IT9019796A1 - Apparato e metodo di combustione a secco di idrocarburi con bassa produzione di no/x - Google Patents

Description

ER di circa 0,6. Singole macchine fisse commerciali possono essere usate per il combustore ricco e il combustore povero nei quali l'aria e il combustibile sono forniti al combustore ricco e solo aria e prodotti di combustione raffreddata della macchina ricca sono forniti al combustore povero.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Questa invenzione riguarda processi di combustione di combustibili idrocarburi e, più particolarmente, quei processi che comprendono metodologie per ridurre Ν0χ in prodotti di combustione .

Processi di combustione di combustibili idrocarburi sono largamente usati in sistemi fissi generatori di energia con turbine a gas. Ai sottoprodotti di combustione che inquinano l'atmosfera si richiede di essere minimizzati come parte di una preoccupazione crescente sulla qualità dell'atmosfera terrestre. Perciò, si richiede a combustori per sistemi fissi generatori di energia a turbine a gas di produrre bassi livelli di ossidi nitrici (NO, NOz, NzO, etc., collettivamente chiamati ΝΟχ) e CO. Tali emissioni portano a pioggie acide e ad altri inconvenieti ambientali. L'NO^ può risultare da reazioni con azoto atmosferico, tali reazioni essendo chiamate Ν0χ "termico" e "pronto", o con azoto legato a combustibile (FBN) . Secondo la teoria della combustione ben sostenuta, 1'ΝΟχ prodotto dal meccanismo "termico" è dovuto ad azoto atmosferico che viene fissato dai radicali responsabili di inizio e propagazione di fiamma, come mostrato dalle seguenti formule:

N2 0 = NO N

N 02 = NO O

Ν OH = NO H

con la velocità netta di reazione data approssimativamente da

— = 7,6 x 10 [Nj [θ] exp (-38000/T)

in unità del sistema internazionale (S.I.). A causa dell'alta energia di attivazione del temine esponenziale, la velocità di formazione ΝΟχ non è significativa al di sotto di circa 1.527*C (2.780‘F), che tiene conto del termine "termico". La concentrazione di certe speci radicali è pure importante, particolarmente a basse pressioni (dell'ordine di quella atmosferica). I radicali possono esistere in concentrazioni di super equilibrio, come tratto in un articolo di S.M. ■Correa e altri intitolato "Prediction and Measurement of a Non-equilibrium Turbulent Diffusion Flame", Twentieth (International) Symposium on Combustion, The Combustion Institute, pagine da 337 a 343, 1984, ed aumentano il meccanismo di Ν0χ termico. Benché le reazioni di consumo di radicali accelerino a pressioni relativamente alte i sistemi generatori di energia, il grado di super equilìbrio e i risultanti radicali in eccesso vengono ridotti. Per un'ulteriore trattazione della formazone di ΝΟχ termico vedere i seguenti articoli: M.C. Drake e altri; "Superequilibrium and Thermal Nitric Oxide Formation in Turbulent Diffusion Flames", Comb. Flame, 69, pagine da 347 a 365, 1987; "Nitric Oxide Formation from Thermal and Fuel-Bound Nitrogen Sources in a Turbulent Non-Premixed Syngas Flame," Twentieth Symposium (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1983-1990, 1984 e S.M. Correa, "Ν0χ Formation in Lean Premixed Methan Flames", Engineering Systems Laboratory, 89CRD001, Gennaio La preponderanza di ΝΟχ termico in convenzionali combustori (combustibile e aria non premescolati) dovuta alle alte temperature nelle interfaccie di miscelazione turbolenta, ha portato ad iniezione di acqua o di vapore per controllo di Ν0χ. In questa soluzione, l'acqua o vapore iniettati assorbono calore, riducono le temperature di picco (al di sotto della soglia!di formazione di NO e cosi riducono i livelli di emissione di ΝΟχ. Le temperature minori hanno 1'indesiderabile effetto collaterale di spegnere le reazioni di consumo di CO e cosi aumentano i lievelli di CO e vengono ridotte la vita e il rendimento del combustore. Quindi, la tecnica di iniezione di acqua o vapore non è ideale. L'NOx pronto è così chiamato perchè viene formato molto rapidamente (in fiamme di idrocarburi) quando l'azzoto atmosferico viene fissato da radicali alchilici, per esempio CH, CH2, CH3* Quest'ultimo capita nella catena cinetica di combustione degli idrocarburi. L'azoto viene fissato come speci cianure (HCN, CN) che portano a speci NHi e sono in fine ossidati a ΝΟχ da radicali contenenti ossigeno. Il meccanismo non richiede le alte temperature del meccanismo termico e così Ν0χ pronto non è riducibile per controllo mediante iniezione di acqua o vapore. L'NO^ FBN è molto simile in quanto le speci di azoto legate al combustibile vengono estratte come speci NHi che sono ossidate a ΝΟχ. L'FBN capita, per esempio, in carbone e anche del cosiddetto gas "sporco" derivato da carbone. Tuttavia, 1'Ν0χ pronto non è un tale problema come l'FBN. In applicazioni tipiche, NO da FBN può essere dell'ordine di 500 ppm o più, mentre combustori (convenzionali) senza combustibile FBN hanno da 100 a 300 ppm di ΝΟχ termico e da 10 a 30 ppm di Ν0χ pronto. Sarebbe desiderabile bruciare combustibile sporco (FBN) con meno di 100 ppm di ΝΟχ e combustibile pulito con meno di 10 ppm di Ν0χ.

