CN1056743A - 带预燃室且氮氧化物排量低的燃气涡轮催化燃烧室 - Google Patents

带预燃室且氮氧化物排量低的燃气涡轮催化燃烧室 Download PDF

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Abstract

低载时将一种化学反应剂供给预燃室燃烧物以 使氮氧化物(NOx)还原。燃烧物在燃烧催化剂存在 情况下与碳氢化合物燃料混合以便点火和起动催化 燃烧反应。然后预燃室停止工作。中载范围内供给 催化反应床的燃料/空气混合物太贫使燃烧反应温 度太低而不能产生炽热的NOx。故低载时出现具有 反应剂导致的NOx还原反应的催化燃烧。中载时则 在低到不能产生NOx的温度下出现。高载时按前述 方式出现并将附加的贫的燃料/空气混合物供给反 应区而同样避免了NOx。

Description

本发明涉及用以使燃气涡轮的氮氧化物（NOx）排放物还原的装置和方法，尤其涉及在燃气涡轮的整个工作范围内用以使带有预燃室的燃气催化燃烧系统内的NOx还原的装置和方法。
正如在我的在先申请的美国专利第4845952中说明的那样，燃气涡轮的许多制造厂家的目的包括要使燃气涡轮在高效率下进行工作而不产生不希望有的空气污染排放物。通常用于燃气涡轮的常规燃料在燃烧时一般会产生氮的氧化物、一氧化碳、和未燃烧的碳氢化合物。
NOx化合物是通过氮在通常在燃气涡轮的燃烧室中出现的高温下的空气中的反应产生的。通过降低燃烧室中的最大火焰温度，例如，通过引入蒸汽可以减少NOx的形成。不过，这样会使热力效率受到损失和使投资费用增加。众所周知，在燃气涡轮燃烧系统的反应区内使用燃烧催化剂是要促使贫的预混合燃料和空气完全燃烧以便使空气污染排放物的水平降到最低。在较低温度下出现的催化燃烧不足以产生在较高温度下出现的氮和氧的反应中所生成的NOx。不过，应当理解到，当燃烧室进口空气温度和燃烧系统两端之间的温升太低以致不能支持催化反应的时候，可以使用扩散火焰预燃室来获得催化反应点火。也就是说，在燃气涡轮的整个工作范围内不能单独采用催化燃烧，因为进口空气温度和燃烧系统两端之间的温升太低以致在燃气涡轮的点火、加速和在燃气涡轮载荷范围的下端下的运转的过程中不能起燃和维持预混合的催化燃烧。
不过，当采用扩散火焰预燃室的时候，会产生大量的NOx排放物。先有的催化燃烧系统设计并不包括用以使预燃室的NOx排放物还原的方法。因此，虽然在燃气涡轮燃烧系统的中间工作范围内的NOx排放物较低，但先有催化燃烧系统设计并不包括使预燃室的NOx排放物还原的任何方法。所以，本发明的目的是提供一种催化燃烧系统和使预燃室NOx排放物还原的方法，以使催化燃烧系统可以在燃气涡轮的整个工作范围内工作而且产生的NOx排放物非常低。
根据本发明，提供了一种带有一个供燃气涡轮系统用的用以使涡轮机在整个工作范围内的NOx排放物减到最小的带扩散火焰预燃室的催化燃烧室。在燃气涡轮的载荷范围内为这种燃烧系统提供了三种不同的工作模式。第一种工作模式是燃气涡轮的低载荷工作状态，在这种状态下，只出现没有化学/催化的NOx，即脱NOx，的预燃室燃烧。例如，可以将碳氢化合物燃料供给预燃室的起动燃料喷咀，并且可以将空气导入预燃室的燃烧区。电了点火装置，例如火花塞或热线点火塞，点燃预燃室燃烧区内的燃料/空气混合物，由起动燃料喷咀内的涡流叶片产生的涡旋回流使其火焰处于稳定状态。预燃燃烧室衬套内的此种扩散火焰反应会产生大量炽热的NOx。为使此种NOx还原成分子氮和水蒸汽，可以将化学反应剂，例如氨、尿素、异氰酸等等，通过催化燃烧段（用在中、高载荷工作范围）的初级喷头喷入预燃室的燃烧物中。将化学反应剂注入氮中可以促进这种混合。化学反应剂还可以包括增强剂以便增加与来自扩散火焰预燃室的NOx反应的速率。化学反应可以在催化反应器组件衬套和包括有催化剂的催化燃烧区的催化反应床范围内发生，以便加速脱NOx的化学反应。
在称为燃气涡轮的中等载荷工作范围的第二工作模式中也会发生催化燃烧。为获得这种燃烧，燃料由初级喷头提供并与预燃室的燃烧物相混合。这种混合物进入含有燃烧催化剂，例如钯的催化反应床内。燃料和预燃室燃烧物的这种混合物在燃烧催化剂存在的情况下在预燃室的排气温度下点燃。一旦燃烧反应起动，就可以使预燃室停止工作，而这种反应则在压气机排气温度下进行下去。通过将贫的燃料/空气混合物导入催化反应床内，会使得燃烧反应温度太低以致不会产生炽热的NOx。碳氢化合物燃料的氧化反应在主燃烧室衬套范围内的反应区内完成。这样，在低、中载荷范围工作状态下的NO排放物就基本上被消除或减到最少达到只具有超低量的排放物。
