[发明专利]带预燃室且氮氧化物排量低的燃气涡轮催化燃烧室

说明书

本发明涉及用以使燃气涡轮的氮氧化物（NO_x）排放物还原的装置和方法，尤其涉及在燃气涡轮的整个工作范围内用以使带有预燃室的燃气催化燃烧系统内的NO_x还原的装置和方法。

正如在我的在先申请的美国专利第4845952中说明的那样，燃气涡轮的许多制造厂家的目的包括要使燃气涡轮在高效率下进行工作而不产生不希望有的空气污染排放物。通常用于燃气涡轮的常规燃料在燃烧时一般会产生氮的氧化物、一氧化碳、和未燃烧的碳氢化合物。

NO_x化合物是通过氮在通常在燃气涡轮的燃烧室中出现的高温下的空气中的反应产生的。通过降低燃烧室中的最大火焰温度，例如，通过引入蒸汽可以减少NO_x的形成。不过，这样会使热力效率受到损失和使投资费用增加。众所周知，在燃气涡轮燃烧系统的反应区内使用燃烧催化剂是要促使贫的预混合燃料和空气完全燃烧以便使空气污染排放物的水平降到最低。在较低温度下出现的催化燃烧不足以产生在较高温度下出现的氮和氧的反应中所生成的NO_x。不过，应当理解到，当燃烧室进口空气温度和燃烧系统两端之间的温升太低以致不能支持催化反应的时候，可以使用扩散火焰预燃室来获得催化反应点火。也就是说，在燃气涡轮的整个工作范围内不能单独采用催化燃烧，因为进口空气温度和燃烧系统两端之间的温升太低以致在燃气涡轮的点火、加速和在燃气涡轮载荷范围的下端下的运转的过程中不能起燃和维持预混合的催化燃烧。

不过，当采用扩散火焰预燃室的时候，会产生大量的NO_x排放物。先有的催化燃烧系统设计并不包括用以使预燃室的NO_x排放物还原的方法。因此，虽然在燃气涡轮燃烧系统的中间工作范围内的NO_x排放物较低，但先有催化燃烧系统设计并不包括使预燃室的NO_x排放物还原的任何方法。所以，本发明的目的是提供一种催化燃烧系统和使预燃室NO_x排放物还原的方法，以使催化燃烧系统可以在燃气涡轮的整个工作范围内工作而且产生的NO_x排放物非常低。

根据本发明，提供了一种带有一个供燃气涡轮系统用的用以使涡轮机在整个工作范围内的NO_x排放物减到最小的带扩散火焰预燃室的催化燃烧室。在燃气涡轮的载荷范围内为这种燃烧系统提供了三种不同的工作模式。第一种工作模式是燃气涡轮的低载荷工作状态，在这种状态下，只出现没有化学/催化的NO_x，即脱NO_x，的预燃室燃烧。例如，可以将碳氢化合物燃料供给预燃室的起动燃料喷咀，并且可以将空气导入预燃室的燃烧区。电了点火装置，例如火花塞或热线点火塞，点燃预燃室燃烧区内的燃料/空气混合物，由起动燃料喷咀内的涡流叶片产生的涡旋回流使其火焰处于稳定状态。预燃燃烧室衬套内的此种扩散火焰反应会产生大量炽热的NO_x。为使此种NO_x还原成分子氮和水蒸汽，可以将化学反应剂，例如氨、尿素、异氰酸等等，通过催化燃烧段（用在中、高载荷工作范围）的初级喷头喷入预燃室的燃烧物中。将化学反应剂注入氮中可以促进这种混合。化学反应剂还可以包括增强剂以便增加与来自扩散火焰预燃室的NO_x反应的速率。化学反应可以在催化反应器组件衬套和包括有催化剂的催化燃烧区的催化反应床范围内发生，以便加速脱NO_x的化学反应。

在称为燃气涡轮的中等载荷工作范围的第二工作模式中也会发生催化燃烧。为获得这种燃烧，燃料由初级喷头提供并与预燃室的燃烧物相混合。这种混合物进入含有燃烧催化剂，例如钯的催化反应床内。燃料和预燃室燃烧物的这种混合物在燃烧催化剂存在的情况下在预燃室的排气温度下点燃。一旦燃烧反应起动，就可以使预燃室停止工作，而这种反应则在压气机排气温度下进行下去。通过将贫的燃料/空气混合物导入催化反应床内，会使得燃烧反应温度太低以致不会产生炽热的NO_x。碳氢化合物燃料的氧化反应在主燃烧室衬套范围内的反应区内完成。这样，在低、中载荷范围工作状态下的NO排放物就基本上被消除或减到最少达到只具有超低量的排放物。