NO339278B1

NO339278B1 - Fremgangsmåte og system for fordampning av flytende brensler for forbrenning.

Info

Publication number: NO339278B1
Application number: NO20052247A
Authority: NO
Inventors: Richard J Roby; Michael S Klassen; Christopher F Schemel
Original assignee: Llp Comb Llc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2016-11-21
Also published as: EP1549881A2; WO2004033886A2; MX354577B; EP1549881A4; DK1549881T3; HUE059355T2; NO20052247L; NZ539362A; WO2004033886A3; JP4490912B2; JP2006503259A; HK1085262A1; CY1125905T1; AU2003284124A1; CA2501862C; AU2003284124B2; US20100300103A1; US7089745B2; PT3078909T; US20080115502A1

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår fremgangsmåter og innretninger for på egnet måte å fordampe, blande og avgi flytende brensler eller flytendegjorte gasser for bruk i forbrermmgsinnretninger.

Bakgrunn for teknologien

Forbrermingsinnretninger, så som gassturbiner som benyttes for effektgenerering, mates typisk med naturgass (f.eks. komprimert naturgass eller CNG). Naturgass består typisk av rundt 90 - 98 vol. % metan (CH4), selv om noen gasser med så lite som 82 % metan er blittkarakterisertsom naturgass. I tillegg til metan kan naturgass inneholde CO2, O2, N2og høyere hydrokarbongasser, så som C2 (etan, etylen, acetylen), C3 (propan), C4 (butan) og C5 (pentan).

Nyere fremstøt innen konstruksjonen av forbrenningssystemene for gassturbinmotorer har resultert i vesentlige forbedringer i avgassutslipp under drift på naturgass ved hjelp av anvendelsen av mager, forblandet forbrenning. I denne forbrenningsmodus forblandes naturgass med forbrenningsluft forut for ankomst til flammefronten. Denne magre blanding av naturgass og luft brenner med en lavere temperatur enn konvensjonelle diffusjonsflamme-brennkamre, og produserer dermed lavere nivåer av forurensninger, deriblant oksider av nitrogen (NOx) i avgas strømmen. Som eksempel er de maksimalt tillatelige NOx-nivåer for diffusjonsflamme-brennkamre typisk 42 ppm @ 15 % O2, mens de maksimalt tillatelige NOx-nivåer for en gassturbin med mager, forblandet forbrenning nå er typisk 15 ppm ved 15 % 02. Nivået på 42 ppm NOx for diffusjonsflamme-brennkamre kan vanligvis bare oppnås ved tilsetning av store mengder av damp eller vann til brennkammeret for å redusere flammetemperaturen.

Forsøk er blitt gjort på å drive innretninger med mager, forblandet forbrenning med vekslende, flytende, høyere hydrokarbonbrensler, så som olje og dieselbrensel og høyere hydrokarbonbrenngasser, så som propan (C3) og butan (C4). Slik det benyttes her, refererer uttrykket "høyere hydrokarbonbrensel" seg til et brensel hvor minst 50 vekt % av hydrokarbonmolekylene i brenselet har minst to karbonatomer. Dessverre kan disse forbrermmgsinnretninger ikke drives uten vanskelighet i en mager, forblandet, forfordampet (LPP)-forbrenningsmodus ved benyttelse av de vekslende brensler. For å frembringe en mager, forblandet, forfordampet flamme ved benyttelse av flytende brensler eller flytendegjorte gasser (slik det benyttes her, skal uttrykket "flytende brensel" forstås å omfatte brensler som normalt er i en flytende tilstand ved romtemperatur og atmosfærisk trykk, så vel som gasser som er blitt flytendegjort/kondensert ved avkjøling og/eller trykksetting), må væskene først fordampes inn i en bæregass (normalt luft) for å danne en brenngass (dvs. en brenseldamp/luftblanding) som deretter kan blandes med ytterligere forbrenningsluft forut for ankomst til flammefronten. Imidlertid kan et fenomen som er kjent som selvantennelse, opptre med slike blandinger av fordampet, flytende brensel/ flytendegjort gass og luft. Selvantennelse er den spontane antennelse av brenselet forut for det ønskede flammested i forbrermmgsinnretningen. Denne for tidlige antennelse kan opptre for eksempel som et resultat av normal, for tidlig eller annen oppvarming av brenselet som kan forekomme etter hvert som brenselet tilføres til forbrermmgsinnretningen. Selvantennelse resulterer i redusert virkingsgrad og skade på forbrermmgsinnretningen, forkortelse av forbrermmgsinnretningens levetid og/eller forårsakelse av en økning i uønskede utslipp.

Det er blitt gjort forskjellig forsøk på å innskrenke selvantennelse av flytende, høyere hydrokarbonbrensler i slike irinretninger med mager, forblandet forbrenning, men ingen av disse har vist seg å være helt vellykket. Som et resultat arbeider "dobbelt-brensel"-forbrermmgsinnretninger, så som gassturbiner, som er i stand til å virke med både naturgass og flytende, høyere hydrokarbonbrensler, typisk i en mager, forblandet modus når de benyttes med naturgass, og i en diffusjonsmodus når de benyttes med flytende, høyere hydrokarbonbrensler. Forbrenning av de flytende brensler i diffusjons-modusen er uønsket da det øker NOxog andre utslipp sammenliknet med naturgass som forbrennes i den magre, forblandede modus.

