CN1044516C - 燃气轮机装置及减少其氧化氮排放量的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机装置，设有用来将一部分输入空气从空气进口管(27)分出并输入到位于预混合区(21)之上游的燃料管的装置(28)，其中空气与燃料在喷入到所述燃料室的预混合区之前进行混合，以减少No_X的生成量。减少所述燃气轮机的No_X排放量的方法在于，将燃料管(26)中的预混合的燃料和空气与进口管(27)中的剩余空气喷入其内作进一步混合，其中在燃料喷入预混合区(21)之前，将大约为输入空气总量的1%至10%的空气混入到燃料中。

Description

燃气轮机装置及减少其氧化氮排放量的方法

本发明一般涉及减少燃气透平燃烧室中的NOx生成物，尤其涉及通过将小部分燃烧空气混入在燃烧室预混合区上游的燃料管内来减少NOx排放量。

在燃气透平燃烧室中广泛采用碳氢化合物作为燃料。由于其特别广泛地存在，对于固定式发电系统，天然气是一种特别吸引人的燃料。然而，碳氢化合物燃烧的排放物却引起许多环境问题，诸如酸雨、臭氧层损耗及“温室”效应。出于对环境质量日益增长的关注的一份责任，要求把污染大气的燃烧付产品减至最少。氮的氧化物(NOx)是特别不希望有的付产品。

在燃烧期间，NOx部分地是由大气中的氮和氧原子之间的反应生成的。由于这些反应的高活化能量，在低于大约1800°K至1900°K的温度下NOx的生成量是不明显的。为在常规的(非预燃式)燃烧室中控制NOx，已采用了喷水或喷蒸汽，以避免出现高温。按这一方法，喷射的水或蒸汽吸收热量，使峰值温度降至NOx生成门槛值以下，从而减少NOx生成量。然而，这种利用水和蒸汽的方法是昂贵的，能造成腐蚀，并能增加一氧化碳的排放值。另一方法通过将氨基加热去除NOx物质(ammonia-based thermal deNOx)喷入废蒸汽内来使NOx减至最少程度，但这种方法从基本设备与制氨的观点来看是非常昂贵的。

气态碳氢化合物的稀薄预混合燃烧是种有吸引力的方法，因为它提供了较干净的燃烧，无需对废气进行燃烧后的处理。一般来说，稀薄预混合燃烧是借助于在稳定火焰的紧接上游(在燃烧室的预混合区)使燃料和空气进行预混合以形成一种处于化学计量的稀薄侧的混合物来完成的。这种预混合的作用是要使混合物燃烧的温度降低，并且希望降至最低，这样便减少了对温度敏感的NOx生成量。总的说来，混合物越稀薄，燃烧温度就越低。

工业上所用的燃烧室的预混合区通常不能使气体燃料和空气完全混合，从而使NOx值偏高。人们一直在借助于几何形状和流型的改变来努力改进预混合器内的燃料与空气的混合。然而，实际的结构却受到诸如允许压降极限和空间局限因素的限制。尽管对预燃器结构作了种种改进，然而不完全混合总是存在。不完全混合导致在稀薄预混合燃烧期间燃料浓度值不均匀和波动。这种不均匀和波动导致NOx生产物增加，因为NOx生成随燃料浓度呈非线性增长。例如，在平均燃料浓度以上的波动所增加的NOx比在平均燃料浓度以下的相同波动所降低的NOx为多。其净结果是由波动产生的NOx比在燃料浓度恒定时燃烧产生的NOx为多。同样地，不均匀的平均燃料温度分布造成更多的NOx。

