TWI577884B - 用以抽出廢氣之系統及方法 - Google Patents

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理查 杭汀頓
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艾克頌美孚上游研究公司
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Description

用以抽出廢氣之系統及方法
相關申請案之交互參照
本案請求於2010年8月6日申請，發明名稱SYSTEM AND METHOD FOR EXHAUST GAS EXTRACTION的美國臨時專利申請案第61/371,527號之權益，在此以引用的方式將其全文併入。
本揭示內容一般關於低排放發電系統。更特別的是，本揭示內容關於將來自氣體渦輪的廢氣再循環之系統與方法。
此段落意欲介紹此技術之多個不同形態，其可能與此技術的示範具體實施例有關。咸信此討論有助於提供促成此技術特定形態的較佳理解。因此，咸應理解此段落應該從此觀點閱讀，且不一定如先前技術揭示的內容。
習用氣體渦輪引擎經常具有透過轉軸以機械方式連於渦輪膨脹器的渦輪壓縮器。該渦輪壓縮器可用以壓縮該渦輪壓縮器所吸納之空氣流。壓縮空氣接著被通至燃燒器。在該燃燒器中，注射並點燃燃料以產生連續火焰。使來自該火焰之高壓廢氣流入該渦輪膨脹器，當該廢氣膨脹時其將產生機械能。該機械能，透過該轉軸轉移至該渦輪壓縮器，係用以供給空氣壓縮的動力。產生了超過用以壓縮吸納空氣之量的額外機械能，並用於其他用途，例如，發電。火焰溫度可超過該燃燒器罐的冶金極限，所以經常使用過量空氣以供冷卻。然而，這樣的安排可能產生較高量的污染物，如氮氧化物(NOxs)。
自該廢氣捕捉二氧化碳以供用於其他用途因為數個原因而可能會有問題。例如，習用氣體渦輪之廢氣中有低二氧化碳濃度且必須處理非常大量之氣體。該廢氣流壓力較低，例如，大約1050 kPa。該廢氣流可能在大約425℃至700℃之非常高的溫度。另外，該廢氣流可含有大量氧，可能干擾CO2抽出或應用。最後該廢氣可能由於冷卻而充滿水分，會提高該CO2抽出系統的再沸器工作量。
於燃燒器(例如，與氣體渦輪合併)內的燃料之燃燒可藉由監測離開該膨脹器之廢氣的溫度加以控制，因為溫度在用於現行儀器規劃之燃燒器中一般而言太高。滿載時，典型氣體渦輪調節被引進多個燃燒器之燃料量以達到所欲之燃燒氣體或廢氣溫度。
然而，當目的在於自廢氣捕獲二氧化碳(CO2)時控制被引進該燃燒器之氧化劑量可能是理想的。現代二氧化碳捕獲技術由於幾個原因使其變得昂貴。例如，廢氣中之二氧化碳的低壓及低濃度。然而，該二氧化碳濃度可藉著在實質化學計量條件下操作該燃燒程序而自約4%顯著提高至高於10%。另外，一部分廢氣可被再循環至該燃燒器作為稀釋劑以代替空氣冷卻燃燒之產物。使用再循環氣體作為冷卻劑之益處是被輸送至CO2捕捉設施之再循環氣體中的氧量可被控制於低水準。低氧水準使廣大範圍之溶劑均可用於二氧化碳之捕捉。
該等增量的廢氣可被捕捉以給其他系統利用，例如，直接由該氣體渦輪之排氣。然而，若氣體渦輪係由獨立來源供應氧化劑，可能更有效率的是於該氣體渦輪之渦輪壓縮器中壓縮該廢氣，並將該壓縮氣體再循環至該等燃燒器作為冷卻劑，接著在控制該再循環流量時捕捉高壓溢流(bleed flow)。多個研究都研究將一部分廢氣再循環至該燃燒器之概念。
例如，准予Earnest的美國專利第4,271,664號揭示利用廢氣再循環之渦輪引擎。該引擎具有藉由開迴路布雷登循環(Brayton cycle)運轉的主動力渦輪。流至該主動力渦輪的空氣供應源係由閉迴路蘭金循環(Rankine cycle)之渦輪獨立驅動的壓縮器供給，該蘭金循環自該布雷登渦輪之廢氣衍生出熱能。在部分負載運轉時將一部分廢氣再循環至該壓縮器入口。然而，該再循環廢氣係自最終通風口取出，而不需進一步壓縮。另外，並沒有揭示該再循環廢氣之其他用途。
Hagen等人所申請的美國專利申請案公告第2009/0064653號揭示部分負載之燃燒循環。該部分負載方法控制稀釋劑流體、燃料流體和氧化劑流體於熱力學循環中之遞送並使用稀釋劑以將部分負載運轉時之渦輪入口溫度和熱效率提高至高於布雷登循環、流霧布雷登循環，或利用一些蒸氣遞送或利用最大蒸氣遞送運轉之循環的渦輪入口溫度和熱效率。
Mittricker等人所申請的國際性專利申請案公告第WO/2010/044958號揭示用於控制燃燒產物之方法與系統。有一個具體實施例包括具有加氧流之燃燒控制系統，該加氧流實質包含氧和二氧化碳並具有一個氧對二氧化碳比，接著混合該加氧流與燃燒燃料流並於燃燒器中燃燒以產生具有分別由溫度感應器和氧分析器偵測到的溫度和組成之燃燒產物流。利用該等感應器之數據控制該加氧和燃燒燃料流的流量和組成。該系統也可包括呈反饋佈置之帶有膨脹器並具有一個負載的氣體渦輪及負載調節器。
Mittricker等人所申請的國際性專利申請案公告第WO/2009/120779號揭示用於低排放發電和烴回收之系統與方法。有一個系統包括帶有低排放發電之統合壓力維持和混溶氾流系統。替代系統利用熱氣體膨脹器和外部燃燒器提供低排放發電、碳隔離、提高油回收率(EOR)，或二氧化碳買賣。另一個替代系統利用氣體動力渦輪壓縮輸入壓縮器中之空氣並利用該膨脹器中之含二氧化碳氣體產生動力而提供低排放發電。
先前系統揭示在燃燒過程之前或期間將該稀釋劑加於該氧化劑。另外，習用氣體渦輪系統及以上揭示之系統可獲得來自該壓縮器上的洩放閥(bleed valve)之高壓流以用於其他用途，如加熱進入之空氣。此溢流通常可被限於該壓縮器之總流量的5至10%。若於該燃料之化學計量燃燒時使用的氧化劑為空氣，則需要非常大之抽出速率(總再循環氣體之約40%)。這些大抽出流量可能無法靠商業上可取得之氣體渦輪而不用昂貴改造。
此技術之示範具體實施例提供一種用於氣體渦輪之燃燒器之短管段。該短管段包括用以將氧化劑注射至該燃燒器中之火焰近端所安裝的氧化劑注射口，及用以自該燃燒器抽出再循環氣體所安裝的再循環氣體抽出口。在該短管段中於該氧化劑用於火焰中之前將該氧化劑與該再循環氣體隔離。
該短管段可包括用以將該氧化劑直接注入該火焰之注射噴管。該氧化劑包含氧及稀釋氣體之混合物。該短管段可包括用以被該再循環氣體之注射冷卻所安裝的經局部穿孔之燃燒襯裡。該短管段可包括用以於該氧化劑中建立螺旋流以增進與燃料之混合所安裝的旋流器。該短管段可經安裝以代替氣體渦輪引擎之燃燒器上的現行短管段。
另一個示範具體實施例提供一種用於操作氣體渦輪引擎之方法。該方法包括將氧化劑注入燃燒器之氧化劑注射口，其中該燃燒器係經安裝以將氧輸送至該燃燒器之火焰。該方法也包括將來自該氣體渦輪引擎之廢氣的一部分冷卻以形成冷卻廢氣，將該冷卻廢氣壓縮以形成再循環氣體，及使該再循環氣體在圍繞著該火焰設置之穿孔燃燒罐周圍流動以將該穿孔燃燒罐冷卻並形成熱再循環氣體，其中該氧化劑混合物及該再循環氣體不會在該火焰之前混合。 在該方法中透過該燃燒器上之再循環氣體抽出口移除該熱再循環氣體的一部分。