Et annet problem som i den senere tid er blitt av øket betydning, er et problem som er knyttet til anvendelsen av flytendegjort naturgass. En nyere knapphet i den innenlandske naturgassforsyning har gjort importen av flytendegjort naturgass mer vanlig. Når flytendegjort naturgass transporteres, typisk via tankskip, har de høyere hydrokarbongasser et høyere kokepunkt. Når den flytende naturgass fordampes på nytt for anvendelse som et gassformig brensel, inneholder den siste del flytendegjort naturgass som fjernes fra lagringsbeholderen, en høyere prosentandel av høyere hydrokarbonbrensler. På grunn av det forannevnte selvantennelsesproblem kan denne del av den flytendegjorte naturgass ikke benyttes i mange eksisterende forgassingsbrennere eller brennkamre med mager, forblandet naturgass.

Forbrermingsinnretninger som likner på dem som benyttes med naturgass, benyttes også på kjeler, forbrenningsovner, turbinmotorer og andre forbrenningsmotorer, deriblant andre anvendelser enn effektgenerering, så som for fremdrift for marineskip. Problemer med bruk av turbinmotorer for marineskip omfatter den store mengde lagringsplass som typisk kreves for konvensjonelt, komprimert gassbrensel, og høye utslipp som er et resultat av alternativ brenselbruk i konvensjonelle turbinmotorer. Utslippene kan både misligholde miljøkrav og presentere en sikkerhetsrisiko ved for eksempel å frembringe synlige utslipp som avslører fartøyets posisjon.

Dokumentet EP 0877156 A2 omhandler en fremgangsmåte og anordning for å fordampe flytende brennstoff for bruk i en gassturbinbrenner.

Det gjenstår et udekket behov for forbrermmgsinnretninger, så som turbinmotorer og andre forbrennmgsinnretninger, som kan drives med både naturgass og høyere, flytende hydrokarbonbrensler i en mager, forblandet, forfordampet modus. Et tilfredsstillende dobbeltbrenselvalg for slike forbremiingsinnretninger ville tillate for eksempel kostnads- og brenselfleksibilitet for slike anvendelser som effektgenerering og liknende.

Sammenfatning av oppfinnelsen

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte for å operere en forbrermmgsinnretning som angitt i krav 1, og en forbremiingsinnretning som angitt i krav 23. Utførelser av oppfinnelsen er rettet på de forannevnte så vel som andre problemer, for en stor del ved å tilveiebringe en mekanisme for å frembringe forfordampet brensel- eller brenngass med et redusert oksygeninnhold i forhold til omgivende luft fra mange forskjellige flytende brensler eller flytendegjorte gasser som kan tilføres til en forbrenningsinnretning som et gassformig brensel. I foretrukne utførelser kan den forfordampede brenngass benyttes med eksisterende innretninger med mager, forblandet forbrenning som er utformet for å forbrenne naturgass. En slik tilførsel eller mating av gassformig brensel kan benyttes med turbinmotorer og diesel- og bensinmotorer, for eksempel for å drive marinefartøyer, lokomotiver, fly og biler. Oppfinnelsen er også anvendelig med et stort utvalg av andre brennkamre, særlig for forbrermmgsinnretninger for hvilke det ønskes en høyere grad av antennelses- og/eller utslippskontroll. For eksempel kan NOx-reduksjoner oppnås ved benyttelse av oppfinnelsen også sammen med diffusjonsflammene-brennkamre. Denne utslippsreduksjon oppnås som et resultat av den tilføyde varmekapasitet til den reduserte oksygenstrøm/brenngass-blanding, da den ytterligere inertgass tjener til å redusere flammetemperatur, og således reduserer NOx.

I en utførelse av oppfinnelsen benyttes en inertgasstrøm eller en annen gasstrøm med en redusert oksygenkonsentrasjon i forhold til luft til å fordampe et flytende brensel eller en flytendegjort høyere hydrokarbon-naturgass, og den oksygenreduserte, fordampede brenngass tilføres til en forbrermmgsinnretning. Ved å blande brenselet med en gasstrøm som har en passende redusert konsentrasjon av oksygen, kan reaksjon av det fordampede brensel hindres eller forsinkes tilstrekkelig slik at selvantennelse unngås. En høy grad av antennelseskontroll, så vel som andre særtrekk ved oppfinnelsen, slik som beskrevet nærmere nedenfor, er anvendelige for å redusere eller på annen måte kontrollere utslipp eller forbrenningsustabiliteter.

En rekke innretninger eller systemer som er kjente i teknikken, kan benyttes for å tilføre den inerte gasstrøm, og en rekke inerte gasser kan benyttes i forbindelser med oppfinnelsen. I én utførelse av oppfinnelsen kan for eksempel forurenset avløpsgass fra en for-brenner eller fra nedstrøms av forbrenningsinnretningen tilveiebringe en redusert oksygenstrøm for fordampning av det flyende brensel eller den flytendegjorte gass for bruk som unngår selvantennelse. Ved å kondisjonere eller tilpasse denne avgasstrøm på passende måte, kan strømmen benyttes til å fordampe hvilket som helst av en rekke forskjellige flytende brensler eller flytendegjorte gasser som, så snart de er passende behandlet og blandet med avgasstrømmen, kan mates direkte inn i en forbrenningsinnretning som et gassformig brensel. I en annen utførelse av oppfinnelsen tilfører en luftseparatorenhet den oksygenreduserte gasstrøm til fordamperen for flytende brensel eller flytendegjort gass.

Dette tillater på fordelaktig måte en selvstendig enhet for frembringelse av et forfordampet brensel fra hvilket som helst av rekke forskjellige flytende brensler eller flytendegjorte gasser og komprimert luft som, så snart de er behandlet og blandet på passende måte, kan mates direkte inn i en eksisterende turbinmotor som er tilpasset til å forbrenne naturgass. Denne blanding kan deretter brennes i en mager, forblandet flamme for å forbedre motorytelsen. Slike forbedringer kan for eksempel omfatte, men er ikke begrenset til, forbedrede avgassutslipp og/eller større flammestabilitet, innbefattet redusert forbrermmgsinnretningsdynamikk.