日本专利申请公开号02040417A公开了一种采用低热值气体燃料燃烧的燃气轮机燃烧器。文中介绍了将一种低热值的气化的煤燃料通过一个燃料流率控制阀17引入一个旋转喷射装置13的离心式燃料喷射器15。在途中，通过一个预混合装置18将燃料跟一部分供应到燃料进料通道14的、作为氧化剂的燃烧空气进行预混合。余下的燃烧空气通过空气供应管道20输送并分成燃烧一次空气和燃烧二次空气。该燃烧一次空气通过燃烧进料通道15排放入燃烧室12内。另一方面，经预混合的燃料通过离心式燃料喷射器14喷入燃烧室12内，并与燃烧一次空气混合，从而产生燃烧气体。燃烧二次空气供应给燃烧气体使得第二阶段的燃烧尽可能使未燃烧的混合燃料达致完全燃烧。但是，这种装置不能保证均匀的以及波动小的燃料浓度值，因而不能保证降低NOx的排放量。

因此，本发明的目的是提供一种燃气轮机装置，通过把燃料-空气可燃混合物的燃料浓度值的波动和不均匀度降至最低的方式来减少NOx排放物。

更具体地说，本发明的目的是借助于使小部分空气跟预混合级上游的燃料进行预混合来减少稀薄预混合燃烧中的NOx排放量。

本发明的另一个目的是提供一种减少NOx的方法，这种燃烧方式不管燃烧室结构如何，而且不需要对燃烧室作重大修改都可以应用。

为此，本发明提供一种燃气轮机装置，它具有一个燃烧室及一空气进口管和一燃料管，该燃烧室包括一燃烧区和一位于所述燃烧区上游并通过一个火焰稳定器与所述燃烧区分开的预混合区，其中所述的预混合区包括第一和第二输入口，所述的燃料管连接到第一输入口，以及空气进口管连接到第二输入口；还设有用来将一部分输入空气从空气进口管分出并输入到位于预混合区之上游的燃料管的装置，其中空气与燃料在喷入到所述燃烧室的预混合区之前进行混合，以减少NOx的生成量。

本发明还提供一种减少如上所述的燃气轮机装置的NOx排发量的方法：将燃料管中的预混合的燃料和空气与进口管中的剩余空气喷入其内作进一步混合，其中在燃料喷入预混合区之前，将大约为输入空气总量的1％至10％的空气混入到燃料中。

本发明对于不完善混合的燃烧室，不管其结构如何，都是适用的。而且，本发明无须对燃烧室作昂贵的修改。本发明并不产生不安全问题，因为起头部分预混合发生在离燃烧室较远的上游，并且在燃料管内的燃料-空气混合物保持很浓(超过燃烧极限)，因而不能燃烧。

在结合附图参阅下面的详细说明和所附的权利要求书以后，本发明的其它目的和优点会变得更加明显。

在说明书的结论部分特别指出了本发明的主题，并且明白地提出了权利要求。然而参照下列说明连同其附图，可以更清楚地理解本发明。在附图中，

图1是用预混燃烧的常规燃烧室的简图；

图2是本发明的燃烧室的简图；

图3是比较根据实验的平均燃料浓度的曲线；

图4是比较根据实验的“不混合”度的曲线；

图5是比较根据实验的NOx排放值的曲线。

本发明依靠的构思是在喷射到燃烧室的预混合区之前将小部分空气跟燃料混合、通过降低在预混合区的混合物的最终平均燃料浓度值的波动和不均匀度，使NOx的生成量降到最低。在这一构思背后的理论通过将一个典型的预混合燃烧室和本发明的燃烧室进行对比而展示出来。

图1示出用于实现稀薄预混合燃烧的常规燃烧室10的简图。该燃烧室10有一预混合区11和一燃烧区12，在预混合区中，喷入的燃料和空气进行混合，在燃烧区中，燃料-空气混合物进行燃烧。火焰稳定器13将燃烧区和预混合区分隔开。两输入口14和15为预混合区11提供进口。这些输入口可用任何已知的方法来成形。燃料管16连接到第二输入口15，用于将燃料输给预混合区。第二管道17连接到第一输入口14。第二管道17将空气经第一输入口供给到预混合区11。