Limitazioni sulle centrali indicano che la stabilità, il rapporto di conversione (cioè variazioni di potenza corrispondenti a riduzioni di domanda di potenza) e rendimento sono simili a quelli di impianti consueti. Le tecniche di controllo di Ν0χ senza iniezione di acqua o di vapore sono chiamate combustione "secca". Sono state suggerite due tecniche di combustione secca a basso contenuto di Ν0χ (i) combustione sequenziale ricca-povera (originariamente prevista -per controllo di Ν0χ termico e FBN ma priva di successo per le ragioni qui sotto trattate) e (ii) combustione povera premescolata (prevista per controllo <ii Ν0χ termico).

Nella combustione successiva r icca-povera , il -combustore è diviso in una prima zona che è ricca (rapporto di equivalenza Φ2Γ1, 3-1,8; si noti che φ = 1 per condizioni stechiometriche, φ> il essendo ricco e Φ < 1 essendo povero) e una seconda zona che è povera. Ά causa delle condizioni non stecchimetriche, le temperature in ciascuna zona sono troppo basse (per esempio minori di 1527 *C pari a 2780*F) per formare ΝΟχ mediante il meccanismo termico.

Tuttavia, nei sistemi successivi di tecnica anteriore, la miscelazione eli aria con 1*eflusso della zona ricca capita a velocità finite e non può impedire la formazione di perdite calde quasi stechiometriche. Le conseguenti alte temperature portano a copiosa produzione di Ν0χ termico, che viene innescato a temperature superiori a circa 1527 “C (2780 "C). Questa è stata l'esperienza sia in laboratorio che in centali con equipaggiamenti di potenza da turbine a gas (di classe da 100 MW). Tuttavia i combustori ricchi sono adatti a combustibili con un significativo contenuto di azoto legato al combustibile perchè la quantità di ossigeno disponibile per produrre ΝΟχ di tipo FBN è limitata. Combustori premiscelati poveri, che sono utili se il combustibile non contiene azoto, sono alimetanti da una corrente povera di combustibile e aria premiscelati (combustibile prevaporizzato se è liquido) ad un φ = a circa 0,7. Le temperature conseguenti sono uniformemente troppo basse (per esempio minori di 1527*C pari 2780’F) per attivare il meccanismo dell'NOx termico. Dettagliati studi microcinetici di tali due combustori da parte del presente inventore hanno portando alla scoperta che la maggior parte dell'NOx è prodotto dal meccanismo di ΝΟχ "pronto" sopra descritto (si ricordi che l'FBN non è presente) . Questa forma un limite inferiore alla quantità minima ottenibile di No in presenti combustori alimentati da idrocarburi. Combustori avanzati in sviluppo da parte del titolare della presente invenzione hanno raggiunta una barriera apparente di 30-40 ppm di ΝΟχ (usando gas naturale pulito che minimizza la produzione totale di Ν0χ). Questa barriera può essere attraversata solo con un aumento di CO e una perdita inaccetabile di stabilità di fiamma. Tali combustori (poveri) producono livelli inaccettabilmente alti di ΝΟχ da speci FBN nel combustibile se sono presenti le speci FBN. Quindi ciascuno dei sistemi di tecnica anteriore ha vantaggi e svantaggi. Secondo la presente invenzione, l'efflusso di un combustore ricco viene raffreddato per impedire accensione durante la miscelazione in condizione povera. L'accensione e la stabilizzazione di fiamma capita solo dopo che è stata stabilita la miscela povera. Secondo una realizzazione, una porzione dell'aria viene bruciata sotto condizioni ricche (per esempio rapporto complessivo di equivalenza φ =2,5-3,0) in un prebruciatore per produrre una corrente parzialmente combusta che contiene CO e H2, talvolta chiamato di gas di sintesi o syngas e pochissimo CH4 ( il combustibile originale), C02 e H20. La corrente di gas caldi viene quindi raffreddata, per esempio, per espansione attraverso una turbina o passaggio attraverso uno scambiatore di calore. La corrente di gas raffreddata viene quindi mescolata con la porzione rimanente della corrente di aria, senza accensione. La corrente povera (per esempio Φ =0,5-0,6) viene quindi bruciata.

