CN102460015B - 在燃烧贫预混高氢含量燃料时低NOx排放的旋涡燃烧室 - Google Patents

在燃烧贫预混高氢含量燃料时低NOx排放的旋涡燃烧室 Download PDF

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Abstract

一种驻涡燃烧室。该驻涡燃烧室配置用于接收一定速度的贫预混气体燃料和氧化剂流，该速度显著超出被选择的贫预混燃料和氧化剂混合物中的燃烧火焰速度，因而允许使用高氢含量燃料。该燃烧室被配置成以较高整体流体速度运行，同时保持稳定的燃烧和低NOx排放。该燃烧室在燃烧合成燃料的处理中的燃气轮机中有用，因为其提供了避免使用稀释气体从而降低燃烧温度的机会。该燃烧室还提供了避免使用选择催化还原装置的可能性，该装置用于从排出燃气轮机的燃烧气体中去除氮氧化物。

Description

在燃烧贫预混高氢含量燃料时低NOx排放的旋涡燃烧室
技术领域
本发明涉及燃烧器和燃烧室，包括用于燃气涡轮发动机的高效燃烧室，并且涉及使用该燃烧室的燃气涡轮发动机的工艺应用。
背景技术
鉴于各种一体化发电和燃料合成工艺的发展，尤其是该工艺产生具有显著氢含量的燃料的情况下，开发对于高氢含量燃料的燃烧的新颖或改进的工艺已变得日益重要。通常已开发出用于天然气的燃烧的可商用的燃气轮机，其中天然气即具有从大约29.807MJ/m3至大约44.711MJ/m3(大约800至大约1200英热单位/标准立方英尺)范围内的高热值的富含甲烷的燃料，其中标准条件为101.56KPa(14.73磅/平方英寸)绝对压力和15.56℃(60℉)。尽管这种燃气轮机已适合于燃烧某些合成气燃料，且更具体地具有常常处于从大约3.726MJ/m3至大约11.178MJ/m3(大约100至大约300BTU/scf)范围内的低热值的燃料，然而燃气轮机燃烧室设计特征总体上尚未对于氢含量或低级气体燃料应用进行最优化。
常规燃气涡轮发动机在从天然气过渡到合成气时遇到两个基本困难。首先，对于相同的燃料热输入，由于合成气燃料的较低热值，合成气燃料的质量流量常常比天然气高四至五倍。其次，虽然预混天然气和空气燃烧系统已成为控制NOx排放的普通手段，但是由于合成气的高氢含量，以及相伴随的火焰回火进入燃料喷射系统的潜在可能性，这种系统未被成功地实施于合成气应用。因此，已在合成气燃烧中使用的扩散火焰或“非预混”燃烧室被配置成通过用氮、蒸汽或二氧化碳稀释合成气来控制NOx排放。在这种设计中，稀释剂降低了火焰温度并因此降低了NOx的形成。
在天然气燃烧中，干式(即不添加蒸汽或水)低NOx(DLN，或“干式低NOx”)燃烧室能够以天然气燃料实现低于10ppmvd(在15％的氧之下，干式体积的百万分之10)的NOx排放。这种DLN燃烧室依赖预混原理，其降低燃烧火焰温度，并因此降低NOx排放。DLN燃烧室因为在燃烧区之前的更长的预混时间，所以能够实现比被稀释的非预混燃烧室低很多的NOx排放。
在例如在一些合成气混合物中可见的高氢含量燃料(高达60％体积或更多的氢)中，或者在纯氢燃料源中，火焰速度可高达比通常在天然气燃烧时的火焰速度快六倍之多。因此，这种高火焰速度混合物，无论是来自基于合成气的燃料还是来自其他氢源燃料，都使得不能使用DLN燃烧系统，因为在这种系统中，火焰将会回火到预混区中，并且破坏燃料喷射硬件。
另一方面，当为了降低NOx排放而添加太多稀释剂时，被稀释的非预混燃烧室具有化学动力学限制。稀释剂的增加导致燃烧区中的火焰不稳定，并且最终导致燃烧室熄火。因此，在最佳情况下，现有技术的合成气燃烧室的实用NOx降低极限目前在大约10至大约20ppmvd的NOx之间。
总之，对于可用于高氢含量燃料的燃烧的燃气涡轮发动机的燃烧室存在一种仍未满足的需求。为了满足该需求并且实现该目标，需要通过开发新的系统设计来解决基本技术挑战。如此处所述，有利的燃气轮机系统设计可包括使用与高氢含量燃料的贫预混，结合使用驻涡燃烧室。
附图说明
将通过附图中所示的示例性实施例说明本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示出新颖的驻涡燃烧室的俯视图，其示出例如富氢燃料的燃料与氧化剂的预混合，以及使用横向延伸的混合支柱，该混合支柱使得来自驻涡的燃烧气体能够与到来的燃料-空气预混物混合。
图2示出沿图1的截面2-2截取的新颖的驻涡燃烧室构造的实施例的正视图，其更清晰地示出第一钝体和第二或后钝体，其使得能够在第一和第二钝体之间建立稳定的旋涡，用于贫预混燃料和氧化剂混合物的燃烧，并且示出使用横向延伸的支柱，该支柱促进进入的预混物与从第一钝体和第二钝体之间的稳定旋涡逸出的热气体相混合。
图3示出新颖的驻涡燃烧室的实施例的透视图，其示出类似于图1中首先示出的循环主旋涡，此时示出使用多个横向延伸的混合装置，这里示为部分翼型的向外或横向延伸的混合装置的形式，其伸入邻近燃烧室突扩面的贫预混燃料和氧化剂的整体流中。
图4示出现有技术的整体煤气化联合循环(“IGCC”)工艺的工艺流程图，其示出在燃气轮机中使用扩散燃烧室，以及将来自燃气轮机压缩机和电机驱动压缩机两者的压缩空气输送至空气分离单元用于产生氧和氮，并且示出在燃气轮机之后使用选择性催化还原热气排放清除工艺。