En luftseparatorenhet for anvendelse i utførelser av oppfinnelsen separerer oksygen og nitrogen fra luft. Utmatingen fra luftseparatoren omfatter to gasstrømmer, en første strøm som har øket oksygen og redusert nitrogen ("den oksygenrike strøm") og en andre strøm som har redusert oksygen og øket nitrogen (den resulterende oksygenreduserte strøm i denne utførelse, så vel som de på annen måte oksygenreduserte strømmer i andre utførelser, omtales ombyttbart som "den oksygenreduserte strøm" eller "strømmen med redusert oksygen"). I én utførelse av oppfinnelsen frembringer luftseparatoren de strømmer som benyttes i en prosess som innen teknikken omtales som "adsorpsjon".

Den oksygenreduserte strøm kan deretter kombineres med fordampet flytende brensel eller flytendegjort gass før den tilføres til forbrenningsinnretningen. På grunn av at fordampet brensel krever et tilstrekkelig nærvær av oksygen for å forbrennes, kan forbrenning av det fordampede brensel, ved å blande det fordampede brensel med en oksygenredusert strøm, så som et passende nivå av ikke-forbrennbart nitrogen kombinert med et redusert nivå av oksygen, hindres eller forsinkes tilstrekkelig slik at selvantennelse unngås.

Det kombinerte brensel og den oksygenreduserte strøm kan deretter tilføres som gassformig brensel til forbrermmgsinnretningen, hvor brenselet og den oksygenreduserte strøm kan blandes med en oksygenkilde (f.eks. inntaksluft) for forbrenning i motoren.

I én utførelse av oppfinnelsen benytter luftseparatorene trykkluft som tilføres fra turbinkompressoren. Alternativt eller i tillegg kan luftseparatoren benytte trykkluft fra hvilken som helst trykkluftkilde.

I én utførelse av oppfinnelsen kan den oksygenrike strøm som produseres av luftseparatoren, tilføres til forbrermmgsinnretningen nedstrøms av brennende brensel for å redusere utslipp fra turbinmotoren. Tilførselen av en oksygenrik strøm inn i etterfor- brennings-utslippsstrømmen kan redusere de forurensninger som produseres av forbremiingsinnretningen, ved for eksempel å øke oksidasjonen av ubrent brensel og/eller karbonmonoksid i avgasstrømmen.

I én utførelse av oppfinnelsen kan den oksygenrike strøm som produseres av luftseparatoren, tilføres til forbrennmgsinnretningen for å utvide forbrennings-innretningens driftsområde.

Mange flytende hydrokarbonbrensler er brukbare sammen med oppfinnelsen. Slike flytende brensler eller flytendegjorte gasser omfatter, men er ikke begrenset til, dieselbrensel, #2-fyringsolje, bensin, flytende naturgass med hevet, høyere hydrokarboninnhold, andre flytendegjorte gasser omfattende flytendegjort C2, C3, C4, C5, etc, og brennbare, flytende avfallstrømmer, så som avfallstrømmer som frembringes av produksjonsprosesser.

I én utførelse av oppfinnelsen kan brennverdien på massebasis eller volumetrisk basis av brenngasstrømmen styres ved å innblande en passende andel av den oksygenreduserte strøm. Dette letter tilførsel av brenngassen til forbrenningsinnretningen via for eksempel et eksisterende naturgass-brenselsystem.

Ytterligere fordeler og nye trekk ved oppfinnelsen vil delvis bli angitt i den etterfølgende beskrivelse og vil delvis bli mer åpenbare for fagfolk på området ved undersøkelse av det etterfølgende eller ved læring ved praktisering av oppfinnelsen.

Beskrivelse av tegningene

Fig. l(a) viser et blokkskjema av en utførelse av oppfinnelsen,

fig. l(b) og l(c) viser blokkskjemaer av forskjellige typer av forgassingsbrennere/brennkamre som er egnet for anvendelse i utførelsen på fig. l(a),

fig. 2 viser et flytskjema av en fremgangsmåte for benyttelse av flytende brensler eller flytendegjorte gasser og en forbrermmgsinnretning, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen,

fig. 3 viser et blokkskjema av et eksempel på en gassturbinmotor med en forbremiingsinnretning for flytende brensel eller flytendegjort gass for benyttelse sammen med gassturbinmotoren, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen,

fig. 4 viser et flytskjema av en fremgangsmåte for benyttelse av flytende brensler eller flytendegjorte gasser med en gassturbinmotor, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen,

fig. 5(a) viser et blokkskjema av et eksempel på en gassturbinmotor med en forbrermmgsinnretning for flytende brensel eller flytendegjort gass for benyttelse sammen med gassturbinmotoren, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen,

fig. 5(b), (c), (d) og (e) viser blokkskjemaer av forskjellige konfigurasjoner av brennkammeret i gassturbinmotoren på fig. 5(a), og

fig. 6 viser et flytskjema av en fremgangsmåte for benyttelse av flytende brensler eller flytendegjorte gasser med en gassturbinmotor, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen.

Nærmere beskrivelse

Oppfinnelsen vil bli beskrevet med henvisning til foretrukne utførelser av forbrenningssystemer. Spesifikke detaljer, så som typer av brensler og oksygeninnhold i gasstrømmer, er angitt for å gi en grundig forståelse av oppfinnelsen. De foretrukne utførelser som er beskrevet her, må ikke forstås slik at de begrenser oppfinnelsen. For lettvint forståelse er videre visse fremgangsmåtetrinn angitt som separate trinn. Disse trinn må imidlertid ikke tolkes som nødvendigvis atskilte eller forskjellige, og heller ikke rekkefølge-avhengige i sin utførelse.