通过第一输入口14输送的喷流的容积燃料浓度给定为C₁，通过第二输入口15输送的喷流的容积燃料浓度给定为C₂。由于通过第一输入口14的喷流完全是空气，而通过第二输入口15的喷流完全是燃料，所以C₁=0,C₂=1。两种喷流的混合物的最终平均燃料浓度给定为C，其中

             C₁≤C≤C₂

预混合区混合物的最终平均燃料浓度C的最大方差σ² _max给定为：

             σ² _max=(C₂-C)(C-C₁)    (1)

该方差是燃料-空气浓度波动的大小的指示。考虑燃料为甲烷的燃烧过程的例子。对于甲烷，其最终平均燃料浓度由下式给定： $C=\frac{\mathrm{\φ}}{(\mathrm{\φ}+9.52)}$ 其中φ为燃料-空气当量比。对于燃料-空气当量比为0.5的情况，C大约为0.05，按方程式(1)解出σ² _max=0.0475。

现在转到图2，它简略示出了本发明的燃烧室20。像图1的燃烧室10那样，燃烧室20有一预混合区21和一燃烧区22，喷入的燃料和空气在预混合区进行混合，而燃料-空气混合物在燃烧区进行燃烧。火焰稳定器23将燃烧区与预混合区分隔开。两输入口24和25为预混合区21提供进口。燃料管26连接到第二输入口25，用于将燃料输给预混合区。第二管道27连接到第一输入口24。第二管道27分为两个分支28和29。第一分支28将占总空气量很小百分比X的空气自管道27输至燃料管26，从而在燃料喷入预混合区21之前使该小量的空气跟燃料混合。其余的空气自管道27经连接到第一输入口24的第二分支29直接输至预混合区。

现在再考虑上述在燃料-空气当量比为0.5情况下燃烧甲烷的例子，其中在燃烧室20内采用起头部分预混合。假定自第二管道27分流到燃料管26的空气容积为总空气量的5％。现在通过第一输入口24的喷流仍然完全是空气，但通过第二输入口25的喷流却是燃料与空气的混合物。因此，对于当量比0.5，其最终平均燃料浓度C大约为0.05，通过第二输入口25喷入的燃料与空气的混合物是一半燃料与一半空气。于是C₁=0和C₂=0.5，方程式(1)现在解出σ² _max=0.0225。从这一比较可以看出，起头部分预混合已使最大方差降低了50％以上，这意味着浓度的波动和不均匀度降低了。

喷入燃料管的空气量部份地是受到安全考虑的限制。在理想的情况下，应加入尽量多的空气，因为较多的空气能使通过第二输入口的燃料浓度值C₂降低，而最大可能的方差跟C₂值直接相关。然而，燃料管26内的燃料-空气混合物必须保持很浓，超过其燃烧极限，否则，在燃料管内可能出现燃烧，因为太多的空气加入燃料管内会产生一种可燃混合物。其它的考虑包括该系统设计的实际情况，诸如需要改变燃料管和燃料喷射器以及在把分流的空气喷入燃烧管之前所需的额外的空气压缩。一般说来，认为处于总空气容积大约1％至10％范围内的空气量是切实可行的。

应该将第一分支28设计成使该小量的空气在远离燃烧室20上游的一处喷入燃料管26内。跟燃烧室离开一段距离不仅有助于防止燃料管内出现燃烧，而且，燃料-空气混合物必须通过燃料管一段相当大的路程导致了充分的混合。

图3-5示出为验证本发明的构思而完成的实验结果。第一实验是在试验室规模的装置上进行的，它包括在其相应的端头上连接在一起的一根预混合管和一根燃烧管。在预混合管的远端同轴线配置一中心喷嘴。自该中心喷嘴的上游的一点上为该预混合管提供一空气源。该两管子的连接处作为火焰稳定部位。运转期间，在预混合器出口平面处测量平均燃料浓度和波动的燃料浓度，而在燃烧管内的下游处用Beckman NOx分析仪测量NOx排放数据。