图5示出类似于上述图4中首先示出的整体煤气化联合循环(“IGCC”)工艺的工艺流程图，但是与图4中示出的工艺相比，此时消除了使用对燃烧室的稀释气体输送和使用SCR排放清除技术，通过使用在此说明和教导的新颖的驻涡燃烧室，可从IGCC设备消除以上两种工艺步骤。
图6示出新颖的整体煤气化联合循环(“IGCC”)设备的工艺流程图，其示出在燃气轮机中使用新颖的驻涡燃烧室，并且还示出消除为了降低NOx而在燃气轮机中燃烧合成气后使用选择性催化还原或类似工艺，以及消除使用氮稀释剂来控制从燃气涡轮发动机的NOx排放。
仅为示例性的上述附图包含有取决于情况而在可实施的实际实施例中可存在或省略的各种元件。已尝试以至少示出对于理解本发明的各种实施例和方面而言重要的元件的方式绘制附图。然而，可利用新颖的驻涡燃烧室的各种其他元件，以及在燃烧例如富氢合成气的高火焰速度燃料时采用这些元件的方法，以便提供具有用于燃烧燃料-空气预混物的新颖驻涡燃烧室的通用燃气涡轮发动机，同时最小化一氧化碳和氮氧化物的排放。
具体实施方式
如图1中所示，已开发出对于富氢燃料以低NOx、贫预混模式运行，而仍适应这种燃料的高火焰速度特征的新颖的驻涡燃烧室10的设计。在一些实施例中，这种燃烧室10能够实现极低的NOx排放，而无需废气的燃烧后处理的附加成本和运行费用。此外，这种燃烧室10能够消除为了NOx排放控制而对高压稀释气体(氮、蒸汽或二氧化碳)的昂贵需求。
在图1中易见，在此公开的新颖的驻涡燃烧室10的设计中，提供至少一个腔体12，其具有经选择的尺寸和形状，用以稳定所选择的燃料成分的燃烧火焰。通过将前体，以下称为第一钝体14定位在通常更小的第二钝体，通常称为后体16的上游来实现火焰稳定。通过燃料出口18提供例如富氢合成气的燃料F，并且燃料F与到来的被压缩含氧化剂流A混合，该含氧化剂流A可为包含氧和氮(或者在其他实施例中，为例如蒸汽或二氧化碳的另一种惰性工作流体)的压缩空气流。整体流体的入流在流体流动附图标记20的方向上继续，最终提供进入到在腔体12或邻近其发生的燃烧区中的贫燃料-空气预混流22。从第一钝体14周围发出的流体流动分离，但是取代发展出剪切层不稳定性(其在大多数情况下成为开始火焰熄灭的主要机制)，在第一钝体14与第二钝体16之间方便地留驻或锁定旋涡24和26的交替阵列。
在此公开的新颖的驻涡燃烧室10的设计的一些实施例中，可通过结合各种特征来实现使热燃烧产物回流进入到来的、贫预混燃料和氧化剂混合物流22中。在一个实施例中，可在邻近主燃料-空气流定位的例如旋涡24和26的一个或更多旋涡中产生稳定的回流区。当适当地设计旋涡或腔体12区域中的流体流动时，旋流的燃烧气体流包含至少关于一个或更多主驻涡稳定的一个或更多旋涡，并且充分避免旋涡脱落。因而一个或更多稳定主旋涡中的每一个都用作热源，或者更精确地说，热燃烧产物源。此外，来自旋涡或腔体12区域的热必须被传递到进入的主贫预混燃料和氧化剂混合物流中，并且被混合进主流中。如图1中所示，在一个实施例中，可部分通过在到来的贫预混燃料和氧化剂流22的方向上，从腔体12中的旋涡24和26向外逸出一部分燃烧气体而完成上述动作。在一个实施例中，可通过使用用于产生具有基本上横向分量的燃烧气体流的结构来实现这种混合。这样，例如如图1中所示，如支柱30的结构产生滞止区，从该滞止区例如通过尾迹32或34发生混合。在该实施例中，到来的贫预混燃料和氧化剂混合物22如果不是主要地，也至少部分地由横向混合点燃，而非仅由返混过程点燃。在一些实施例中，可设置至少一对支柱30。类似地，该至少一对支柱30中的至少一个支柱可包括后平面部31，如图2中可见。从图1和图2可见，在一些实施例中，后平面部31可定向成与第一钝体14的后壁44共面。此外，一个或更多支柱30可包括为低气动阻力而成形的上游部33。
在任何情况下，通过设置如支柱30的适当的几何特征，在驻涡燃烧室10中至少提供了一些侧向或横向热气体流，以提供横向混合来点燃到来的燃料-空气混合物。通过在混合技术中使用这种如支柱30的结构，相信在此公开的新颖的驻涡燃烧室10设计对火焰不稳定性和其他过程干扰较不敏感。这在流体流动中的小扰动可导致火焰熄灭的贫焰熄灭极限附近运行时尤其重要。
因此，在此公开的新颖的驻涡燃烧室设计中，非常稳定而又高能量的主/核心火焰区对外部流场扰动很有抵抗力，因此相对于具有简单钝体组件的突扩燃烧室，产生扩展的贫燃和富燃熄灭极限。在此说明的新颖驻涡燃烧室技术的独特特征提供了能够克服富氢气体的高火焰速度的流体动力机制，因此具有允许燃烧室使用具有贫燃料-空气预混成分的富氢进气流运行的能力。
在一个实施例中，在此说明的新颖驻涡燃烧室设计构造还具有大的火焰保持面区域，因此能够便于使用紧凑的主/核心火焰区，这对于促进高燃烧效率和低CO排放是有必要的。
如图2和图3中所示，在一个实施例中，驻涡燃烧室10包括底部40。第一钝体14从底部40向外延伸高度或距离Y1，并且第二钝体16从底部向外延伸高度或距离Y2。在一个实施例中，Y1等于Y2，并且燃烧室10还包括顶部42，使得在运行期间，混合并燃烧的气体12的稳定旋涡留驻在第一钝体14的后壁44与第二钝体16的前壁46之间，以及底部40与顶部42之间。