該方法也可包括在將該再循環氣體注入該燃燒器之前將該氣體渦輪之壓縮器段中的再循環氣體壓縮。另外，該方法可包括將該氣體渦輪外部之壓縮器中的氧化劑混合物壓縮。該再循環氣體可於直接接觸冷卻器中冷卻。該方法可包括在該氧化劑或燃料注入該燃燒器之前，將來自該熱再循環氣體之熱能轉移至該氧化劑或燃料或此二者。
該方法可包括控制該氧化劑、燃料或二者注射至所有燃燒器以調整廢氣組成。該氧化劑、燃料或此二者注射至多數燃燒器各者可個別被控制以調整廢氣組成。該方法可包括冷卻該熱再循環氣體以形成冷卻再循環氣體，及自該冷卻再循環氣體分離二氧化碳。
另一個示範具體實施例提供一種氣體渦輪系統。該氣體渦輪系統包括燃燒器，該燃燒器包含用以注射再循環氣體以將該燃燒器冷卻所安裝之再循環氣體口；用以將氧化劑注射至該燃燒器中之火焰近端所安裝的氧化劑注射口；及用於自該燃燒器抽出再循環氣體所安裝之再循環氣體抽出口，其中在該氧化劑用於火焰中之前將該再循環氣體與該氧化劑隔離。
該氣體渦輪系統也可包括壓縮器及渦輪膨脹器，其中將該壓縮器及渦輪膨脹器機械耦合使機械能自該渦輪膨脹器轉移至該壓縮器。該氣體渦輪系統可另包括二氧化碳移除系統。
該氣體渦輪系統可包括熱回收單元以自該氣體渦輪系統之廢氣獲得能量。該熱回收單元可包括熱回收蒸氣產生器。該氣體渦輪系統可包括藉由自該熱回收單元回收之能量驅動的渦輪。該氣體渦輪系統可包括用以利用自該燃燒器抽出之再循環氣體回收到的熱將氧化劑加熱所安裝之熱交換器。該氣體渦輪系統可包括用以利用自該燃燒器抽出之再循環氣體回收到的熱將燃料加熱所安裝之熱交換器。
在下列敘述段中，描述本技術之特定具體實施例。然而，只要下述說明是本技術之特定具體實施例或特定用途特有的，表示這只是為了達到示範之目的並單單提供示範具體實施例之描述。因此，該等技術並不限於下述之特定具體實施例，而是包括落於後附申請專利範圍之精神和範疇的真諦以內之所有替代例、修飾例及等效例。
開始時，為了易於參照而說明本案中使用之特定措辭及其用於上下文中時之意義。只要以下未界定文中使用之措辭，應該給予相關技術之士給予至少一個印刷刊物或公開專利所示之措辭的最廣義定義。另外，本技術並不受下示措辭之用法限制，因為所有等效例、同義字、新發展及合於相同或類似用途之措辭或技術均被視為在於本申請專利範圍的範疇以內。
“吸附劑”可用以萃取來自廢氣流之二氧化碳。該吸附劑可用於一組並聯床中，當床中的吸附劑已經達到容量時可把該床換掉。自該流移除之床可接著被處理，例如被加熱，以脫附二氧化碳。
本案中適用於二氧化碳吸附之吸附劑具有在相關溫度範圍及組成範圍中之適度大工作容量、對於二氧化碳優先於其他不欲構成成分(如N2和O2)之良好選擇性、良好動力學、高耐用性、良好相容性及適度低成本。有數種固相吸附劑為用於二氧化碳捕捉之可能候選物。例如，分子篩為下述材料，其原子係佈置於晶格或骨架中以致於存在大量互連之均勻尺寸細孔。該等細孔一般僅容許尺寸大約等於或小於該等細孔之分子。分子篩因此可用以依據相對該等細孔之分子尺寸吸附及分離或篩選分子。有一類分子篩為沸石。沸石為鋁之水合矽酸鹽且經常含有可交換之陽離子。沸石可為天然或人造。天然型包括菱沸石、斜發沸石、毛沸石、片沸石及絲光沸石，這裡舉的只是一些例子。包括，例如，A型、D型、L型、R型、S型、T型、X型、Y型、ZSM型、絲光沸石或斜發沸石之人造沸石也可使用。另外，溶劑吸附系統，如化學吸附，也可使用。這些吸附系統可建基於胺類、碳酸酯或無論多少種其他使用化學吸附方法之材料。
“物理吸收”意指藉由使該供料流於相對高壓(例如，約2.07至13.8 MPa)通入優先吸附該供料流之產物的液體而吸收氣態供料流之產物(如二氧化碳)。自該液體移除被吸收之產物耗乏的供料流。該產物可接著自該液體被回收，如藉由降低加於該液體上之壓力或藉由自該液體滌除該產物。不像其他建基於溶劑之方法(如建基於胺類或碳酸酯類者)，二氧化碳吸收至該液體內並不涉及二氧化碳之化學反應。物理吸附法之實例為可自HONEYWELL有限公司的UOP LLC子公司取得之SELEXOLTM方法。
“碳隔離設備”為可將二氧化碳管制及隔離於貯藏室中之設備，像是，例如，藉由引進老或舊油和氣體儲層、不可採掘之煤層、深部含鹽層、玄武岩層、板岩層或挖好之隧道或洞穴。另外，隔離可結合其他被隔離氣體之用途，如提高自現行儲層進行三次油回收時之烴生產量。
“複合循環電廠”一般為開式布雷登循環和蘭金循環之組合。複合循環電廠同時使用蒸氣和氣體渦輪以發電，但是除水和蒸氣之外，其他工作流體也可用於該蘭金循環。該等複合循環氣體/蒸氣電廠一般具有比僅氣體或蒸氣電廠高之能量轉化率。複合循環電廠之效率至高可為低熱值(LHV)的50%至60%。較高之複合循環效率源於氣體渦輪與蒸氣渦輪組合之協同利用率。複合循環電廠典型利用該氣體渦輪廢氣之熱以使水沸騰產生蒸氣。典型複合循環電廠中之煮器可被稱作熱回收蒸氣產生器(HRSG)。利用產生之蒸氣以給予該複合循環電廠中之蒸氣渦輪動力。該氣體渦輪和蒸氣渦輪可用以單獨給予獨立產生器動力，或於替代例中，該蒸氣渦輪可與該氣體渦輪合併以經由共驅動軸連帶驅動單一產生器。
稀釋劑為用以降低被供至氣體渦輪以使燃料燃燒之氧化劑濃度的氣體。該稀釋劑可為過量之氮、二氧化碳、燃燒廢氣或任何其他氣體。在多個具體實施例中，稀釋劑也可提供冷卻作用給燃燒器。
用於本文時，“壓縮器”包括任何類型被設計成提高流體或工作流體之壓力的裝置，並包括任一類型或類似或不同類型之組合的壓縮裝置。壓縮器也可包括與該壓縮器相關之輔助裝置(如馬達)及驅動系統等。該壓縮器可利用一或多個壓縮段，例如，串聯地。例示性壓縮器可包括，但不限於，正排量型(像是，例如，往復式和旋轉式壓縮器)及動態型(像是，例如，離心及軸流式壓縮器)。例如，壓縮器可為以下更詳細討論之氣體渦輪引擎的第一階段。
“控制系統”典型包含一或多個運用邏輯迴路之實體系統組件，該等邏輯迴路合力達成一組共同過程結果。在運轉氣體渦輪引擎時，將可達成特定廢氣組成和溫度之目的。該控制系統可被設計成在外部干擾、基於製造公差之物理分量變化及關於被控制輸出值之輸入設定值變化存在下可靠地控制實體系統組件。控制系統通常具有至少一個測量裝置，該測量裝置提供製程變數之讀值，該讀值可被饋於控制器，該控制器可接著提供控制信號給致動器，該致動器接著驅動作用在，例如，氧化劑流，上之最終控制元件。該控制系統可被設計成於特定運轉條件範圍內保持穩定並避免振動。設計完好之控制系統會顯著降低人力介入之需求，即使在運轉過程之傾覆狀態時亦同。
“當量比”表示進入燃燒器之燃料對氧的質量比除以當該比率為化學計量時之燃料對氧的質量比。燃料對氧之完美燃燒形成二氧化碳和水可能具有當量比1。太貧乏之混合物(例如，氧比燃料多)將提供小於1之當量比，而太富足之混合物(例如，燃料比氧多)將提供大於1之當量比。
