CN102330601B - 用于燃气涡轮发动机中的排气使用的系统和方法 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机中的排气使用的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机中的排气使用的系统和方法。在一个实施例中，提供了一种系统(50，120，130，200)，其包括第一燃气涡轮发动机(52)。第一燃气涡轮发动机(52)具有构造成吸入空气以及产生第一压缩空气(14)的第一压缩机(80)，以及构造成燃烧第一混合物而产生第一燃烧气体的第一燃烧器(88)。第一混合物具有第一燃料、第一压缩空气(14)的至少第一部分和来自第二燃气涡轮发动机(10)的第二燃烧气体(24)。第一燃气涡轮发动机(52)还包括构造成从第一燃烧气体中提取功的第一涡轮(92)。

Description

用于燃气涡轮发动机中的排气使用的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及排气在燃气涡轮发动机中的使用。具体而言，排气在一个或多个燃气涡轮发动机内用作用于化学计量燃烧的再循环工作流体。
背景技术
一般而言，燃气涡轮发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物而产生燃烧气体。燃烧气体可流过一个或多个涡轮级，以产生用于负载和/或压缩机的动力。燃烧气体可包括多种燃烧副产物，例如一氧化碳(CO)、一氧化氮及其派生物(NOX)、二氧化碳(CO2)等等。这些副产物或排放物大体受到正变得越来越严厉的规章的影响。但遗憾的是，减排技术通常会导致性能或效率的降低。
发明内容
在下面对在范围上与原本声明的发明相当的某些实施例进行了概述。这些实施例不意图限制所声明的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意在提供对本发明的可行形式的简要概述。实际上，本发明可包括可类似于或不同于下面阐述的实施例的各种各样的形式。
在一个实施例中，提供了一种系统，其包括第一燃气涡轮发动机，第一燃气涡轮发动机具有构造成燃烧第一混合物而产生第一燃烧气体的第一燃烧器、构造成从第一燃烧气体中提取功以及输出第一排气的第一涡轮，以及构造成压缩第一排气以产生压缩排气的第一压缩机。第一燃气涡轮发动机将压缩排气的第一部分传送到第一燃烧器，并且第一燃气涡轮发动机构造成将压缩排气的第二部分传送到第二燃气涡轮发动机。
在另一个实施例中，提供了一种系统，其包括第一燃气涡轮发动机。第一燃气涡轮发动机具有构造成吸入空气以及产生第一压缩空气的第一压缩机，以及构造成燃烧第一混合物而产生第一燃烧气体的第一燃烧器。第一混合物具有第一燃料、第一压缩空气的至少第一部分和来自第二燃气涡轮发动机的第二燃烧气体。第一燃气涡轮发动机还包括构造成从第一燃烧气体中提取功的第一涡轮。
在又一个实施例中，提供了一种运行燃气涡轮发动机系统的方法。该方法包括在第一燃气涡轮发动机的第一燃烧器内燃烧燃料混合物而产生燃烧气体，使用第一燃气涡轮发动机的第一涡轮来从燃烧气体中提取功而产生排气，以及使用第一燃气涡轮发动机的压缩机来压缩排气以产生压缩排气。将压缩排气的第一部分提供回到第一燃烧器，并且将压缩排气的第二部分提供给一个或多个单独的燃气涡轮发动机。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似的符号在所有图中表示相似的部件，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的、构造成使排气再循环以用作工作流体的燃气涡轮发动机的示意图；
图2是根据本公开的一个实施例的、具有三个互连的燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机系统的示意图，燃气涡轮发动机中的一个构造成使排气再循环以用作工作流体；
图3是根据本公开的一个实施例的、具有两个互连的燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机系统的示意图，燃气涡轮发动机中的一个构造成使排气再循环以用作工作流体；
图4是根据本公开的一个实施例的、具有四个互连的燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机系统的示意图，燃气涡轮发动机其中一个构造成使排气再循环以用作工作流体；
图5是根据本公开的一个实施例的、运行构造成使排气再循环以用作燃烧燃料的燃气涡轮发动机的方法的工艺流程图；
图6是具有构造成执行再循环排气的化学计量燃烧的一个或多个燃气涡轮发动机的整体气化联合循环(IGCC)设备的简图。
部件列表：
10燃气涡轮发动机
12负载
14压缩空气
15燃料
16燃烧器
20压缩机
18压缩EGR
24压缩EGR输出流
26热的燃烧气体
28涡轮
30轴
32排气
34排气区段
36催化剂区段
38EGR流
50系统
52第一燃气涡轮发动机
54第二燃气涡轮发动机
56HRSG
58延伸部分
60管道
62燃烧器区域
66压缩空气管道
64压缩EGR管道
68第一EGR入口
70第二EGR入口
72第一压缩空气出口
74第二压缩空气出口
76第一进气口
78第二进气口
80第一空气压缩机
82第二空气压缩机
84第一燃烧器区域
86第二燃烧器区域
88第一燃烧器
90第二燃烧器
92第一燃气涡轮
94第二燃气涡轮
96负载
98负载
100第一HRSG
102第二HRSG
104第一催化剂区段
106第二催化剂区段
108第一排气烟囱
110第二排气烟囱
120系统
130系统
132第三燃气涡轮发动机
134第三EGR入口
136第三压缩空气出口
138第三燃烧器区域
140第三进气口
142第三空气压缩机
144第三燃烧器
146第三涡轮
148第三负载
150第三HRSG
152第三催化剂区段