在一个实施例中，如图3中所示，在第一钝体14的后壁44与第二钝体16的前壁46之间，来自混合并燃烧的气体的各稳定旋涡24和26的至少一部分气体在整体流体的流动方向上移动，即在与图1中所示的预混燃料和氧化剂混合物流22相同的方向上移动。而且，在一个实施例中，如图3中所示，在第一钝体14的后壁44与第二钝体16的前壁46之间，混合并燃烧的气体的各稳定旋涡24和26的至少一部分在与整体流体的流动方向相反的方向上移动，即在与图1中所示的预混燃料和氧化剂混合物流22相反的方向上移动。
如图1和图2中更好示出的，在一个实施例中，新颖的驻涡燃烧室10还包含一个或更多例如支柱30的向外延伸的结构。在一些实施例中，支柱30可包括后平面部31。在一些实施例中，后平面部31可与第一钝体14的后壁44基本共面。如图3中所示，在一些实施例中，可设置一个或更多支柱30。在一些实施例中，多个支柱30可设置成从邻近第一钝体14的后壁44向外延伸的结构。在一些实施例中，支柱30可关于纵轴50横向延伸，或者可包括至少一些横向组件，使得逸出热并燃烧的气体的一部分的循环邻近支柱30流动，并因而与到来的贫预混燃料和氧化剂混合物相混合。
如图1至图3中总体示出，并在图3中具体参照的，新颖的驻涡燃烧室10可设置成其中燃烧室10具有限定轴向的中心纵轴50(参见图1)。作为参照，燃烧室可包括沿纵轴50延伸的，沿向外方向52向外朝向顶部42，或替换性地向内底部方向54上的距离，两个方向均垂直于轴向定向。而且作为参照，驻涡燃烧室10可包括在横向于轴向50定向的横向方向56或58上延伸的空间。设置可增压气室60，其具有底部40、外壁或顶部42，并且在一些实施例中分别具有燃烧室第一和第二侧壁64、66。
在一些实施例中，第一钝体14包括前缘70和相反的第一、第二钝体侧壁74、76，以及上述后壁44。第二钝体16位于第一钝体14的下游。第二钝体具有包括前壁46的上游侧、包括后壁78的下游侧、以及第一和第二相反的侧壁80、82。
如图1和图2中所示，在气体燃料入口18的下游设置混合区84。混合区84处于第一钝体14的后壁44的上游。混合区84沿轴向50具有长度LMZ，其足以允许燃料和氧化剂混合，特别是气体燃料和气体氧化剂混合，从而形成具有过剩氧化剂的贫预混燃料和氧化剂流22。可加压气室60、第一钝体14和第二钝体16的尺寸和形状设置成接收贫预混燃料和氧化剂混合物流22，其速度大于贫预混燃料和氧化剂混合物22成分中的燃烧火焰速度。一旦到达腔体12，则在流动方向设置长度为LPZ的主燃烧区，其中提供一个或更多稳定的旋涡24和26，以便提高进入的燃料的燃烧。在后钝体16之后，设置长度为LBZ的燃烧燃尽区，其具有足够长度以便下述的最终热燃烧废气满足期望的成分，尤其是关于最小化一氧化碳的存在而言。
如图1和图3中所示，在一些实施例中，第二钝体16还配置成设置一个或更多旋涡稳定喷口90。一个或更多旋涡稳定喷口90中的每一个在趋向于稳定第一钝体14与第二钝体16之间的腔体12中的旋涡24和26的方向上提供上游气体射流。在一个实施例中，第二钝体16连接于燃料源，并且在该情况下，旋涡稳定喷口中的至少一个提供包含燃料的喷射流。在该实施例中，第二钝体16可连接于合成气源，并且在该情况下，燃料包含合成气。在其他实施例中，第二钝体16连接于氧化剂源，并且在该情况下，该至少一个旋涡稳定喷口90中的一个或更多具有包含氧化剂的喷射流。在另一实施例中，旋涡稳定喷口可包括含有燃料的第一喷口90和含有氧化剂的第二喷口92。在又一实施例中，可在第二钝体16连接于贫预混燃料和氧化剂源的处理中使用旋涡稳定喷口，并且其中通过一个或更多旋涡稳定喷口90中的至少一个喷射包含贫预混燃料和氧化剂的喷射流。
在任何情况下，新颖的驻涡燃烧室10均包括以如下方式间隔开的第一和第二钝体14、16，即当驻涡燃烧室10运行时，在贫预混物燃烧期间产生的热和燃烧产物连续地回流进第一和第二钝体14、16之间的腔体12中的回流区中，并且其中热和燃烧产物从腔体12纵向(参考方向50)和横向(可包括例如在参考方向56和58上横向)流出，并用于连续点燃进入驻涡燃烧室10的贫预混燃料和氧化剂混合物。在一些实施例中，贫预混燃料和氧化剂混合物从沿第一钝体14的侧壁74和76的流动进入邻近的腔体12。
高氢含量燃料存在的特殊问题在于，纯氢气与空气的预混流燃烧期间的火焰速度为天然气与空气的预混流燃烧的火焰速度的大约六倍(6×)。因而，为了在燃烧含有氢的预混燃料时防止燃烧室上游的火焰回火，通流速度需要高于，且在一些实施例中(取决于燃料混合物中的氢含量)显著高于火焰速度。这些问题在贫预混燃烧室设计中复合起来，因为火焰回火进入燃料喷射器中可引起对硬件的严重损坏，并且具有例如导致燃气轮机故障的清晰的潜在可能性。作为这些因素的结果，据我们所知，对于高氢含量燃料，目前没有在工业运行的贫预混燃气轮机。
