本发明总体上涉及燃烧系统，更具体地涉及燃料适应性燃烧系统 (fuel-flexible combustion system)和操作方法。
各种类型的燃烧器是已知的并用于诸如联合循环发电厂等系统。通常， 这些系统的燃烧器经设计以减少排放，例如NOx和一氧化碳的排放。在大 多数燃烧天然气的系统中，使用贫燃预混火焰(lean premixed flame)使燃烧器 工作。在这些系统中，燃料在反应区的上游与空气混合而在贫燃条件下(lean condition)形成预混火焰，以减少燃烧系统的排放。不幸的是，这些燃烧系 统的操作窗极小。另外，期望避免燃烧动态变化(combustion dynamic)并同 时保持低的NOx以及避免火焰的贫燃喷出(lean blow out)。设计方案的指标 通常订为窄的燃料组成范围，因而使设计用于天然气的系统与设计用于气 化煤或合成气燃料的系统不相容。
一些其它的系统采用扩散燃烧(diffusion combustion)，以通过在反应区 增加稀释剂来减少排放。例如，在整体煤气化联合循环(IGCC)系统中，可 使用蒸汽或氮气作为稀释剂以促进燃烧并减少燃烧器的排放。通常，对于 IGCC系统，燃烧器设计成使用煤气化燃料以扩散模式工作并可具有以扩散 模式使用天然气的备用燃烧模式。然而，设计能够使用热值不同的煤气化 燃料工作并同时保持低排放的燃烧器富有挑战性。目前的IGCC燃烧器采用 扩散燃烧并根据气化燃料储备基于site-by-site设计。由此得到为满足排放要 求而具有有限的燃料适应性的特定燃烧系统。
因而，需要可使用多种燃料工作并同时保持低排放的燃烧系统。此外， 有利的是，提供使用备用燃料燃烧时保持低排放以及适用于不同发电厂构 造并同时保持发电厂总效率的燃烧系统。

简言之，根据一种实施方案，提供燃烧器喷管。该燃烧器喷管包括： 第一燃料系统，该第一燃料系统经配置以将合成气燃料引入燃烧室，从而 能够在燃烧室内实现贫燃预混燃烧；第二燃料系统，该第二燃料系统经配 置以将合成气燃料或烃类燃料或稀释剂或它们的组合引入燃烧室，从而能 够在燃烧室内实现扩散燃烧。
在另一实施方案中，提供燃料适应性燃烧系统。该燃料适应性燃烧系 统包括：燃烧器喷管，该燃烧器喷管经配置以将燃料流引入燃烧系统；燃 烧室，该燃烧室经配置以使燃料流和空气按照基于燃料流的燃料类型选择 的燃烧模式燃烧。该燃烧器喷管包括：第一燃料系统，该第一燃料系统经 配置以将烃类燃料或合成气燃料或它们的组合引入燃烧室，从而能够在燃 烧室内实现预混燃烧模式；第二燃料系统，该第二燃料系统经配置以将合 成气燃料或氮气、蒸汽或烃类燃料或它们的组合引入燃烧室，从而能够在 燃烧室内实现扩散燃烧模式。
在另一实施方案中，提供整体煤气化联合循环(IGCC)系统。IGCC系统 包括：气化器，该气化器经配置以由煤生成合成气燃料；燃气涡轮机，该 燃气涡轮机经配置以接收来自气化器的合成气燃料并使合成气燃料和空气 在燃烧系统内燃烧而产生电能。该燃烧系统包括：燃烧喷管，该燃烧喷管 具有将合成气引入喷管内以进行预混的第一和第二燃料系统以及扩散操作 模式；燃烧室，该燃烧室经配置以使合成气燃料和空气按照预混或扩散燃 烧模式燃烧。
在另一实施方案中，提供燃料适应性燃烧系统的操作方法。该方法包 括：经由燃烧器喷管将燃料流引入燃烧系统；使烃类燃料流以低排放燃烧 模式燃烧；使合成气燃料以第二燃烧模式燃烧。该方法还包括：基于合成 气的热值转变第二燃烧模式；使燃料流和空气按照低排放燃烧模式或第二 燃烧模式或它们的组合燃烧。
