[发明专利]电加热的催化燃烧器

说明书

本公开涉及一种包括具有催化燃烧器的回热气体涡轮发动机的系统及其操作方法，该催化燃烧器包括：(a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和(b)下游催化剂区段，其中该上游区段和该下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。

技术领域

本公开涉及用于点燃和控制催化燃烧室中、尤其是回热气体涡轮发动机的燃烧室内的空气/燃料混合物的装置和方法，其中此类发动机可用于功率发生和推进应用。

背景技术

气体涡轮用于固定应用和移动应用两者，以用于在陆地、海洋和空中进行功率发生和车辆推进。减少来自所有类型的热发动机的有害排放废气的需求是公认的，并且许多解决方案的基本部分是更高效且更清洁的燃烧系统。在气体涡轮发动机领域，出现了用于液体燃料和气态燃料的燃烧技术，诸如干式低NOx(DLN)燃烧、富油-淬熄-贫油(RQL)燃烧和催化燃烧。催化的解决方案对于氮氧化物的还原仍然是不可超越的，但通常需要某种形式的预燃烧器来维持催化剂高于起燃温度，从而损害排放性能。

在地面运输领域，正在向电气化和“零排放”车辆发展，产生了对用于混合动力和增程式电动车辆的小型超净发动机的需求。具有排放后处理的活塞发动机不能匹配配备有催化燃烧器的气体涡轮的近零NOx性能，也不能匹配具有DLN或RQL燃烧器的气体涡轮的近零NOx性能。DLN燃烧器通常可实现约8ppm至10ppm的NO_x，而催化燃烧的涡轮将产生约1ppm至2ppm的NO_x读数，并且这通常归因于燃料携带的氮，使得催化燃烧器基本上为零NO_x。因为回热气体涡轮以比简单循环气体涡轮更贫的燃料/空气混合物运行，所以它们可实现更低的CO排放和未燃烧烃类排放。出于这些原因，当燃烧HC燃料时，回热气体涡轮和催化燃烧的组合提供近零排放(不包括H₂O和CO₂)。

通常，一旦达到稳态操作条件，催化燃烧系统就非常有效地减少由不完全燃烧引起的非期望排放的量。然而，在涡轮或发动机的初始启动期间，排放的量可能高于期望极限。非期望排放的量在启动条件期间通常较高，是因为催化燃烧是依赖于温度的，在较高温度下更高效，并且在启动期间，催化剂不在其最有效的温度下。已经采用了多个策略来解决这个问题，但每个策略在复杂性或有效性方面都是不足的。催化燃烧器的实现方式相对复杂。

回热气体涡轮诸如凯普斯通(Capstone)增程器使用DLN燃烧器，并且当以天然气操作时实现低于10ppm的NO_x排放。在液体燃料的情况下实现类似排放，但仅添加空气辅助雾化喷嘴，这需要添加单独的空气压缩机。

预压缩机燃料喷射在具有常规(非催化)燃烧器的气体涡轮中是不可行的，因为空气/燃料比太贫而不能维持燃烧。燃料通常以使得局部富油区支持连续燃烧的方式喷射到压缩机之后的室中，尽管全局空气/燃料比太贫而不能支持燃烧。另一方面，催化燃烧器可以非常贫的空气/燃料比维持燃烧，使得可在气体涡轮中完全预混合燃料和空气。这使得提供简化和成本降低的新型燃料系统成为可能。

US 6,302,683公开了一种系统，其中两种催化剂与被加热(包括电加热)的上游催化剂串联联接。应注意，上游单元仅用于启动模式，并且可比下游单元小得多。这减少了系统的电功率需求，但产生了附加复杂性和体积，因为需要两个催化剂芯部之间的锥形扩散器区段。

本公开解决了现有技术的缺陷中的至少一些缺陷。

发明内容

本公开涉及一种采用催化燃烧的回热气体涡轮发动机系统。更具体地，本公开涉及一种具有催化结构的燃烧器，该燃烧器可在涡轮或与其一起使用的任何其他系统启动之前被电加热到预定温度，以便降低复杂性并在系统启动期间实现减少的排放。电加热可通过以下方式实现：a)电阻元件；b)磁感应涡电流；或c)高频电磁加热(微波)。

在一些方面，包括催化燃烧器的系统包括：

(a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和