将先导燃料或启动燃料排到燃烧器混合区32。在该示例性实施例中，启动燃料是天然气。当需要额外的动力时，先导燃料管36停止将先导燃料排到燃烧器混合区32，且主燃料管40和空气套环34分别将主燃料和空气排到燃烧器混合区32。主燃料开口52和54以排出角θ1排出燃料，且空气开口58以排出角θ2排出空气。更具体地，从主燃料开口52和54排出的主燃料以及从空气开口58排出的空气的旋流和混合有利于在燃烧器混合区32内产生低于0.4的翻转点(tippingpoint)的旋流数。在该示例性实施例中，燃料-空气混合物的旋流数小于约0.4。更具体地，在该示例性实施例中，排出的燃料的旋流数小于约0.4，且排出的空气的旋流数小于约0.4。在本申请中所使用的旋流数限定为角动量相对于轴向推力的轴向通量。微弱的旋流有利于使燃料和空气沿径向方向缓缓地膨胀，从而降低旋涡破裂的可能性。换句话说，微弱的旋流降低了在旋流的中心线附近产生再循环区的可能性。此外，微弱的旋流有利于使燃料和空气沿轴向方向从下游端44朝燃烧器16缓缓地膨胀。因此，有利于火焰在与强旋流的情况下将可能附着的地方相比更下游处附着。在燃料喷嘴尖端30的更下游附着火焰有利于降低燃料喷嘴尖端30的操作温度。此外，各个空气开口58的圆形形状使得能够产生浓焰，从而使得火焰保持的可能性得以降低。
本文描述的方法和系统有利于排出使得能够产生浓焰、同时降低火焰保持问题的燃料-空气混合物。具体地，先导燃料开口、多个主燃料开口和空气开口在燃料喷嘴尖端内的定向有利于将具有微弱的旋流的燃料和空气的混合物排到混合区内。在该示例性实施例中，在精炼厂或煤气化装置中使用被鼓送空气的合成气燃料喷嘴。本文描述的方法和系统以实例的方式而非限制的方式示出了本公开。该描述清楚地使本领域技术人员能够制造和使用本公开，描述了本公开的若干实施例、修改、变化、备选方案和使用，包括目前被认为是执行本公开的最佳模式的那些。
以上对具有圆形的稀释空气开口的被鼓送空气的合成气燃料喷嘴和组装该燃料喷嘴的方法的示例性实施例进行了详细的描述。该方法和系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，可独立地使用该方法和系统的构件，且可与本文描述的其它构件分开使用该方法和系统的构件。例如，本文描述的方法和系统可具有其它工业和/或消费者应用，且不限于如本文所述与精炼厂或煤气化装置一起实践。相反，可结合许多其它行业来实现和使用本发明。
虽然已经关于各种具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认可，可用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本发明。

Claims (10)

1.一种用于与燃烧器(16)一起使用的燃料喷嘴尖端(30)，所述燃料喷嘴尖端包括：
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，所述燃料管构造成以便将燃料引导到限定在所述燃烧器内的混合区(32)中；以及
联接到所述燃料管上的空气套环(34)，所述空气套环包括构造成以便将空气排到所述混合区中的多个沿周向隔开的空气开口。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口和第二组多个燃料开口(52，54)至少其中之一构造成以便以相对于所述燃料喷嘴尖端的中心线(210)倾斜地定向的排出角将燃料排到所述混合区(32)中。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖端(30)，其特征在于，所述多个空气开口(52，54)中的至少一个构造成以便以相对于所述燃料喷嘴尖端的中心线倾斜地定向的排出角将空气排到所述混合区(32)中。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口和第二组多个燃料开口(52，54)以及所述多个空气开口至少其中之一定向成以便有利于在所述混合区(32)内产生小于0.4的旋流数。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口和第二组多个燃料开口(52，54)关于所述燃料喷嘴尖端的中心线(210)基本同心。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖端(30)，其特征在于，所述燃料管包围构造成以便将先导燃料引导到所述混合区(32)中的先导燃料管(36)。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一组多个燃料开口和第二组多个燃料开口(52，54)至少其中之一构造成以便以介于约10°和30°之间的排出角引导燃料，且所述多个空气开口中的至少一个构造成以便以介于约10°和30°之间的排出角引导空气。
8.一种用于在整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统(50)中使用的燃气涡轮发动机(10)，所述燃气涡轮发动机包括：
燃烧器(16)；以及
燃料喷嘴尖端(30)，所述燃料喷嘴尖端(30)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，所述燃料管构造成以便将燃料引导到限定在所述燃烧器内的混合区(32)中；以及
联接到所述燃料管上的空气套环(34)，所述空气套环包括构造成以便将空气排到所述混合区中的多个沿周向隔开的空气开口。
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和第二组多个燃料开口(52，54)至少其中之一构造成以便以相对于所述燃料喷嘴尖端(30)的中心线(210)倾斜地定向的排出角将燃料排到所述混合区(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(52，54)中的至少一个构造成以便以相对于所述燃料喷嘴尖端(30)的中心线(210)倾斜地定向的排出角将空气排到所述混合区(32)中。
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