154第三排气烟囱
170方法
172接收压缩空气
174化学计量地燃烧燃料
176从燃烧气体中提取功
178用催化剂处理排气
180冷却排气
182回收排气
184压缩排气
186将排气的一部分提供给单独的燃气涡轮发动机
188将排气的一部分提供给EGR燃气涡轮发动机的燃烧器
200联合循环动力设备
202燃料源
204给料制备单元
206气化器
208渣料
210气体处理单元
212硫处理器
214产生硫
216盐
218水处理单元
220路径
222压缩氮气
224流
226第一传动轴
228蒸汽涡轮发动机
230负载
232冷凝器
234冷却塔
236排气流
238捕捉的CO2
240排气
具体实施方式
下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可在不同的实现之间彼此有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的多种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。
本公开大体涉及燃气涡轮发动机中的化学计量的排气再循环(SEGR)。在一种实现中，两个燃气涡轮发动机将空气吸入它们的压缩机中。大约21％的空气从各个压缩机抽出且通过管道输送到第三燃气涡轮发动机，在第三燃气涡轮发动机中，空气被供给到一个或多个SEGR燃烧器，与再循环排气(排气再循环(EGR))混合，并且化学计量地燃烧(即基本没有剩下剩余的O2)。燃烧的产物通过第三燃气涡轮发动机的涡轮，通过NOx催化剂(消除掉气体内的基本所有NOx)。排气然后通过热回收蒸汽发生器(HRSG)且再循环到第三燃气涡轮发动机的入口。
在一个实施例中，第三燃气涡轮发动机压缩机压缩仅排气。大约42％的排气从第三燃气涡轮发动机的压缩机抽出、分割，且被引导到前两个燃气涡轮发动机。在前两个燃气涡轮发动机中，排气再循环(EGR)与燃料和空气混合。由于在EGR中基本不存在O2，所以EGR能够用作稀释剂。因此，可降低在前两个燃气涡轮发动机内在燃烧期间产生的副产物气体(例如NOx)的总浓度。在一些实现中，由于这种构造而导致的NOx排放可比以基本相等的EGR水平运行的三个燃气涡轮发动机(例如当所有三个燃气涡轮发动机相同地构造时)低(不止大约三分之一(1/3))。
根据当前的实施例，这些和其它过程可由具有构造成执行排气再循环和燃烧的特征的燃气涡轮发动机执行或促进。在图1中示出了这种燃气涡轮发动机的一个实施例，图1是排气再循环(EGR)燃气涡轮发动机10的一个实施例的简图。作为一个实例，EGR燃气涡轮发动机10可为联合循环系统的一部分。EGR燃气涡轮发动机10大体构造成通过燃烧压缩空气14和燃料15(例如天然气、轻或重馏出油、石脑油、原油、残油或合成气)的混合物来驱动负载12。在燃烧器16内执行燃烧，燃烧器16可包括一个或多个燃烧室。应当注意，不像传统的燃气涡轮发动机，EGR燃气涡轮发动机10可不包括通入压缩机20(例如一个或多个压缩级)中的进气口。相反，燃烧器16接收由压缩机20提供的压缩EGR流18。在燃烧器16接收压缩EGR流18的一部分的同时，另一部分作为压缩EGR输出流24被提供给一个或多个单独的燃气涡轮发动机。关于图2-4对提供压缩EGR输出流24的过程进行了更加详细的论述。
为了在燃烧器16内开始燃烧过程，压缩EGR18可与压缩空气14(其被喷射到燃烧器16的一个或多个燃烧室中)混合且可发生点燃。点燃会产生热的燃烧气体26，热的燃烧气体26对燃气涡轮发动机10提供动力。更具体而言，热的燃烧气体26流过涡轮28(例如一个或多个涡轮级)，涡轮28通过轴30驱动负载12。例如，燃烧气体26可对涡轮28内的涡轮转子叶片施加原动力(例如通过对流、膨胀等等)，以使轴30旋转。在一个实例过程中，来自燃烧器16的热的燃烧气体26穿过涡轮28。热的燃烧气体26可迫使涡轮28中的涡轮叶片使轴30沿着燃气涡轮发动机10的轴线旋转。如图所示，传动轴30连接到燃气涡轮发动机10的多种构件上，包括压缩机20。
传动轴30可将涡轮28连接到压缩机20上，以形成转子。压缩机20可包括联接到传动轴30上的叶片。因此，涡轮叶片在涡轮28中旋转可引起将涡轮28连接到压缩机20上的传动轴30使压缩机20内的叶片旋转。压缩机20中的叶片的这个旋转使压缩机20压缩EGR源而产生压缩EGR流18。压缩EGR流18的一部分然后供给到燃烧器16，并且与其它燃烧成分混合。另外，如上面所提到的那样，压缩EGR流18的单独的一部分作为输出EGR24被提供给一个或多个单独的燃气涡轮发动机。除了负载12之外或代替负载12，轴30可驱动压缩机20。作为一个实例，除了别的之外，负载12可为发电机、推进器、变速器或驱动系统。
一旦涡轮28从热的燃烧气体26提取功，排气流32就可提供给排气区段34，在排气区段34中，排气32可被冷却或进一步处理。例如，排气区段34可包括催化剂区段36，催化剂区段36包含一氧化碳(CO)催化剂、NOx催化剂、未燃烧的烃催化剂或任何类似的金属基催化剂(例如铂基催化剂)。在示出的实施例中，催化剂区段36包括构造成消除排气流32内的几乎所有NOx气体的NOx催化剂，并且不包括CO催化剂。排气流32然后可作为排气再循环(EGR)流38离开排气区段34。EGR流38然后被压缩机20压缩且被作为压缩EGR流18提供给燃烧器16，并且作为压缩EGR24而输出。可将输出EGR24提供给例如其它燃气涡轮发动机或使用惰性气体(例如基本没有O2的气体)的其它过程。这种过程可包括增强采油(enhancedoilrecovery)、气体精炼厂的阻燃吹扫等等。事实上，在本文中构想到受益于使用基本没有O2的气体的任何系统。
