技术领域

本发明涉及用于在燃烧装置中适当地汽化、混合和传输液体燃料 或液化气的方法和装置。

                        背景技术

燃烧装置，如用于发电的燃气轮机发动机，通常以天然气作为燃 料(例如，压缩天然气或CNG)。通常，天然气由约90-98体积％的甲 烷(CH4)组成，尽管某些含有低至82％的甲烷的气体也被称为天然气。 除了甲烷外，天然气可以包括CO2、O2、N2和高级碳氢化合物气体， 如C2(乙烷、乙烯、乙炔)、C3(丙烷)、C4(丁烷)和C5(戊烷)。

在近来对燃气轮机发动机用燃烧系统的研究中，通过在使用天然 气时采用贫燃料预混合燃烧方式(lean，premixed combustion)，在废气 排放方面取得了明显的改进。在这种燃烧方式中，在到达火焰锋之前， 天然气与助燃空气预混合。天然气和空气的贫燃料混合物在低于常规 扩散火焰燃烧室的温度下燃烧，从而使废气流中污染物(包括氮的氧化 物(NOX))含量较低。举例来说，扩散火焰燃烧室的最大可允许NOX水 平通常为42ppm@15％O2，而贫燃料预混燃烧燃气轮机发动机的最 大可允许NOX水平目前通常为15ppm@15％O2。扩散火焰燃烧室的 42ppm NOX水平通常仅能通过将大量水汽或水加到燃烧室中以降低 火焰温度来实现。

已尝试将贫燃料预混合燃烧装置用于燃烧代用的高级碳氢化合 物液体燃料(如油类和柴油机燃料)和高级碳氢化合物燃料气(如丙烷 (C3)和丁烷(C4))。本文中，“高级碳氢化合物燃料”指其中燃料中至 少50重量％的碳氢化合物分子具有至少两个碳原子的燃料。不幸的 是，当使用代用燃料时，这些燃烧装置难以在贫燃料预混合预气化 (LPP)燃烧方式下操作。为使用液体燃料或液化气产生贫燃料预混合预 气化火焰(本文中，术语“液体燃料”应被理解成包括通常在室温和大 气压力下是液态的燃料，及经冷却和/或加压而液化的气体)，液体必 须首先蒸发进入载气中(通常是空气)以产生燃料气(即燃料蒸汽/空气 混合物)，然后在到达火焰锋之前与另外的助燃空气混合。然而，使用 这种汽化液体燃料/液化气和空气混合物可能会发生被称为自动点火 (auto-ignition)的现象。自动点火是在燃烧装置中预定火焰位置之前的 燃料自发点火。在将所述燃料送入燃烧装置时，例如由于燃料通常、 提前或其它受热就会导致提前点火的发生。自动点火使燃烧装置的效 率下降并使其损坏，从而缩短燃烧装置的使用寿命和/或会增加不想要 的排放物。

已进行各种尝试来避免在这种贫燃料预混合燃烧装置中高级碳 氢化合物液体燃料的自动点火，但没有任何一种尝试取得全部成功。 因此，可以使用天然气和高级碳氢化合物液体燃料的“双燃料”燃烧 装置，例如燃气轮机发动机，通常当使用天然气时以贫燃料预混合方 式运行，当使用高级碳氢化合物液体燃料时以扩散方式运行。以扩散 方式燃烧液体燃料是不理想的，因为与以贫燃料预混合方式燃烧的天 然气相比，这会增加NOX和其它排放物。

近来，另一个日益重要的问题与液化天然气的使用相关。最近由 于家用天然气供应不足，使液化天然气更为常用。当运输液化天然气 时，通常是通过油轮(tanker)，高级碳氢化合物气体具有较高的沸点。 当液体天然气被再汽化用作气态燃料时，在从贮存容器中取出的液化 天然气的最后部分中含有较高百分比的高级碳氢化合物燃料。由于上 述自动点火问题，这部分液化天然气不能用于许多现有的贫燃料预混 合天然气燃烧室中。