“燃料”包括任何數量可與氧化劑一起燃燒以給予氣體渦輪動力之烴類。這樣之烴類可包括天然氣、處理過之天然氣、煤油、汽油或任何數量其他天然或合成烴類。在一個具體實施例中，將來自油田之天然氣純化並用以給予該渦輪動力。在另一個具體實施例中，可使用重組氣，例如，藉由於蒸氣重組過程處理烴產生，給予該渦輪動力。
“氣體渦輪”引擎靠布雷登循環運轉。若使廢氣排到大氣中，則將此稱作開式布雷登循環，而使廢氣再循環將得到閉式布雷登循環。用於本文時，氣體渦輪典型包括壓縮器段、多個燃燒器及渦輪膨脹器段。該壓縮器可用以壓縮氧化劑，使該氧化劑與燃料混合並引至該等燃燒器。該燃料和氧化劑之混合物接著被點燃以產生熱燃燒氣體。將該等燃燒氣體引至該渦輪膨脹器段，該渦輪膨脹器段自該等燃燒氣體擷取能量以供給予該壓縮器動力，以及產生有用之功以給予負載物動力。在文中討論之具體實施例中，該氧化劑可藉由外部壓縮器供給該等燃燒器，該外部壓縮器可能有或沒有以機械方式連於該氣體渦輪引擎轉軸。另外，在多個具體實施例中，該壓縮器段可用以壓縮稀釋劑(如再循環廢氣)，該稀釋劑可被供於該等燃燒器作為冷卻劑。
“熱回收蒸氣產生器”或HRSG為自熱氣流回收熱之熱交換器或煮器。其製造可用於製程中或可用以驅動蒸氣渦輪之蒸氣。HRSG之常見應用為複合循環發電廠，其中將氣體渦輪之熱廢氣供至該HRSG以產生蒸氣，該蒸氣接著驅動蒸氣渦輪。此組合比單獨氣體渦輪或蒸氣渦輪均能更有效率製造電力。
“烴”為一種有機化合物，其主要包括元素氫和碳，但是氮、硫、氧、金屬或無論多少種其他元素均可以小量存在。用於本文時，烴類一般表示粗天然氣中發現之組分，如CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3異構物、C4異構物及苯等。
“氧化劑”為可流入氣體渦輪引擎之燃燒器以使燃料燃燒之氣體混合物。用於本文時，該氧化劑可為氧混合無論多少種作為稀釋劑之其他氣體(包括二氧化碳(CO2)、N2、空氣及燃燒廢氣等)。除了氧以外其他能產生氧化劑功能之氣體均可存於該氧化劑混合物，包括臭氧、過氧化氫及NOxs等。
“感應器”表示可偵測，測定，監測，記錄或感測物理量之絕對值或變化之任何裝置。文中所述之感應器可用以測量多個物理量，包括溫度、壓力、O2濃度、CO濃度、流速、聲波數據、振動數據、化學濃度、閥位置或任何其他物理數據。文中所述之感應器一般於即時運作，例如，完成不到15秒、10秒、5秒、1秒或更短之測量循環。
“壓力”為於該容積之壁上該氣體對於每單位面積施加之作用力。壓力可按每平方吋磅(psi)顯示。“大氣壓”表示空氣之局部壓力。“絕對壓力”(psia)表示大氣壓(於標準條件為14.7 psia)加表壓(psig)之總和。“表壓”(psig)表示計量錶測到之壓力，其僅表示超過局部大氣壓之壓力(即，0 psig之表壓相當於14.7 psia之絕對壓力)。該措辭“蒸氣壓”具有平常之熱力學意義。關於密閉系統於特定壓力之純分量，該蒸氣壓分量基本上等於該系統中之總壓力。
當引用材料之數量或量或其專指特徵時，“實質”表示足以提供該材料或特徵所欲提供之效果的量。允許之偏差精確度在一些案例中可取決於特定之上下文。
概觀
本發明之具體實施例提供用於自氣體渦輪引擎上之燃燒器獲取再循環氣體的系統和方法。該系統包括具有氧化劑噴射口及再循環氣體抽出口之短管段。以上該等口並未取代自該氣體渦輪引擎之壓縮器段出口至該燃燒器的連結。因此，此連結可用以將經壓縮之再循環氣體供至該燃燒器作為冷卻劑。在多個具體實施例中，經壓縮之再循環氣體的一部分(例如，約60%)可被併入燃燒時產生之廢氣中，而另一部分(例如，約40%)可自該再循環氣體抽出口獲得。該短管段可被設計成防止該經壓縮之再循環氣體與該氧化劑混合，例如，直接將該氧化劑注入火焰，其可防止該廢氣被該氧化劑之氧所污染並將控制燃燒時之氧對燃料的當量比簡化。另外，該短管段可被設計成替換零件，該替換零件可被加於標準氣體渦輪引擎套管上之燃燒器凸緣，其能改良該系統而不需實質之再設計。
在多個具體實施例中，該短管段可與用於控制燃燒之化學計量的方法結合。該控制可至少部分以感應器(例如，位於廢氣膨脹器上之環中)之測量為基礎。該等感應器可包括氧分析器、一氧化碳分析器及溫度感應器等。另外，不同類型之感應器的組合均可用以提供其他資訊。
經個別控制之燃燒器的應用可提高氣體渦輪引擎燃燒效率，例如，使燃燒更接近一比一之當量比。這樣之效率改善可減少廢氣中之O2和沒燃燒之烴類，使得自該廢氣捕捉二氧化碳更有效率。這可改善自用於增進油回收以及用於隔離之渦輪捕捉二氧化碳。
圖1為包括氣體渦輪102之氣體渦輪系統100的概圖。該氣體渦輪102可具有在單一轉軸108上之壓縮器104和渦輪膨脹器106。該氣體渦輪102並不限於單一轉軸設置，也可使用多轉軸，轉軸之間一般有機械聯動件或傳動件。在多個具體實施例中，該氣體渦輪102也具有多個將熱廢氣供至該膨脹器之燃燒器110，例如，透過與各自燃燒器110聯結之廢氣管道112。例如，氣體渦輪102可具有2個、4個、6個、14個、18個或又更多個燃燒器110，其取決於該氣體渦輪102之尺寸。
該等燃燒器110係用以燃燒由燃料源114所提供之燃料。氧化劑116可自多個不同來源供給各自燃燒器110。例如，在多個具體實施例中，外部氧化劑來源可將該氧化劑116供給外部壓縮器118，該外部壓縮器118可壓縮該氧化劑116以用於該等燃燒器110。在多個具體實施例中，再循環廢氣120可於該壓縮器104中被壓縮並接著穿過管道122供給該等燃燒器110作為冷卻劑。
來自該等燃燒器110之廢氣於該渦輪膨脹器106中膨脹，產生機械能，該機械能可用以於產生器124中產生電力。一部分機械能可透過該轉軸108給予該壓縮器104動力。另外，該機械能之一部分可給予用於該氧化劑116之外部壓縮器118動力。膨脹之廢氣126可被提供給外部熱回收單元，如熱回收蒸氣產生器(HRSG)128。該熱回收單元不限於HRSG 128，以致於任何數目之其他單元均可被使用。例如，熱交換器可用以提供熱給用於工廠之通用供料或有機蘭金循環(ORC)產生器可用以產生電力。
在該HRSG 128中，將來自冷凝器槽130之水再循環回去並使其沸騰以形成蒸氣，該蒸氣可能被過度加熱。該蒸氣可被當作為通用供料132供至工廠或可被遞送至蒸氣渦輪134，例如，以給予另一個產生器136動力以產生電力。兩種功能可同時進行，如於與工廠或精煉廠聯合之共產生設備中。減壓蒸氣138可被遞送至其他用於將剩餘蒸氣冷卻及冷凝之熱交換器140的冷卻塔。該熱交換器140可為另一個熱回收系統(如有機蘭金循環(ORC)產生器)之一部分，或自鹽水回收新鮮水之閃蒸器。該冷卻水蒸氣142可被送返該儲水容器130以重新開始該蘭金循環。