在我们的适当的新颖驻涡燃烧室10的构造和运行方法中，进入邻近驻涡12的燃烧区的整体流体速度20超过发生在贫预混成分中的燃烧的火焰速度。在一些实施例中，进入新颖驻涡燃烧室10的整体流体速度超过发生在贫预混物中的燃烧的火焰速度大约3至大约6倍或其附近。取决于实际的气体组成，包含大量氢的燃料将具有大约三十五(35)米/秒至大约五十(50)米/秒(大约114.83ft/sec至大约164.04ft/sec)的紊流火焰速度。因而，为了实现期望的在以富氢气体燃料运行时必需的安全裕度，可提供大约为一百零五(105)米/秒(344.48ft/sec)的贫预混物的整体速度20，并且该速度可高达大约一百五十(150)米/秒(492.12ft/sec)之多或更高。该整体预混燃料速度允许即使在以高氢含量燃料运行时，也可防止回火，且因此为用作燃气轮机中的燃烧室时的显著改进。
简而言之，在此说明和要求的新颖驻涡燃烧室10能够在用于高氢含量燃料的燃气轮机设计中提供显著的效益。可在例如整体煤气化联合循环(“IGCC”)设备，或联合循环煤气化技术(“CCGT”)设备的煤气化技术应用的合成气中见到这样的燃料。而且，在一些实施例中，在此说明和要求的新颖驻涡燃烧室10可在其他系统中的富氢气流燃烧用设备的设计和运行中提供显著的效益。
如图4中所示，在现有技术的洁净煤工艺设备118中，利用吹氧煤气化装置120产生富含氢和一氧化碳的合成气122。通常在气体净化装置124中清洁该合成气122，并且洁净的合成气126被用作燃气轮机128中的燃料。通常在扩散燃烧室130中燃烧合成气126。原料合成气122的生产因而需要氧源，这通常通过低温空气分离装置(“ASU”)131来提供。替换性地，氧源可为高温离子传输膜(未示出)。如图4中所示，在典型的现有技术工艺设计中，通过燃气轮机128的压缩机133提供用于ASU 131的空气134的一部分132，并且通过分离的电机140驱动的供气压缩机142提供用于ASU 131的空气134的一部分136。燃气轮机压缩机133和补充的供气压缩机142各自的贡献通常称为“集成度”。“集成度”随具体的设备设计而变化，但是标准为大约百分之五十(50％)的集成度，其中一半ASU 131的供气134来自燃气轮机压缩机133，并且一半ASU 131的供气134来自分离的电机140驱动(通常为电驱动)的供气压缩机142。
来自IGCC设备的典型洁净合成气体(“合成气”)126的热值通常低于9.315MJ/m3(250英热单位/标准立方英尺)，其为典型天然气供给的热值的大约四分之一(1/4)。换句话说，为了产生利用典型天然气供给作为燃气轮机128的燃料将会产生的相同的功率输出，需要向燃气轮机128供给四(4)倍气体容积的洁净合成气126燃料。
不幸的是，常规的涡流稳定贫预混燃烧室设计不能使用富氢合成气126燃料，因为顾虑到富氢燃料中火焰回火的可能性，以及高压预混燃料/氧化剂流中自动点火的可能性。燃气轮机制造商提供各种常规的、具有裕度排放特征的非预混扩散燃烧室130设计。在该常规的现有技术扩散燃烧室130设计中，为了达到期望的NOx排放水平，例如25ppm的NOx排放水平，添加氮144作为稀释剂。在其他的非IGCC燃气轮机应用中，为了NOx控制，也可使用各种其他的稀释气体，例如CO2(二氧化碳)和H2O(蒸汽)，但是具有同样不利的效率降低结果。注意，在图4中概念地示出的典型IGCC设备118中，虽然氮144稀释剂作为空气分离过程的副产物而来自ASU 131，但是可能需要以额外的资本成本和额外的运行费用提供附加的稀释气体压缩机(未示出)。
为了进一步处理燃烧产物以减少氮氧化物，可使用选择性催化还原(“SCR”)系统150，以达到通常由适用的政府机构的规章所设立的3ppm的NOx排放值要求。在某些SCR系统150中，可通过连接SCR系统150与热回收蒸汽发生器(“HRSG”)152来提供用于SCR处理的最优反应温度。HRSG 152可用于回收热并产生蒸汽154，以在汽轮机156中用于产生例如经轴156S至发电机157(类似于图6中所示的构造)的轴功率，或者用于处理使用(未示出)。在任何情况下，在冷凝器158收集冷凝蒸汽，并作为冷凝液返回HRSG 152。而且，通过来自燃气轮机128的用于转动发电机159的轴128S功率产生电能。在使用的场合下，上述发电机157由汽轮机156驱动。
在该现有技术的IGCC设备118中，来自所添加的合成气燃料流量(与天然气相比，高达四倍或更多容积)和来自所添加的氮144稀释剂流量的燃烧流的总组合气态产物流160，在设计用于典型天然气燃料的燃气轮机128的压缩机段133与涡轮段162之间产生质量流失配(并因此产生负载失配)。通过涡轮段162的较高质量流量可使压缩机段133出口处的压力增加太多，使得压缩机接近，或者如果不解决将进入压缩机喘振区，其中将不再能够维持该总质量流。在各种设备设计中，通过调整集成度来“管理”该失配，这通常意味着去除至少一部分从燃气轮机压缩机133到ASU 131的压缩空气质量流132。替换性地，燃气轮机制造商可增加压缩机级，以允许在压缩循环中更高的总压比。此外，与天然气相比，高合成气质量流会接近燃气轮机转子应对涡轮功率输出的机械极限。因此，虽然在IGCC设备中ASU 131与燃气轮机128的紧密连接看起来会相互协作，但是在现有技术的设备设计中，关于合成气126的高效燃烧，在设备设计中仍存在各种权变措施的问题，这些设计受到各种资本成本惩罚和/或系统效率损失，无论是来自用于NOx清洁的SCR系统的成本，或者关于压缩空气要求的负载匹配的成本，还是来自氮144稀释的实践。