在燃气涡轮的高载荷工作状态下，提供了催化和预混合燃烧的组合方式。催化反应器是以前面所述的第二工作模式，即中等载荷范围的催化燃烧状态下的同样方式进行工作。不过，提供了一个次级喷头用以使碳氢化合物燃料与压气机排出空气相混合。这种燃料/空气混合物进入到主燃烧室衬套内的反应区，并由离开催化反应床的炽热燃烧物点燃。由于此种燃料/空气混合物是贫燃料，所以使得燃烧室反应温度同样太低以致不会产生炽热的NOx。照这样，NOx排放物就在燃气涡轮的整个工作范围内基本上被减到最少或消除。
在本发明的一个最佳实施例中，提供了一种使具有一个预燃室部分和一个催化燃烧部分的燃气涡轮催化燃烧系统工作以便使NOx排放物减到最小或被消除的方法，这种方法包括以下步骤：使燃料/空气混合物在予燃室部分内燃烧;使预燃室部分内的燃料/空气混合物的燃烧所产生的NOx还原;使预燃室部分工作以便获得催化反应点火;和，一旦点火，使催化燃烧部分在低到不会产生NOx的燃烧温度下工作，由此，由燃气涡轮工作产生的NOx排放物就被基本上减到最少或消除。
在本发明的另一个较佳实施例中，提供了一种使燃气涡轮催化燃烧系统在燃气涡轮工作的低载荷和中等载荷下工作的方法，其中该燃烧系统具有一个预燃室部分和一个催化燃烧部分，该方法包括以下步骤：在低载荷工作条件下，在预燃室部分内提供燃烧用的燃料/空气混合物;使预燃室部分内的燃料/空气混合物燃烧所产生的NOx还原;使预燃室部分工作以便在催化燃烧部分内获得催化反应点火;和，一旦点火，在中等载荷范围内，使带有贫的燃料/空气混合物的催化燃烧部分工作，致使燃烧反应温度太低以致不能产生炽热的NOx，由此，燃气涡轮在低、中载荷工作范围内产生的NOx排放物就基本上被减到最少。
在本发明的又一个较佳实施例中，提供了一种其NOx排放物较低的燃气涡轮催化燃烧系统，它包括一个预燃室部分，一个用以将燃料和空气导入预燃室部分的装置，一个在预燃室部分中用以使燃料/空气混合物燃烧的点火装置和一个用以使预室燃室部分的燃烧物中的NOx还原的装置。还提供了一个带有一个具有一种催化剂的催化反应床和一个反应区的催化燃烧部分。还设置了用以将贫的燃料/空气混合物导入催化燃烧床的装置，其催化燃烧至少最初是在该床中的催化剂存在的情况下由预燃室的燃烧物点燃的。还设置了用以使压气机的排出空气和燃料相混合并将该混合物供给燃烧部分的反应区，以便由离于催化反应床的炽热燃烧物将其点燃的装置。
由此可见，本发明的主要目的是提供用以使燃气涡轮的催化燃烧系统工作的新颖和改进的装置和方法，这种催化燃烧系统在燃气涡轮的整个工作范围内只有超低量的NOx排放物。
在参看了以下的说明、权利要求书和附图后就会对本发明的这些和其它的目的有清楚的了解。
图1是形成燃气涡轮的一部分并根据本发明构造的催化燃烧室的示意截面图;
图2是大致沿图1中2-2剖面截取的该催化燃烧室的横截面图。
现在详细参看本发明的较佳实施例，其中一个例子图示于附图中。
众所周知，燃气涡轮包括一个压气机部分，一个燃烧部分和一个涡轮部分。压气机部分是由涡轮部分通过公共的轴连接件进行驱动的。燃烧部分一般包括一个由多个沿周向间隔分布的燃烧室组成的圆形阵列。燃料/空气混合物在每一个燃烧室中燃烧以产生炽热的高能燃气流，该燃气流流过一个用以使燃气流到涡轮部分的涡轮叶片的转接段。因此，为了现在的描述，只图示出一个燃烧室，不言而喻，绕涡轮周向分布的其它所有的燃烧室都与图示的燃烧室完全一样。
现参见图1，图中以标号10示出了一个用于燃气涡轮发动机的燃烧室，它包括一个预燃室部分12，一个催化反应器组件14，一个主燃烧组件16和一个用以使燃烧着的炽热燃气流到涡轮叶片（未示出）的转接段18。预燃室组件12包括一个预燃室机匣20，一个端盖22，一个起动燃烧喷咀24，一个流套26和一个在该流套26内的预燃燃烧室衬套28。配置了一个点火装置（未示出），它可以包括一个火花塞或热线点火塞。预燃室组件34内的燃烧出现在燃烧室衬套28内。预燃室燃烧空气经流套26导入衬套28范围内，通过在衬套内形成的多个孔进入到衬套28内。空气在衬套28内外侧的压差作用下进入衬套内，并在衬套28内与来自燃料喷咀24的燃料混合。因此，在衬套28内会出现扩散火焰燃烧反应，释放出用以驱动燃气涡轮的热能。