在当前的实施例中，压缩EGR流18可被分割，第一部分提供给燃烧器16，并且第二部分作为输出EGR流24被发送给一个或多个其它燃气涡轮发动机。该一个或多个燃气涡轮发动机可为已经重新布置管道或重新构造成将EGR接收在一个或多个相应的燃烧室中的传统燃气涡轮发动机。图2是在包括一个EGR燃气涡轮发动机和两个其它的单独的燃气涡轮发动机的系统50中使用EGR燃气涡轮发动机10的一个实施例的图示。特别地，系统50包括第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54，它们包括已经构造成接收来自EGR燃气涡轮发动机10的输出EGR流24的区域。下面对第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54进行了更加详细的描述。
在系统50的运行期间，压缩EGR流18流入EGR燃气涡轮发动机10的燃烧器16中。在燃烧器16内，在存在EGR流18的情况下化学计量地燃烧空气14和燃料15，其中，存在于燃烧器16内的基本所有氧气(O2)都被点燃。从而，所产生的热的燃烧气体26可包含相对于传统的燃气涡轮发动机增大的量的一氧化碳(CO)，并且可基本无O2(例如，基于总的燃烧气体体积包含不到大约2％、1.5％、1％、0.5％或0.25％的O2)。下面对CO的产生和使用进行了更加详细的描述。尽管如此，热的燃烧气体26然后被发送给涡轮28，涡轮从热的燃烧气体26中提取功，以驱动压缩机20和/或负载12，这会产生排气32。
根据示出的实施例，排气32然后被发送给热回收蒸汽发生器(HRSG)56。HRSG56作为图1中描述的排气区段34来运行，并且包括催化剂区段36，催化剂区段36包含NOx催化剂。应当注意到，在使用HRSG的实施例中，催化剂区段36的布置可至少部分地确定排气32被催化剂区段36内的催化剂处理时所处的温度。例如，因为产生蒸汽的传热、气体膨胀等等的原因，在HRSG56的前部处(例如在更靠近涡轮28的一部分处)，排气32可比HRSG56的后部(例如与涡轮28相对的一侧)处更热。作为一个实例，催化剂区段36内的NOx催化剂可在介于大约1000°F和1200°F之间的温度(例如大约1000°F、1050°F、1100°F、1150°F或1200°F)下处理排气32，这对催化剂所执行的NOx分解过程来说可为有利的。如上面所提到的那样，排气32可包括较大部分的CO。在一些实施例中，合乎需要的可为在燃烧期间将CO用作能源。因此，催化剂区段36内的催化剂可不分解任何较大部分的CO。也就是说，催化剂区段36可不包括CO催化剂。下面关于对第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54的论述对CO用作燃料进行了更加详细的描述。
在排气32内的基本所有NOx气体已经被消除之后，排气32在其穿过HRSG56时逐渐冷却。在示出的实施例中，排气32可用来产生高压高温蒸汽。HRSG56产生的蒸汽然后可穿过设备的多种特征以产生功率，下面关于图6对此进行了更加详细的描述。另外，还可将产生的蒸汽供应给其中可对例如气化器使用蒸汽的任何其它过程。EGR燃气涡轮发动机10的HRSG56可为包括延伸部分58以允许进行附加冷却的特别构造的HRSG。在一些实施例中，这种附加冷却对于提高各种过程(例如压缩机20内的蒸汽发生和压缩)的效率来说可为合乎需要的。因此，排气流32可冷却到介于大约50°F和150°F之间(例如大约50°F、60°F、70°F、80°F、90°F、100°F、110°F、120°F、130°F、140°F或150°F)。另外，应当注意到，不像一些燃气涡轮发动机构造，EGR燃气涡轮发动机10不具有排气烟囱。相反，EGR燃气涡轮发动机10将排气流32供给回到燃气涡轮发动机系统50中。
因此，在排气流32冷却之后，排气流32可进入管道60中，管道60可为导管或类似的通气特征。管道60将排气流32引导回到EGR燃气涡轮发动机10的压缩机20。如上面所提到的那样，压缩机20压缩排气流32而产生压缩EGR流18。根据当前的措施，压缩EGR流18进入燃烧器区域62中，燃烧器区域62包含用于将EGR流18分成两部分或更多部分的各种特征(例如阀、歧管等等)。阀可控制被引导到第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54的EGR流18的相对量以及进入燃烧器16中的压缩空气14的相对量。
输出EGR24相对于提供给燃烧器16的EGR流18的量的量可至少部分地由系统50内单独的燃气涡轮发动机的数量和EGR相对于适于化学计量燃烧的O2的量确定。例如，在一些实施例中，大约60％的EGR与大约40％的空气的比率可适于化学计量燃烧(基本完全消耗O2)。因此，EGR流18的大约40％±10％是通到第一燃气涡轮52和第二燃气涡轮54的输出EGR24，其由来自第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54的压缩空气14的大约40％的引入来代替。根据当前的实施例，可在第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54之间基本均等地划分EGR输出24的量和压缩空气14的引入的量。因此，将输出EGR24的大约20％提供给各个燃气涡轮发动机52和54。类似地，第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54中的各个所吸入的空气的大约20％被压缩且作为引入压缩空气14而提供给EGR燃气涡轮发动机10。应当注意到，除了EGR燃气涡轮发动机10之外，EGR与空气的大致比率可保持基本不被燃气涡轮发动机的数量改变。因此，引入压缩空气14和输出EGR24的量可均等地在一个、两个、三个、四个或更多个单独的燃气涡轮发动机之间划分，各个分别提供大约40％、20％、13.3％、10％或更少的量。事实上，根据公开的实施例，可按任何组合来使用任何数量的单独的燃气涡轮发动机。例如，EGR燃气涡轮发动机10可将EGR提供给多个燃气涡轮发动机中的任何燃气涡轮发动机(例如第一、第二、第三、第四燃气涡轮发动机等等中的任何燃气涡轮发动机)，以及接收来自该多个燃气涡轮发动机的任何燃气涡轮发动机的压缩空气。另外，可使用不止一个EGR燃气涡轮发动机，其中比率均匀分配，或者分开且相应地均匀分配。