通过比较图4和图5，特别指出的是使用在此说明和要求的新颖驻涡燃烧室10产生热燃烧废气流164，将允许提供消除在燃烧器中使用氮144稀释的实践、并且消除使用SCR系统的IGCC设备，无论是在直接接收来自燃气轮机162’(未示出)的燃烧气体的高温实施例中，还是使用SCR系统150的情况(如图4中所示的结合HRSG 152的低温实施例中所示)。
从图5中可见，燃气轮机128’压缩机133’与ASU 131的供应需求的分离，通过释放压缩机133’使得寄生的空气压缩负荷降低，还提供了在一些燃料合成设备中节约的潜在可能。许多目前可用的燃气轮机压缩机在大约二十(20)的压缩比下运行最高效，这意味着当压缩大气时，存在大约2068.43KPa(三百(300)磅/平方英寸)的绝对排气压力。然而，由于大多数ASU 131目前在1034.21KPa(一百五十(150)磅/平方英寸)的量程范围内运行，因此过多的压缩功有时会在制备ASU 131的压缩供气134时发生。然而，如果在图5中所示的设备170设计中，关闭阀172，并且使用在1945.70KPa(282.2psia)的排气压力下运行的4级中间冷却的电机140’驱动的压缩机142’提供所有对ASU 131的供气134，则总的空气压缩成本将小于与图4中所示的情况相关的成本，其中阀172开启，并且经过燃气轮机压缩机133的引气供应提供空气分离装置131的50％的供给。此外，如果由仅在1135.57KPa(一百六十四点七(164.7)psia)的排气压力下运行的电机140”驱动的中间冷却多级压缩机142”提供所有的ASU 131供气，则对于向ASU的压缩空气供应将显著节约能源。而且，在这种情况下，燃气轮机压缩机133’可设计为仅处理燃烧室10的氧化剂供给需求(或者处理氧化剂和例如二氧化碳或蒸汽的惰性工作气体的压缩，其中使用这些流体以增加从燃气涡轮发动机128’的涡轮162’的功输出)，而无需考虑任何与ASU供气的集成需求。
在任何情况下，新颖的驻涡燃烧室10可适用于各种类型的燃烧高氢含量燃料的燃气轮机或与其结合使用，尤其是这种燃料来自各种类型的燃料合成设备，例如包括煤或焦炭气化设备的含碳物质气化设备。在一个实施例中，可通过降低经过涡轮段的质量流而使其成为可能。而且，在一个实施例中，与现有技术的扩散燃烧室30相比，新颖的驻涡燃烧室10设计可通过降低经过驻涡燃烧室10的压降而提高燃气轮机的总循环效率。并且，该新颖的驻涡燃烧室10设计能够延展贫燃熄灭极限，同时提供更大的操作弹性(即负荷跟踪能力)，以及改进的燃烧和处理稳定性。总之，新颖的驻涡燃烧室10设计对于在各种燃气轮机128’应用中富氢燃料的燃烧拥有广阔的前景。与现有技术设计相比，该设计提供更高的效率、更低的排放水平、更高的火焰稳定性、更高的耐久性、更大的燃料灵活性以及更低的资本成本。
在此说明和要求的新颖驻涡燃烧室10可在多种制造富氢燃料的气体燃料合成设备中利用。一种这样的设备为图5和图6中概念地示出的集成气化处理。在该处理中，示作气化器120的气化装置从例如焦炭或煤的含碳原料119产生原料合成气122，以便产生包含CO和H2以及其他根据原料变化的污染物的合成气。
在气体燃料合成处理中，由该处理提供的合成气体(“合成气”)可具有至少十五(15)摩尔％的氢气。在其他实施例中，由该处理提供的合成气中可具有至少二十五(25)摩尔％的氢气。取决于进料和所采用的处理，由该处理提供的合成气可具有至少三十(30)摩尔％的氢气。在另外的原料或运行条件下，合成气可具有至少五十(50)摩尔％的氢气。在另外的实施例中，合成气可具有至少六十五(65)摩尔％的氢气。在其他的实施例中，合成气可具有至少七十五(75)摩尔％的氢气，或超过七十五(75)摩尔％的氢。在一些气体燃料合成设备中，可以大约一百(100)摩尔％的氢提供合成气。
当在气化处理中利用例如煤或焦炭原料的含碳原料时，可在气体净化装置124清洁原料合成气，以产生洁净的合成气126。燃气轮机128’设置成连接于发电机159，用于产生电能。燃气涡轮发动机128’包括压缩机段133’、涡轮162’以及新颖的驻涡燃烧室10。新颖的驻涡燃烧室10的尺寸和形状设置成用于通过燃料出口18接收包括净化原料合成气所得到的气体的气体燃料F，并接收被压缩含氧化剂流A(参见图1)，并且用于混合气体燃料F和被压缩含氧化剂流A，以形成具有化学计量过量的氧化剂的预混燃料和氧化剂流22。然后，将贫预混燃料和氧化剂流22以整体流体速度20供给至新颖驻涡燃烧室10，该速度超过预选成分的预混燃料和氧化剂混合物流中的火焰前缘的速度。
如图1中所示，如上所述，新颖的驻涡燃烧室10包括第一钝体14和第二钝体16。合成气的燃烧至少部分在腔体12中发生，从而在第一钝体14与第二钝体16之间产生混合的氧化剂和燃烧合成气的稳定旋涡24和26。