催化燃烧区包括反应器组件14和燃烧组件16。在该区内，设置了一个让碳氢化合物燃料经喷头32供入其内的环形支承圈。例如，这可以采取在我的美国专利第4845952中描述和图示的多个文氏管气体燃料喷头的形式，该专利的公开内容通过引用给合在本发明内。这样，碳氢化合物燃料和预燃室燃烧物的混合物经过催化反应器组件衬套36进入催化反应床34。催化反应床34一般是圆形的，它可以由陶瓷材料或其表面涂有一种反应催化剂的蜂窝结构栅元组成的基体形成。反应催化剂可以，例如，是钯。催化反应床34的结构可以是在我的美国专利第4794753号中描述和图示的那种结构，该专利的公开内容通过引用结合在本发明内。这样，燃料和预燃室燃烧物的混合物就在燃烧催化剂存在的情况下在预燃室排气温度下点燃。进入催化反应床34的燃料/空气混合物是非常贫的燃烧物，碳氢化合物的氧化反应就在主燃烧组件16的范围内的反应区中完成。
为使燃气涡轮在高载荷条件下工作，设置了一个次级燃料喷头40，它由多个用以将碳氢化合物燃料和从由压气机排气机匣42和燃烧室外套44形成的通道流到其内的压气机排出空气流相混合的文氏管组成。此次级燃料/空气混合物进入反应区16并由离开催化反应床34的炽热燃烧物点燃。
在燃气涡轮工作中，有三个取决于燃气涡轮载荷范围的截然不同的工作模式。第一工作模式是在低涡轮载荷下的工作模式，它在初始起动期间工作。在此种模式中，碳氢化合物燃料供给起动燃料喷咀24，预燃室燃烧空气通过多个用以使其与来自起动燃料喷咀的燃料相混合的衬套通孔供入衬套28内。扩散火焰燃烧反应出现在预燃燃烧室衬套28内，这是由火花塞或热线点火塞起燃的。为了使在预燃燃烧室衬套28内产生的大量炽热的NOx还原，提供了一种用于通过初级喷头32并由其喷射的化学反应剂，例如，氨、尿素或异氰酸。初级喷头32将化学反应剂与预燃室燃烧物进行混合。通过将惰性载气体，例如氮，与化学反应剂一起使用可以促进这种混合。化学反应剂还可以包括增强剂以便增加与来自扩散火焰预燃室组件的NOx反应的速率。这样，脱NOx的化学反应就在催化反应器组件衬套和在可以包括有一种催化剂以便使这种反应加速的催化反应床34内出现。因此，预燃室在低载荷工作状态下的工作会获得大量还原的NOx排放物。
在中等载荷范围工作状态下，将碳氢化合物燃料提供给喷头32。喷头32将碳氢化合物与预燃室燃烧物进行混合，此种混合物经催化反应器组件衬套36进入催化反应床34。燃料和预燃室燃烧物的混合物在燃烧催化剂存在的情况下点燃。一旦燃烧反应起动，就可以使预燃室停止工作，而这种反应则在压气机排气温度下进行下去。由于进入到催化反应床34内的燃料/空气混合物是贫燃烧物，所以燃烧反应温度太低以致不能产生炽热的NOx。碳氢化合物燃料的氧化反应是在主燃烧室组件衬套16内的反应区内完成的。这样，在中间范围载荷状态期间，燃烧反应的温度就太低以致不能产生NOx。
在高载荷状态下，催化燃烧如上述方式那样实现。此外，要将碳氢化合物燃料供给次级喷头40。喷头40将燃料与容纳于在排气机匣42和燃烧外套44之间形成的通道内的压气机排出空气相混合。此种燃料/空气混合物进入到在主燃烧室衬套16内的反应区内，并由离开催化反应床34的炽热燃烧物点燃。由于进入到主燃烧室衬套16内的燃料/空气混合物是贫的燃烧物，所以燃烧反应温度同样太低以致不能产生炽热NOx。
因此，应当理解到，在燃气涡轮的整个工作范围内NOx排放物被基本上减到最小或消除了。这已经通过一些本来是已知的燃气涡轮元件的一种独特的组合工作方式简单有效地实现了。重要的是，NOx排放物已经在工作范围的低端，即只使用预燃室时被减到最少或消除了。此外，实现使NOx排放物被减到最少/或消除这一点时还使用了这样一些元件，即，在此种燃气涡轮中存在的初级喷头。
虽然已经结合目前认为是最实用和最佳的实施例对本发明进行了描述，但是应该理解到，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，本发明欲覆盖落入权利要求书的精神和范围内的各种变更型和等效装置。