在系统50的运行期间，通过使第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54与EGR燃气涡轮发动机10流体连接的压缩空气管道66将空气14直接提供给燃烧器16(燃烧器16的燃烧室)。类似地，输出EGR24流过使EGR燃气涡轮发动机10与第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54流体连接的压缩EGR管道64。特别地，压缩EGR管道64通向第一燃气涡轮发动机52的第一EGR入口68和第二燃气涡轮发动机54的第二EGR入口70。以类似的方式，分别通过第一压缩空气出口72和第二压缩空气出口74将第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54所产生的压缩空气14提供给压缩空气管道66。
为了产生提供给EGR燃气涡轮发动机10的压缩空气14，第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54通过相应的第一和第二进气口76和78吸入空气(例如环境空气)。第一燃气涡轮发动机52的第一空气压缩机80(例如一个或多个压缩级)和第二燃气涡轮发动机54的第二空气压缩机82(例如一个或多个压缩级)压缩吸入的空气而产生压缩空气14。虽然压缩空气14在第一燃气涡轮发动机52的第一燃烧器区域84(例如在燃烧区的上游)和第二燃气涡轮发动机54的第二燃烧器区域86(例如在燃烧区的上游)中，但是规定量(例如大约21％)的压缩空气14可被抽回到第一压缩空气出口72和第二压缩空气出口74中，发送通过压缩空气管道66，以及作为喷射到燃烧器16中的O2的独立源提供给EGR燃气涡轮发动机10。
燃料(例如燃料15)在第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54内的燃烧在相应的第一燃烧器88和第二燃烧器90内执行。应当注意到，输出EGR24被提供给第一燃烧器88和第二燃烧器90，直接通入它们的燃烧室中，这可稀释各个燃烧器内的燃料浓度。事实上，如果各个燃烧器88、90包括多个燃烧室，则输出EGR24就可喷射到各个燃烧室。EGR的稀释作用可控制燃烧器88、90内的峰值火焰温度。另外，由于稀释作用的原因，可降低存在于由于第一燃烧器88和第二燃烧器90内的燃烧而产生的燃烧气体内的NOx的水平。因此，降低这种燃烧过程所产生的燃烧气体内的NOx气体的平均浓度(例如，降低到不过大约百万分之1、2、5、10或15体积(ppmv)的NOx)可能是可行的。
一旦已经在第一燃烧器88和第二燃烧器90内产生燃烧气体，它们就被发送给第一燃气涡轮发动机52的第一燃气涡轮92和第二燃气涡轮发动机54的第二燃气涡轮94，在第一燃气涡轮92和第二燃气涡轮94中，从热的燃烧气体中提取功，如以上关于图1所描述的那样。第一燃气涡轮92和第二燃气涡轮94所提取的功可导致一个或多个特征-例如将燃气涡轮92、94连接到相应的负载96和98上的轴-旋转。备选地或另外，通过从燃烧器88和90内产生的燃烧气体中提取功，燃气涡轮92和94可驱动第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54的相应的压缩机80、82。
以类似于以上关于EGR燃气涡轮发动机10所描述的过程的方式，第一燃气涡轮92和第二燃气涡轮94从热的燃烧气体中提取功会产生相应的排气流。排气流然后前进通过第一燃气涡轮发动机52的第一HRSG100和第二燃气涡轮发动机54的第二HRSG102。但是，不像EGR燃气涡轮发动机10，第一HRSG100和第二HRSG102不具有设置在各自的前部处的相应的催化剂区段。相反，由于各个催化剂区段内的催化剂的运行温度的原因，各个燃气涡轮发动机的第一催化剂区段104和第二催化剂区段106设置成朝向各个HRSG的中间部分。例如，第一催化剂区段104和第二催化剂区段106可包括仅CO催化剂，因为第一燃烧器88和第二燃烧器90内的燃烧所产生的燃烧气体可包含这样的O2水平：其排除使用其它催化剂类型，例如NOx催化剂或由于O2的存在而受显著影响的其它催化剂。但是，应当注意，本文还构想到其它NOx还原方法，例如通过使用氨进行的选择性的催化还原。尽管如此，催化剂区段104和106所产生的N2和/或CO2可用于各种设备过程，例如碳捕捉。
一旦排气穿过第一和第二催化剂区段104和106，排气就在它们前进通过第一和第二HRSG100和102时继续冷却。在示出的实施例中，第一和第二HRSG100和102可为传统大小，从而使得燃烧气体的温度朝向HRSG100和102的端部冷却到介于大约150°F和200°F之间(例如大约150°F、160°F、170°F、180°F、190°F或200°F)。一旦排气已经前进通过HRSG100和102，排气就可分别通过第一排气烟囱108和第二排气烟囱110离开第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54。
如上面所提到的那样，排气可包含N2和CO2，它们在气化过程中可用来进行碳捕捉，或者作为附加值气体流输出。应当注意到，在其中系统50是气化设备的一部分的实施例中，第一和第二排气烟囱108、110可或者直接或者间接地连接到一个或多个吸收器柱上。例如，第一和第二排气烟囱108、110可通过管道各自连接到相应的CO2吸收器上以进行碳捕捉。在这种实施例中，当前的措施可有利地提供经冷却和/或压缩的排气，它们可由与传统构造相比大小减小(例如在示出的实施例中，大小减小了大约33％)的CO2吸收器适当地处理。备选地或另外，CO2吸收器的数量可例如从三个减少到示出的实施例中的两个。CO2吸收器的大小减小和/或数量减少可取决于各种各样的因素，包括所使用的燃气涡轮发动机的数量、用于进行处理的溶剂的类型和温度、燃气涡轮发动机上的HRSG的大小等等。
