[发明专利]稀薄燃料吸入燃气涡轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，其利用例如来自煤矿提取的煤矿瓦斯（CMM）或填埋场中生成的垃圾填埋气等低BTU气体燃料。

背景技术

过去，已知一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，其吸入甲烷浓度低于其可燃性极限的BTU气体，从而燃烧甲烷成分。根据该燃气涡轮发动机，通过压缩机压缩具有低浓度甲烷的工作气体，以生成压缩气体。通过催化燃烧器经由催化反应燃烧压缩气体，以生成燃烧气体。然后利用燃烧气体来驱动涡轮。然后将从涡轮中排出的压缩气体运输到再生器或热交换器中，用于对从压缩机运输到催化燃烧器的压缩气体进行预热。在连接于涡轮的出口与发生器的进口之间的排气通道中设置有管道燃烧器，在该管道燃烧器中引入例如天然气的燃料并且在废气具有低温的起动或低负荷操作时使其燃烧。这增加了废气的温度，从而充分地加热从压缩机供应到再发生器中的压缩气体，因此，活化催化燃烧器并且由此以有效的方式驱动发动机。参见JP 2010-19247(A)。

燃气涡轮发动机能够利用从煤矿中排出的具有低浓度甲烷的低BTU气体的VAM（Ventilation Air Methane）。VAM具有仅1%或更低的甲烷浓度。因此，VAM通常未经燃烧就被排放到空气中。然而，利用VAM作为用于通过燃气涡轮发电的燃料，能够获得一定量的二氧化碳排放权。

对于上述燃气涡轮发动机，因为管道燃烧器安装在涡轮出口处的排气通道内，由于来自涡轮的废气即使在管道燃烧器关闭的额定操作中也会遍及该通道，因此会造成压力损耗和发动机的输出降低。此外，无法控制燃烧空气至管道燃烧器的流量，使得在催化燃烧器中的催化剂劣化的情况下难以对管道燃烧器再点火。而且，因为管道燃烧器安装在排气通道内，所以该通道以及最终的燃气涡轮的尺寸应该比较大。

本发明的目的是提供一种稀薄燃料燃气涡轮发动机，其具有小尺寸的燃气涡轮，同时不会引起发动机输出功率的任何降低或排气系统中的任何压力损耗。

发明内容

为此，该稀薄燃料燃气涡轮发动机包括：压缩机，用于压缩工作气体以生成压缩气体，该工作气体的可燃成分的浓度小于其可燃性极限；催化燃烧器，用于在容纳其中的催化剂的协助下通过催化反应燃烧压缩气体以生成燃烧气体；涡轮，适于由从催化燃烧器供应的燃烧气体驱动；再生器，用于通过从涡轮经由排气通道供应到再生器的废气对从压缩机供应到催化燃烧器的压缩气体进行加热；燃烧器，用于燃烧从压缩机中抽出的气体与燃料以生成加热气体并将加热气体供应到排气通道中；以及阀，用于控制被供应到燃烧器的抽出气体的量。

根据该燃气涡轮发动机，通过压缩机对可燃成分的浓度低于其可燃性极限的工作气体进行压缩，以生成压缩气体。在催化燃烧器中经由催化反应燃烧压缩气体，以生成用于驱动涡轮的高温燃烧气体。当催化燃烧器的进口温度小于用于起动催化反应所需的温度时，例如，在起动或低负载操作期间，加热燃烧器通过燃烧燃料与从压缩机中抽出的气体的混合物来生成加热气体，该加热气体被供应到排气通道中以加热废气。然后将经加热的废气与来自压缩机的压缩气体在发生器进行热交换。经加热的压缩空气增大催化燃烧器的进口温度，以活化催化燃烧，其保证高温燃烧气体至涡轮的稳定供应。而且，加热燃烧器设置在排气通道的外侧，因此不会导致排气系统中的压力降低以及发动机的性能劣化。此外，利用具有较低燃料浓度或甲烷浓度的诸如CMM、VAM或垃圾填埋气等稀薄气体来驱动燃气涡轮发动机或利用催化反应在燃烧器不被活化的额定操作中不生成NOx，并确保减少甲烷气体的排放，从而有助于防止全球变暖。

此外，加热燃烧器不设置在排气通道中，因此不会导致排气系统的压力损耗或发动机的性能劣化，并且确保发动机的高效运转。而且，在排气通道中不设置加热燃烧器，因此不会导致通道或燃气涡轮发动机的扩大。而且，抽气阀控制抽出气体至加热燃烧器的量，因此确保燃烧器的再点火中对抽出气体的适当控制，从而生成一定量的燃烧器所需的加热气体。这促进燃烧器的点火。

在优选实施方式中，抽气阀适于连续地增大或减小被供应到加热燃烧器的抽出气体的量。根据该实施方式，通过抽气阀连续控制被供应到加热燃烧器的抽出气体的量。这样可保证被供应到加热燃烧器的抽出气体和燃料的量，因此，可以以可靠的方式控制来自燃烧器的加热气体的流量和温度。这使得催化燃烧器的进口温度能够以稳定的方式被控制。