附图说明
参照附图阅读下述详细说明时将更好地理解本发明的这些和其它特 征、方面和优势，其中相同的标记在附图中始终表示相同的部分，其中：
图1是根据本发明的方面具有燃料适应性燃烧系统的整体煤气化联合 循环(IGCC)系统的示意图。
图2是根据本发明的方面图1的IGCC系统中使用的燃气涡轮机的示 意图。
图3是根据本发明的方面与合成气燃料具有预混和扩散操作能力的图 2的燃烧器喷管的示范性构造示意图。
图4是根据本发明的方面具有旋流器(swozzle)燃料注入点的图3的燃 烧器喷管的示范性构造示意图。
图5是根据本发明的方面具有向旋流器燃料注入点提供燃料的独立燃 料增压室的图4的燃烧器喷管的示范性构造截面图。
图6是根据本发明的方面与烃类和合成气燃料具有预混操作能力的图 2的燃烧器喷管的另一示范性构造示意图。
图7是根据本发明的方面具有旋流器和中心体燃料注入点的图6的燃 烧器喷管的示范性构造示意图。
图8是根据本发明的方面具有向旋流器和中心体燃料注入点提供燃料 的独立燃料增压室的图7的燃烧器喷管的示范性构造截面图。

如以下详细的描述，本发明的实施方案提供燃料适应性燃烧系统，该 燃料适应性燃烧系统可使用多种燃料进行工作并同时具有低排放。具体地， 本发明使用燃烧器喷管，该燃烧器喷管使用例如天然气和多种合成气燃料 通过基于燃料原料所需或所要求的体积流速在贫燃预混模式和扩散燃烧模 式之间转换来进行工作。现转向附图并首先参考图1，示出了整体煤气化联 合循环(IGCC)系统10。IGCC系统10包括气化器12和连接在气化器12上 的燃气涡轮机14。此外，燃气涡轮机14包括燃料适应性燃烧系统16，该 燃料适应性燃烧系统16经配置以使来自气化器12的燃料流燃烧而产生电 能。另外，IGCC系统10包括蒸汽涡轮机18，该蒸汽涡轮机18连接在燃气 涡轮机14上且经配置以利用燃气涡轮机14的废气的热量而产生电能。
工作时，气化器12接收燃料原料20连同氧气22，氧气22通常在原位 空气分离装置(未示出)中产生。在所示实施方案中，燃料原料20包括煤。 在另一实施方案中，燃料原料20可包括任意低热值燃料(LVT)，例如煤、 生物质、废料、油砂、城市垃圾、焦炭等。使燃料原料20和氧气22在气 化器12中反应以生成富含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气24。此外，将 原料矿物转化为可用于路基、填埋覆盖物和其它应用的矿渣产物26。
将气化器12生成的合成气24导入气体冷却和清洗装置28，在该装置 中冷却合成气24并除去污染物30以生成净化合成气32。在所示实施方案 中，污染物30例如包括硫、汞或二氧化碳。此外，使净化合成气32在燃 气涡轮机14中燃烧以产生电能。在该示范性实施方案中，经由压缩机36 压缩输入的空气流34并将压缩空气导入燃烧系统16以使来自气化器12的 合成气32燃烧。此外，使燃烧系统16的燃烧器气流膨胀通过涡轮机38， 以驱动发电机40产生电能42，可将电能42送入电网44以进一步利用。在 一些实施方案中，燃料适应性燃烧系统16使用天然气46进行通常作为备 用操作模式的贫燃预混燃烧。