等離開該HRSG 128之後，該廢氣流144可於壓縮器146中再壓縮。該廢氣流144可具有實質量之熱能，例如，來自初始燃燒及來自壓縮過程，該廢氣流144係於大約125℃至260℃。因此，該壓縮廢氣流146可於，例如，直接接觸冷卻器148中被冷卻以形成再循環廢氣120。此技術不限於直接接觸冷卻器148，以致於任何數目之熱交換器均可用以將該壓縮廢氣146冷卻。該直接接觸冷卻器148一般可為逆流流動裝置，其中將進水流150引進該直接接觸冷卻器148之頂部並將壓縮廢氣流146引進該直接接觸冷卻器148之底部。當水落下穿過該廢氣流時，將該廢氣流冷卻並充滿水分。等冷卻之後使該壓縮廢氣流146離開該直接接觸冷卻器作為該再循環廢氣120。在多個具體實施例中，冷凍器可被置於此管道中以在引進該燃燒器104之前移除一部分水。剩餘之水呈熱水流152排出該直接接觸冷卻器148，該熱水流152可被冷卻並再循環作為該進水流150。
在多個具體實施例中，該氧化劑可個別計量至各自燃燒器110以控制該燃燒器110中的當量比。熟於此藝之士顯而易見化學計量燃燒(例如，於當量比1)可能比非化學計量燃燒熱。例如，甲烷於空氣中之化學計量燃燒的絕熱火焰溫度為約1960℃及甲烷於氧中之化學計量燃燒為約2800℃。因此，冷卻可減少損及該裝置之機會。因此，在多個具體實施例中，該再循環廢氣120可穿過管道122引進該等燃燒器110以冷卻該等燃燒器110，如參考圖2和圖3討論的。再循環廢氣120之使用提供另一個優點，其中該廢氣缺乏氧，使其成為用於增進油回收之二氧化碳回收的較佳材料。另外，個別調節流至各自燃燒器110之氧化劑可改善該氣體渦輪102之總體效率，進一步提高該廢氣進而該再循環氣體之二氧化碳含量。
該再循環氣體之一部分穿過該廢氣管道112離開該燃燒器110。例如，約40%、60%、80%或更多再循環氣體可與該廢氣穿過該廢氣管道112放出。剩餘之再循環氣體(例如，沒有離開該燃燒器110之廢氣管道112者)可自該燃燒器110穿過連於再循環回收管道154之口獲得。例如，約60%、40%、20%或更少再循環氣體可穿過該再循環回收管道154獲得。該再循環回收管道154中之再循環氣體具有來自該燃燒器110之實質熱量，例如，該再循環氣體係於約400℃、525℃、650℃或又更高之溫度。該再循環氣體可於熱交換器156中冷卻或可於加熱流至該燃燒器110之氧化劑116或燃料114供料時被冷卻。該熱交換器156可為熱回收單元(如HRSG)之一部分。例如，該熱交換器156可包括於該HRSG 128中之數個管。該熱交換器156也可與熱交換器172合併以與氮流170交換熱。冷卻之後，該再循環氣體可被供至二氧化碳(CO2)移除系統158。在多個具體實施例中，該CO2移除系統158可包括觸媒轉化器以將任何NOxs轉化成N2和O2或重組器以將任何過量CO轉化成CO2，或兼備二者。該CO2移除系統158可包括任何數目之被安裝成自氣流分離CO2的系統，包括上述固體或液體實體吸附過程、膜分離技術、低溫分離過程、溶劑分離過程或任何其他適合之系統。該CO2移除系統158製造兩個排出流，CO2流160及氮流162。
在多個具體實施例中，該CO2流160可用於增進油回收，例如，該CO2流160被注入儲槽中以提高烴類之回收率。在多個具體實施例中，該CO2流160之一部分或全部可被儲存以供碳隔離，例如，藉由注入長期處置層。
該氮流162可用於多個不同應用中。例如，第一氮流164可於壓縮器166中被壓縮以形成高壓氮流168，例如，該高壓氮流168具有約500至20,000 kPa之壓力。該高壓氮流168可用於，例如，多個單元如儲存容器或儲油槽之壓力保持。第二氮流170可於熱交換器172中加熱，並接著於膨脹器174中減壓以形成低壓氮流176。該低壓氮流176可用以提供其他應用之氮排出流(如將尾氣處理系統(flare system)中之可燃性氣體攜至燃燒塔的吹洗氣(sweep gas)、用於控制濕度用途之冷卻劑)，或其可被排至大氣中。氮之其他可能的用途是其可被冷卻並接著膨脹以提供可於過程中使用之冷卻劑流，例如，以將該再循環氣體壓縮器之吸氣冷卻，其將使該壓縮器及，因此，整個過程更有效率。
該氣體渦輪系統100被簡化應當理解為有助於說明此技術之多個不同具體實施例。因此，在此技術之多個具體實施例中所示的多個不同功能塊，包括例如燃料系統114、氧化劑系統116和118、HRSG 128及CO2移除系統158等，可包括多個沒顯示之裝置。此類裝置可包括流量表(如孔口流量表)、質量流量表、超音波流量表及文氏管流量表等。其他裝置可包括閥，如開關管道之活塞馬達閥(PMV)及馬達閥(如膜板馬達瓣(DMV)及球閥等)以調整流速。另外，在所示之功能塊表示的系統之具體實施例中可利用壓縮器、儲槽、熱交換器及感應器。
燃燒器之短管段
圖2為燃燒器110(圖1)之短管段200的截面圖，該短管段200具有獨立氧化劑注射口202、再循環氣體抽出口204及燃料噴射口206。該短管段200也可含有隔板208以防止穿過該氧化劑注射口202注入之氧化劑210與再循環氣體212(例如，穿過原有短管段214之口注入)的直接混合。該短管段200可被設計成替代沒有氧化劑注射口202、再循環氣體抽出口204或隔板208之普通短管段(未顯示)。該短管段200可於裝凸緣於螺栓代替現在之短管段，或可能沒有凸緣以促進適當熔接。技術之選擇可取決於該燃燒器110的尺寸。例如，較大之燃燒器110可藉由將新短管段熔接於適當位置加以改造。
如圖2所示，穿孔燃燒罐216或經局部穿孔之燃燒襯裡可作為該短管段200之襯裡。燃料218可被注入該穿孔燃燒罐216。穿過該氧化劑注射口202注入之氧化劑210能流過該等穿孔220，供至火焰222。該再循環氣體212可於該穿孔燃燒罐216周圍流動，冷卻該罐。該隔板208防止在將該 氧化劑210引進該火焰222之前直接混合該再循環氣體212與該氧化劑210。該隔板208可防止該廢氣被氧化劑供料之氧污染，這有可能增進CO2之單離。另外，藉由防止該氧化劑210與該再循環氣體212混合，該隔板208可使燃燒之化學計量獲得較佳控制。
一些，例如，約40%、60%、80%或更多再循環氣體212可通過該等穿孔220，與該火焰222之高壓廢氣224混合並將該高壓廢氣224稀釋及冷卻。該再循環氣體212之剩餘部分可穿過該再循環氣體抽出口204排出該短管段200。圖2所示之短管段200為一個具體實施例，但是此技術不限於此佈置。例如，在其他具體實施例中，該頂部凸緣226可被機械加工以提供噴管將頭端冷卻，並防止火焰222影響該穿孔燃燒罐216並有可能造成損及該穿孔燃燒罐216。參考圖3討論更複雜具體實施例之一實例。