La produzione di ΝΟχ è minimizzata a causa delle temperature relativamente basse dei cicli di combustione ricchi e poveri, le quali temperature sono al di sotto del livello stabilito per la produzione di ΝΟχ termico. L'NOx pronto viene pure minimizzato perchè il CH nei cicli poveri tende ad essere trascurabile. L'NOx da FBN è minimizzato perchè il combustore ricco lavora con troppo poco ossigeno per produzione di ΝΟχ.

La figura 1 è uno schema di ciclo di combustione secondo una realizzazione della presente invenzione;

la figura 2 è una schema di un ciclo di combustione secondo una seconda realizzazione della presente invenzione.

Dello scehma di figura 1, viene illustrato un sistema di combustione rappresentativo secondo una realizzazione della presente invenzione. Nel sistema mostrato una macchina principale di combustione comprende un compressore 12, un miscelatore di gas 14 e un combustore primario 16 i cui prodotti di combustione azionano una turbina 18. Un sistema comprendente un compressore 12, un miscelatore 14, un combustore 16 e una turbiba 18 è una macchina di potenza commercialmente disponibile che, per esempio, può essere una macchina di serie MS7000 della General Electric Company per azionare un generatore elettrico della classe di 100 megavatt. Un secondo combustore 20 è collegato per ricevere il 100 % del combustibile ad un suo ingresso il quale combustibile di preferenza è metano, carbone o gas derivato da carbone o un combustibile idrocarburo liquido. L'uscita del combustore 20 è applicata ad uno stadio 22 di raffreddamento di gas e può comprendere una turbina o ugelli di espansione per raffreddare il gas prodotto dal combustore 20. L'ingresso del combustore 20 riceve un x % di aria dal compressore 12. La rimanente porzione dell'aria 100-x% è applicata al miscelatore 14 della macchina di potenza 10.

Il combustore 20 può essere di costruzione simile a quella del combustore di un generatore di gas a turbina commercialmente disponibile noto come modello LM500 della General Electric Company. LM500, tuttavia, comprende un compressore di combustibile e un compressore di aria per comprimere il rifornimento di combustibile e aria al compressore 20. Nella realizzazione della macchina 10 tuttavia, il compressore di aria non è compreso dato che l'aria viene compressa attraverso il compressore 12 e il combustibile è compresso e fornito all'ingresso del combustore 20. Lo stadio di raffreddamento 22 può comprendere una turbina come quella disponibile nel generatore di gas modello 121500. Tuttavia, una turbina non è essenziale per lo stadio di raffreddamento di gas come sopra indicato. Il 100% del combustibile viene applicato al combustore 20, il quale brucia quel combustibile in una miscela di combustione ricca con una quantità relativamente bassa di aria fornita attraverso il compressore 12. Per esempio, la quantità di aria fornita al combustore 20 può essere pari al 10% dell'aria fornita al miscelatore 14 dal compressore 12. I prodotti di combustione sono applicati allo stadio di raffreddamento 22 ad una temperatura relativamente alta. La temperatura è al di sotto di circa 1527 "C (2780‘F) alla quale viene generato Ν0χ termico. A causa della combustione ricca, poco ossigeno è disponibile al processo di combustione nel combustore 20 e la sua temperatura non supera la temperatura di soglia alla quale viene generato NO termico. Le caratteristiche relativamente ricche del processo di combustione generano poco O, OH e altri radicali ossidanti nel processo di combustione minimizzando 1'ΝΟχ pronto. Ancora, il processo di combustione ricco favorisce la chimica di reforming, cioè tende ad evitare la generazione di prodotti CH gassosi; invece genera prodotti gassosi comprendenti principalmente CO e H2. La miscela di CO e H, è comunemente chiamata syngas o gas sintetico. Le speci FBN, se presenti, sono convertite in N2 (azoto molecolare).