与使用天然气的燃烧装置相似的燃烧装置也被用于锅炉、焚化炉 和涡轮发动机及其它燃烧发动机中，其包括发电外的应用，如用于军 舰推进。在军舰用涡轮发动机的使用中遇到的问题包括需要较大的空 间以容纳常规压缩气体燃料和由于在常规涡轮发动机中使用代用液 体燃料而产生的大量排放物。这些排放物会破坏环境，并带来危险， 例如，产生的可视性排放物会暴露舰艇的位置。

因此仍然需要开发新型的燃烧装置(如涡轮发动机等)，其采用贫 燃料预混预蒸发方式，既能燃烧天然气又能燃烧高级碳氢化合物液体 燃料。对于包括发电在内的多种应用，这种燃烧装置令人满意的双燃 料选择使其在成本控制和燃料选择上具有相当的灵活性。

                    发明概述

本发明的实施方案主要通过提供一种机构来解决上述问题及其 它问题，所述机构用于从多种液体燃料或液化气中制备氧含量低于周 围空气的预汽化燃料气，这种燃料气可送入燃烧装置中作为气态燃 料。在优选实施方案中，这种预汽化燃料气可用于现有燃烧天然气的 贫燃料预混合燃烧装置中。这种气态燃料可用于涡轮发动机、柴油和 汽油发动机中，如用于向海军舰艇、火车头、飞机和汽车供应能量。 本发明也适用于多种其它燃烧装置，特别适用于对点火控制和/或排放 物控制要求较高的燃烧装置。例如，使用本发明即使在扩散火焰燃烧 室中也可降低NOX。通过增加低氧气流/燃料气混合物的热容量可以 减少排放物，这是因为加入的惰性气体可用以降低火焰温度，从而减 少NOX。

在本发明一个实施方案中，惰性气流或含有氧含量低于周围空气 的其它气流被用于汽化液体燃料或液化高级碳氢化合物天然气，并将 所得低氧汽化燃料气送入燃烧装置中。通过将燃料与氧浓度适当降低 的气流混合，可以防止或充分延缓汽化燃料的反应，从而避免自动点 火。下文说明的高度点火控制及本发明的其它特征可用于降低或控制 排放物或燃烧不稳定性。

本领域公知的多种装置或系统可用于供应惰性气流，并且多种惰 性气体可用于本发明中。例如，在本发明一个实施方案中，可以由来 自预燃器或燃烧装置下游的污浊的废气来提供用于汽化液体燃料或 液化气体的低氧气流，从而避免自动点火。通过适当地调节这种废气 流，该废气流可用于汽化任何液体燃料或液化气，所述液体燃料或液 化气一旦经适当处理并与废气流混合就可直接送入燃烧装置作为气 态燃料。在本发明另一个实施方案中，使用空气分离器单元将低氧气 流供应至液体燃料或液化气汽化器。

有利的是，这使其成为用于从各种液体燃料或液化气和压缩空气 制备预汽化燃料的独立单元，预汽化燃料一旦经适当处理和混合就可 直接供应至适于燃烧天然气的现有涡轮发动机中。然后，所得混合物 以贫燃料预混合方式燃烧，从而提高发动机性能。例如，这种改进可 以包括但不限于，改进废气排放物和/或提高火焰稳定性，其包括降低 燃烧装置的不稳定性。

用于本发明实施方案中的空气分离器单元从空气中分离氧气和 氮气。空气分离器的输出包括两种气流，第一种气流氧气高、氮气低 (“富氧气流”)，第二种气流氧气低、氮气高(本实施方案中得到的低 氧气流，及其它实施方案中的其它低氧气流，被称为“氧低气流”(the oxygen-reduced stream)或“低氧气流”(the reduced oxygen stream))。在 本发明一个实施方案中，空气分离器使用在本领域中称作“吸附法” 的方法来制备所述气流。

然后在送入燃烧装置之前，低氧气流可以与汽化液体燃料或液化 气体混合。由于汽化燃料需要足量的氧气以进行燃烧，因此通过将汽 化燃料与低氧气流(如混有低水平的氧气和适合水平的非可燃性氮气) 混合，可以防止或充分延缓汽化燃料的燃烧，从而避免自动点火。然 后，将燃料和低氧气流的混合物用作气态燃料送入燃烧装置中，在此 燃料/低氧气流可与氧源(例如，进气)混合而在发动机中燃烧。