圖3為用於燃燒器110(圖1)之另一個短管段300之截面圖，該短管段300具有獨立氧化劑注射口302、再循環氣體抽出口304及燃料噴射口306。在此具體實施例中，利用注射噴管307藉由將氧化劑/燃料混合物310直接注入該火焰308以創造控制更好之火焰308。如圖2所示之具體實施例，穿過該氧化劑注射口302注射氧化劑312。在此案例中，該氧化劑312穿過噴嘴區314流至旋流器316。該旋流器316將螺旋流318賦予該氧化劑312，該螺旋流318可增進與穿過該燃料噴射口306噴射之燃料320混合。隔板322防止該氧化劑318與被注入該燃燒器110之再循環氣體流324混合。至於圖2所示之具體實施例，該再循環氣體324沿著穿孔燃燒罐326外側流動以提供冷卻作用。該穿孔燃燒罐326可由該噴射噴管307懸吊並可被該燃燒器110中之其他結構支撐。該再循環氣體324之一部分328(例如，約40%、60%、80%或更多)可穿過該等穿孔330進入該穿孔燃燒罐326以將該火焰308之廢氣332進一步冷卻及稀釋。該再循環氣體324之剩餘部分流過該穿孔燃燒罐326外側，吸收熱能。當該再循環氣體324流過該隔板322時，該再循環氣體324與該氧化劑312之間發生熱交換334，在注入該火焰308之前將該氧化劑312加熱。這可能增進燃燒過程之效率。
等通過該隔板322之後，自該再循環氣體抽出口304抽出該熱再循環氣體324。該再循環氣體324可接著在下游用於其他過程，如參考圖1所述。該短管段200及300不限於圖2及圖3所示之設計，以致於任何設計均可使用，該設計可分離噴射氧化劑及移除再循環氣體，同時在該氧化劑用於燃燒過程之前防止該氧化劑及再循環氣體之混合。另外，燃燒器110可經設計以將上述特徵整合於單一罐中。除參考圖1討論之HRU以外，藉由該再循環氣體抽出之熱能可用於任何數目之其他能量回收方法，例如，如參考圖4、5及6討論的。
再循環氣體之能量回收
圖4為熱回收系統400之概圖，該熱回收系統400利用來自再循環氣體402之熱將熱交換器406中之氧化劑404加熱。如示，該熱回收系統400具有被注入燃燒器110上之短管段410的燃料408。該短管段410可被安裝成圖2或3所示，或類似功能性可直接被加於該燃燒器110。該燃料408及該氧化劑404將火焰供於該燃燒器110。該再循環氣體402係用於將該燃燒器110冷卻及用於將該火焰之廢氣冷卻及稀釋。
等離開該短管段410之後，該熱再循環氣體402係穿過該熱交換器406供入，該熱交換器406可為，例如，殼-管熱交換器、板熱交換器、板鰭式熱交換器及螺旋熱交換器等。冷氧化劑410流過該熱交換器406並藉由該再循環氣體402加熱。該熱氧化劑404可接著被注入該燃燒器110。所得之冷卻再循環氣體412仍舊可保持實質量之熱並可在被供至該CO2移除系統158(圖1)之前遞送至其他過程以供進一步熱移除，如熱回收單元。該冷卻再循環氣體412之另一個用途在於將該燃料408加熱，如圖5所示。
圖5為熱回收系統500之概圖，該熱回收系統500利用來自再循環氣體402之熱將第一熱交換器406中之氧化劑404及第二熱交換器502中之燃料408加熱。類似參考圖4討論的編號單元。在此具體實施例中，等該再循環氣體402用以將該第一熱交換器406之氧化劑404加熱之後，於第二熱交換器502獲得另外之能量。在該第二熱交換器502中，在該燃料408被注入該燃燒器110(圖1)之短管段410之前將冷燃料流504加熱。該冷卻再循環氣體506仍舊可含有實質量之熱能，該熱能可於冷凍器156或HRU中被移除。該冷卻再循環氣體506可接著被處理以移除CO2，如參考圖1討論的。在特定情況中，其對於加熱該燃料408可能有益處，但是對於加熱該氧化劑404可能不那麼重要，如參考圖6討論的。
圖6為熱回收系統600之概圖，該熱回收系統600利用來自再循環氣體402之熱將熱交換器602中之燃料408加熱。如圖6所示，使該熱再循環氣體402通過熱交換器602以藉由將能量轉移給冷燃料606形成冷卻再循環氣體604。該加熱燃料408可接著被注入燃燒器110(圖1)之短管段410。
圖7為用於運轉文中所述之氣體渦輪的方法700之方塊圖。在此技術中自燃燒器抽出熱再循環氣體，同時防止該再循環氣體與氧化劑在該氧化劑引進火焰之前混合。該方法700於方塊702開始，將氧化劑注入燃燒器上之氧化劑噴射口。該氧化劑係與其他材料分離或正好在注入火焰之前與燃料混合。於方塊704，將該燃料與該氧化劑噴射實質上同時注入該燃燒器上之燃料噴射口。於方塊706，將再循環氣體注入該燃燒器上之第三個口。
於方塊708，燃燒該燃料及氧化劑，例如，於文中所述之燃燒罐中。在該燃燒罐周圍之再循環氧流可提供冷卻作用給該燃燒罐。穿過穿孔使該再循環氣體之一部分進入該燃燒罐，將該熱廢氣冷卻及稀釋。
於方塊710，使來自該火焰之熱廢氣於渦輪膨脹器中膨脹，產生機械能以使轉軸轉動。該機械能可用以給予壓縮器(如進口壓縮器(inlet compressor)等)動力或給予發電器動力。於方塊712，熱可自該廢氣被移除，例如，於熱回收單元(如熱回收蒸氣產生器(HRSG))或在加熱該氧化劑或燃料時。經過任何熱回收之後，於方塊714，該廢氣可被冷卻及壓縮(例如，於該渦輪之壓縮器段中)以用作為該再循環氣體。
於方塊716，穿過該燃燒器上之再循環氣體抽出口移除該再循環氣體之剩餘部分。於方塊718，自該熱再循環氣體擷取熱，例如，藉由冷凍器、熱交換器或於熱回收單元中。於方塊720，CO2可自該再循環氣體抽出以用於多種不同用途，包括增進油回收或碳隔離。該CO2之用途不限於這些用途，以致於該CO2可被壓縮並作為產品販售或可用於化學反應中以將烴類重組。等抽出該CO2之後，剩餘氣體實質為氮。該氮可被壓縮以用於容器或儲油槽之壓力保持，或可被膨脹以用作為排出氣體，例如，以將尾氣處理系統(flare system)中之可燃性氣體運送至燃燒塔燃燒。另外，該CO2可被販售以用於其他用途。為了增進該再循環氣體中之CO2量，並將該廢氣之O2及CO濃度最小化，燃燒之化學計量可依以下討論的方式控制。
燃燒參數之控制
在本技術之具體實施例中，文中所述之短管段可與用於控制燃燒過程之化學計量的技術聯合用以增進自再循環氣體回收之CO2量。於燃燒器110中之燃燒過程可以整組及個別控制。該控制可能有助於均衡燃料和氧之當量比，其可減少未燃燒或經部分燃燒之烴(由廢氣流中之CO濃度表示)，並將該廢氣流中沒耗掉之氧最少化。另外參考圖8討論該當量比。
圖8A和8B為模擬之繪圖，其顯示當量比(Φ)分別自0.75變化至1.25及自0.999變化至1.001時氧和一氧化碳的濃度之間的關係。線810顯示呈當量比函數之氧濃度，及線820顯示呈當量比函數之一氧化碳濃度。該當量比(Φ)等於(莫耳%燃料/莫耳%氧)實際/(莫耳%燃料/莫耳%氧)化學計量。該莫耳%燃料等於F燃料/(F氧+F燃料)，其中F燃料等於燃料之莫耳流量比及F氧等於氧之莫耳流量比。