Il rendimento di combustione del combustore 20 si crede generalmente di circa il 75% e perciò circa il 25% del combustibile dei prodotti di syngas rimane in combusto. Il combustore 20 perchè è relativamente ricco funziona ad un rapporto di equivalenza (ER) -di circa 2,5-3. Ovviamente, il rapporto di equivalenza varierà tra 11estremo di testa e l'uscita del combustore 20. L'ER di uscita è nella gamma indicata, l'estremo di testa essendo minore, entro il limite di stabilità ricca. Il combustore 20 è illustrativo di un sitema più complesso nel quale un combustore successivo può essere fornito con maggior combustibile aggiunto ai prodotti di una zona primaria ricca avente φ di circa 2. Il combustibile aggiuto favorisce la chimica di "reforming". Poiché la temperatuta è al di sotto del valore di soglia per la generazione di ΝΟχ termico, tale ΝΟχ termico è sostanzialmente trascurabile all’uscita del combustore 20. Il processo del combustore massimizza CO e H2 e conversione di combustibile.

Lo stadio di raffreddamento 22 può essere una turbina o uno scambiatore di calore per raffreddare il syngas caldo prodotto dal combustore 20 e fornire potenza o calore, come può essere richiesto in una data realizzazione. L'uscita di una tale turbina o scambiatore di calore è tale da raffreddare il syngas ad una temperatura sotto alle temperature di accensione prima di fornire la miscela 14 al sistema 10. Questa fase è critica.

Secondo i principi della presente invenzione, il syngas prodotto dal combustore ricco 20 ha un contenuto totale di NO trascurabile a causa della bassa temperatura e della mancanza di speci ossidanti. Le speci FBN sono convertite in N2· Tuttavia, nella transizione al miscelatore 14 è importante che il syngas venga ridotto ad una temperatura sufficientemente bassa che le temperature nel processo di miscelazione turbolente entro il miscelatore 14 rimangano al di sotto della soglia per generazione di Ν0χ termico.Senza il raffreddamento prodotto nello stadio 22, il syngas caldo prodotto dal combustore 20 (piando mescolato con aria nel miscelatore 14 potrebbe portare ad accensione e fiamma del miscelatore 14 e a copioso ΝΟχ termico. Poiché c'è componente CH nel syngas prodotto nel combustore 20 , c'è poco Νθχ pronto nel sistema 10. Si dovrebbe capire che i combustori 16 e 20 contengono sistemi di combustione più complessi comprendenti bruciatori primari (estremi di testa) e aggiunta a valle di aria nel caso del combustore 16, per pratica convenzionale e aggiunta a valle di combustibile nel caso del combustore 20. Supponendo che un prebruciatore sia compreso nel combustore 20, allora lo stadio di raffreddamento 22 può essere fornito di un ugello riduttore di pressione che aumenta la consueta caduta di pressione di circa il 4% disponibile per miscelazione. L'aria necessaria per premiscelare a condizioni povere il combustore principale viene ammessa mediante getti entro tale ugello (non mostrato). Con l'uso di un ugello si può eseguire un'integrazione perchè il raffreddamento e la premiscelazione possono entrambi capitare entro l'ugello. In questo caso il miscelatore 14 sarebbe combinato in tale ugello con la miscelazione capitante nell'ugello. Altrimenti il miscelatore 14 miscela il syngas raffreddato che è a temperatura inferiore alla temperatura di soglia di 1527 *C (2780"F) per la generazione di Ν0χ termico e miscela quell'aria e gas a temperatura di compressore, per esempio di 315"C ( 600*F). La miscelazione del syngas o la maggior parte della corrente di aria produce una corrente premiscelata povera avente un rapporto di equivalenza ·φ di circa 0,5 all'estremo di testa del combustore 16 e di circa 0,3 all'uscita. Il processo di miscelazione del miscelatore 14 o degli ugelli (non mostrati) è a temperatura sufficientemente bassa in modo che una fiamma e ΝΟχ termico non possano essere formati durante diluizione.