Slik det benyttes her, må "fordampning" forstås å være forskjellig fra "forgassing". Forgassing er et uttrykk innen faget som refererer seg til en prosess ved hvilken et ikke-gassformig brensel, så som kull, omformes til et gassformig brensel ved delvis å reagere (f.eks. forbrenne) det ikke-gassformige brensel med omgivende luft eller en oksygenanriktet gasstrøm. I motsetning til dette blir reaksjon av det flytende brensel i det vesentlige undertrykket under fordampningsprosessen ifølge oppfinnelsen, som følge av tilstedeværelsen av en gasstrøm med redusert oksygeninnhold i forhold til omgivende luft.

Oppfinnelsen formodes å være spesielt anvendelig på forbrermingsinnretninger med mager, forblandet, forfordampet forbrenning, og vil derfor bli beskrevet hovedsakelig i denne sammenheng. Oppfinnelsen må imidlertid ikke forstås slik at den er begrenset til dette. For eksempel kan oppfinnelsen også praktiseres med RQL (fet, bråkjølt, mager) forbrermmgsinnretninger, særlig innretninger med forblandet forbrenning, eller med innretninger med diffusjonsflammeforbrenning.

På fig. l(a) er det vist et blokkskjema av et forbrenningssystem ifølge én utførelse av oppfinnelsen som omfatter et typisk brennkammer (eng: combuster) 5 (er også vekselvis omtalt som "forbrermmgsinnretning") for anvendelse med flytende brensler eller flytendegjorte gasser for et brennkammer, så som, men ikke begrenset til, en turbinmotor eller en gnistantennelses- eller kompresjonsantennelses-motor. Som vist på fig. l(a), er en fordampningsenhet 1 for flytende brensel eller flytendegjort gass forbundet med brennkammeret 5. En strøm 8 av oksygenredusert, fordampet brensel tilveiebringes til brennkammeret 5 fra fordampningsenheten 1. Til brennkammeret 5 innmates det også en oksygenanriket gasstrøm 9, så som en kilde for luft. I én utførelse omfatter brennkammeret 5 særtrekk for passende blanding av den fordampede brenselstrøm 8 og strømmen av den oksygenanrikede gasstrøm 9.

Fordampningsenheten 1 omfatter en kilde 2 for oksygenredusert gasstrøm, en kilde 3 for flytende brensel/flytendegjort gass (er også vekselvis omtalt som "flytende brensel" og/eller "flytendegjort brensel"), og en fordamperenhet 4. Fordamperenheten 4 for flytende brensel/flytendegjort gass blander og fordamper tilførselsstrømmene 6, 7 fra henholdsvis kilden 3 for flytende brensel/fly tendegj ort gass og kilden 2 for oksygenredusert gasstrøm. Mange forskjellige metoder kan benyttes for å fordampe den flytende brenselstrøm 6 og den oksygenreduserte gasstrøm 2. Den rekke i hvilken blandingen og fordampningen opptrer, er ikke vesentlig. I noen utførelser opptrer blandingen og fordampningen samtidig, så som når den oksygenreduserte strøm foroppvarmes til en temperatur som er tilstrekkelig til å fordampe det flytende brensel. I andre utførelser fordampes den flytende brenselstrøm 6 delvis eller fullstendig, f.eks. ved oppvarming av det flytende brensel, forut for blanding med den oksygenreduserte gasstrøm 7. I noen utførelser trykksettes og/eller oppvarmes den oksygenreduserte gasstrøm 7 forut for blanding og fordampning. Den fordampede brenselstrøm 8, som er blitt behandlet eller kondisjonert for å unngå selvantennelse ved blanding med den oksygenreduserte strøm, tilføres deretter til brennkammeret 5 for benyttelse i forbrenningsprosessen.

I noen utførelser ligger den fordampede brenselstrøm 8 på en temperatur som er tilstrekkelig høy til at temperaturen på den fordampede brenselstrøm 8 forblir over duggpunktet under passering til brennkammeret 5. I andre utførelser kan temperaturen på den fordampede brenselstrøm 8 falle under duggpunktet dersom den avstand som den fordampede brenselstrøm 8 må vandre for å nå frem til brennkammeret 5, er tilstrekkelig kort slik at det er utilstrekkelig tid til at vesentlige kondensasjonsmengder skal opptre. I ytterligere andre utførelser oppvarmes den fordampede brenselstrøm 8 mellom fordamperen 4 og brennkammeret 5.

Kilden 2 for oksygenredusert gasstrøm produserer en gasstrøm med et oksygeninnhold som er redusert i forhold til omgivende luft, som vanligvis anses for å inneholde omtrent 21 % O2. I noen utførelser av oppfinnelsen har den oksygenreduserte gasstrøm et oksygeninnhold under den begrensende oksygenindeks. Den begrensende oksygenindeks (LOI = limiting oxygen index) er den konsentrasjon av oksygen i den lokale omgivelse under hvilken et materiale ikke vil understøtte forbrenning, og varierer for forskjellige typer av flytende brensler. LOI-verdien ligger typisk mellom ca. 10 % og ca. 14 %, og er omtrent 13 % for mange høyere hydrokarbonbrensler. Jo mer oksygeninnholdet i gasstrømmen fra kilden 2 reduseres, jo mer selvantennelse undertrykkes. Imidlertid kreves mer arbeid (dvs. energi) for å frembringe en gasstrøm med et lavere oksygeninnhold. Dette arbeid vil redusere systemets totale effektivitet. I noen utførelser er således oksygeninnholdet fra kilden 2 akkurat tilstrekkelig lavt til å undertrykke selvantennelse med det nødvendige beløp, hvilket kan være over eller under LOI-verdien. I andre utførelser av oppfinnelsen inneholder den oksygenreduserte gasstrøm fra kilden 2 ikke noe oksygen. I noen av disse utførelser er gassen som tilføres fra den oksygenreduserte gasstrømkilde 2, inert. I ytterligere andre utførelser inneholder gassen fra kilden 2 hydrokarboner (f.eks. metan og/eller høyere hydrokarboner).

