[发明专利]分级燃烧系统及方法

说明书

联邦资助研究声明

本发明是在由能源部授予的合同号为DE-FC26-05NT42643的政 府资助下完成的。政府拥有本发明的一定权利。

技术领域

本发明的实施例涉及分级燃烧系统及方法。

背景技术

现有多种类型的燃气涡轮机系统。例如，航改燃气涡轮机用于诸 如发电、船舶推进、气体压缩、废热发电以及海洋平台发电的应用场 合。燃气涡轮机系统通常包括用于压缩空气流的压缩机，将压缩空气 与燃料混合且点燃该混合物以产生工作气体的燃烧器，以及用于使工 作气体膨胀并发电的涡轮段。燃烧器通常与压缩机和涡轮段同轴地设 置。

最大限度地减少燃气涡轮机系统的燃烧器的排放物是有利的，该 排放物例如为氮氧化物(NO_x)、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。轴向 分级是减少这些排放物的一种方法。

即使进行轴向分级，也会在较高的火焰温度下产生大量NO_x。NO_x的排放可通过降低火焰温度和/或减少燃料在高温区域中的停留时间 来减少。一氧化碳作为燃料与二氧化碳之间的中间产物而生成。与 NO_x的排放相比，较长的停留时间和较高的温度促成了较低的一氧化 碳排放。分级燃烧器的初始火焰区域(或第一级)通常具有较低的火焰 温度和较长的停留时间，以平衡NO_x和一氧化碳的要求。第二火焰区 域用于促使燃烧产物达到期望的最终温度，同时最大限度地缩短在该 温度的停留时间。通常，第二级喷射器位于温度比第一级喷射器更高 的区域中。因此，第二级喷射器更易于受到热破坏。有时，空气、蒸 汽、氮气或其它惰性气体可在第二级中与燃料混合或共同喷射，以改 善热管理和提供冷却。

轴向分级还用于处理称为燃烧动力或燃烧声响的另一燃烧器问 题。燃烧动力由燃烧所放出的热量与在燃烧器或燃料管线中产生的压 力波之间的相互作用引起。在轴向分级中，燃烧动力的问题是通过使 燃烧在两个区域上扩散以分离或减弱相互作用来解决的。

燃料的燃烧特性通常会限制轴向分级的燃烧器的设计选择。例 如，慢反应速率可导致不完全燃烧以及一氧化碳和未燃烧的碳氢化合 物的排放。另一方面，过高的反应速率可导致火焰稳定(flameholding)， 在此情形中，第二级反应区定位成如此接近第二级喷射器致使其可能 遭受破坏。最终，第二级燃料与初级产物之间的不良混合除产生热的 火焰区域外，还可加剧上述两个问题，其中，热的火焰区域会产生较 高的NO_x、稳定性较差的火焰以及其它问题。通常，一种或多种稀释 剂或空气可添加到燃料中或喷射到分级燃烧器中的燃料附近，以增大 喷射燃料的动量来增强混合过程。

通常，轴向分级的燃烧器通过将来自于贫燃级或第一级的热能传 递给富燃级或第二级来进行工作，以便促进部分氧化反应。这些级之 间的热交换用于促进在具有两当量比中较高的级中进行的部分氧化 反应。热交换可通过如下中的一者或多者而得以促进：将两个级的燃 烧气体直接混合，或用于在气体产物实际上不混合的情况下传递热能 的机构，或将蒸汽引入其中的一个级或两个级中。

发明内容

所期望的是轴向分级的燃烧系统有更大的设计灵活性，以及减少 这种燃烧系统中的不希望有的排放。

简而言之，根据本文所公开的一个实施例，一种分级燃烧系统包 括：用于供送具有第一化学成分的第一燃料的第一燃料源；用于喷射 第一燃料的第一喷射器；用于供送具有第二化学成分的第二燃料的第 二燃料源，其中，第一化学成分中的氢气、一氧化碳、碳氢化合物或 两种或多种碳氢化合物的组合中的一种或多种的相对反应浓度与第 二化学成分中的不同；以及定位成用于在第一喷射器下游喷射第二燃 料的第二喷射器。

在另一个实施例中，提供了一种构造成用以将具有不同化学成分 的两种或多种燃料单独地引入燃烧器的两个或多个级中的分级燃烧 器，其中，第一化学成分中的氢气、一氧化碳、碳氢化合物或两种或 多种碳氢化合物的组合中的一种或多种的相对反应浓度与第二化学 成分中的不同。