在本发明一个实施方案中，空气分离器使用从涡轮压缩机供应的 压缩空气。可选择地或另外地，空气分离器可以使用从任何压缩空气 源供应的压缩空气。

在本发明一个实施方案中，空气分离器产生的富氧气流可被供应 至燃烧装置的燃料燃烧区的下游，以减少涡轮发动机的排放物。将富 氧气流供应至燃烧后排放物流中可降低燃烧装置产生的污染物，例如 通过促进废气流中未燃烧的燃料和/或一氧化碳的氧化。

在本发明一个实施方案中，空气分离器产生的富氧气流可被送入 燃烧装置以拓宽燃烧装置的使用范围。

许多液体碳氢化合物燃料适用于本发明。这些液体燃料或液化气 包括但不限于柴油机燃料、#2燃料油、汽油、高级碳氢化合物含量提 高的液化天然气、其它液化气(包括液化C2、C3、C4、C5等和易燃 性液体废物流(如制造过程中得到的废物流)。

在本发明一个实施方案中，通过混合适当比例的低氧气流，可以 控制以燃料气流质量或体积计的热值。这方便了燃料气例如通过现有 天然气燃料系统向燃烧装置的供应。

本领域所属技术人员通过考查下面的说明书或实施本发明，将更 加明白本发明的其它优点和新特征。

                      附图说明

图1(a)是本发明实施方案的方块图；

图1(b)和图1(c)是适用于图1(a)实施方案的不同类型燃烧室的方 块图；

图2是流程图，表明根据本发明实施方案的使用液体燃料或液化 气和燃烧装置的方法；

图3是根据本发明实施方案的配有液体燃料或液化气燃烧装置的 燃气轮机发动机的方块图；

图4是流程图，表明根据本发明实施方案的使用液体燃料或液化 气及燃气轮机发动机的方法；

图5(a)是根据本发明实施方案的配有液体燃料或液化气燃烧装置 的燃气轮机发动机的方块图；

图5(b)、(c)、(d)和(e)是图5(a)的燃气轮机发动机的各种燃烧室结 构的方块图；及

图6是流程图，表明根据本发明实施方案的使用液体燃料或液化 气及燃气轮机发动机的方法。

                      发明详述

结合优选的燃烧系统实施方案讨论本发明。列出具体细节，如燃 料类型和气流的氧含量，是为了更彻底地理解本发明。本文讨论的优 选实施方案不应被理解成限制本发明。此外，为容易理解，某些处理 步骤分成几步；然而，这些步骤不应被解释为截然分开或与其性能相 关。

本文中，“汽化”应被理解成不同于“气化”。气化是指如下过 程：通过使非气态燃料(如煤)与周围空气或富氧气流部分反应(例如燃 烧)，而将非气态燃料转化成气态燃料的过程。相反，由于存在相对于 周围空气而言氧含量降低的气流，所以在本发明的汽化过程中液体燃 料的反应基本上受到抑制。

本发明被认为特别适用于贫燃料预混预蒸发燃烧装置，因此主要 结合这一点进行讨论。然而，本发明不应理解成受到这种限制。例如， 本发明也可用于RQL(富燃料燃烧-快速淬熄-贫燃料燃烧 (rich-quench-lean))燃烧装置、部分预混合燃烧装置或扩散火焰燃烧装 置。

图1(a)是本发明一个实施方案的燃烧系统的方块图，其包括常用 燃烧室5(本文中也被称为“燃烧装置”)，用作燃烧液体燃料或液化气 的燃烧器，例如但不限于，涡轮发动机或火花点火或压缩点火发动机。 如图1(a)所示，液体燃料/液化气体汽化单元1与燃烧室5连接。低氧 汽化燃料流8从汽化单元1供应至燃烧室5。含氧气流9也供应至燃 烧室5，如空气源。在一个实施方案中，燃烧室5具有适当混合汽化 燃料流8与含氧气流9的作用。