Graden av reduksjon i oksygeninnhold i gasstrømmen fra kilden 2 som er nødvendig for i tilstrekkelig grad å undertrykke selvantennelse, vil avhenge av den spesielle anvendelse, og særlig av slike faktorer som kvaliteten av brenselet, blandings/- fordampnings-metoden, den avstand som den fordampede gasstrøm må vandre for å nå frem til brennkammeret, varmen av den fordampede gasstrøm idet den forlater fordamperen, den varme som den oksygenreduserte gasstrøm/brenselblanding utsettes for i brennkammeret forut for forbrenning, og avstanden fra forblandingssonen til forbrenningssonen i brennkammeret.

Slik som omtalt ovenfor, kan brennkammeret 5 på fig. l(a) være et forblandet brennkammer som vist på fig. l(b). Forblandede brennkamre inneholder typisk en forblandingssone 5b-1, en primær forbrenningssone 5b-2, en mellomsone 5b-3 og en fortynningssone 5b-4. I et forblandet brennkammer tilføres den oksygenreduserte, fordampede brenngasstrøm 8 til forblandingssonen 5b-1 hvor den forblandes med en oksygenanriket gasstrøm 9a (f.eks. luft). Den oksygenanrikede gasstrøm 9a tilføres typisk til noen eller alle de andre soner 5b-2, 5b-3, 5b-4. I en RQL-forbrenningsinnretning tilføres den oksygenreduserte, fordampede brenngasstrøm 8 også til mellomsonen 5b-3. Alternativt kan brennkammeret 5 på fig. l(a) være et diffusjonsbrennkammer, som vist på fig. l(c), omfattende en primær forbrenningssone 5c-l, en mellomsone 5c-2 og en fortynningssone 5c-3. I et typisk diffusjonsbrennkammer tilføres den oksygenreduserte, fordampede brenngasstrøm 8 til den primære forbrenningssone 5c-1 der den forbrennes ved nærvær av den oksygenanrikede gasstrøm 9a.

Fig. 2 viser et flytskjema av en fremgangsmåte for drift av et fordampningssystem for flytende brensel eller oksygenredusert gass, i overensstemmelse med ett eksempel på en utførelse av oppfinnelsen. En oksygenredusert gasstrøm og en tilførsel fra en kilde for flytende brensel tilføres hver til en fordampningsenhet for flytende brensel i et trinn 10. Fordampningsenheten for flytende brensel blander og fordamper tilførselsstrømmene i et trinn 11. Fordampningsenergien kan tilføres fra den oksygenreduserte gasstrøm eller fra en annen energikilde. Den fordampede brenselstrøm, som er blitt behandlet for å unngå selvantennelse ved blanding med den oksygenreduserte strøm, tilføres deretter til et brennkammer i et trinn 12. Brennkammeret benytter det forberedte flytende brensel/den oksygenreduserte gasstrøm med en oksygenkilde for å frembringe en brennbar blanding i et trinn 13.

En annen utførelse av et forbrenningssystem ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 3. Forbrenningssystemet på fig. 3 omfatter en konvensjonell gassturbinmotor 14 med en luftkompressor 15 (forbundet med en forbrenningslufttilførsel, ikke vist på fig. 3), et brennkammer 5 (som, slik som omtalt ovenfor, kan være et forblandet brennkammer eller et diffusjonsbrennkammer), en turbin 16, og en skorstein 17 for utslippsfrigjøring. Turbinmotoren 14 kan være koplet til hvilken som helst innretning, f.eks. til en generator 18 eller en annen utgang, så som et marinefartøys propeller. I denne utførelse benyttes en del av avgasstrømme 20 fra skorsteinen 17 for å tilføre den oksygenreduserte gasstrøm til en fordampningsenhet 21 for flytende brensel/flytendegjort gass. Fordampningsenheten 21 for flytende brensel/flytendegjort gass er forbundet med den konvensjonelle gassturbinmotor 14. Fordampningsenheten 21 omfatter en kompressor 19 for å trykksette skorsteinsavgasstrømmen 20, en brenselfordamper 4, og en kilde 3 for flytende brensel/flytendegjort gass som kan være inneholdt i enheten 21 eller alternativt være atskilt og forbundet med enheten 21.

Fig. 4 viser et flytskjema av én fremgangsmåte for drift av et fordampningssystem for flytende brensel/oksygenredusert gass for anvendelse med en turbin, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen. Turbinavgasstrømmen, som har redusert oksygeninnhold, tilføres til en kompressor i et trinn 25. Kompressoren trykksetter gassturbinens avgasstrøm i et trinn 26. Kompressorutmatingen av den resulterende oksygenreduserte strøm og den flytende brenselstrøm tilføres hver til fordamperen for flytende brensel i et trinn 27. Kompressorutmatingen blandes med den flytende brenselstrøm for å fordampe det flytende brensel i et trinn 28. Den oksygenreduserte, fordampede, flytende brenselstrøm tilføres deretter til gassturbinens brennkammer i et trinn 29.