在一些实施例中，整体预混速度20可处于从大约一百零五(105)米/秒至大约一百五十(150)米/秒(大约344.48ft/sec至大约492.12ft/sec)的范围。贫预混流22中的燃料F在新颖驻涡燃烧室10中，主要在主旋涡12中燃烧，从而产生热燃烧废气流164。涡轮162’被热燃烧废气流164的膨胀转动，从而产生轴功率，而轴128’S转动发电机159以产生电能。
现在参照图6，当在IGCC设备中使用时，空气分离装置131通常设置成将空气分离为富氮流和富氧流。在该IGCC设备中，向气化装置120提供富氧流作为原料流。在一些实施例中，可设置电机140驱动的空气压缩机142，以产生供给至空气分离装置131的压缩空气134。如图5中所示，在一些实施例中，可设置具有多个压缩级以及中间冷却器176的压缩机142”，并且在该情况下，可运行该处理以回收来自电机驱动的空气压缩装置142”中压缩的空气的压缩热。此外，可从离开空气分离装置131的富氮流收集氮。在一些实施例中，氮可被储存为压缩气体或被液化，并且在任何情况下被收集且在现场的别处使用或送往场外销售。
总之，无论是为了来自煤气化的合成气的燃烧应用，还是其他高氢含量燃料的燃烧应用，或者其他气体燃料的燃烧应用，现在已经开发出新颖的驻涡燃烧室设计，并且初步测试已表明，在该设计中可获得排放的显著改善。并且，新颖的驻涡燃烧室设计的重要目标和运行策略是控制该排放。在一个实施例中，NOx预计被控制为大约15ppmvd或更低。在另一实施例中，NOx预计被控制为9ppmvd或更低。在又一实施例中，NOx预计被控制为3ppmvd或更低。这些排放是以百分之十五(15％)的氧之下，干式体积的每百万份中的份数(“ppmvd”)来叙述的。
如在此总体说明的，在此说明的新颖驻涡燃烧室10可容易地适应在发电系统中使用。在燃烧合成气的情况下，取决于选择使用的气化处理，燃料成分可广泛变化，但是大体上，气体燃料可具有从大约1/2至大约1/1的氢对一氧化碳的摩尔百分比率。更概括地说，在此说明的新颖驻涡燃烧室10的尺寸和形状可形成为用于以宽范围的燃料成分的气体合成气燃料运行，并且在各种实施例中，可用于包含氢的合成气，或者更广泛地，以包含从大约十五(15)摩尔％至大约一百(100)摩尔％范围内的氢的燃料运行。
在此说明的新颖驻涡燃烧室10设计是一种独特的设计，允许使用气体燃料贫预混物，并且能够处理富氢燃料所必需的高速通流。该技术已经实验证明非常稳定，并且贯穿其运行范围均展现出低压降和低声耦合。相信这些能力能够潜在地允许燃气轮机燃烧室以贫预混模式燃烧富氢合成气类燃料而不发生回火。此外，该方法将使燃气轮机燃烧室能够满足严格的排放要求，而不需要后处理，也不需要稀释气体。该构造还可允许将一些现有的燃烧天然气的电厂改造为洁净煤气化运行，从而允许产出性地使用目前因天然气的高成本而被视为“处于困境”的资产。
在上述说明中，为了解释的目的，已阐述了众多细节，以便提供对于公开的新颖驻涡燃烧室和采用该驻涡燃烧室的发电系统的示例性实施例的透彻理解。然而，为了提供有用的实施例，或者实践选择的或其他公开的实施例，可不需要某些所述的细节。此外，为了说明性目的，本说明书包括各种相关性术语，例如邻近、接近、邻接、靠近、在…上、到…上、在上面、在下面、在下面的、向下的、横向的、底部、顶部等等。该用法不应被理解为是限制性的。也就是说，仅与参考点有关的术语不应被解释为绝对限制，而是包括在上述说明中，以促进对于本发明的公开实施例的各个方面的理解。并且，在此说明的方法中的各种步骤或操作可能被描述为多个不连续操作，进而使得最有助于理解本发明。然而，说明的顺序不应被理解为暗示该操作必须依赖顺序。特别地，某些操作可不必以陈述的顺序执行。并且，在本发明的不同实施例中，可消除一个或更多操作，而可添加其他操作。而且，读者将会注意到短语“在一个实施例中”被反复使用。该短语通常不涉及同一实施例；然而，其也可涉及同一实施例。最后，除非上下文另外表明，术语“包含”、“具有”和“包括”应被视为同义。
重要地，在不本质地偏离本发明所提供的新颖的教导和优点的情况下，可对在此说明和要求的各方面和各实施例进行修改，并且在不偏离本发明的精神和本质特征的情况下，可实施为其他具体形式。因此，在此给出的实施例在各方面均应被视为是例示性的，而非限制性的或限定性的。因此，本公开意在涵盖在此描述的结构，并且不仅涵盖其结构等效物，而且也涵盖等效结构。在上述教导的启示下，可能有众多改型和变化。因此，提供给本发明的保护应当仅由在此提出的权利要求及其法律等效物限定。

Claims (34)

1.一种驻涡燃烧室（10），包含：
可加压气室，其沿限定轴向的轴定向，所述可加压气室（60）包含底部（40）和包容壁（64、66），所述包容壁包含顶部（42）；
用于接收气体氧化剂的所述可加压气室的氧化剂入口；
用于接收气体燃料的所述可加压气室的燃料入口（18），所述气体燃料包含氢气；
第一钝体（14），所述第一钝体在所述底部（40）与所述顶部（42）之间延伸，并且具有后壁（44）；
