[发明专利]使用OH基形成及用氢燃料分级和稀释剂添加以减小氧燃料烃燃烧系统中的CO和O2排放

说明书

技术领域

本发明涉及在发电厂中使用的气体和液体燃料涡轮发动机，并且特别地涉及用于工业燃气涡轮发动机中的改进燃烧器设计，所述燃烧器使用氢燃料分级(staging)和稀释剂给料提供减小的二氧化碳和氧排放以便控制OH基的形成和燃烧废气(exhaust)中的CO。

背景技术

燃气涡轮发动机典型地包括压缩器部段、燃烧器部段以及旋转以生成电力的至少一个涡轮机。压缩器直接排出到燃烧器部段中，在所述燃烧器部段中烃燃料被喷射、混合并且燃烧以产生热能和动能。燃气通过通道进入并且通过涡轮机的一级或多级，所述涡轮机的一级或多级提取来自废气的旋转能量，所述旋转能量然后用于生成电力。

为了获得最大工作效率，燃气涡轮机燃烧系统(特别是使用“多罐(multiple can)”燃烧器设计的燃气涡轮机燃烧系统)在不同燃料组分、压力、温度和燃料/空气比率条件的宽范围上操作，优选地能够使用液体或气体燃料或燃料的组合(被称为“双火(dual fire)”系统)。用于燃气涡轮机燃烧器中的许多候选烃燃料包含倾向于抑制燃烧和/或减小系统的能力和效率的有害污染物和/或其它过程的副产物。另外，许多现有的燃气涡轮机系统倾向于在略富模式(rich mode)下操作，即，略小于燃烧整个烃燃料混合物所必需的给料中的氧的精确化学计算量，导致燃料的至少一些不完全燃烧，并且因此导致一定量的一氧化碳和氧必然存在于废气中。因此，在常规燃气涡轮机系统中，燃烧产物总是包含由额定燃烧温度下的平衡化学(equilibrium chemistry)产生的CO和少量过量氧，甚至具有分解成CO和O₂的一些CO₂燃烧产物。

另外，不能在多数燃气涡轮发动机中获得燃料和空气的完美混合，导致存在于给料中的一些氧不与烃燃料反应。因此，来自多数燃气涡轮机燃烧器(特别是多罐燃烧器)的最后产生的废气流主要包括N₂和CO₂，但是在设计上仍然包含残余量的CO和O₂，所述残余量的CO和O₂最终必须在下游操作中被去除或反应以便保持期望的燃气涡轮机总效率。

从常规燃气涡轮发动机的废气流去除过量的CO和O₂的一种已知解决方案使用催化剂系统，其中燃烧产物穿过发动机的涡轮机部段并且然后穿过热回收蒸汽发生器(“HRSG”)，废气流的一部分由氧化催化剂处理，所述氧化催化剂在HRSG中的较低温度下改变CO和O₂和CO₂之间的平衡并且强制微量的CO和O₂转化为CO₂，导致更环境友好的废气流，即，具有CO₂和更低的氧含量。然而为了使催化剂接近零氧和CO含量，足够量的CO必须存在以消耗废气中的所有O₂。

考虑到多数燃气涡轮机操作的实际性(即，在每个燃烧器罐中的略富燃烧环境)，已知废气中的过量CO对总体发动机操作具有副作用，原因是CO的能含量(energy content)将不完全被捕获，最终导致系统的效率惩罚。因此，在燃气涡轮机工业中最小化并且小心地控制由每个“罐”中的燃烧产生的废气流中的过量CO的量并且检测和控制离开燃烧器的CO含量已变得重要。

已知燃气涡轮机领域中的两个附加实际特性导致需要控制形成于涡轮机废气中的CO的量。首先，燃气涡轮发动机的燃料与空气的比率受到有限控制限制，原因是控制给送到每个燃烧器的燃料的精确量的能力仅仅是有限的。其次，单独的燃烧器可能用略微不同的燃料与空气的比率进行操作，导致在逐罐基础上的排放的微小变化。燃烧器的那些附加基本设计特征造成需要使用微小量的过量燃料以操作燃气涡轮发动机并且产生适量的CO，使得最终使用催化处理消耗和/或消除仍然存在于废气中的所有(或几乎所有)氧。在过去，难以控制在初始燃烧期间产生的CO的精确量，特别是在逐罐的基础上。

因此，需要一种燃烧系统，当操作先进、高效燃气涡轮发动机时所述燃烧系统依赖于略富、但是足够稀(lean)的烃燃料和空气的混合物产生空气污染物(特别是CO)的低排放。也需要小心地预测并且控制在初始燃烧期间在每个罐中形成的CO的量，以便最大化整个发动机的工作效率，包括任何下游催化处理操作。