專利名稱：燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)的燃燒器噴管的制作方法
燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)的燃燒器噴管 關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究和開發(fā)的聲明
本發(fā)明依據(jù)美國(guó)能源部授予的合同號(hào)DE-FC26-03NT41776在政府支持 下完成。政府可享有本發(fā)明中的一些權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及燃燒系統(tǒng)，更具體地涉及燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng) (fuel-flexible combustion system)和操作方法。
各種類型的燃燒器是已知的并用于諸如聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠等系統(tǒng)。通常， 這些系統(tǒng)的燃燒器經(jīng)設(shè)計(jì)以減少排放，例如NOx和一氧化碳的排放。在大 多數(shù)燃燒天然氣的系統(tǒng)中，使用貧燃預(yù)混火焰(lean premixed flame)使燃燒器 工作。在這些系統(tǒng)中，燃料在反應(yīng)區(qū)的上游與空氣混合而在貧燃條件下(lean condition)形成預(yù)混火焰，以減少燃燒系統(tǒng)的排放。不幸的是，這些燃燒系 統(tǒng)的操作窗極小。另外，期望避免燃燒動(dòng)態(tài)變化(combustion dynamic)并同 時(shí)保持低的NOx以及避免火焰的貧燃噴出(leanblowout)。設(shè)計(jì)方案的指標(biāo) 通常訂為窄的燃料組成范圍，因而使設(shè)計(jì)用于天然氣的系統(tǒng)與設(shè)計(jì)用于氣 化煤或合成氣燃料的系統(tǒng)不相容。
一些其它的系統(tǒng)采用擴(kuò)散燃燒(diffusion combustion),以通過(guò)在反應(yīng)區(qū) 增加稀釋劑來(lái)減少排放。例如，在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)中，可 使用蒸汽或氮?dú)庾鳛橄♂寗┮源龠M(jìn)燃燒并減少燃燒器的排放。通常，對(duì)于 IGCC系統(tǒng)，燃燒器設(shè)計(jì)成使用煤氣化燃料以擴(kuò)散模式工作并可具有以擴(kuò)散 模式使用天然氣的備用燃燒模式。然而，設(shè)計(jì)能夠使用熱值不同的煤氣化 燃料工作并同時(shí)保持低排放的燃燒器富有挑戰(zhàn)性。目前的IGCC燃燒器采用 擴(kuò)散燃燒并根據(jù)氣化燃料儲(chǔ)備基于site-by-site設(shè)計(jì)。由此得到為滿足排放要 求而具有有限的燃料適應(yīng)性的特定燃燒系統(tǒng)。
因而，需要可使用多種燃料工作并同時(shí)保持低排放的燃燒系統(tǒng)。此外， 有利的是，
造并同時(shí)保持發(fā)電廠總效率的燃燒系統(tǒng)<

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)言之，根據(jù)一種實(shí)施方案，提供燃燒器噴管。該燃燒器噴管包括 第一燃料系統(tǒng)，該第一燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將合成氣燃料引入燃燒室，從而
能夠在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒；第二燃料系統(tǒng)，該第二燃料系統(tǒng)經(jīng)配
夠在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒。
在另一實(shí)施方案中，提供燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)。該燃料適應(yīng)性燃燒系 統(tǒng)包括燃燒器噴管，該燃燒器噴管經(jīng)配置以將燃料流引入燃燒系統(tǒng)；燃 燒室，該燃燒室經(jīng)配置以使燃料流和空氣按照基于燃料流的燃料類型選擇 的燃燒模式燃燒。該燃燒器噴管包括第一燃料系統(tǒng)，該第一燃料系統(tǒng)經(jīng)
燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)混燃燒模式；第二燃料系統(tǒng)，該第二燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將合 成氣燃料或氮?dú)?、蒸汽或烴類燃料或它們的組合引入燃燒室，從而能夠在 燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒模式。
在另一實(shí)施方案中，提供整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)。IGCC系統(tǒng) 包括氣化器，該氣化器經(jīng)配置以由煤生成合成氣燃料；燃?xì)鉁u輪機(jī)，該
在燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃燒而產(chǎn)生電能。該燃燒系統(tǒng)包括燃燒噴管，該燃燒噴管 具有將合成氣引入噴管內(nèi)以進(jìn)行預(yù)混的第 一和第二燃料系統(tǒng)以及擴(kuò)散操作 模式；燃燒室，該燃燒室經(jīng)配置以使合成氣燃料和空氣按照預(yù)混或擴(kuò)散燃 燒模式燃燒。
在另一實(shí)施方案中，提供燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)的操作方法。該方法包 括經(jīng)由燃燒器噴管將燃料流引入燃燒系統(tǒng)；使烴類燃料流以低排放燃燒 模式燃燒；使合成氣燃料以第二燃燒模式燃燒。該方法還包括基于合成 氣的熱值轉(zhuǎn)變第二燃燒模式；使燃料流和空氣按照低排放燃燒模式或第二 燃燒模式或它們的組合燃燒。


