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。所述涡轮还可以驱动压 缩机。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。
所述压缩机15具有压缩气体输出,所述压缩气体输出可以被供 应至所述空气分离器32。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,可以从所述压缩机的中 间阶段
抽取压缩空气并将其送入所述空气分离器。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N0X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。