該莫耳%氧等於F氧/(F氧+F燃料)，其中F氧等於氧之莫耳流量比及F燃料等於燃料之莫耳流量比。氧之莫耳流量比取決於該氧化劑混合物中之氧對稀釋劑的比例，並可計算成F氧/(F氧+F稀釋劑)。用於本文時，該氧化劑之流速可表示成F氧=(F氧+F稀釋劑)。
當該當量比(Φ)來到低於1或高於1時，廢氣中之氧和二氧化碳的莫耳分率或濃度將會改變。例如，當該當量比(Φ)來到低於1時，氧之莫耳分率將從當量比(Φ)為約1之約1 ppm(即，約1.0x10-6之氧莫耳分率)迅速提高至當量比(Φ)為約0.999之約100 ppm(即，約1.0x10-4之氧莫耳分率)。類似地，當該當量比(Φ)來到高於1時，一氧化碳之濃度將從當量比(Φ)為約0.9995之約1 ppm(即，約1.0x10-6之一氧化碳莫耳分率)迅速提高至當量比(Φ)為約1.001之高於約100 ppm(即，約1.0x10-4之一氧化碳莫耳分率)。
至少部分依據感應器獲得之數據，該等感應器可被置於該渦輪膨脹器106(圖1)之後的膨脹器廢氣段上或被置於自各自燃燒器110至該渦輪膨脹器106之廢氣管道112上，其中流至各自燃燒器110之氧化劑116的量及/或燃料114的量可被調節以製造具有所欲組成之廢氣。例如，監測該廢氣中之氧及/或一氧化碳濃度時，被引進各自燃燒器110之氧化劑116和燃料114的量之個別調節能被控制使得該燃料之燃燒能於該燃燒器110中於預定範圍之當量比(Φ)內進行。這可用以製造具有下述氧和一氧化碳之合併濃度的廢氣：低於約3莫耳%，低於約2.5莫耳%，低於約2莫耳%，低於約1.5莫耳%，低於約1莫耳%，或低於約0.5莫耳%。再者，該廢氣可能具有低於約4,000 ppm、低於約2,000 ppm、低於約1,000 ppm、低於約500 ppm、低於約250 ppm或低於約100 ppm之合併的氧和一氧化碳。
各自燃燒器110中之所欲或預定範圍的當量比(Φ)可被計算或輸入以進行該燃料114之燃燒以製造含所欲量的氧及/或一氧化碳之混合廢氣。例如，各自燃燒器110中之當量比(Φ)可被保持於約0.85至約1.15的預定範圍以製造具有氧和一氧化碳之合併濃度介於約0.5莫耳%、約0.8莫耳%、約1莫耳%的低值至約1.5莫耳%、約1.8莫耳%、約2莫耳%或約2.2莫耳%的高值之廢氣。在另一個實例中，各自燃燒器110中之當量比(Φ)可被保持於約0.85至約1.15的範圍以製造具有氧和一氧化碳之合併濃度低於約2莫耳%、低於約1.9莫耳%、低於約1.7莫耳%、低於約1.4莫耳%、低於約1.2莫耳%或低於約1莫耳%之廢氣。在又另一個實例中，各自燃燒器110中之當量比(Φ)可被保持於約0.96至約1.04的範圍以製造具有氧和一氧化碳之合併濃度低於約4,000 ppm、低於約3,000 ppm、低於約2,000 ppm、低於約1,000 ppm、低於約500 ppm、低於約250 ppm或低於約100 ppm之廢氣。
顯著的是該等燃燒器110不一定有相同之調定點，或甚至於相同範圍內。在本技術之具體實施例中，各自燃燒器110可使用不同或偏置調定點以考量構造、性能或運轉之差異。這可避免不同燃燒器110之不同運轉特徵造成廢氣被不可接受程度的氧或一氧化碳污染之情況。
因此，在本技術之具體實施例中，可使用兩種用於運轉該氣體渦輪102之方法。在第一個方法中，整組燃燒器110當作單一實體運轉，例如，在開始時及回應全面調定點調節，如速度或功率變化。在第二個方法中，個別燃燒器110可單獨偏置，例如，以補償磨損及製造等之差異。
用於運轉整組燃燒器110之一方法可包括最初(即開始時)於大於1的當量比引進該燃料114和該氧化劑116之氧。例如，開始時該當量比(Φ)可介於約1.0001、約1.0005、約1.001、約1.05或約1.1之低值至約1.1、約1.2、約1.3、約1.4或約1.5之高值。在另一個實例中，該當量比(Φ)可介於約1.0001至約1.1、約1.0005至約1.01、約1.0007至約1.005或約1.01至約1.1。為了全面調節，該廢氣中之氧及/或一氧化碳的濃度可經由廢氣感應器測定或估量。該廢氣中之膨脹廢氣最初可具有高濃度的一氧化碳(例如，高於約1,000 ppm或高於約10,000 ppm)及低濃度的氧(例如，低於約10 ppm或低於約1 ppm)。
用於運轉整組燃燒器110之另一個方法可包括最初(即，開始時)於小於1之當量比引進該燃料114和該氧化劑116之氧。例如，開始時該當量比(Φ)可介於約0.5、約0.6、約0.7、約0.8或約0.9之低值至約0.95、約0.98、約0.99、約0.999之高值。在另一個實例中，該當量比(Φ)可介於約0.9至約0.999、約0.95至約0.99、約0.96至約0.99或約0.97至約0.99。該廢氣最初可具有高濃度之氧(例如，高於約1,000 ppm或高於約10,000 ppm)及低濃度之一氧化碳(例如，低於約10 ppm或甚至低於約1 ppm)。
例如，當該廢氣中之氧濃度從低於約1 ppm提高至高於約100 ppm、約1,000 ppm、約1莫耳%、約2莫耳%、約3莫耳%或約4莫耳%時，運算器、控制系統或二者均可改變以達到低於1之當量比(Φ)。在一或多個具體實施例中，經由氧化劑116之氧及燃料114的量可保持固定或實質固定以提供具有稍低於1(例如，約0.99)之當量比(Φ)的燃燒過程。經由氧化劑116之氧的量可被減降及/或及燃料114的量可被提高並接著保持於固定或實質固定量以提供具有當量比(Φ)落在預定範圍內之燃燒過程。例如，當該廢氣中之氧濃度自低於約1 ppm提高至約1,000 ppm、約0.5莫耳%、約2莫耳%或約4莫耳%時，相對於最初偵測到該廢氣中之氧增加時，經由該氧化劑116引進的氧量，經由該氧化劑116引進之氧量會降低介於約0.01%、約0.02%、約0.03%或約0.04%之低值至約1%、約2%、約3%或約5%之高值。在另一個實例中，當該廢氣中之氧濃度自低於約1 ppm提高至約1,000 ppm或更多時，相對於偵測到該廢氣中之氧增加時，經由該氧化劑116引進之氧量，經由該氧化劑116引進之氧量會降低約0.01%至約2%、約0.03%至約1%或約0.05%至約0.5%。在又另一個實例中，當氧濃度自低於約1 ppm提高至約1,000 ppm或更多時，相對於最初偵測到該廢氣中之氧增加時引進的燃料114量，該燃料114之量會提高約0.01%、約0.02%、約0.03%或約0.04%的低值至約1%、約2%、約3%或約5%的高值。
在運轉該氣體渦輪系統102的期間，當該氣體渦輪系統102發生一或多個可能改變或變化該廢氣之當量比(Φ)的變動或其任何組合時，該當量比(Φ)可經由感應器在連續基礎之上、於週期性時間間隔、於不規則或非週期性時間間隔監測。例如，可能發生於該氣體渦輪102而改變或變化該當量比(Φ)之變動可包括該燃料組成的變動、該氧化劑組成的變動或其組合。關此，該氧及/或一氧化碳之濃度，例如，可被監測，並可完成對於該氧化劑116及/或燃料114的量之調節以控制該廢氣中的氧及/或一氧化碳之量。