I noen utførelser er turbinmotoren 14 en eksisterende mager, forblandet innretning som er utformet for å drives med naturgass, og det flytende brensel 3 er et flytende, høyere hydrokarbonbrensel. I tillegg til det forannevnte selvantennelsesproblem oppstår et annet problem i forbindelse med anvendelsen av høyere hydrokarbonbrensler i forbrermmgsinnretninger som er utformet for å arbeide med naturgass: på grunn av at høyere hydrokarbonbrensler har et høyere energiinnhold enn naturgass, vil brenngassfordelings- og målesystemet i en motor som er utformet for å arbeide med naturgass, normalt kreve modifikasjon for å arbeide med en høyere hydrokarbonbrenn-gass. I foretrukne utførelser er imidlertid gassfordampningsenheten 21 utformet for å tilføre en oksygenredusert, fordampet brenngass til turbinmotoren 14, slik at ingen modifikasjon av motorens 14 brenngassfordelingssystem er nødvendig. Dette oppnås ved å blande en mengde oksygenredusert gass med det fordampede brensel, slik at energiinnholdet i den oksygenreduserte, fordampede brenngass fra fordamperen 4 er ekvivalent med naturgass. Dette kan gjøres på volumetrisk basis eller massebasis, avhengig av den brenselutmålingsmetode som benyttes av motoren 14. I andre utførelser er energiinnholdet i den oksygenreduserte brenngass høyere eller lavere enn energiinnholdet i naturgass, og brenselfordelingssystemet er utformet for å arbeide med slik gass med høyere eller lavere energiinnhold.

Som eksempel er varmeverdien til en brenngass tilnærmet proporsjonal med antallet av karbonatomer i gassmolekylen. Pentan (C5H12) har derfor tilnærmet 5 ganger brennverdien til hovedkomponenten i naturgass, nemlig metan (CH4). Dersom flytendegjort pentan ble benyttet som det flytende brensel i systemet på fig. 3, ville fordamperen 4 være utformet for å utmate en brenngasstrøm omfattende én del fordampet pentangass og fire deler oksygenredusert gass for bruk med en motor 14 med et brenngassfordelingssystem som er utformet for måling av metan på volumetrisk basis.

Fig. 5(a) viser enda en annen utførelse av et forbrenningssystem ifølge oppfinnelsen omfattende en gassturbinmotor 14 med en kompressor 15, et brennkammer 5, en turbin 16 og en skorstein 17 for utslippsfrigjøring. Turbinen 16 kan være koplet f.eks. til en generator 18 eller hvilken som helst annen innretning, så som et marinefartøys propeller. En fordampningsenhet 31 for flytende brensel/flytendegjort gass ifølge én utførelse av oppfinnelsen kan tilkoples til gassturbinmotoren 14. I den utførelse som vist på fig. 5(a), omfatter enheten 31 en luftseparator 32, en hjelpekompressor 33, en andre kompressor 34, en brenselsfordamper 4, og en kilde 3 for flytende brensel/flytendegjort gass som kan være forbundet med enheten 31 eller alternativt være atskilt fra og forbundet med enheten 31.

Luftseparatoren 32 tar inn en trykkluftstrøm fra motorens 14 kompressor 15 (eller en trykkluftstrøm fra en annen kilde), og utmater en oksygenrik gasstrøm 41 og en oksygenredusert gasstrøm 42 som typisk inneholder et høyt beløp av nitrogen i forhold til luft. En stor variasjon av luftseparatorer er kjente i teknikken. I noen utførelser frembringer luftseparasjonsenheten de oksygenrike og oksygenreduserte strømmer 41, 42 ved benyttelse av en prosess som omtales som adsorpsjon. I slike utførelser kan luftstrømmen være komprimert til et trykk på tre atmosfærer for å lette separasjon.

I utførelsen på fig. 5(a) komprimeres den oksygenrike strøm 41, og den komprimerte, oksygenrike gasstrøm 43 innsprøytes i brennkammeret 5. Den oksygenreduserte strøm 42 tilføres til hjelpekompressoren 33 hvor den trykksettes. Den resulterende komprimerte, oksygenreduserte gasstrøm 45 tilføres deretter til fordampningsenheten 4 for flytende brensel/flytendegjort gass. Fordampningsenheten 4 for flytende brensel/flytendegjort gass blander en tilførsel 6 av flytende brensel/flytendegjort gass fra en kilde 3 for flytende brensel/flytendegjort gass med den komprimerte, oksygenreduserte strøm 45 ved en hevet temperatur for å fordampe det flytende brensel/den flytendegjorte gass. Det forhold i hvilket den komprimerte, oksygenreduserte strøm 45 og gasstilførselen 6 blandes, er avhengig av det flytende brensel fra kilden 3 og utformingen av motoren 14. Slik som omtalt foran, kan forholdet velges for å tillate at en motor 14 som er utformet for å forbrenne naturgass, kan benyttes sammen med et flytende, høyere hydrokarbonbrensel uten modifikasjon av motorens 14 brenselfordelingssystem. Det fordampede brensel/den oksygenreduserte strøm 8 tilføres deretter til brennkammeret 5.