汽化单元1包括低氧气流源2、液体燃料/液化气体源3(本文中也 称作“液体燃料”和/或“液化燃料”)和汽化器单元4。所述液体燃料 /液化气体汽化单元4混合并汽化分别来自所述液体燃料/液化气体源 3和所述低氧气流源2的供应流6和7。多种不同方法可被用于汽化 所述液体燃料流6和低氧气流2。混合和汽化的顺序并不重要。在某 些实施方案中，混合和汽化同时发生，如当低氧气流被预热至足以汽 化液体燃料的温度时。在其它实施方案中，在与所述低氧气流7混合 之前，所述液体燃料流6被部分或完全汽化，例如，通过加热液体燃 料。在某些实施方案中，在混合和汽化之前所述低氧气流7被加压和 /或加热。然后，通过与低氧气流混合而能避免自动点火的汽化燃料流 8被送入燃烧室5，用于在燃烧过程中使用。

在某些实施方案中，汽化燃料流8的温度需足够高，以使在输送 至燃烧室5的过程中，汽化燃料流8保持在露点以上。在另外的实施 方案中，如果汽化燃料流8在到达燃烧室5之前所必须经过的距离足 够短，从而没有足够时间发生明显冷凝，那么汽化燃料流8的温度可 以降至低于露点。在其它实施方案中，在汽化器4和燃烧室5之间加 热汽化燃料流8。

所述低氧气流源2产生氧含量相对于周围空气降低的气流，通常 含有约21％的O2。在本发明的某些实施方案中，低氧气流的氧含量低 于极限氧指数。极限氧指数(LOI)是局部环境中的氧浓度，低于该浓度 材料不支持燃烧，并随液体燃料不同而变化。LOI通常约为10％～14％， 对于多种高级碳氢化合物燃料而言约为13％。气流源2的氧含量降低 越大，自动点火受到的抑制越大。然而，需要更多功(即能量)来制备 低氧含量的气流。这种作功将降低系统的总效率。因此，在某些实施 方案中，气流源2的氧含量低至刚好足以抑制自动点火所需的量，可 以是高于或低于LOI。在本发明其它实施方案中，所述低氧气流源2 不含氧。在一些实施方案中，低氧气流源2供应的气体是惰性的；在 其它实施方案中，来自气流源2的气体含有碳氢化合物(例如甲烷和/ 或高级碳氢化合物)。

足以抑制自动点火所需的气流源2中的氧含量降低量取决于特定 应用，特别是取决于如下因素：如燃料质量、混合/汽化过程、汽化气 流到达燃烧室所经过的距离、汽化气流当其离开汽化器时的热度、在 燃烧之前低氧气流/燃料混合物在燃烧室中的热度、在燃烧室中从预混 合区到燃烧区的距离。

如上所述，图1(a)的燃烧室5可以是图1(b)所示的预混合燃烧室。 预混合燃烧室通常包括预混合区5b-1、主燃烧区5b-2、中间区5b-3 和稀释区5b-4。在预混合燃烧室中，低氧汽化燃料气流8被供应至预 混合区5b-1，并在那里与含氧气流9a(例如，空气)预混合。含氧气流 9a通常供应至其它区5b-2、5b-3、5b-4中的一些或全部中。在RQL 燃烧装置中，低氧汽化燃料气流8被供应至中间区5b-3。可选择地， 图1(a)的燃烧室5可以是图1(c)所示的扩散燃烧室，其包括主燃烧区 5c-1，中间区5c-2和稀释区5c-3。在常用扩散燃烧室中，低氧汽化燃 料气流8被供应至主燃烧区5c-1，并在那里在含氧气流9a存在下燃 烧。

图2是根据本发明一个实施方案的液体燃料/低氧气体汽化系统 的操作方法流程图。在步骤10中，低氧气流和来自液体燃料源的燃 料流都被供应至液体燃料汽化单元。在步骤11中，液体燃料汽化单 元混合并汽化供应流。汽化能量可由低氧气流或其它能源供应。然后 在步骤12中，通过与所述低氧气流混合而能避免自动点火的汽化燃 料流被供应至燃烧室。在步骤13中，所述燃烧室使用制得的液体燃 料/低氧气流和氧源来产生可燃烧的混合物。