Delle quantità relativamente trascurabili di idrocarburi sono disponibili al miscelatore 14 ■dato che solo aria proveniente dal compressore 12 è aggiunta nel miscelatore 14 al syngas prodotto dal combustore 20. Perciò viene generato pochissimo Ν0χ nel combustore 16. I particlari punti operativi per i miscelatori di combustibile -e aria, le pressioni e le temperature possono essere scelti mediante analisi e variazioni sperimentali dei componenti per una data realizzazione. In particolare le stechiometrie dei combustori 16 e 20 vengono ottimizzate per produrre massima potenza alla turbina 18. Non viene mostrato un generatore elettrico o altro sistema di utilizzazióne collegato alla turbina 18 e perciò azionato.

Per il fatto che la generazione di idrocarburi e di Ν0χ da FBN è minimizzata nell'uscita del syngas o dello stadio di raffreddamento 22 e per il fatto che la generazione dell1 Νθχ termico viene minimizzato mantenendo le temperature al di sotto della soglia, il combustibile fornito al combustore 20 può comprendere gas di carbone, combustibili liquidi e altri tipi di combustibili con relativamente alto azoto legato al combustibiole. Impiegando il procedimento come sopra trattato in figura 1, il fatto che i combustibili usati nel combustore 20 sono ricchi di azoto non altererà i prodotti risultanti nel syngas all'uscita dello stadio di raffreddamento 22. L'azoto in speci FBN sarà convertito in N2· Come esempio, il combustore 20 può essere fornito -con circa 226 grammi (0,5 libbre) al secondo di metano (CH4) accompagnato con 1132 grammi (2,5 libre) al secondo di aria. Il combustore 20 , come sopra detto, ha un rapporto complessivo di equivalenza di circa 3. L'uscita di syngas dallo stadio di raffreddamento 22 comprende una portata di circa 453 grammi (1 libbra) al secondo di monossido di carbonio più idrogeno (CO H2) ϋ resto essendo principalmente (azoto). Questo viene combinato con circa 6,79 kg (15 libbre) al secondo di aria che vengono applicati al miscelatore 14. L'aria per fornire diluizione e raffreddamento è fornita al combustore 16 a circa 3,40 kg (7,5 libbre) al secondo per fornire un rapporto di equivalenza di uscita a valle φ di circa 0,3. Questo processo produce un livello approssimato di 5 ppm di Ν0χ. Si dobrebbe capire che ai combustori 20 e 16 sono forniti combustibili e aria a parecchi ingressi all'estremo di testa e agli ingressi a valle secondo combustori convenzionali. Il combustore 16 usa aria per gli ingressi a valle, mentre il combustore 20 usa combustibile per gli ingressi a valle.

In figura 2, una seconda realizzazione impiegante due singole macchine fisse disponibili commercialmente viene usato per realizzare la presente invenzione. Un compressore 200 comprime tutto il combustibile idrocarburo come metano ad una pressione di circa 20 atmosfere ed applica il combustibile compresso ad un miscelatore 202 combinato di combustore. 11 compressore 204 fornisce una porzione di x% della complessiva aria totale richiesta. Il compressore 204 fornisce l'aria compressa al combustore 202. Il combustore 202 consiste di un estremo di testa funzionante vicino al limite ricco con aggiunta a valle di maggior combustibile per ottenere la stechiometria richiesta. Come esempio, x può essere il 10% dell'aria complessiva richiesta. Il combustore 202 brucia la miscela di combustibile e aria ed applica i prodotti di combustione bruciati ad una turbina 206. Lo scopo della turbina 206 è simile a quello dello stadio di raffreddamento 22 di figura 1 che fornisce raffreddamento dei gas caldi di combustione per produrre un syngas raffreddato formato da monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2). Il syngas raffreddato viene applicato all’ingresso di un miscelatore 208. La rimanente aria richiesta viene applicata ad un compressore 210. Per esemplo, dove il 10% dell'aria è applicato al compressore 204, il 90% dell'aria richiesta per una combustione completa è applicato al compressore 210. Il compressore 210 fornisce una pressione di circa 10 atmosfere all'aria fornita al miscelatore 208. Il miscelatore 208 miscela l'aria proveniente dal compressore 210 con il syngas raffreddato proveniente dalla trubina 206. 11 prodotto gassoso miscelato e raffreddato viene applicato ad un combustore 212 i cui prodotti gassosi caldi sono scaricati ad una turbina 214 che aziona un generatore (non mostrato).