Fig. 6 viser et flytskjema av en fremgangsmåte for drift av et fordampningssystem for flytende brensel/flytendegjort gass for bruk med en turbin, i overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen. Som vist på fig. 6, tas trykkluft fra gassturbinmotorens luftkompressor ved et passende stadium/trykk for bruk i luftseparasjonsenheten i et trinn 51. Luftseparasjonsenheten tar inn trykkluftstrømmen og frembringer en oksygenrik strøm og en oksygenredusert strøm i et trinn 52. I én utførelse tilføres den oksygenrike strøm til en første hjelpekompressor i et trinn 53, den første hjelpekompressor trykksetter den oksygenrike strøm i et trinn 54, og den trykksatte, oksygenrike strøm innsprøytes deretter i brennkammeret i et trinn 55. I noen utførelser innsprøytes den oksygenrike brenselstrøm i brennkammeret 5 nedstrøms av flammefronten (f.eks. en mellomsone eller fortynningssone i et brennkammer, så som et forblandet brennkammer som vist på fig. 5(b) hhv. 5(c), eller et diffusjonsbrennkammer), for å redusere mengden av forurensninger som utsendes av motoren 14. I andre utførelser blandes den oksygenrike brenselstrøm med forbrenningsluften fra kompressoren 15 som tilføres til den primære forbrenningssone i brennkammeret 5, som vist på fig. 5(d) (forblandet brennkammer) og fig. 5(e) (diffusjonsbrennkammer). Dette utvider brennkammerets driftsområde, hvilket tillater forbrenning å inntreffe ved et lavere ekvivalensforhold (dvs. magrere forbrenning), noe som kan senke avgivelsen av forurensninger, så som NOx. I ytterligere andre utførelser blandes den oksygenrike brenselstrøm ganske enkelt med luften fra kompressoren 15 og tilføres til alle soner i brennkammeret.

Den oksygenreduserte strøm fra luftseparasjonsenheten tilføres til en andre hjelpekompressor i et trinn 56, og den andre hjelpekompressor trykksetter den oksygenreduserte strøm i et trinn 57. Den resulterende komprimerte, oksygenreduserte strøm, sammen med en strøm av flytende brensel/flytendegjort gass fra en kilde for flytende brensel, tilføres deretter til fordampningsenheten for flytende brensel i et trinn 58. Fordampningsenheten for flytende brensel blander den tilførte strøm av flytende brensel/flytendegjort gass med den komprimerte, oksygenreduserte strøm ved en hevet temperatur for å fordampe det flytende brensel/den flytendegjorte gass i et trinn 59. I en utførelse av oppfinnelsen er den grad i hvilken den oksygenreduserte strøm og det flytende brensel/den flytendegjorte gass blandes, justerbar til spesifikke varmeverdi-og/eller masse- eller volumetriske strømningshastighetsspesifikasjoner, slik det er passende for forskjellige flytende brensler/flytendegjorte gasser. Det fordampede brensel/den oksygenreduserte strøm tilføres deretter til brennkammeret via for eksempel det eksisterende naturgassbrenselsystem for bruk i turbinen i et trinn 60.

Slik som omtalt foran, er noen utførelser av oppfinnelsen utformet for å produsere oksygenreduserte brenngasstrømmer fra flytende brensler som kan tilføres til eksisterende forbrermmgsinnretninger, så som gassturbinmotorer som er utformet for å forbrenne andre brensler, så som naturgass, uten modifikasjon av de eksisterende forbrenningsinnretninger. Dette oppnås ved å blande brenngassen med en inert, oksygenredusert strøm for å opprettholde brenngassens energiinnhold lik energiinnholdet i naturgass på enten massebasis eller volumetrisk basis, avhengig av den målemetode som benyttes av forbrenningsinnretningen. I de fleste eksisterende forbrenningsinnretninger kan brenngass/forbrenningsluft-forholdet kontrolleres slik at blandingen kan gjøres mer eller mindre mager. En ytterligere fordel med oppfinnelsen er at mange av de oksygen reduserte, fordampede høyere hydrokarbonbrensler kan brennes med et ekvivalensforhold som er lavere (magrere) enn ekvivalensforholdet for metan under tilsvarende betingelser (dvs. samme temperatur, samme tilførsel av forbrenningsluft (eller annen oksygeninne-holdende gass), etc). For eksempel er det minimale ekvivalensforhold for metan typisk ca. 0,5 i luft, mens mange høyere hydrokarbonbrensler kan forbrennes ved et ekvivalensforhold på omtrent 0,45 i luft. Benyttelsen av lavere ekvivalensforhold reduserer avgivelsen av forurensninger, så som NOx. Slik som omtalt ovenfor, kan det virkende ekvivalensforhold for forbrennmgsinnretningen være enda lavere i utførelser hvor driftsområdet er blitt utvidet ved tilføyelsen av en oksygenrik strøm fra en luftseparator til forbrermingsluftstrømmen.

I andre utførelser av oppfinnelsen frembringes en oksygenredusert brenngass med et høyere eller lavere energiinnhold enn energiinnholdet i naturgass. I slike utførelser, dersom det benyttes en forbrennmgsinnretning som er utformet for å kjøre på naturgass, kan det være nødvendig å modifisere forbrennmgsinnretningens brenselfordelings/måle-system på passende måte.

Eksempler på utførelser av oppfinnelsen er nå blitt beskrevet i overensstemmelse med de ovennevnte fordeler. Man vil innse at disse eksempler bare er illustrerende for oppfinnelsen. Mange variasjoner og modifikasjoner vil være åpenbare for fagfolk på området.