本发明燃烧系统的另一个实施方案如图3所示。图3的燃烧系统 包括常规燃气轮机发动机14，其包括空气压缩机15(与助燃空气源相 连，图3未示)、燃烧室5(如上所述，其可以是预混合或扩散燃烧室)、 涡轮16和用于释放排放物的通道17。该涡轮发动机14可与任何装置 连接，例如，与发电机18或其它输出连接，如海军舰艇螺旋桨。在 此实施方案中，来自通道17的部分废气流20被用于将低氧气流供应 至液体燃料/液化气体汽化单元21。所述液体燃料/液化气体汽化单元 21与常规燃气轮机发动机14连接。该汽化单元21包括用于加压所述 通道废气流20的压缩机19、燃料汽化器4及液体燃料/液化气体源3， 其可以包括在所述单元21中或可选择地不包括在单元21内而是与其 相连。

图4是根据本发明实施方案的与涡轮一起使用的液体燃料/低氧 气体汽化系统的操作方法流程图。在步骤25中，低氧含量的涡轮废 气流被供应至压缩机。在步骤26中，所述压缩机加压燃气轮机发动 机废气流。在步骤27中，压缩机输出的低氧气流和液体燃料流被供 应至液体燃料汽化器。在步骤28中，将所述压缩机输出物与所述液 体燃料流混合，以汽化所述液体燃料。然后在步骤29中，将低氧的 汽化液体燃料流供应至燃气轮机发动机的燃烧室。

在某些优选实施方案中，所述涡轮发动机14是使用天然气的现 有贫燃料预混合装置，所述液体燃料3是高级碳氢化合物液体燃料。 除了上述自动点火问题外，第二个问题是由于在使用天然气的燃烧装 置中使用高级碳氢化合物燃料引起的，由于高级碳氢化合物燃料比天 然气具有更高的能量含量，因此使用天然气的发动机的燃料气分布和 定量系统通常需要改变以使用高级碳氢化合物燃料气。然而，在优选 实施方案中，气体汽化单元21被用于将低氧汽化燃料气供应至涡轮 发动机14，因此不需要改变发动机14的燃料气分布系统。这可通过 将汽化燃料与一定量的低氧气体混合，使得来自汽化器4的低氧汽化 燃料气的能量含量与天然气的能量含量相当来实现。根据发动机14 所用的燃料定量方法，所述能量含量可以体积或质量计。在其它实施 方案中，低氧燃料气的能量含量高于或低于天然气，燃料分布系统被 构造成用于燃烧这种能量含量较高或较低的气体。

举例来说，燃料气的热值约与气体分子中的碳原子数成比例。因 此，戊烷(C5H12)的热值约为天然气主要成分甲烷(CH4)的5倍。如果在 图3系统中使用液化戊烷作为液体燃料，则需要构造汽化器4以输出 以体积计包括一份汽化的戊烷气体和四份低氧气体的燃料气流，以便 用于配有定量甲烷的燃料气分布系统的发动机14。

图5a所示为本发明燃烧系统的另一个实施方案，其包括燃气轮 机发动机14，该燃气轮机发动机包括压缩机15、燃烧室5、涡轮16 和用于释放排放物的通道17。涡轮16可与发电机18或任何其它装置 连接，如海军舰艇螺旋桨。本发明一个实施方案的液体燃料/液化气体 汽化单元31与燃气轮机发动机14连接。在图5a所示的实施方案中， 单元31包括空气分离器32、辅助压缩机33、第二压缩机34、燃料汽 化器4和液体燃料/液化气体源3，其可以包括在单元31中或可选地 不包括在单元31内而是与其相连。

所述空气分离器32从发动机14的压缩机15吸入压缩空气流(或 其它来源的压缩空气流)，输出富氧气流41和低氧气流42，后者通常 相对空气而言含有大量氮气。各种空气分离器在本领域中是公知的。 在某些实施方案中，空气分离单元使用被称为吸附的方法来制备富氧 气流41和低氧气流42。在此实施方案中，空气流可被压缩至3个大 气压以利于分离。

在图5a的实施方案中，压缩富氧气流41，将压缩的富氧气流43 注入燃烧室5。所述低氧气流42被供应至辅助压缩机33，在那里加 压。然后，所得到的压缩的低氧气流45被供应至液体燃料/液化气体 汽化单元4。所述液体燃料/液化气体汽化单元4将来自所述液体燃料 /液化气体源3的液体燃料/液化气体物料6与压缩的低氧气流45在高 温下混合，以汽化液体燃料/液化气。所述压缩的低氧气流45和气体 物料6的混合比取决于液体燃料3和发动机14的结构。如上所述， 可以选择所述混合比将高级碳氢化合物液体燃料3用于燃烧天然气的 发动机14，而不改变发动机14的燃料分布系统。然后，将汽化燃料/ 低氧气流8供应至燃烧室5。