In un esempio di calcolo per verificare il processo, una portata di 226 grammi (0,5 libbre) al secondo di metano viene fornita come combustibile al compressore 200. Questo è applicato a pressione atmosferica e a temperatura ambiente (15“C pari 60”F). A questo si aggiungono uno 0,3% di NH^ (ammoniaca). L'ammoniaca rappresenta 1'azoto legato al combustibile in un combustibile gassoso derivato da carbone. Il rendimento del compressore di combustibile 200 è supposto all'incrica di 0,9. L'uscita del compressore 220 ha una temperatura di circa 258*C (677 eF).

Il compressore 204 comprime 1,296 kg (2,86 libbre) al secondo di aria fornita a pressione atmosferica e temperatura ambiente. L'uscita del compressore 204 è a circa 450*C (842*F) con le uscite di entrambi i compressori 200 e 204 a 20 atmosfere. Il combustore 202 miscela il combustibile e l'aria e brucia la combinazione con Φ a circa 2,0 all'estremo di testa e 3,0 all'apertura di uscita. L'uscita del combustore ricco 202 ha una temperatura di circa 1382’C (2520‘F). Si calcola che i prodotti da combustore 202 hanno meno di 1 ppm di NO il quale valore aumenta quando diminuisce il rapporto di equivalenza. Si stima anche che ci sono circa 750 ppm di NHi, HCN. I prodotti gassosi del combustore 202 sono applicati alla turbina 206 che lavora ad un rapporto di pressione di 2 a 1 il quale serve a raffreddare i prodotti gassosi del combustore, producendo un syngas raffreddato in un condotto 207.

Il combustore 202 brucia un miscla ricca di combustibile e aria alla quale viene aggiunto più combustibile nella regione a valle del combustore. Questo porta ad una riduzione dei prodotti iniziali per il combustibile aggiunto a valle. Il processo viene defino come chimica di "reforming" in modo che i prodotti del syngas sul condotto 207 sono principalmente CO -e H2 piuttosto che combustibile e prodotti di combustione. Le emissioni di NO sono basse sul condotto 207 a causa delle temperature relativamente basse e della mancanza di speci di radicali ossidanti come 0 e OH nel combustore 202. Questo è stato verificato mediante esperimenti di laboratorio e studi cinetici. La pressione di uscita della turbina 206 sul condotto 207 è a circa 10, 5 atmosfere ad una temperatura di circa 1169*C (2136'F). Se il rapporto di equivalenza nell'estremo di testa del combustore 202 è reso troppo alto, la fiamma può diventare instabile nel combustore. Ci può anche essere eccessiva fuliggine perchè la combinazione di gas, di combustibile e di aria è troppo ricca. Inoltre, ci può essere un'eccessiva produzione di Ν0χ quando il Φ viene abbassato. Per questa ragione, si preferisce che all'estremo di testa del combustore 202 0 sia nella gamma da 2 a 2,5, con maggior combustibile aggiunto a valle.

Il compressore 210 riceve l'aria rimanente. Quest'aria viene applicata al compressore 210 ad una portata di 11,66 kg (25,74 libbre) al secondo, in questo esempio, a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Il compressore 210 funziona con un rendimento di -0,9. La pressione di uscita del compressore 210 è di 10 atmosfere ad una temperatura di 315"C (βΟΟΤ) . Quest'aria viene miscelata nel miscelatore 208 con il syngas raffreddato e!applicata al combustore povero 212. Il combustore povero 212 ha un φ di estremo di testa di circa 0,6 e un φ di uscita di circa 0,3. I prodotti di combustione all'uscita del combustore 212 sono a temperatura di circa 1015*C (1860'F) e mostrano circa 58 ppm di ΝΟχ e meno di 1 ppm di CO. Si ricordi che il combustibile conteneva FBN (0,3%). La turbina 214 funziona con un rendimento supposto in 0,9 ed ha una temperatura di uscita di circa 540*C (1005“F) ad 1 atmosfera. I 58 ppm di Ν0χ e meno di 1 ppm di CO prodotti dal combustore 212 sono considerati eccellenti in vista della combustione di combustibile sporco contenente un 3 % di ammoniaca applicata al compressore 200. Normalmente, tale combustibile sporco produce centinaia di ppm di Ν0χ. Ovviamente, rapporti differenti di combustibile, di aria e di contaminanti di combustibile sporco, come FBN, producono valori •differenti di temperatura a stadi differenti. Il 10% di aria applicato al compressore 204 e il 90% di aria applicata al compressore 210 si credono ottimi per una realizzazione. La turbina 214 viene quindi realizzata per azionare un generatore elettrico o altri mezzi di utilizzazione.

