[发明专利]燃气轮机装置及减少其氧化氮排放量的方法

说明书

本发明一般涉及减少燃气透平燃烧室中的NOx生成物，尤其涉及通过将小部分燃烧空气混入在燃烧室预混合区上游的燃料管内来减少NOx排放量。

在燃气透平燃烧室中广泛采用碳氢化合物作为燃料。由于其特别广泛地存在，对于固定式发电系统，天然气是一种特别吸引人的燃料。然而，碳氢化合物燃烧的排放物却引起许多环境问题，诸如酸雨、臭氧层损耗及“温室”效应。出于对环境质量日益增长的关注的一份责任，要求把污染大气的燃烧付产品减至最少。氮的氧化物(NOx)是特别不希望有的付产品。

在燃烧期间，NOx部分地是由大气中的氮和氧原子之间的反应生成的。由于这些反应的高活化能量，在低于大约1800°K至1900°K的温度下NOx的生成量是不明显的。为在常规的(非预燃式)燃烧室中控制NOx，已采用了喷水或喷蒸汽，以避免出现高温。按这一方法，喷射的水或蒸汽吸收热量，使峰值温度降至NOx生成门槛值以下，从而减少NOx生成量。然而，这种利用水和蒸汽的方法是昂贵的，能造成腐蚀，并能增加一氧化碳的排放值。另一方法通过将氨基加热去除NOx物质(ammonia-based thermal deNOx)喷入废蒸汽内来使NOx减至最少程度，但这种方法从基本设备与制氨的观点来看是非常昂贵的。

气态碳氢化合物的稀薄预混合燃烧是种有吸引力的方法，因为它提供了较干净的燃烧，无需对废气进行燃烧后的处理。一般来说，稀薄预混合燃烧是借助于在稳定火焰的紧接上游(在燃烧室的预混合区)使燃料和空气进行预混合以形成一种处于化学计量的稀薄侧的混合物来完成的。这种预混合的作用是要使混合物燃烧的温度降低，并且希望降至最低，这样便减少了对温度敏感的NOx生成量。总的说来，混合物越稀薄，燃烧温度就越低。

工业上所用的燃烧室的预混合区通常不能使气体燃料和空气完全混合，从而使NOx值偏高。人们一直在借助于几何形状和流型的改变来努力改进预混合器内的燃料与空气的混合。然而，实际的结构却受到诸如允许压降极限和空间局限因素的限制。尽管对预燃器结构作了种种改进，然而不完全混合总是存在。不完全混合导致在稀薄预混合燃烧期间燃料浓度值不均匀和波动。这种不均匀和波动导致NOx生产物增加，因为NOx生成随燃料浓度呈非线性增长。例如，在平均燃料浓度以上的波动所增加的NOx比在平均燃料浓度以下的相同波动所降低的NOx为多。其净结果是由波动产生的NOx比在燃料浓度恒定时燃烧产生的NOx为多。同样地，不均匀的平均燃料温度分布造成更多的NOx。

日本专利申请公开号02040417A公开了一种采用低热值气体燃料燃烧的燃气轮机燃烧器。文中介绍了将一种低热值的气化的煤燃料通过一个燃料流率控制阀17引入一个旋转喷射装置13的离心式燃料喷射器15。在途中，通过一个预混合装置18将燃料跟一部分供应到燃料进料通道14的、作为氧化剂的燃烧空气进行预混合。余下的燃烧空气通过空气供应管道20输送并分成燃烧一次空气和燃烧二次空气。该燃烧一次空气通过燃烧进料通道15排放入燃烧室12内。另一方面，经预混合的燃料通过离心式燃料喷射器14喷入燃烧室12内，并与燃烧一次空气混合，从而产生燃烧气体。燃烧二次空气供应给燃烧气体使得第二阶段的燃烧尽可能使未燃烧的混合燃料达致完全燃烧。但是，这种装置不能保证均匀的以及波动小的燃料浓度值，因而不能保证降低NOx的排放量。

因此，本发明的目的是提供一种燃气轮机装置，通过把燃料-空气可燃混合物的燃料浓度值的波动和不均匀度降至最低的方式来减少NOx排放物。

更具体地说，本发明的目的是借助于使小部分空气跟预混合级上游的燃料进行预混合来减少稀薄预混合燃烧中的NOx排放量。

本发明的另一个目的是提供一种减少NOx的方法，这种燃烧方式不管燃烧室结构如何，而且不需要对燃烧室作重大修改都可以应用。

为此，本发明提供一种燃气轮机装置，它具有一个燃烧室及一空气进口管和一燃料管，该燃烧室包括一燃烧区和一位于所述燃烧区上游并通过一个火焰稳定器与所述燃烧区分开的预混合区，其中所述的预混合区包括第一和第二输入口，所述的燃料管连接到第一输入口，以及空气进口管连接到第二输入口；还设有用来将一部分输入空气从空气进口管分出并输入到位于预混合区之上游的燃料管的装置，其中空气与燃料在喷入到所述燃烧室的预混合区之前进行混合，以减少NOx的生成量。