Claims

1. En fremgangsmåte for å operere en forbrermmgsinnretning (5) omfattende følgende trinn: å produsere en gassformig brennstoffstrøm (8) som er motstandsdyktig mot selvantennelse ved å blande et fordampet flytende brennstoff med en inert gasstrøm (42) som har et oksygeninnhold som er mindre enn omgivende luft, inert gasstrømmen (42) tilføres av en luftseparator (32), eller å fordampe et flytende brennstoff (6) ved hjelp av en inert gasstrøm (42) som har et oksygeninnhold som er mindre enn omgivende luft, idet inert gasstrømmen (42) tilføres av luftseparatoren (32); å forblande den gassformige brennstoffstrømmen (8) med en oksygenert gass (40a) for å produsere en gassblanding oppstrøms en forbrenningssone i forbrenningsinnretningen (5); å forbrenne gassblandingen i forbrenningssonen i forbrermmgsinnretningen (5), hvorved automatisk tenning av den gassformige brennstoffstrømmen (8) eller av gassblandingen oppstrøms fra forbrenningssonen blir vesentlige undertrykt; og å tilføre en oksygenanriket strøm (43) fra luftseparatoren (32) til forbrennmgsinnretningen (5) nedstrøms for forbrenningssonen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den inerte gasstrømmen (42) har et oksygeninnhold under en begrensende oksygenindeks som svarer til det flytende brennstoff (6) eller det fordampede flytende brennstoff.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, hvor det flytende brennstoff (6) eller det fordampede flytende brennstoff og den inerte gasstrømmen (42) blandes slik at dnt gassformige brennstoffstrømmen (8) har et energiinnhold tilnærmet lik den for naturgassen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor energiinnholdet i den gassformige brennstoffstrømmen (8) er tilnærmet lik energiinnholdet i naturgassen på en volumbasis, eller på massebasis.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor det flytende brennstoff (6) eller det fordampede flytende brennstoff er valgt fra gruppen bestående av; brennstoff gasser eller flytende brenngasser; diesel brennstoff; fyringsolje; butan; propan; pentan; bensin; og brennbar tvæske avfall.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1 til 5, hvor minst 50 vektprosent av hydrokarbonmolekylene i det flytende brennstoff (6) har minst to karbonatomer.

7. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav omfattende å mate den inerte gasstrømmen (42) til en brennstoff fordamper (4); å mate flytende brennstoff (6) til brennstoffordamperen; der fordamperenheten (4) fordamper det flytende brennstoff (3); og fordamperenheten (4) blander den inerte gasstrømmen (42) og det fordampede flytende brennstoff.

8. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor varmekapasiteten av den inerte gasstrømmen (42) tjener til å redusere flammetemperaturen og dermed redusere NOX-utslipp.

9. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor gassblandingen har en mengde oksygen som er tilstrekkelig til å understøtte forbrenning av denne.

10. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor gassblandingen er en mager blanding med et ekvivalensforhold mindre enn 1.

11. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav videre omfatter å komprimere den inerte gasstrømmen (42).

12. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor forbrermmgsinnretningen omfatter en kompressor (15), og hvor kompressoren (15) produserer en komprimert utløpsgass (40).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor den komprimerte utløpsgassen (40) mates til luftseparatoren (32).

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, hvor den komprimerte luften blir trukket ut fra et mellomliggende trinn av kompressoren og tilføres til luftseparatoren (32).

15. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor luftseparatoren (32) frembringer den inerte strømmen (42) ved hjelp av adsorpsjon.

16. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, videre omfattende å komprimere den oksygenanrikede strømmen.

17. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor et ekvivalensforhold i gassblandingen er mindre enn minimumsekvivalensforholdet ved hvilken metan kan forbrennes under ekvivalente arbeidsbetingelser.

18. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor forbrennmgsinnretningen er konfigurert til å forbrenne naturgass i en tynn, forblandet modus.

19. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor forbrennmgsinnretningen (5) innbefatter et brennstoffporsjoneringssystem konfigurert for naturgass.

20. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor forbrennmgsinnretningen (5) er, eller er del av, en gassturbinmotor (14).

21. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, hvor forbrennmgsinnretningen (5) produserer en forbrenningsutløpsstrøm som mates til en utgangsinnretning (16).

22. Fremgangsmåte ifølge krav 23, hvor utgangsinnretningen (18) omfatter en turbin.

23. En forbrermmgsinnretning konfigurert til å operere fremgangsmåten ifølge ett av de foregående krav, omfattende: en brennstoffordamper (4); midler for å tilveiebringe en strøm (6) av kondensert brennstoff (3) til brennstoffordamperen (4); en luftseparator (32) som er koblet til brennstoffordamperen (4) for å tilveiebringe en inert gasstrøm (42) som har et oksygeninnhold som er mindre enn den omgivende luft til brennstoffordamperen (4); og en forbrennmgsinnretning (5) som har en forbrenningssone og en forblandingssone oppstrøms for forbrenningssonen; hvor brennstoffordamperen (4) er konfigurert til å produsere en gassformig brennstoff strøm (8) som er motstandsdyktig mot selvantennelse ved å blande det fordampede flytende brennstoff med den inerte gasstrømmen (42), eller å fordampe en strøm (6) av flytende brennstoff (3) ved hjelp av den inerte gasstrømmen (42); og hvor innretningen er konfigurert slik at, i bruk: den gassholdige brennstoffstrømmen (8) mates til forblandingssonen i forbrenningsinnretningen (5) og forblandes med en oksygenert gass (40a) for å produsere en gassblanding oppstrøms forbrenningssonen i forbrenningsinnretningen (5); gassblandingen forbrennes i forbrenningssonen i forbrermmgsinnretningen (5), hvor automatisk tenning av den gassformige brennstoffstrømmen (8) eller av gassblandingen oppstrøms forbrenningssonen er vesentlige undertrykt; og en oksygenanriket strøm (43) tilføres fra luftseparatoren (32) til forbrenningsinnretningen (5) nedstrøms forbrenningssonen.