第二钝体（16），所述第二钝体位于所述第一钝体（14）下游，所述第二钝体在所述底部（40）与所述顶部（42）之间延伸，并且具有前壁（46）；以及
在所述燃料入口（18）的下游的混合区（84），所述混合区（84）在所述第一钝体（14）的所述后壁（44）的上游，所述混合区（84）具有沿所述轴向的长度，所述长度足以允许所述气体燃料和所述气体氧化剂混合，从而形成贫预混气体燃料和氧化剂混合物流；
其中
所述可加压气室（60）、第一钝体（14）和第二钝体（16）的尺寸和形状被设置成，以超过进入的贫预混气体燃料和氧化剂混合物中发生的燃烧的火焰速度的整体流体速度，接收所述贫预混气体燃料和氧化剂混合物；
所述第一钝体（14）与所述第二钝体（16）充分间隔开，以便在燃烧期间在两者之间的腔体（12）中容纳一个或更多燃烧气体的稳定旋涡（24、26），使得在运行期间，所述一个或更多混合并燃烧的气体的稳定旋涡留驻在所述第一钝体（14）的所述后壁（44）与所述第二钝体（16）的所述前壁（46）之间；并且
所述第二钝体（16）还包含一个或更多旋涡稳定喷口（90），所述一个或更多旋涡稳定喷口中的每一个在趋向于稳定所述第一钝体（14）与所述第二钝体（16）之间的所述腔体中的旋涡的方向上提供上游气体射流。
2.根据权利要求1所述的驻涡燃烧室，其中所述第二钝体（16）连接于燃料或氧化剂源，并且所述一个或更多旋涡稳定喷口设置用于将气体流喷射到所述腔体（12）中，并且其中所述第二钝体（16）连接于贫预混气体燃料和氧化剂混合物源，并且其中所述贫预混气体燃料和氧化剂混合物能够通过所述旋涡稳定喷口（90）中的至少一个喷口，喷射到所述第一钝体（14）与所述第二钝体（16）之间的所述腔体（12）中。
3.根据权利要求1所述的驻涡燃烧室，还包含邻近所述第一钝体（14）的所述后壁（44）从所述第一钝体向外延伸的一个或更多横向支柱（30、33）。
4.根据权利要求3所述的驻涡燃烧室，其中在所述第一钝体（14）的所述后壁（44）与所述第二钝体（16）的所述前壁（46）之间，所述一个或更多混合并燃烧的气体的稳定旋涡中的至少一部分气体在与整体流体流动方向相反的方向上移动。
5.根据权利要求3所述的驻涡燃烧室，其中所述第一和第二钝体的尺寸、形状和定位设置成使得在运行期间，在所述第一钝体（14）的所述后壁（44）与所述第二钝体（16）的所述前壁（46）之间，所述一个或更多混合并燃烧的气体的稳定旋涡中的至少一部分气体在整体流体流动方向上移动。
6.根据权利要求3所述的驻涡燃烧室，其中所述第二钝体（16）连接于燃料源，并且其中所述一个或更多旋涡稳定喷口（90）中的至少一个包含含燃料流。
7.根据权利要求5所述的驻涡燃烧室，其中至少一对支柱（30、33）从所述第一钝体（14）的相反两侧向外延伸。
8.根据权利要求7所述的驻涡燃烧室，其中所述至少一对支柱（30、33）中的至少一个包含平面后部，所述平面后部任选地定向成与所述第一钝体（14）的所述后壁（44）共面。
9.根据权利要求7所述的驻涡燃烧室，其中所述至少一对支柱（30、33）中的至少一个包含平面后部，所述平面后部定向成与所述第一钝体（14）的所述后壁（44）共面。
10.根据权利要求7所述的驻涡燃烧室，其中所述至少一对支柱（30、33）包含为低气动阻力而成形的上游部。
11.根据权利要求1所述的驻涡燃烧室，其中所述第一钝体（14）的所述后壁（44）与所述第二钝体（16）充分间隔开，以提供在两者之间容纳燃烧气体的稳定旋涡（24、26）的腔体（12），并且其中所述燃烧室还包含至少一个从所述第一钝体（14）的所述后壁或其附近向外延伸的结构，所述至少一个结构至少部分浸入邻近所述第一钝体（14）的整体流体流动区域中，并且其中在所述燃烧气体的稳定旋涡（24、26）中产生的热和燃烧产物被至少部分横向携带至邻近所述至少一个向外延伸的结构，从而点燃所述进入的贫预混气体燃料和氧化剂混合物，其中所述至少一个向外延伸的结构任选地包含至少一个支柱（30、33），所述至少一个支柱在或邻近所述第一钝体（14）的所述后壁（44）从所述第一钝体的一侧伸出。
12.根据权利要求11所述的驻涡燃烧室，其中所述至少一个向外延伸的结构包含至少一对支柱（30、33）。
13.一种集成发电方法，包含：
（a）从提供至燃料合成装置（120）的进料产生包含氢气的合成气；
（b）在压缩机（133’）中压缩氧化剂以产生被压缩氧化剂流，并将所述被压缩氧化剂流供应至驻涡燃烧室（10），所述驻涡燃烧室的尺寸和形状设置成用于接收（A）所述合成气和（B）被压缩氧化剂流；
（c）混合所述合成气与所述被压缩氧化剂，从而形成包含化学计量过量的氧化剂的贫预混气体燃料和氧化剂混合物；
（d）在整体流体流动方向上，以超过所述贫预混气体燃料和氧化剂混合物中的火焰前缘的速度的整体流体速度，将所述贫预混气体燃料和氧化剂混合物供给至所述驻涡燃烧室（10）；
（e）在所述驻涡燃烧室（10）中燃烧所述燃料以产生热燃烧废气流；
（f）在涡轮（162’）中膨胀所述热燃烧废气流以产生轴功率，所述轴功率转动发电机（159），从而产生电能；