在所示实施方案中，将来自燃气涡轮机14的废气48导入热回收蒸汽 发生器50并用于使水沸腾以形成用于蒸汽涡轮机18的蒸汽52。此外，在 一些实施方案中，可将蒸汽涡轮机的热量54引入热回收蒸汽发生器50以 提高热回收蒸汽发生器50的效率。另外，可将热回收蒸汽发生器50产生 的一部分蒸汽56引入气化器12，以控制气化器12生成的合成气24的H2∶CO 之比。蒸汽涡轮机18驱动发电机58以产生电能42，再次将电能42送入电 网44以进一步利用。
上述IGCC系统10使用的燃料适应性燃烧系统16可以贫燃预混或扩 散燃烧模式工作。具体地，燃烧系统16包括燃烧器喷管，该燃烧器喷管具 有用于将例如天然气或合成气燃料引入燃烧系统16的独立的燃料系统，并 基于燃料原料20的燃料类型和燃料热值选择燃烧模式。以下将参照图2-8 详细描述燃烧系统16使用的燃烧器喷管。
图2是图1的IGCC系统10使用的燃气涡轮机14的示范性构造60的 示意图。燃气涡轮机60包括压缩机62和与压缩机62流动连通的燃料适应 性燃烧系统64。此外，燃气涡轮机60还包括设置于燃烧系统64下游的涡 轮66。工作时，压缩机62压缩输入的空气流68以生成压缩空气70，将所 述压缩空气70导入燃烧系统64。
在该示范性实施方案中，燃烧系统64包括燃烧器喷管72，该燃烧器喷 管72经配置以将燃料流引入燃烧系统64。具体地，燃烧器喷管72包括第 一燃料系统74和第二燃料系统76。此外，燃烧系统64包括燃烧室78以用 于燃烧来自第一燃料系统74或第二燃料系统76的燃料流。在所示实施方 案中，第一燃料系统74经配置以将合成气燃料引入燃烧室78，从而能够在 燃烧室中实现贫燃预混燃烧。此外，第二燃料系统76经配置以将合成气燃 料、烃类燃料和稀释剂引入燃烧室78，从而能够在燃烧室中实现扩散燃烧。 在一些实施方案中，第一燃料系统74用于将烃类燃料引入燃烧室78以能 够实现贫燃预混燃烧。在其它一些实施方案中，通过使第一燃料系统74和 第二燃料系统76同时工作，燃烧系统64可一同燃烧(co-fire)。在该示范性 实施方案中，控制器80连接在第一燃料系统74和第二燃料系统76上并且 经配置以基于燃料流的燃料类型和燃料热值中的至少一种选择燃烧模式。 以下将参照图3-5详细描述燃烧系统64使用的第一燃料系统74和第二燃料 系统76的操作。
图3是根据本发明的方面与合成气燃料具有预混和扩散操作能力的图 2的燃烧器喷管的示范性构造90示意图。在所示实施方案中，炉管92设置 在燃烧器喷管72周围。用于引入烃类燃料或合成气燃料以实现贫燃预混操 作模式的第一燃料系统74包括设置在炉管92上的多个注入孔94。另外， 第一燃料系统包括设置在多个旋流器叶片(未示出)上的多个注入孔96，以用 于将烃类燃料或合成气燃料引入燃烧器喷管72。工作时，多个旋流器叶片 经配置以使输入的空气进行回旋运动并将合成气燃料或烃类燃料引入燃烧 器喷管，以实现合成气或烃类的预混模式。以下将参照图4更详细地描述 旋流器叶片。
在该实施方案中，燃烧器喷管90还包括设置在炉管92上的附加的一 组孔98，用于将合成气燃料引入喷管72以实现预混合成气操作模式。应当 指出的是，设置所述附加的一组孔98以提供预混合成气操作模式所要求的 合成气燃料体积流量。可预料到多种孔98的图案以便于将合成气燃料引入 喷管72。选择孔的图案和形状以使进入叶片扇面(vane sector area)每四分之 一的喷射渗透(jet penetration)最大化，从而提高燃料-空气的均匀性。在一些 实施方案中，使孔98在叶片扇区上等间隔并裁定孔98的尺寸以平衡进入 叶片扇区每二分之一的质量流量。
