[发明专利]二甲醚燃料和在干式低NOx燃烧系统中产生动力的方法

说明书

发明领域

本发明涉及产生动力的方法。更具体地说，本发明涉及在涡轮机的干式低NO_x燃烧系统中，使用二甲醚燃料组合物产生动力的方法。

相关技术简述

众所周知，在燃气轮机—燃烧器的燃烧器中使用烃类燃料。空气和燃料一般加入燃烧室，在燃烧室中，在空气存在下，燃料燃烧产生热烟气。然后热烟气加入涡轮机，在涡轮机中冷却和膨胀产生动力。燃料燃烧产生的副产物一般包括在环境方面有害的毒物，例如氧化氮和二氧化氮(总称为NO_x)、CO、未燃烧的烃类(例如甲烷和促进大气臭氧形成的挥发性的有机物)和包括硫的氧化物(例如SO₂和SO₃)的其它的氧化物。

影响方法的总效率的许多可变因素是特定的燃料组成、空气量、燃烧系统的具体类型和工艺条件。除了使方法的总效率最高外，能够使作为燃料燃烧的副产物所产生的在环境方面有害的毒物的量减至最小是非常重要的。

在燃料燃烧中，有两个NO_x排放源。在燃烧器的火焰中大气氮的固定(称为热NO_x)是NO_x排放的第一个源。燃料中氮(称为燃料结合的氮)的转化是NO_x排放的第二个源。通过适当的选择燃料的组成和燃烧后烟气的处理，可以控制燃料结合的氮产生的NO_x量。产生的热NO_x的量是燃烧器的火焰温度和燃料混合物在火焰温度下所处的时间数量的指数函数。每一种空气—燃料混合物都有一特征的火焰温度，该特征温度是燃烧器中燃烧的空气—燃料混合物的空气与燃料的比率的函数(以当量比表示，Φ)。因此，产生的热NO_x的量是取决于具体空气—燃料混合物的停留时间和当量比。当量比(Φ)按下式比率定义：

          Φ＝(m_f/m_o)_实际/(m_f/m_o)_化学计量

式中m_o是氧化剂的质量，m_f是燃料的质量。

当火焰温度是等于化学计量的绝热的火焰温度时，在当量比为1.0下产生NO_x的速率是最高的。在化学计量的情况下，燃料和氧气完全消耗。通常，NO_x产生的速率随当量比的减少而减少(即当量比小于1.0和空气—燃料混合物是贫燃料)。在当量比小于1.0下空气多，因此有比化学计量燃烧所要求多的氧可利用，这就产生了低火焰温度，减少了产生的NO_x量。但是，由于当量比的降低，空气—燃料混合物变成很贫的燃料，火焰将燃烧不好，或变成不稳定和吹灭。当当量比大于1.0时，燃料相对于可用于燃烧的氧过剩(富燃料混合物)。这也产生低于绝热火焰温度的火焰温度，又导至NO_x形成的显著降低。

为了适应贫燃料混合物和避免不稳定火焰的存在和火焰吹灭的可能性，已经开发出了一些燃烧器，在这些燃烧器中，在低负荷时仅允许一部分火焰区空气与燃料混合。这些燃烧系统在本技术领域内被称为“干式低NO_x燃烧器”(下文缩写为“DLN”)系统，例如是由GeneralElectric Company和Westinghouse制造的燃烧器系统。除了给用户提供上述的可操作性效益外，DLN系统也使产生的NO_x、CO和其它的污染物减至最少。

DLN燃烧器一般称为分段型燃烧器，在开始运行期间，或在低负荷时，在燃烧器的火焰区的一部分中，空气与燃料混合。有两种分段型的燃烧器：燃料分段型和空气分段型。在它们的最简单构型中，燃料分段型燃烧器有两个火焰区，每一区都接收燃烧器空气流的一不变的部分。在两区之间，燃料流按这样的方式划分，即在各操作模式下，加入一个段的燃料量与该段可利用的空气量相匹配。反之，空气分段式燃烧器使用一驱动机构，在低负荷时，把燃烧器的一部分空气流从火焰区推到扩散区，以提高负荷。这两种分段类型的燃烧器可以组合成一单一的系统。