在至少一個具體實施例中，降低該當量比(Φ)可於遞增步驟、非遞增步驟、連續方式或其任何組合中進行。例如，該氧化劑116及/或燃料114之量可被調節使得該當量比(Φ)被每次調節固定量或實質固定量的氧化劑116及/或燃料114改變，例如，約0.001、約0.01或約0.05。在另一個實例中，該氧化劑116及/或燃料114之量可被連續變化使得該當量比連續改變。較佳為變化該氧化劑116及/或燃料114之量並進行燃燒歷經足以製造實質一致組成的廢氣之時期，迄時該氧化劑116及/或燃料114之量可被調節以於介於約0.00001、約0.0001或約0.0005的低值至約0.001、約0.01或約0.05的高值之量中變動該當量比(Φ)。等該廢氣達成實質一致的氧濃度之後，該氧化劑116及/或燃料114能再被調節使得該當量比(Φ)變動。該廢氣中之氧及/或一氧化碳的量可被監測，且該氧化劑116及/或燃料114的量可被反覆調節直到該廢氣具有，例如，低於約2莫耳%或低於約1.5莫耳%或低於約1莫耳%之氧及一氧化碳合併濃度。
該等燃燒器110可於連續基礎上運轉使得該廢氣具有低於2莫耳%、低於1莫耳%、低於0.5莫耳%或低於約0.1莫耳%之氧及一氧化碳合併濃度。在另一個實例中，於該等燃燒器110中進行燃燒的期間，該廢氣可於該氣體渦輪102運轉期間之約50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或約95%具有低於2莫耳%或低於約1莫耳%的氧及一氧化碳合併濃度。換句話說，關於於該等燃燒器110內進行燃燒之大部分期間，該廢氣可具有低於約2莫耳%、低於約1莫耳%、低於約0.5莫耳%或低於約0.1莫耳%之氧及一氧化碳合併濃度。
一旦設好該氣體渦輪102之總體控制，第二個方法就可決定個別燃燒器110需要之偏置。例如，各個個別燃燒器110之氧化劑流量調節裝置可藉由控制系統調節使感應器之測值保持於或接近所欲之調定點。該等感應器之測值可求出數個計算值。這些可包括，例如，可用以對該等燃燒器中之所有氧化劑流量調節裝置完成類似調節的平均值，如參考第一個方法討論的。
此外，多個不同差值(例如，以二或多個感應器之測值差數為基礎算出來者)可用以對一或多個燃燒器上之氧化劑流量調節裝置完成偏置調節以將該等感應器的測值之間的差數最小化。控制系統也可直接調節該氧化劑116，如藉由調節壓縮器入口導葉(IGV)或速度控制以立刻變動，例如，流至所有燃燒器110之氧化劑流速。另外，該控制系統可對於流至所有燃燒器110之燃料114完成類似的調節，該調節係依據，例如，為該氣體渦輪102選擇之速度。至於該氧化劑，流至各自燃燒器110之燃料供應可被個別偏置以控制燃燒之當量比。
第二個方法可根據感應器陣列之讀值偏置個別燃燒器110。其可假設該氣體渦輪102已經在此方法開始之前啟動，及所有燃燒器110基本上均使用相同混合物或先前之作業點。該方法由感應器於該廢氣中獲得讀值開始。由個別感應器獲得之測值之間可求出總和及差數。該等總和及差數可被合併以助於分辨該等燃燒器110究竟是促成廢氣中之高氧或高一氧化碳狀態。另外，這也可藉由利用旋流圖進行，該旋流圖擬訂燃燒器110影響特定感應器之讀值的計劃。算出關於已確認之燃燒器110的燃料114及氧化劑116之調節量，例如，利用與第一個方法中調節所有燃燒器110時使用之相同考量點。輸入該氧化劑116之新調定點並將氧化劑提供給該等燃燒器110。按實質同時之方式，輸入該燃料114之新調定點，並將燃料114提供給該等燃燒器110。該燃燒過程消耗掉所提供之燃料114及氧化劑116。作業時連續進行該方法以確保廢氣維持於該組成。
更精確之測量可用以透過該燃燒過程提供更精細的控制。例如，各自燃燒器110可具有位於該燃燒器110之廢氣管道112上的獨立感應器。在這些具體實施例中，可以完成變動個別燃燒器110之效果，且任何提供太多氧或一氧化碳給該廢氣之燃燒器110均可完成氧化劑116及燃料114的精確調節，例如，利用參考第一個方法討論之技術。除了整組燃燒器110已經完成之任何均勻調節之外也可完成這些調節，例如，回應該氣體渦輪102之運轉速度的調定點變動。
儘管本技術可容許多種不同修飾和替代形式，但是以上討論之示範具體實施例僅藉由示範方式顯示。然而，此外理應瞭解此技術並不欲受限於文中揭示的特定具體實施例。而且，本技術包括落在後附申請專利範圍之實際精神和範圍以內的所有替代例、修飾例及等效例。
100．．．氣體渦輪系統
102．．．氣體渦輪
104．．．壓縮器
106．．．渦輪膨脹器
108．．．單一轉軸
110．．．燃燒器
112．．．廢氣管道
114．．．燃料源
116．．．氧化劑
118．．．外部壓縮器
120．．．再循環廢氣
122．．．管道
124．．．產生器
126．．．膨脹之廢氣
128．．．熱回收蒸氣產生器
130．．．冷凝器槽
132．．．通用供料
134．．．蒸氣渦輪
136．．．產生器
138．．．減壓蒸氣
140．．．熱交換器
142．．．冷卻水流
144．．．廢氣流
146．．．壓縮廢氣流
148．．．直接接觸冷卻器
150．．．進水流
152．．．熱水流
154．．．再循環回收管道
156．．．熱交換器
158．．．二氧化碳移除系統
160．．．二氧化碳流
162．．．氮流
164．．．第一氮流
166．．．壓縮器
168．．．高壓氮流
170．．．氮流
172．．．熱交換器
174．．．膨脹器
176．．．低壓氮流
200．．．短管段
202．．．氧化劑注射口
204．．．再循環氣體抽出口
206．．．燃料噴射口
208．．．隔板
210．．．氧化劑
212．．．再循環氣體
214．．．原有短管段
216．．．穿孔燃燒罐
218．．．燃料
220．．．穿孔
222．．．火焰
300．．．短管段
302．．．氧化劑注射口
304．．．再循環氣體抽出口
306．．．燃料噴射口
307．．．注射噴管
308．．．火焰
310．．．氧化劑/燃料混合物
312．．．氧化劑
314．．．噴嘴區
316．．．旋流器
318．．．螺旋流
320．．．燃料
322．．．隔板
324．．．再循環氣體流
326．．．穿孔燃燒罐
328．．．再循環氣體之一部分
330．．．穿孔
332．．．廢氣
334．．．熱交換
400．．．熱回收系統
402．．．再循環氣體
404．．．氧化劑
406．．．熱交換器
408．．．燃料
410．．．短管段
412．．．冷卻再循環氣體
500．．．熱回收系統
502．．．第二熱交換器
504．．．冷燃料流
506．．．冷卻再循環氣體
600．．．熱回收系統
602．．．熱交換器
604．．．冷卻再循環氣體
606．．．冷燃料
810．．．氧濃度