另外，喷管90包括第二燃料系统76，该第二燃料系统76用于将合成 气燃料、和/或烃类燃料以及稀释剂引入燃烧室78以能够实现合成气燃料在 燃烧室78内的扩散燃烧。在所示实施方案中，第二燃料系统76具有扩散 喷管出口截面，该扩散喷管出口截面包括形成内部、外部和中部同心环状 通道106、108和110的注入孔100、102和104，以用于将合成气燃料、烃 类燃料和稀释剂引入燃烧室78。在该实施方案中，稀释剂包括蒸汽、氮气 和二氧化碳。然而，其它一些惰性气体也可用作稀释剂。燃烧器喷管90还 包括连接在第一燃料系统74和第二燃料系统76上的控制器80(见图2)，以 用于基于燃料流的燃料类型或燃料热值选择燃烧模式。此外，控制器经配 置以基于合成气燃料所需的体积流量控制通过第二燃料系统76的注入孔 100、102和104的流量。
图4是根据本发明的方面具有旋流器燃料注入点的图3的燃烧器喷管 90的示范性构造120示意图。燃烧器喷管120包括旋流器叶片122，该旋 流器叶片122经配置以使输入的空气进行回旋运动。此外，旋流器叶片122 经配置以通过旋流器燃料注入点124将烃类燃料和合成气燃料引入喷管 120。通常，对旋流器叶片122进行设计以最大化燃料-空气的混合来满足性 能要求，例如火焰稳定和低排放。在所示实施方案中，烃类燃料包括天然 气。工作时，经由旋流器叶片122引入的天然气或合成气燃料在位于燃烧 室78(参见图2)上游的位置处与空气混合，以在有益于低排放的贫燃条件下 产生预混火焰，
在一些实施方案中，在各旋流器叶片122每一侧的一个位置处通过多 个注入孔96进行烃类燃料或合成气燃料的注入。此外，在每个回旋叶片的 一个或多个注入点处通过多个注入孔96进行烃类燃料或合成气燃料的注 入。注入点可设置在位于叶片一侧或两侧的不同径向位置上并可具有不同 的直径。在该示范性实施方案中，注入点设置在叶片的侧面上。在其它一 些实施方案中，注入点可设置在后缘上。有利的是，通过注入孔94和96 注入燃料提高了燃料向各叶片扇区每四分之一的喷射渗透，从而促进了在 燃烧器喷管120中的混合。应当指出的是旋流器叶片122上的注入点96和 炉管92上的注入点94、98与独立的燃料进料系统连接，从而有利于系统 中燃烧动态的控制。
本领域技术人员应当理解的是，当煤气化合成气燃料供给中断或需要 用于其它电厂用途时，燃烧系统64利用天然气按照预混模式燃烧。可供选 择地，在通过第一燃料系统74或第二燃料系统76将燃料引入喷管120的 情况下，燃烧系统64使用合成气燃料按照预混模式或扩散模式燃烧。在一 些实施方案中，可使用第二燃料系统76中的天然气起动燃烧系统。
在该示范性实施方案中，设计扩散喷管出口截面以根据旋流器叶片122 的设计使性能最大化。具体地，可针对借助旋流器叶片122形成的气流图 案，优化喷管120的出口截面几何形状。另外，设计注入孔100、102和104 以应对多种合成气燃料和附带的稀释剂而获得低排放性能。应当指出的是， 可基于合成气燃料所需的体积流速，控制通过注入孔100、102和104的合 成气燃料、烃类燃料和稀释剂的流量。例如，在所示实施方案中，第一通 道106经配置以将蒸汽引入燃烧器的燃烧室78。此外，设置在第一通道106 周围的第二通道108经配置以引入合成气燃料，设置在第一通道106和第 二通道108周围的第三通道110经配置以将氮气引入燃烧系统的燃烧室。 本领域技术人员应当理解的是，基于合成气燃料的燃料热值，可预料到第 一通道106、第二通道108和第三通道110的多种操作模式。