La turbina 206 provoca espansione dei gas di uscita nel combustore e riduce la temperatura del syngas ad un livello dove la miscelazione può essere eseguita nel miscelatore 208 senza accensione prematura. La pressione di uscita della turbina 206 è maggiore della pressione di funzionamento del combustore 212 di circa il 5% (10,5 atmosfere contro 10 atmosfere) per facilitare la miscelazione del syngas proveniente dal condotto 207 e dell'aria proveniente dal compressore 210 per una condizione complessiva povera. Le cifre date sopra rispetto alle proporzioni tra combustibile e aria, rendimenti dei compressori e turbine e temperature approssimate sono basate su calcoli degli svariati punti operativi, di emissioni e di rendimento termico progressivo. Le svariate ipostesi sono comprese in questi calcoli, come indicato.

Le portate totali di combustibile e aria sono coerenti con combustori scatolati in consuete unità centrali di macchine per generazione di potenza. Un calcolo del rendimento del ciclo della realizzazione di figura 2 mostra un rendimento di ciclo del 30,7% paragonabile ad una macchina di base comprendente un compressore 210, un miscelatore 208 e un combustore 212 con il medesimo livello di precisione di calcolo, cioè un rendimento di ciclo del 30,5%. Un leggero miglioramento di rendimento di ciclo è dovuto in parte al miglioramento diretto del ciclo di Brayton con i rapporti di pressione previsti, dato che il combustore 202 funziona a pressione di 20 atmosfere rispetto alla pressione di 10 atmosfere del combustore 212.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1.Apparato di combustione a secco di idrocarburi con basso contenuto di Ν0χ, comprendente: primi e secondi mezzi di combustione per combustibile idrocarburo bruciante in condizioni ricche ad un rapporto di equivalenza (ER) sufficientemente maggiore di uno in modo da produrre prodotti gassosi caldi di combustione comprendenti sostanzialmente CO e H2 e trascurabile ΝΟχ; mezzi di raffreddamento per raffreddare detti prodotti di gas di combustione ad una temperatura al di sotto di quella alla quale capita accensione e formazione di Ν0χ termico; secondi mezzi bruciatori di combustibile per bruciare detti prodotti gassosi di combustione raffreddati ad un ER sufficientemente basso in modo da minimizzare la produzione di Ν0χ e CO.
2. 2. L'apparato di rivendicazione l,nel quale detti mezzi di raffreddamento comprendono mezzi a turbina collegati per essere azionati da detti prodotti gassosi caldi di combustione.
3. 3. L'apparato di rivendicazione l, nel quale detti mezzi di raffreddamento comprendono mezzi a scambiatori di calore sensibili a detti prodotti gassosi caldi per estrarre calore da detti prodotti caldi.
4. 4. L'apparato di rivendicazione 3 contenente un ugello collegato per ricevere detti prodotti gassosi caldi per un raffreddamento adiabatico di detti prodotti provocando una loro rapida espansione.
5. 5. L'apparato di rivendicazione 1, nel quale detti mezzi bruciatori di combustibile contengono un primo combustore di combustibile per bruciare detto combustibile con un x% di aria e detti secondi mezzi bruciatori comprendono un secondo combustore di combustibile per bruciare detti prodotti gassosi caldi con un y% di aria dove X Y *= 100 e X è sostanzialmente minore di Y.
6. 6. L'apparato di rivendicazione 1, nel quale il valore di uscita di ER del primo sistema è nella gamma da circa 2,0 a 3,0 e il valore di uscita ER nel secondo sistema è da circa 0,3 a 0,4.
7. 7. L'apparato di rivendicazione 1 contenente inoltre mezzi di utilizzazione collegati a detti secondi mezzi bruciatori per fare lavoro in risposta all'arrivo di detti prodotti gassosi bruciati e raffreddati.
8. 8. L'apparato di rivendicazione 1 contenente inoltre un compressore di aria per comprimere una data quantità di aria e mezzi per fornire una porzione di detta data quantità di aria a detti primi mezzi bruciatori e la rimanente porzione di detta data quantità di aria a detti secondi mezzi bruciatori, detta data quantità di aria corrispondendo a una data quantità di combustibile che deve essere bruciata da detti primi e secondi mezzi in modo da produrre un ER complessivo da 0,3 a 0,4.
