[發明專利]分級燃燒系統及方法

有效

• 申請號: 200910163530.7
• 申請日: 2009-08-19
• 公開（公告）號: CN101726004A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: J·D·布勞赫;E·伊爾馬茨;B·瓦拉塔拉揚
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F23R3/36
• 分類號: F23R3/36;F23R3/34;F23D14/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 朱鐵宏;劉華聯

聯邦資助研究聲明

本發明是在由能源部授予的合同號為DE-FC26-05NT42643的政 府資助下完成的。政府擁有本發明的一定權利。

技術領域

本發明的實施例涉及分級燃燒系統及方法。

背景技術

現有多種類型的燃氣渦輪機系統。例如，航改燃氣渦輪機用于諸 如發電、船舶推進、氣體壓縮、廢熱發電以及海洋平臺發電的應用場 合。燃氣渦輪機系統通常包括用于壓縮空氣流的壓縮機，將壓縮空氣 與燃料混合且點燃該混合物以產生工作氣體的燃燒器，以及用于使工 作氣體膨脹并發電的渦輪段。燃燒器通常與壓縮機和渦輪段同軸地設 置。

最大限度地減少燃氣渦輪機系統的燃燒器的排放物是有利的，該 排放物例如為氮氧化物(NO_x)、一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物。軸向 分級是減少這些排放物的一種方法。

即使進行軸向分級，也會在較高的火焰溫度下產生大量NO_x。NO_x的排放可通過降低火焰溫度和/或減少燃料在高溫區域中的停留時間 來減少。一氧化碳作為燃料與二氧化碳之間的中間產物而生成。與 NO_x的排放相比，較長的停留時間和較高的溫度促成了較低的一氧化 碳排放。分級燃燒器的初始火焰區域(或第一級)通常具有較低的火焰 溫度和較長的停留時間，以平衡NO_x和一氧化碳的要求。第二火焰區 域用于促使燃燒產物達到期望的最終溫度，同時最大限度地縮短在該 溫度的停留時間。通常，第二級噴射器位于溫度比第一級噴射器更高 的區域中。因此，第二級噴射器更易于受到熱破壞。有時，空氣、蒸 汽、氮氣或其它惰性氣體可在第二級中與燃料混合或共同噴射，以改 善熱管理和提供冷卻。

軸向分級還用于處理稱為燃燒動力或燃燒聲響的另一燃燒器問 題。燃燒動力由燃燒所放出的熱量與在燃燒器或燃料管線中產生的壓 力波之間的相互作用引起。在軸向分級中，燃燒動力的問題是通過使 燃燒在兩個區域上擴散以分離或減弱相互作用來解決的。

燃料的燃燒特性通常會限制軸向分級的燃燒器的設計選擇。例 如，慢反應速率可導致不完全燃燒以及一氧化碳和未燃燒的碳氫化合 物的排放。另一方面，過高的反應速率可導致火焰穩定(flameholding)， 在此情形中，第二級反應區定位成如此接近第二級噴射器致使其可能 遭受破壞。最終，第二級燃料與初級產物之間的不良混合除產生熱的 火焰區域外，還可加劇上述兩個問題，其中，熱的火焰區域會產生較 高的NO_x、穩定性較差的火焰以及其它問題。通常，一種或多種稀釋 劑或空氣可添加到燃料中或噴射到分級燃燒器中的燃料附近，以增大 噴射燃料的動量來增強混合過程。

通常，軸向分級的燃燒器通過將來自于貧燃級或第一級的熱能傳 遞給富燃級或第二級來進行工作，以便促進部分氧化反應。這些級之 間的熱交換用于促進在具有兩當量比中較高的級中進行的部分氧化 反應。熱交換可通過如下中的一者或多者而得以促進：將兩個級的燃 燒氣體直接混合，或用于在氣體產物實際上不混合的情況下傳遞熱能 的機構，或將蒸汽引入其中的一個級或兩個級中。

發明內容

所期望的是軸向分級的燃燒系統有更大的設計靈活性，以及減少 這種燃燒系統中的不希望有的排放。

簡而言之，根據本文所公開的一個實施例，一種分級燃燒系統包 括：用于供送具有第一化學成分的第一燃料的第一燃料源；用于噴射 第一燃料的第一噴射器；用于供送具有第二化學成分的第二燃料的第 二燃料源，其中，第一化學成分中的氫氣、一氧化碳、碳氫化合物或 兩種或多種碳氫化合物的組合中的一種或多種的相對反應濃度與第 二化學成分中的不同；以及定位成用于在第一噴射器下游噴射第二燃 料的第二噴射器。

在另一個實施例中，提供了一種構造成用以將具有不同化學成分 的兩種或多種燃料單獨地引入燃燒器的兩個或多個級中的分級燃燒 器，其中，第一化學成分中的氫氣、一氧化碳、碳氫化合物或兩種或 多種碳氫化合物的組合中的一種或多種的相對反應濃度與第二化學 成分中的不同。