设计第一通道106、第二通道108和第三通道110，以使燃烧器喷管120 可与增氧气化装置或常规气化装置一同使用。本领域技术人员应当理解的 是，在常规气化装置中，来自该气化装置的蒸汽可用作稀释剂以促进燃烧。 然而，在增氧气化装置中，来自空气分离装置的氮气可用作附加的稀释剂 以提高工厂的总效率。
在本实施方案中，基于煤气化装置生成的燃料所需的热值范围，设计 第一通道106、第二通道108和第三通道110。在该实施方案中，合成气燃 料的燃料热值小于约310BTU/scf。在一种实施方案中，合成气燃料的燃料 热值介于约100BTU/scf至约230BTU/scf之间。例如，可基于引入要求大 的体积流速的低热值燃料，设计合成气燃料的流动通道。类似地，可根据 热值较高的燃料设计稀释剂的流动通道，所述热值较高的燃料需要较大的 稀释剂流量以满足所需的性能水平。
在示范性实施方案中，第一通道106、第二通道108和第三通道110 具有约0°至约75°的切向注入角和约0°至约75°的径向注入角。在一种实施 方案中，第二通道108和第三通道110具有约40°的切向注入角，第一通道 106和第二通道108具有约45°的径向注入角。此外，在一种实施方案中， 使合成气燃料和氮气在第二通道108和第三通道110中相对于叶片122造 成的空气回旋反向回旋流动，以有助于增强混合、降低火焰长度、减少排 放和增加火焰前锋图案要素(flame front pattern factor)。另外，如上所述，控 制器80(参见图2)可连接在第一通道106、第二通道108和第三通道110上， 以基于合成气燃料的燃料热值控制合成气燃料、烃类燃料、蒸汽和氮气以 及CO2在通道106、108和110内的流动。如上所述，独立的燃料增压室可 连接在第一燃料系统74和第二燃料系统76上以在预混和扩散操作模式中 提供合成气或烃类燃料。
图5是根据本发明的方面具有向旋流器燃料注入点和炉管燃料注入点 提供燃料的独立燃料增压室的图4的燃烧器喷管120的示范性构造截面图 130。如上所述，燃烧器喷管130包括设置在炉管92上的第一组孔94，以 用于将合成气或烃类燃料引入喷管130。此外，燃烧器喷管130包括设置在 旋流器叶片122(参见图4)上的第二组孔96，以用于将合成气或烃类燃料引 入喷管130。另外，鉴于预混操作模式所要求的附加合成气燃料体积流量， 燃烧器喷管130包括设置在炉管92上的第三组孔98，以用于将合成气燃料 引入喷管130。
在所示实施方案中，燃烧器喷管130包括：第一燃料增压室132，该第 一燃料增压室132经配置向设置在炉管92上的第一组孔94提供烃类或合 成气燃料；第二燃料增压器134，该第二燃料增压器134经配置向设置在旋 流器叶片122上的第二组孔96提供烃类或合成气燃料。另外，燃烧器喷管 130包括第三燃料增压室136，该第三燃料增压室136经配置向设置在炉管 72上的第三组孔98提供烃类或合成气燃料。第一燃料增压室132、第二燃 料增压室134和第三燃料增压室136可连接在控制器80(参见图2)上，以用 于控制燃烧器喷管130中的燃料供给。在该示范性实施方案中，使用烃类 燃料的预混操作模式利用第一组孔94和第二组孔96将烃类燃料引入喷管 130。此外，对于使用合成气燃料的预混操作模式，使用第三组孔98将合 成气燃料引入喷管130。