9. 9. L'apparato di rivendicazione 8 contenente inoltre mezzi miscelatori di gas per miscelare detti prodotti gassosi raffreddati con detta porzione rimanente di aria prima di detta combustione di detti prodotti gassosi raffreddati.
10. 10. L'apparato di rivendicazione 1 contenente inoltre un primo compressore per comprimere una prima porzione di aria, un secondo compressore per comprimere detto combustibile, detti primi mezzi servendo a bruciare detto combustibile compresso con detta prima porzione di aria compressa e un terzo compressore per comprimere una seconda porzione di aria in quantità maggiore della prima porzione e mezzi miscelatori per miscelare i prodotti gassosi raffreddati con detta seconda porzione di aria prima di una combustione da parte di detti secondi mezzi.
11. 11. L'apparato di rivendicazione 10 nel quale il primo compressore comprime detta prima porzione di aria ad una pressione di 20 atmosfere e il secondo compressore comprime detta seconda porzione di aria ad una pressione di circa 10 atmosfere.
12. 12. Apparato per combustione a secco a basso contenuto di Ν0χ di combustibili idrocarburi, comprendente: un prebruciatore per combustione ricca di un combustibile idrocarburo con aria allo scopo di produrre detti prodotti di combustione; mezzi di raffreddamento per raffreddare i prodotti caldi di combustione di detto prebruciatore ad una temperatura al di sotto della quale capita l'accensione e sono formati prodotti di Νθχ termico; mézzi miscelatori per miscelare detti prodotti di combustione raffreddati con aria per fornire una miscela povera di detti prodotti di combustione e aria; mezzi bruciatori per bruciare detta miscela povera.
13. 13. L'apparato di rivendicazione 12 contenenti inoltre mezzi compressori per comprimere almeno detta aria prima di detta combustione in detto prebruciatore e in detti mezzi bruciatori.
14. 14. L'apparato di rivendicazione 12 comprendente inoltre l'aggiunta di mezzi compressori per comprimere detta aria e mezzi per fornire una parte di detta aria compressa a detto prebruciatore e la parte, rimanente dell'aria compressa a detti mezzi bruciatori.
15. 15. L'apparato di rivendicazione 12 contenente inoltre primi mezzi compressori per comprimere il combustibile e l'aria forniti a detto prebruciatore e secondi mezzi compressori per comprimere aria e per fornire questa aria compressa a detti mezzi miscelatori.
16. 16. L'apparato di rivendciazione 12, nel quale detti mezzi di raffreddamento contengono una turbina per ricevere detti prodotti caldi di combustione.
17. 17. L'apparato di rivendicazione 12 contenente inoltre una turbina azionato da detta miscela povera bruciata applicata come ingresso alla medesima.
18. 18. Metodo per combustione a secco con basso contenuto di ΝΟχ, di combustibile idrocarburo comprendente : bruciare in modo ricco il combustibile con aria per produrre prodotti gassosi caldi di combustione ; raffreddare i prodotti gassosi caldi ad una temperatura al di sotto della quale capita accensione e vengono formati prodotti di Ν0χ termico; miscelare i prodotti gassosi caldi raffreddati con aria per produrre una miscela povera di prodotti e aria; bruciare la miscela.
19. 19. Il metodo di rivendicazione 18 contenente inoltre la fase di comprimere 11aria prima di detta combustione ricca e prima di detta miscelazione .
20. 20. Il metodo di rivendicazione 19 contenente inoltre comprimere il combustibile prima di detta combustione ricca.
21. 21. Il metodo di rivendicazione 20 contenente comprimere una prima porzione di aria prima di detta combustione ricca e comprimere una seconda porzione di aria prima di detta miscelazione, dove la prima porzione viene compressa ad una pressione maggiore della seconda porzione e dove la prima e seconda porzione rappresentano il 100 % dell'aria complessivamente necessaria.