虽然已经将系统50描述成具有三个燃气涡轮发动机(EGR燃气涡轮发动机10、第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54)，但是应当注意到，当前的措施也可应用于除了一个或多个EGR燃气涡轮发动机之外还采用了任何数量的燃气涡轮发动机的系统。图3和4示出了两个这种实施例，它们的相应的系统分别具有总共两个和四个燃气涡轮发动机。图3是具有EGR燃气涡轮发动机10和第一燃气涡轮发动机52的系统120的实施例。
如上面所提到的那样，第一燃气涡轮发动机52可为具有直接通过管道通到第一燃烧器88中的第一EGR入口68的燃气涡轮发动机。另外，第一燃烧器区域84已经管道布置成允许通过第一压缩空气出口72去除压缩空气14的一部分。应当注意到，系统120的运行模式可与系统50的运行相同或相似。例如，EGR燃气涡轮发动机10可管道布置成使得存在发送到第一燃气涡轮发动机52的压缩EGR18的大约40％±10％的放气(作为输出EGR24)。事实上，不管燃气涡轮发动机的数量如何，EGR与适于化学计量的燃烧的压缩空气的大约60-40的比率保持基本不变，如上面所提到的那样。因此，不是如图2中的那样从第一燃烧器区域84中去除压缩空气14的大约20％，而是在系统120的实施例中这样去除大约40％。因此，通过第一EGR入口68将压缩EGR18的大约40％(作为输出EGR24)提供给第一燃烧器88，并且压缩空气14的大约40％通过第一压缩空气出口72抽到压缩空气管道66中。虽然60-40的比率适于化学计量燃烧，但是应当注意到，压缩空气14和输出EGR24的相对量可例如在大约40％±10％之间波动。
如上面所提到的那样，在图4中描述了具有总共四个燃气涡轮发动机(一个EGR燃气涡轮发动机和三个燃气涡轮发动机)的系统130。系统130包括将EGR输出到一个或多个燃气涡轮发动机以及从该一个或多个燃气涡轮发动机接收压缩空气的EGR燃气涡轮发动机10、第一燃气涡轮发动机52、第二燃气涡轮发动机54和第三燃气涡轮发动机132。应当注意到，系统130可按与以上分别关于图2和3所描述的系统50和120相似或相同的方式运行。但是，系统130具有不同量的从各个燃气涡轮发动机中发送的以及输送到各个燃气涡轮发动机的压缩空气14和输出EGR24。
例如，从EGR燃烧器区域62中流出的输出EGR24仍然可相当于(represent)离开EGR压缩机20的总压缩EGR18的大约40％±10％。但是，不是如图2中那样将大约20％输送到各个燃气涡轮或如图3中那样输送40％，而是第一、第二和第三燃气涡轮发动机52、54和132中的各个接收总压缩EGR流18的大约13.3％(大约40％±10％在三个燃气涡轮发动机之间基本均等地划分)。
因此，除了(基本与其同时)以上关于图2中的系统50的运行所描述的过程，第三燃气涡轮发动机132通过第三EGR入口134接收来自压缩EGR管道64的输出EGR24。相反，第三燃气涡轮发动机132产生的压缩空气14的一部分会离开且进入第三压缩空气出口136中且进入压缩空气管道66中。压缩空气14接着被直接输送到EGR燃气涡轮发动机10的燃烧器16中。
如同第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54一样，第三压缩EGR入口134和第三压缩空气出口136两者均设置在第三燃烧器区域138中。第三燃烧器区域138设置在第三进气口140的下游、第三空气压缩机142和第三燃烧器144之间。特别地，第三压缩空气出口136设置在第三燃烧器144的正上游，从而使得进入第三进气口140中的空气被第三压缩机142压缩。压缩空气14然后基本立刻分割成输送到第三燃烧器144的一部分和作为直接输送到EGR燃气涡轮10的燃烧器16的压缩空气14输出的另一部分。
压缩空气14的被引导到第三燃烧器144的部分与直接输送到第三燃烧器144中的输出EGR24混合，并且与含碳燃料共同燃烧。应当注意到，如上所述，输出EGR24可包含CO，CO能够用作燃料。在第三燃烧器144内的燃烧过程会产生热的燃烧气体，热的燃烧气体进入第三涡轮146。第三涡轮146从热的燃烧气体中提取功，并且输出排气，其过程驱动第三压缩机142和/或第三负载148。
离开第三涡轮146的排气然后被引导到具有第三催化剂区段152的第三HRSG150。如同以上关于图2所描述的第一燃气涡轮发动机52和第二燃气涡轮发动机54一样，第三催化剂区段152包含构造成消除存在于排气中的基本所有CO以产生CO2的CO催化剂。第三催化剂区段152内的CO催化剂可在介于大约500°F和700°F之间的温度(例如大约500°F、600°F或700°F)处运行，以便从NOx和CO产生CO2和N2。因此，通过被输出EGR24稀释以及通过第三催化剂区段152处理，与传统构造相比，排气可包含更低水平的NOx(例如低大约10％和40％之间)。一旦第三催化剂区段152已经处理了排气，第三排气烟囱154就使排气能够离开第三燃气涡轮发动机132以供内部或外部使用。例如，包含CO2的、基本无NOx的排气(例如不过大约百万分之2、5、10或15体积(ppmv)的NOx)可具有多种用途，包括用于化学合成、碳捕捉和/或气化的输出。
因此，在以上的燃气涡轮发动机系统实施例的背景中描述的当前的措施还提供了运行燃气涡轮发动机系统的方法170，方法170在图5中被示为工艺流程图。如上面所提到的那样，本文描述的措施可应用于这样的系统内的任何数量的燃气涡轮发动机：在该系统中，燃气涡轮发动机中的至少一个是化学计量的EGR燃气涡轮发动机，该EGR燃气涡轮发动机从直接通入其燃烧器中的一个或多个单独的燃气涡轮发动机中接收压缩空气(框172)。EGR燃气涡轮发动机化学计量地燃烧燃料混合物(框174)，燃料混合物可为O2和压缩排气的混合物，如上所述。因而，所产生的燃烧气体可为基本无O2的，并且与非化学计量的燃烧过程相比可包含升高的水平的CO。