在一些实施方案中，燃烧器喷管130以用于预混操作模式的独立构造 工作。在该示范性实施方案中，基于燃料的热值控制合成气操作模式。例 如，任何情况下均将使用第一组孔94和第二组孔96，而基于燃料的热值使 用第三组孔98。如上所述，燃烧器喷管130可按照预混烃类和合成气操作 模式连同使用合成气的扩散模式工作。可供选择地，如以下参照图6所述， 燃烧器喷管130可在没有使用合成气的扩散操作模式的情况下工作。
图6是根据本发明的方面与烃类和合成气燃料具有预混操作能力的图 2的燃烧器喷管72的另一示范性构造140示意图。如图所示，燃烧器喷管 140包括第一组孔94、第二组孔96和第三组孔98，以将烃类或合成气燃料 引入燃烧器喷管140而用于预混操作模式。另外，喷管出口截面包括一组 孔142，以在点火条件下引入烃类燃料而用于扩散模式。
图7是根据本发明的方面具有旋流器和中心体燃料注入点的图6的燃 烧器喷管140的示范性构造150示意图。在该示范性实施方案中，燃烧器 喷管150包括旋流器注入点96。另外，喷管150包括设置在中心体上的第 一组孔152，以将烃类或合成气燃料引入喷管150而用于预混操作模式。另 外，基于预混合成气操作模式过程中所要求的任意附加的体积流量，喷管 包括第二组孔154以引入合成气燃料。同样，第一组孔152和第二组孔154 可连接在以下将参照图8描述的独立的燃料增压室上。有利的是，这种操 作模式提供更大的操作适应性，因为可根据燃料的热值使用更多或更少的 注入点用于燃料注入。此外，鉴于在大量合成气燃料的范围内出现大的流 速变化，大量注入点允许燃烧器具有更大的燃料适应性。
图8是根据本发明的方面具有向旋流器和中心体燃料注入点提供燃料 的独立燃料增压室的图7的燃烧器喷管150的示范性构造截面图160。如图 所示，燃烧器喷管160包括第一组孔94、第二组孔96和第三组孔98，以 在预混操作模式过程中将烃类或合成气燃料引入喷管160。另外，喷管160 包括设置在中心体上的孔152和154，以将烃类或合成气燃料引入喷管150 而用于预混操作模式。如上所述，第一组孔、第二组孔和第三组孔连接在 燃料增压室132、134和136上以提供燃料。在该示范性实施方案中，喷管 160还包括燃料增压室162和164，所述燃料增压室经配置分别向孔152和 154提供烃类或合成气燃料。同样，燃料增压室162和164各自可连接在控 制器80(参见图2)上，该控制器80用于控制向孔152和154的燃料供应。
以上描述的本发明的各方面可用于不同的应用，例如IGCC系统中使 用的燃烧系统。如上所述，燃料适应性燃烧系统利用多种燃料进行工作并 同时具有低排放。此外，燃烧系统使用备用燃料保持低排放燃烧并适用于 不同的电厂构造并同时保持电厂的总效率。具体地，本发明使用燃烧器喷 管，该燃烧器喷管利用天然气和多种合成气燃料通过基于燃料原料所需的 体积流速在贫燃预混和扩散燃烧模式之间转换来进行工作。
有利的是，预混燃烧模式有利于燃烧系统的操作而不需要稀释剂来满 足排放要求，从而降低了燃烧系统的燃料消耗。此外，预混燃烧模式允许 氧气增强气化器的空气分离装置的副产物和蒸汽涡轮机的蒸汽更有效地用 于其它生产处理，例如化学品生产、后处理、联合循环发电等。因而，该 燃烧系统在保持低排放的同时具有明显提高的燃料适应性并可在保持电厂 总效率的同时在不同的电厂构造下工作。
尽管本文仅对本发明的一些特征进行了示例和描述，但本领域技术人 员可作出多种改进和变化。因而，应当理解的是，所附权利要求意图覆盖 落在本发明真正构思内的所有改进和变化。