Claims (10)

1、一种使具有一个预燃室部分和一个催化燃烧部分的燃气涡轮进行工作以便使氮氧化物(NOX)排放物被减到最少或消除的方法，它包括以下步骤：
使燃料/空气混合物在该预燃室部分内燃烧；
使该预燃室部分内的燃料/空气混合物的燃烧所产生的NOX还原；
使该预燃室部分进行工作以获得催化反应点火；
一旦点火，使催化燃烧部分在低到不会产生NOX的燃烧温度下进行工作，由此，由所述燃气涡轮工作产生的NOX排放物就被基本上减到最少或消除。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法还包括此步骤，即一旦在催化燃烧室内出现催化燃烧，就使该预燃室燃烧部分停止工作。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：使该预燃室部分内的燃料/空气混合物燃烧所产生的NOx还原的步骤包括将预燃室部分的燃烧物与一种化学反应剂相混合以便使NOx还原。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：使该预燃室部分内的燃料/空气混合物燃烧所产生的NOx还原的步骤包括将预燃室部分的燃烧物与一种化学反应剂相混合以便使NOx还原。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，设置一个用以支持催化燃烧部分内的燃烧的初级燃料喷头，并且还包括以下步骤：在预燃室工作期间将该化学反应剂通过该初级燃料喷头导入预燃室部分的燃烧物中和接着在催化燃烧工作期间将燃料通过该初级燃料喷头引入催化燃烧部分内进行燃烧。
6、如权利要求4所述的方法，其特征在于：它包括以催化作用加速还原NOx的化学反应。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：它包括将燃料/空气混合物供入到一个由来自催化燃烧部分的炽热燃烧物在低到不能产生NOx的燃烧温度下进行点火的区域内。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：该涡轮包括一个形成催化燃烧部分的一部分并且燃料氧化反应是在该部分内完成的反应区和一个具有一空气排放装置的压气机，其中供给燃料/空气混合物的步骤包括将来自压气机排气装置的空气与燃料相混合和将这种燃料/空气混合物喷入催化燃烧部分的反应区内。
9、如权利要求7所述的方法，其特征在于：设置一个用以支持催化燃烧部分内的燃烧的初级燃料喷头，并且还包括以下步骤：在预燃室工作期间将该化学反应剂通过该初级燃料喷头导入预燃室部分的燃烧物中并且接着将燃料通过该初级燃料喷头导入该催化燃烧部分内进行燃烧，其中使在该预燃室部分内的燃料/空气混合物的燃烧所产生的NOx还原的步骤包括将该预燃室部分的燃烧物与一种化学反应剂相混合以便使NOx还原。
10、一种具有低量NOx排放物的燃气涡轮催化燃烧系统，它包括：
一个预燃室部分;
一种用以将燃料和空气导入预燃室部分内的装置;
一个在预燃室部分内用以使燃料/空气混合物燃烧的点火装置;
一种用以使所述预燃室部分的燃烧物中的NOx还原的装置;
一个带有一个具有一种催化剂和反应区的催化反应床的催化燃烧部分;
一种用以将贫的燃料/空气混合物导入催化燃料床的装置，其催化燃烧至少最初是在该燃烧床中的催化剂存在的情况下由预燃室燃烧物点燃的装置，
一种用以将压气机的排出空气和燃料相混合并将该混合物供给燃烧部分的反应区，以便由离开催化反应床的炽热燃烧物点燃的装置;所述还原装置包括一个用以将一种化学反应剂导入所述预燃室部分的燃烧物中的喷头装置，所述用以将贫的燃料/空气混合物导入催化燃烧床的装置还包括所述喷头装置。
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