进行了两种燃烧过程，在两种情况下，用甲烷作为燃料，其当量比为0.50.在开始运转时，经中心喷嘴将甲烷喷入预混合管，并提供一空气流。接着，将空气容积流量的5％的空气从自预混合管分流到该喷嘴。此时中心喷嘴基本是50对50的空气与甲烷混合。这代表了本发明的起头部分预混合构思。收集了代表基本上完全混合情况的数据，作为参考。(要注意用于产生理想预混合数据的实验室技术在一台实际燃气轮机中是不能实现的。)在图3-5中，圆圈相应于理想的预混合情况的数据，方块相应于最初运转的数据，三角相应于采用起头部分预混合运转的数据。

图3示出在预混合管端部的平均燃料容积浓度相对于用预混合管直径Dp无因次化后的离预混合管纵轴线的径向距离z的曲线。经中心喷嘴喷射的燃料-空气混合物的浓度分布较只有燃料经中心喷嘴喷射的浓度分布均匀，并接近理想的混合情况。

图4示出“不混合”度相对于用预混合管直径Dp无因次化后的离预混合管纵轴线的径向距离z的曲线。“不混合”度定义为用数值(1-C)C无因次化后的燃料-空气浓度的方差。(要注意最不混合情况是该方差等于(1-C)C。因此，不混合度为1相当于最不混合的情况，而不混合度为0相当于最混合的情况。)该曲线示出采用起头部分预混合的燃烧的不混合度比不采用起头部分预混合的燃烧的不混合度要低。

图5画出以百万分之一为单位的NOx生成量相对于用燃烧管直径Dc无因次化后的测头的径向位置Zp的曲线。这里，曲线示出采用了起头部分预混合使NOx排放量有显著改善。

第二个实验程序是用真实尺寸单罐燃烧室进行的。所用燃料为天然气；空气-燃料质量比大约为1(容积比大约为0.56)，相当于燃烧空气流的大约2％的分流。结果表明NOx排放量从最初值百万分之30下降约20-25％是可能的。

上面已经叙述了借助于在喷入燃烧室的预混合区之前将小量的空气喷入燃料供应内来降低燃气轮机燃烧室中的NOx生成量。本发明无须对燃烧室作重大修改就能实现，并且无论什么燃烧室结构都能适用。

虽然叙述过的是本发明的具体实施例，然而应当明白本技术领域内的技术人员可能在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下对其作出种种修改。

Claims (3)

1．一种燃气轮机装置，它具有一个燃烧室(20)及一空气进口管(27)和一燃料管(26)，该燃烧室包括一燃烧区(22)和一位于所述燃烧区上游并通过一个火焰稳定器(13,23)与所述燃烧区分开的预混合区(21)，其中所述的预混合区包括第一和第二输入口(25,24)，所述的燃料管(26)连接到第一输入口(25)，以及空气进口管(27)连接到第二输入口(24)，其特征在于：还设有用来将一部分输入空气从空气进口管(27)分出并输入到位于预混合区(21)之上游的燃料管的装置(28)，其中空气与燃料在喷入到所述燃烧室的预混合区之前进行混合，以减少NOx的生成量。

2．如权利要求1所述的燃气轮机装置，其特征在于：所述的空气进口管具有第一和第二支管(28,29)，所述的第一支管即为连接在进口管(27)和燃料管(26)之间、用来将一部分空气自进口管(27)喷入该燃料管(26)的喷入装置(28)；以及

第二支管(29)连接到第二输入口(24)，以将所述空气进口管(27)的剩下的空气输入到所述预混合区的第二输入口(24)中。

3．一种减少如权利要求1或2所述的燃气轮机的NOx排放量的方法，其特征在于：将燃料管(26)中的预混合的燃料和空气与进口管(27)中的剩余空气喷入其内作进一步混合，其中在燃料喷入预混合区(21)之前，将大约为输入空气总量的1％至10％的空气混入到燃料中。

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