图6是根据本发明实施方案的用于涡轮的液体燃料/低氧气体汽 化系统的操作方法流程图。如图6所示，在步骤51中，在合适的阶 段中/合适的压力下从燃气轮机发动机的空气压缩机中抽出压缩空气， 用于空气分离单元中。在步骤52中，空气分离单元吸入压缩空气流， 并产生富氧气流和低氧气流。在一个实施方案中，在步骤53中富氧 气流被供应至第一辅助压缩机，在步骤54中第一辅助压缩机加压富 氧气流，然后在步骤55中加压的富氧气流被注入燃烧室。在某些实 施方案中，将富氧燃料流注入燃烧室5的火焰锋下游(例如，燃烧室(如 图5(b)和5(c)中所示的预混合燃烧室)的中间区或稀释区，或扩散燃 烧室)，以降低发动机14产生的污染物量。在其它实施方案中，富氧 燃料流与来自压缩机15的助燃空气混合，所述助燃空气被供应至如 图5(d)(预混合燃烧室)和图5(e)(扩散燃烧室)所示的燃烧室5的主燃 烧区中。这拓宽了燃烧室的操作范围，使燃烧可在低当量比下进行(即 贫燃料燃烧)，从而降低污染物如NOX的排放。在其它实施方案中， 富氧燃料流与来自压缩机15的空气简单混合，并供应至燃烧室的所 有区中。

在步骤56中，来自空气分离单元的低氧气流被供应至第二辅助 压缩机，在步骤57中，第二辅助压缩机加压所述低氧气流。然后在 步骤58中，将所得到的压缩低氧气流和来自液体燃料源的液体燃料/ 液化气流供应至液体燃料汽化单元。在步骤59中，所述液体燃料汽 化单元将供应的液体燃料/液化气流和所述压缩的低氧气流在高温下 混合，以汽化液体燃料/液化气体。在本发明一个实施方案中，调节低 氧气流和液体燃料/液化气体的混合程度，以适应各种液体燃料/液化 气的比热值和/或质量或体积流速规格。然后在步骤60中，例如通过 现有的涡轮用天然气燃料系统，将汽化燃料/低氧流供应至燃烧室。

如上所述，本发明的某些实施方案可以从液体燃料制备低氧燃料 气流，其可被供应至用于燃烧其它燃料如天然气的现有燃烧装置如燃 气轮机发动机中，而不用改变现有燃烧装置。这可通过将燃料气与惰 性低氧气流混合以保持燃料气的能量含量等于天然气的能量含量来 实现，根据燃烧装置所用的定量方法，所述能量含量以体积或质量计。 在大部分现有燃烧装置中，可以控制燃料气/助燃空气比，以使混合物 更贫燃料(lean)或少贫燃料。本发明其它优点在于，在相同条件下(即 相同温度、相同助燃空气(或其它含氧气体)供应等)，在当量比比甲烷 的当量比更低(更贫燃料)时，多种低氧的汽化高级碳氢化合物燃料可 以燃烧。例如，甲烷在空气中的最小当量比通常约为0.5，而多种高 级碳氢化合物燃料当在空气中的当量比约为0.45时可以燃烧。使用低 当量比可降低污染物如NOX的排放。如上所述，在其中通过将来自空 气分离器的富氧气流加到助燃空气流中来拓宽操作范围的实施方案 中，燃烧装置的操作当量比可以更低。

在本发明其它实施方案中，可以制备能量含量比天然气更高或更 低的低氧燃料气。在此实施方案中，如果使用用于燃烧天然气的燃烧 装置，那么燃烧装置的燃料分布/定量系统需要适当变化。

现在已结合上述优点说明了本发明实施例。可以理解，这些实施 例仅是说明本发明。本领域所属技术人员显然可以做出多种修改和变 化。

本申请要求于2002年10月10日提交的美国临时申请60/417,184 和2002年12月4日提交的60/430,653的优先权。在此引入这两个临 时申请的全部内容作为参考。