一旦执行了燃烧(框174)，所产生的燃烧气体就被引导到燃气涡轮，燃气涡轮从热的燃烧气体中提取功(框176)。如上所述，热的燃烧气体可使燃气涡轮内的叶片旋转，这使轴旋转而驱动压缩机和/或另一个负载。一旦已经从热的燃烧气体中提取了功(框176)，所产生的排气就被例如催化剂处理(框178)。催化剂可为设计成以便降低排气内的NOx水平的NOx催化剂。另外，NOx催化剂可对排气内的CO浓度没有任何实质的影响，因为CO可在后面的步骤中用作燃料。在一些实施例中，排气可基本不包含O2，因为燃烧(即非化学计量的燃烧)之后的过量的O2可对NOx催化剂有有害影响。
在由NOx催化剂处理(框178)之后，排气可穿过排气区段，例如HRSG，其中，排气冷却，同时传热而产生蒸汽(框180)。例如，排气可冷却到介于大约50°F和100°F之间，如以上关于图2所描述的那样。在冷却(框180)之后，排气再循环回到EGR燃气涡轮发动机(框182)。作为一个实例，排气可再循环回到EGR燃气涡轮发动机的压缩机的入口。在排气再循环回到EGR燃气涡轮发动机之后，排气被例如至少部分地由燃气涡轮驱动的压缩机压缩(框184)。根据当前的措施，所产生的压缩排气再循环(EGR)然后分成第一部分和第二部分。一部分被引导到一个或多个单独的燃气涡轮发动机(框186)，其中，压缩EGR直接喷射到它们相应的燃烧器中。在一个实施例中，此部分相当于总压缩EGR的大约40％±10％。如上面所提到的那样，压缩EGR的输出部分可在一个或多个单独的燃气涡轮发动机的燃烧器内有稀释作用，并且还可包含CO，CO可用作燃料。
在压缩EGR的第一部分被提供给一个或多个单独的燃气涡轮发动机(框186)的同时，压缩EGR的另一部分被提供给EGR燃气涡轮发动机的燃烧器(框188)。在一些实施例中，压缩EGR的第二部分相当于总压缩EGR的大约60％±10％。一旦压缩EGR的第二部分被提供到EGR燃气涡轮发动机的燃烧器中(框188)，方法170就循环回到燃烧燃料混合物(框174)，这启动了上述的随后的动作。另外，应当注意到，可基本同时地执行将压缩EGR提供给EGR燃气涡轮发动机的燃烧器的动作(框188)和从一个或多个单独的燃气涡轮发动机中接收压缩空气的动作(框172)。
在以上描述中，已经对采用两个或更多个燃气涡轮发动机的系统进行了参照，其中，燃气涡轮发动机的至少一个是EGR燃气涡轮发动机。EGR燃气涡轮发动机将EGR输出到其它燃气涡轮发动机的相应的燃烧器，并且将压缩空气直接接收到其燃烧器中。这种构造可按各种各样的方案实施，例如构造成产生功率的系统。参照图6提供了上述措施的实施的一个实例，图6是整体气化联合循环动力设备200的示意图。IGCC系统200可由合成气体(即合成气)提供动力。IGCC系统200的元件可包括燃料源202，例如固态供料，燃料源202可用作用于IGCC系统200的能量源。燃料源202可包括煤(包括硫含量低的煤)、石油焦、生物质、木基材料、农业废料、焦油、焦炉气和沥青或其它含碳物。
燃料源202的固态燃料可被传送到给料制备单元204。给料制备单元204可通过对燃料源202进行砍碎、研磨、切碎、磨碎、压块或码垛堆积来(例如)重新设置燃料源202的大小或形状，以产生给料。另外，水或其它适当的液体可添加到给料制备单元204中的燃料源202中，以产生浆料给料。在其它实施例中，不对燃料源添加液体，从而产生干的给料。
给料可从给料制备单元204传送到气化器206。气化器206可将给料转化成合成气，例如一氧化碳(CO)和氢气(H2)的组合。在热解过程期间气化器206内部的温度的范围可为大约150℃至700℃，取决于用来产生给料的燃料源202。
在气化器206中可发生燃烧过程。燃烧可包括将氧气引入到炭和残余气体中。炭和残余气体可与氧气反应而形成二氧化碳(CO2)和CO，这会对后来的气化反应提供热。在燃烧过程期间的温度的范围可为大约700℃至1600℃。接着，在气化步骤期间，蒸汽可被引入到气化器206中。炭可与CO2和蒸汽反应而产生在范围为大约800℃至1100℃的温度下的CO和H2。本质上，气化器使用蒸汽和氧气，以允许一些给料“燃烧”而产生CO和能量，这会推动将另外的给料转化成H2和附加CO2的第二反应。
在气化器206中产生气体混合物。气体混合物可认为是未经处理的、未加工的或酸性合成气且可包含高达大约20％体积的H2S。气化器206还可产生渣料208，渣料208可为湿灰材料。可从气化器206中去除渣料208，且渣料208可用作路基或另一种建筑材料。气体混合物然后被传送到气体处理单元210，以去除各种非合成气成分。
大体上，气体处理单元210可接收未经处理的合成气以及从该未经处理的合成气中去除多种气体，包括HCl、HF、COS、HCN和H2S。另外，气体处理单元210可将富含H2S的气体传输到硫处理器212，例如克劳斯反应器。H2S气体可由硫处理器212处理而产生供输出的硫214。可通过水处理单元218从未经处理的合成气中分离出盐216，水处理单元218使用水净化技术来从未经处理的合成气中产生可用的盐216。
气体处理单元210还可构造成执行二氧化碳(CO2)捕捉。在一个实施例中，可将燃气涡轮发动机系统(例如系统50、120或130)所产生的含有CO2的排气提供给连接到气体处理单元210上或气体处理单元210内的特征，以进行后来的净化和碳封存(sequestration)，这将在下面关于燃气涡轮发动机构造进行更加详细的描述。在上述一些过程之后和/或基本同时，沿着路径220离开气体处理单元210的气体可认为是经处理的、脱硫(sweeten)的和/或经净化的合成气。也就是说，合成气可基本没有硫以及残余气体成分。
