[发明专利]用于减少NOx排放的改进系统和方法

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及一种用于在发电系统中减少排放的系统，该系统利用富 集氢气的燃料气体来减少燃气轮机废气的排放。

背景技术

[0002]世界范围内的空气污染已使得排放标准更为严格。这些标准规定了 由燃气涡轮发动机操作生成的氧氮化物、未燃烧烃类(UHC)、和一氧化碳(CO) 的排放。尤其是在燃气涡轮发动机操作期间由燃烧室内高火焰温度形成的氧化 氮。

[0003]在燃气轮机的燃烧室内使用烃类燃料是现有技术所公知的。一般来 说，空气和燃料被提供到燃烧室中，在这里燃料在空气存在的情况下燃烧产生 热烟道气体。然后将所述的热烟道气体提供给涡轮机，热烟道气体在涡轮机中 冷却并膨胀从而产生动力。所述燃料燃烧的副产品一般来说包括环境上有害的 毒素，如氧化氮和二氧化氮(统称为NO_x)、CO、UHC(例如有助于大气臭氧 形成的甲烷和挥发性有机物)、及其他氧化物，包括硫氧化物(例如SO₂和SO₃)。

[0004]在燃料燃烧过程中排放的NO_x有两个来源。燃烧室火焰导致的空气 氮的固定(称为热NO_x)是NO_x的主要来源。在燃料中的氮的转化(称为燃料 结合氮(fuel-bound nitrogen))是NO_x排放的次要来源。从燃料结合氮产生的 NO_x的量是能够通过选择合适的燃料组成和后燃烟道气处理来控制的。正如所 有的循环加热引擎一样，较高的燃烧温度意味着更大的功率。然而，由较高燃 烧温度引起的问题是产生热NO_x的量。热生成的NO_x量是燃烧室火焰温度和燃 料混合物处于火焰温度时间数据的指数函数。每种空气燃料混合物具有一个特 征火焰温度，该特征火焰温度是在燃烧室燃烧的空气燃料混合物的空气对燃料 比(表示为当量比(equivalence ratio)，)的函数。因此，生成的热NO_x的量 取决于特定空气燃料混合气的停留时间、压力和当量比。所述的当量比() 是由以下的比值定义的：＝(mf/mo)实际的/(mf/mo)化学计量的，其中“mo” 是氧化剂的质量，“mf”是燃料的质量。

[0005]当当量比为1.0时生成NO_x的速率最高，此时火焰温度等于化学计 量下的绝热火焰温度。在化学计量条件下，燃料和氧气充分反应。一般来说， NO_x生成的速率随当量比减小而减小(即当量比小于1.0且空气燃料混合物是 贫燃料的)。在当量比小于1.0时，空气更多因此有比按化学当量计算燃烧所需 要的更多的氧气参与反应。这样导致较低的火焰温度，随之减少NO_x的生成量。 然而，当当量比减小时，空气燃料混合物变成非常贫燃料，火焰将不能较好的 燃烧，或者可能变得不稳定和熄灭。当当量比大于1.0时，会有超过能与可反 应氧燃烧的大量的燃料(富燃料混合物)。这也会导致比所述绝热火焰温度低 的火焰温度，和随之导致生成NO_x量明显减少，然而燃料被损耗使得这样的系 统造价高并且低效。

[0006]现有技术中的发电系统采用在气体涡轮机使用氢气富集流，通过降 低火焰温度和增强可操作性来减少NO_x生成。氢气的生产是昂贵的，然而，这 样的发电系统往往在低于最佳效率的情况下运行。需要一种方法使得在发电系 统中通过使用氢富集流来减少NO_x的排放量，同时电力和氢都处于较低的生产 成本，从而达到增加系统效率和改进操作性的目的。

[0007]相应地需要一种改进的发电系统，使用富集氢气的燃料气体来减少 燃气轮机的排放而在燃气轮机运行中效率又不会损失。

发明内容

[0008]本发明公开了在发电系统中用于降低有害物质排放的系统和方法。 在一个具体实施方式中，一种用于降低NO_x排放的系统，包括配置用于接收燃 料和产生氢气富集流的重整装置，配置用于燃烧氢气富集流和产生电力及排出 气流的燃烧装置，和配置用于从排出气流回收热量的同流换热器，其中回收的 热量循环返回到所述的重整装置中。