820．．．一氧化碳濃度
藉由參照上述詳細描述及後附圖式將使本技術之優點更易於理解，其中：
圖1為包括氣體渦輪之氣體渦輪系統的概圖；
圖2為用於燃燒器之短管段的截面圖，該短管段具有獨立氧化劑注射口、再循環氣體抽出口及燃料噴射口；
圖3為用於燃燒器之另一個短管段的截面圖，該短管段具有獨立氧化劑注射口、再循環氣體抽出口及燃料噴射口；
圖4為熱回收系統之概圖，該熱回收系統利用來自再循環氣體之熱將熱交換器中之氧化劑加熱；
圖5為熱回收系統之概圖，該熱回收系統利用來自再循環氣體之熱將第一熱交換器中之氧化劑及第二熱交換器中之燃料加熱；
圖6為熱回收系統之概圖，該熱回收系統利用來自再循環氣體之熱將熱交換器中之燃料加熱；
圖7為用於自燃燒器抽出熱再循環氣體，同時防止該再循環氣體與氧化劑混合之方法的方塊圖；及
圖8A和8B為模擬之繪圖，其顯示當量比(Φ)分別自0.75變化至1.25及自0.999變化至1.001時氧和一氧化碳的濃度之間的關係。
100．．．氣體渦輪系統
102．．．氣體渦輪
104．．．壓縮器
106．．．渦輪膨脹器
108．．．單一轉軸
110．．．燃燒器
112．．．廢氣管道
114．．．燃料源
116．．．氧化劑
118．．．外部壓縮器
120．．．再循環廢氣
122．．．管道
124．．．產生器
126．．．膨脹之廢氣
128．．．熱回收蒸氣產生器
130．．．冷凝器槽
132．．．通用供料
134．．．蒸氣渦輪
136．．．產生器
138．．．減壓蒸氣
140．．．熱交換器
142．．．冷卻水流
144．．．廢氣流
146．．．壓縮廢氣流
148．．．直接接觸冷卻器
150．．．進水流
152．．．熱水流
154．．．再循環回收管道
156．．．熱交換器
158．．．二氧化碳移除系統
160．．．二氧化碳流
162．．．氮流
164．．．第一氮流
166．．．壓縮器
168．．．高壓氮流
170．．．氮流
172．．．熱交換器
174．．．膨脹器
176．．．低壓氮流

Claims (21)

  1. 一種氣體渦輪燃燒器，其包含：包含經局部穿孔之燃燒襯裡的燃燒器；用以注射氧化劑透過該經局部穿孔之燃燒襯裡使該氧化劑注射至該燃燒器中之火焰近端所安裝的氧化劑注射口；用以自該燃燒器抽出再循環氣體所安裝的再循環氣體抽出口，其中該經局部穿孔之燃燒襯裡使一部分再循環氣體與至少一部分廢氣混合；以及隔板，用以在該氧化劑透過該經局部穿孔之燃燒襯裡引進之前防止該再循環氣體與該氧化劑混合。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體渦輪燃燒器，其包含用以將該氧化劑直接注入該火焰之注射噴管。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣體渦輪燃燒器，其中該氧化劑包含氧及稀釋氣體之混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體渦輪燃燒器，其另包含用以於該氧化劑中建立螺旋流以增進與燃料之混合所安裝的旋流器。
  5. 如申請專利範圍第1項之氣體渦輪燃燒器，其中，包含經局部穿孔之燃燒襯裡的燃燒器係安裝以代替先前之燃燒器(preexisting combustor)。
  6. 一種用於操作氣體渦輪引擎之方法，其包含：將氧化劑注入燃燒器之氧化劑注射口，其中該燃燒器係安裝以將氧化劑輸送至該燃燒器之火焰以形成廢氣； 將來自該氣體渦輪引擎之廢氣的一部分冷卻以形成冷卻廢氣；將該冷卻廢氣壓縮以形成再循環氣體；使該再循環氣體在圍繞著該火焰設置之穿孔燃燒罐周圍流動以將該穿孔燃燒罐冷卻並形成熱再循環氣體，其中係藉由隔板而防止該氧化劑及該再循環氣體在該氧化劑透過該穿孔燃燒罐引進之前混合；使至少一部分再循環氣體流過該穿孔燃燒罐以與廢氣混合；及透過該燃燒器上之再循環氣體抽出口移除該熱再循環氣體的一部分。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含在將該再循環氣體注入該燃燒器之前將該氣體渦輪引擎之壓縮器段中的再循環氣體壓縮。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含在該氣體渦輪引擎外部之壓縮器中將該氧化劑壓縮。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含在直接接觸冷卻器中將該再循環氣體冷卻。
  10. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含在該氧化劑或燃料注入該燃燒器之前，將來自該熱再循環氣體之熱能轉移至該氧化劑或燃料或此二者。
  11. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含控制該氧化劑、燃料或二者注射至所有燃燒器以調整廢氣組成。
  12. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含個別控制 該氧化劑、燃料或此二者注射至多個燃燒器各者以調整廢氣組成。
  13. 如申請專利範圍第6項之方法，其另包含：冷卻該熱再循環氣體以形成冷卻再循環氣體；及自該冷卻再循環氣體分離二氧化碳。
  14. 一種氣體渦輪系統，其包含：燃燒器，其包含：用以注射再循環氣體以將該燃燒器冷卻所安裝之再循環氣體口；用以將氧化劑注射至該燃燒器中之火焰近端所安裝的氧化劑注射口；用以使至少一部分再循環氣體與至少一部分廢氣混合的經局部穿孔之燃燒襯裡；以及用於自該燃燒器抽出再循環氣體所安裝之再循環氣體抽出口，其中係藉由隔板而防止該再循環氣體及該氧化劑在該氧化劑透過該經局部穿孔之燃燒襯裡引進之前混合。
  15. 如申請專利範圍第14項之氣體渦輪系統，其另包含：壓縮器；及渦輪膨脹器，其中將該壓縮器及渦輪膨脹器機械耦合使機械能自該渦輪膨脹器轉移至該壓縮器。
  16. 如申請專利範圍第14項之氣體渦輪系統，其另包含二氧化碳移除系統。
  17. 如申請專利範圍第14項之氣體渦輪系統，其另包 含用以自該氣體渦輪系統之廢氣獲得能量所安裝的熱回收單元。
  18. 如申請專利範圍第17項之氣體渦輪系統，其中該熱回收單元包含熱回收蒸氣產生器。
  19. 如申請專利範圍第17項之氣體渦輪系統，其包含藉由自該熱回收單元回收之能量驅動的渦輪。
  20. 如申請專利範圍第14項之氣體渦輪系統，其另包含用以利用自該燃燒器抽出之再循環氣體回收到的熱將氧化劑加熱所安裝之熱交換器。
  21. 如申請專利範圍第14項之氣體渦輪系統，其另包含用以利用自該燃燒器抽出之再循環氣體回收到的熱將燃料加熱所安裝之熱交換器。
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