离开气体处理单元210的经处理的合成气的纯度可足以使其用作燃料。例如，在一些实施例中，离开气体处理单元210的经处理的合成气可包含介于大约0和10％之间的CO2。另外，剩余体积可具有从1∶1至4∶1的摩尔比率中的任何摩尔比率的H2与CO。根据本文描述的实施例，经处理的合成气沿着路径220传输到以上关于图2和3所描述的燃气涡轮发动机系统120。如上面所提到的那样，燃气涡轮发动机系统包含大体构造成燃烧经处理的合成气、压缩空气和来自EGR燃气涡轮发动机10的输出EGR24的混合物的燃气涡轮发动机52。系统120还包括接收来自第一燃气涡轮发动机52的压缩空气14且将输出EGR流24传输到该第一燃气涡轮发动机52的EGR燃气涡轮发动机10。
在IGCC系统200的运行期间，将经处理的合成气作为可燃燃料直接提供给第一燃烧器88，例如第一燃气涡轮发动机52的燃烧室。还可通过例如稀释氮气(DGAN)压缩机将压缩氮气222提供给第一燃烧器88。第一燃烧器88接收燃料，例如经处理的合成气，该燃料可在压力下从燃料喷嘴中喷射。经处理的合成气燃料可与压缩空气14(图2)以及压缩氮气222混合，并且被燃烧。燃烧可产生热的加压排气。应当注意到，在IGCC系统200以及(更具体而言)燃气涡轮发动机系统120的初始启动时，还可将该经处理的合成气提供给EGR燃气涡轮发动机10，以最初产生排气，排气表示为虚线(dashed)流224。备选地和/或另外，出于这样的目的，压缩空气14也可携带一部分经处理的合成气。
如上面所提到的那样，EGR燃气涡轮发动机10的燃烧器16将压缩的输出EGR24引导到第一燃烧器88中。在第一燃烧器88内燃烧之后，所产生的燃烧气体被引导到第一涡轮92。当来自第一燃烧器88的燃烧气体穿过第一涡轮92时，排气可迫使涡轮92中的涡轮叶片使第一传动轴226沿着第一燃气涡轮发动机52的轴线旋转。如同关于图1所描述的EGR燃气涡轮发动机10一样，传动轴226连接到第一燃气涡轮发动机52的多种构件上，包括第一压缩机80。所产生的排气然后离开第一涡轮92且被引导到第一HRSG100，如以上在图2中所描述的那样。
IGCC系统200还可包括使用第一HRSG100所产生的蒸汽的至少一部分的蒸汽涡轮发动机228。因此，蒸汽涡轮发动机228可驱动负载230。负载230可为用于产生电功率的发电机。应当注意到，虽然燃气涡轮发动机10和52与蒸汽涡轮发动机228可如示出的实施例所显示的那样驱动单独的负载，但是可串联地使用涡轮发动机10、52和228，以通过单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机228以及燃气涡轮发动机10和52的具体构造可为对实现而言专有的且可包括区段的任何组合。
在运行期间，蒸汽涡轮发动机228可产生排气，排气可包含低压蒸汽或冷凝水。来自例如蒸汽涡轮发动机228的低压区段的排气可被引导到冷凝器232中。冷凝器232可使用冷却塔234来将经加热的水转换成冷冻水，这也会协助冷凝过程。来自冷凝器232的冷凝物继而可被引导到第一HRSG100中。第一燃气涡轮发动机92所产生的且被引导到第一HRSG100中的热的排气加热来自冷凝器232的水而产生蒸汽。排气然后通过排气烟囱108离开第一HRSG100，而且在一些实施例中，排气作为排气流236被引导到气体处理单元210的碳捕捉区段而产生捕捉的CO2238。另外，应当注意到，排气的一部分或全部可作为排气240离开排气烟囱108进入大气中。
第一HRSG100所产生的蒸汽可为高压高温蒸汽。除了被提供给蒸汽涡轮发动机228，产生的蒸汽还可供应给其中可使用蒸汽的任何其它过程，例如供应给气化器206。燃气涡轮发动机系统120的发生循环通常被称为“顶层循环”，而蒸汽涡轮发动机228的发生循环通常被称为“底层循环”。通过如图6中所示来结合这两个循环，IGCC系统200可在两个循环中引起更大的效率。特别地，可捕捉到来自顶层循环的排气热且其可用来产生用于在底层循环中使用的蒸汽。
应当注意到，虽然已经在第一燃气涡轮发动机52的背景下对蒸汽涡轮发动机、冷凝器、冷却塔和发电机的存在进行了论述，但是EGR燃气涡轮发动机10的HRSG56也可联接到类似的相应特征上。事实上，在一些实施例中，HRSG56和HRSG100可驱动同一蒸汽涡轮、负载等等。因此，应当注意到，许多构造可为可行的，其中EGR燃气涡轮发动机10和第一燃气涡轮发动机52(以及在一些构造中，其它燃气涡轮发动机)共用共同的或相同的特征，包括(但不限于)负载、蒸汽涡轮发动机、冷却塔、冷凝器等等。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种用于燃气涡轮发动机中的排气使用的系统，包括：
排气再循环燃气涡轮发动机，其包括：
燃烧器，其构造成燃烧混合物而产生燃烧气体；
涡轮，其构造成从所述燃烧气体中提取功以及输出排气；以及
压缩机，其与所述涡轮的输出流体连接并构造成压缩所述排气以产生压缩排气，其中，所述排气再循环燃气涡轮发动机将所述压缩排气的第二部分传送到所述燃烧器，并且所述排气再循环燃气涡轮发动机构造成将所述压缩排气的第一部分直接输出到第一燃气涡轮发动机的至少一个第一燃烧器中；其中所述压缩排气的第一部分占由所述排气再循环燃气涡轮发动机所产生的总压缩排气的30％至50％。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器构造成接收来自所述第一燃气涡轮发动机的第一压缩机的第一进气。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩机构造成将所述压缩排气的所述第一部分输出到所述第一燃气涡轮发动机的第一燃烧器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器构造成接收来自第二燃气涡轮发动机的第二压缩机的第二进气，并且所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩机构造成将所述压缩排气的第三部分输出到所述第二燃气涡轮发动机的第二燃烧器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器构造成接收来自第三燃气涡轮发动机的第三压缩机的第三进气，并且所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩机构造成将所述压缩排气的第四部分输出到所述第三燃气涡轮发动机的第三燃烧器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器构造成化学计量地燃烧所述混合物，以产生至少基本上没有氧气的燃烧气体。