（g）其中所述驻涡燃烧室（10）在第一钝体（14）与第二钝体（16）之间在两者之间的底部（40）上方限定腔体（12），并且其中燃烧所述合成气至少部分发生在混合的氧化剂与燃烧合成气的稳定旋涡中，所述稳定旋涡容纳在所述第一钝体（14）与所述第二钝体（16）之间的所述腔体（12）中，并且
其中所述第二钝体还包含一个或更多旋涡稳定喷口（90），并且其中所述方法还包含在趋向于稳定所述第一钝体（14）与所述第二钝体（16）之间的所述腔体（12）中的旋涡的方向上，通过所述一个或更多旋涡稳定喷口（90），将气体流喷射到所述腔体（12）中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述燃料合成装置包含气化装置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述气化装置从含碳进料产生所述合成气。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述含碳进料包含煤或焦炭。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一钝体（14）包含后壁（44），并且所述第二钝体（16）包含前壁（46），并且其中在所述后壁（44）与所述前壁（46）之间以及邻近所述底部的至少一部分，混合并燃烧的气体的稳定旋涡的至少一部分在所述整体流体流动方向上移动，并且其中在所述第一钝体（14）的所述后壁（44）与所述第二钝体（16）的所述前壁（46）之间以及邻近所述底部的至少一部分，混合并燃烧的气体的稳定旋涡的至少一部分在与所述整体流体流动方向相反的方向上移动。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述驻涡燃烧室包含一个或更多支柱（30、33），所述一个或更多支柱（30、33）从所述第一钝体（14）向外延伸。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述贫预混气体燃料和氧化剂混合物以至少105米/秒的速度流动至所述驻涡燃烧室。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述贫预混气体燃料和氧化剂混合物以从105米/秒至150米/秒的范围内的速度流动至所述驻涡燃烧室。
21.根据权利要求20所述的方法，其中以大于所述贫预混气体燃料中湍流燃烧的火焰速度3倍与6倍之间的速度，将所述贫预混气体燃料供给至所述驻涡燃烧室（10）。
22.根据权利要求13所述的方法，还包含以大于所述贫预混气体燃料中湍流燃烧的火焰速度至少3倍的速度，将所述贫预混气体燃料供给至所述驻涡燃烧室（10）。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二钝体（16）连接于燃料或氧化剂源，并且其中将气体流喷射到所述腔体（12）中的处理包含通过所述旋涡稳定喷口（90）中的一个或更多喷口，喷射包含所述燃料或所述氧化剂的气流。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第二钝体（16）连接于贫预混气体燃料和氧化剂混合物源，并且其中所述方法包含通过所述旋涡稳定喷口（90）中的至少一个喷口，将贫预混气体燃料和氧化剂混合物喷射到所述第一钝体（14）与所述第二钝体（16）之间的所述腔体（12）中。
25.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含至少15摩尔%的氢气。
26.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含至少25摩尔%的氢气。
27.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含至少30摩尔%的氢气。
28.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含至少50摩尔%的氢气。
29.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含至少65摩尔%的氢气。
30.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含至少75摩尔%的氢气。
31.根据权利要求13所述的方法，其中所述合成气包含100摩尔%的氢气。
32.根据权利要求13所述的方法，其中所述被压缩氧化剂流还包含惰性工作气体，并且其中所述惰性工作气体包含选自氮、蒸汽和二氧化碳中的一种或更多种气体。
33.根据权利要求13所述的方法，其中所述驻涡燃烧室无稀释气体添加地运行。
34.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包含：
压缩机（133’）；
燃气涡轮（162’）；以及
位于所述压缩机与所述燃气涡轮之间的、根据权利要求1至12中的任一项所述的驻涡燃烧室（10）。
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