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排气再循环燃气涡轮发动机排除了排气烟囱，且所述排气再循环燃气涡轮发动机构造成提供所述排气的全部的排气再循环(EGR)。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括起于所述排气再循环燃气涡轮发动机的排气路径，其中所述排气路径排除了一氧化碳(CO)催化剂。
9.一种用于燃气涡轮发动机中的排气使用的系统，包括：
第一燃气涡轮发动机，其包括：
第一压缩机，其构造成吸入空气以及产生第一压缩空气；
第一燃烧器，其构造成燃烧第一混合物而产生第一燃烧气体，其中，所述第一混合物包括第一燃料、所述第一压缩空气的至少第一部分以及来自排气再循环燃气涡轮发动机的压缩排气的第一部分，其中所述压缩排气的第一部分占由所述排气再循环燃气涡轮发动机所产生的总压缩排气的30％至50％；
第一涡轮，其构造成从所述第一燃烧气体中提取功；
管道，其将所述排气再循环燃气涡轮发动机的排气出口连接至所述第一燃烧器的入口，使得所述第一燃烧器接收所述压缩排气的第一部分。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一压缩机构造成将所述第一压缩空气的第二部分输出到所述排气再循环燃气涡轮发动机。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有压缩机、燃烧器和涡轮的所述排气再循环燃气涡轮发动机，其中，所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩机构造成在排气再循环燃气涡轮发动机的排气输送给所述第一燃烧器之前压缩所述排气以产生所述压缩排气，并且所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器构造成在所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩机的下游接收所述第一压缩空气的所述第二部分。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有第二压缩机、第二燃烧器和第二涡轮的第二燃气涡轮发动机，其中，所述第二燃烧器构造成接收来自所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩排气的第二部分。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括起于所述第一燃气涡轮发动机的第一排气路径，其中，所述第一排气路径包括至少一个一氧化碳(CO)催化剂，所述排气再循环燃气涡轮发动机包括起于所述排气再循环燃气涡轮发动机的排气路径，并且该排气路径排除了任何一氧化碳(CO)催化剂。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括起于所述第一燃气涡轮发动机的第一排气路径，其中，所述第一排气路径包括至少一个排气烟囱，所述排气再循环燃气涡轮发动机包括起于所述排气再循环燃气涡轮发动机的排气路径，并且该排气路径排除了任何排气烟囱。
15.一种运行燃气涡轮发动机系统的方法，包括：
在排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器内燃烧燃料而产生燃烧气体；
使用所述排气再循环燃气涡轮发动机的涡轮来从所述燃烧气体中提取功而产生排气；
使用所述排气再循环燃气涡轮发动机的压缩机来压缩所述排气以产生压缩排气；
将来自所述压缩机的所述压缩排气的第二部分提供回到所述燃烧器；以及
将来自所述压缩机的所述压缩排气的第一部分直接提供给一个或多个单独的燃气涡轮发动机，其中所述压缩排气的第一部分占由所述排气再循环燃气涡轮发动机所产生的总压缩排气的30％至50％；
利用所述压缩排气的第一部分作为在所述一个或多个单独的燃气涡轮发动机中的稀释剂以控制所述一个或多个单独的燃气涡轮发动机内的峰值火焰温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述压缩排气的第一部分直接提供给一个或多个单独的燃气涡轮发动机包括为所述一个或多个单独的燃气涡轮发动机的相应的燃烧器直接提供所述压缩排气的第一部分的均匀分配。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括在燃烧所述燃料之前将压缩空气接收到所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器中，其中，所述压缩空气由所述一个或多个单独的燃气涡轮发动机提供。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，燃烧所述燃料包括燃烧所述压缩排气与所述压缩空气的混合物，且所述燃烧化学计量地进行，以产生燃烧气体，其中，所述燃烧气体基本没有氧气。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，由所述排气再循环燃气涡轮发动机的燃烧器接收的所述压缩空气包括与提供给所述一个或多个单独的燃气涡轮发动机的所述压缩排气的第一部分基本相同的体积。
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