參照附圖閱讀下述詳細(xì)說(shuō)明時(shí)將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特 征、方面和優(yōu)勢(shì)，其中相同的標(biāo)記在附圖中始終表示相同的部分，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面具有燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)的整體煤氣化聯(lián)合
8循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的方面圖1的IGCC系統(tǒng)中使用的燃?xì)鉁u輪機(jī)的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面與合成氣燃料具有預(yù)混和擴(kuò)散操作能力的圖 2的燃燒器噴管的示范性構(gòu)造示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的方面具有旋流器(swozzle)燃料注入點(diǎn)的圖3的燃 燒器噴管的示范性構(gòu)造示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的方面具有向旋流器燃料注入點(diǎn)提供燃料的獨(dú)立燃 料增壓室的圖4的燃燒器噴管的示范性構(gòu)造截面圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的方面與烴類和合成氣燃料具有預(yù)混操作能力的圖 2的燃燒器噴管的另一示范性構(gòu)造示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的方面具有旋流器和中心體燃料注入點(diǎn)的圖6的燃 燒器噴管的示范性構(gòu)造示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的方面具有向旋流器和中心體燃料注入點(diǎn)提供燃料 的獨(dú)立燃料增壓室的圖7的燃燒器噴管的示范性構(gòu)造截面圖。
具體實(shí)施例方式
如以下詳細(xì)的描述，本發(fā)明的實(shí)施方案提供燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，該 燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)可使用多種燃料進(jìn)行工作并同時(shí)具有低排放。具體地， 本發(fā)明使用燃燒器噴管，該燃燒器噴管使用例如天然氣和多種合成氣燃料 通過(guò)基于燃料原料所需或所要求的體積流速在貧燃預(yù)混模式和擴(kuò)散燃燒模 式之間轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行工作?，F(xiàn)轉(zhuǎn)向附圖并首先參考圖1,示出了整體煤氣化聯(lián) 合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)10。 IGCC系統(tǒng)10包括氣化器12和連接在氣化器12上 的燃?xì)鉁u輪機(jī)14。此外，燃?xì)鉁u輪機(jī)14包括燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)16，該 燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)16經(jīng)配置以使來(lái)自氣化器12的燃料流燃燒而產(chǎn)生電 能。另外，IGCC系統(tǒng)10包括蒸汽渦輪機(jī)18,該蒸汽渦輪機(jī)18連接在燃?xì)?渦輪機(jī)14上且經(jīng)配置以利用燃?xì)鉁u輪機(jī)14的廢氣的熱量而產(chǎn)生電能。
工作時(shí)，氣化器12接收燃料原料20連同氧氣22，氧氣22通常在原位 空氣分離裝置(未示出)中產(chǎn)生。在所示實(shí)施方案中，燃料原料20包括煤。 在另一實(shí)施方案中，燃料原料20可包括任意低熱值燃料(LVT),例如煤、 生物質(zhì)、廢料、油砂、城市垃圾、焦炭等。使燃料原料20和氧氣22在氣化器12中反應(yīng)以生成富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣24。此外，將 原料礦物轉(zhuǎn)化為可用于路基、填埋覆蓋物和其它應(yīng)用的礦渣產(chǎn)物26。
將氣化器12生成的合成氣24導(dǎo)入氣體冷卻和清洗裝置28，在該裝置 中冷卻合成氣24并除去污染物30以生成凈化合成氣32。在所示實(shí)施方案 中，污染物30例如包括硫、汞或二氧化碳。此外，使凈化合成氣32在燃 氣渦輪機(jī)14中燃燒以產(chǎn)生電能。在該示范性實(shí)施方案中，經(jīng)由壓縮機(jī)36 壓縮輸入的空氣流34并將壓縮空氣導(dǎo)入燃燒系統(tǒng)16以使來(lái)自氣化器12的 合成氣32燃燒。此外，使燃燒系統(tǒng)16的燃燒器氣流膨脹通過(guò)渦輪機(jī)38, 以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)40產(chǎn)生電能42,可將電能42送入電網(wǎng)44以進(jìn)一步利用。在 一些實(shí)施方案中，燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)16使用天然氣46進(jìn)行通常作為備 用操作模式的貧燃預(yù)混燃燒。
在所示實(shí)施方案中，將來(lái)自燃?xì)鉁u輪機(jī)14的廢氣48導(dǎo)入熱回收蒸汽 發(fā)生器50并用于使水沸騰以形成用于蒸汽渦輪機(jī)18的蒸汽52。此外，在 一些實(shí)施方案中，可將蒸汽渦輪機(jī)的熱量54引入熱回收蒸汽發(fā)生器50以 提高熱回收蒸汽發(fā)生器50的效率。另外，可將熱回收蒸汽發(fā)生器50產(chǎn)生 的一部分蒸汽56引入氣化器12，以控制氣化器12生成的合成氣24的H2:CO 之比。蒸汽渦輪機(jī)18驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)58以產(chǎn)生電能42，再次將電能42送入電 網(wǎng)44以進(jìn)一步利用。
上述IGCC系統(tǒng)10使用的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)16可以貧燃預(yù)混或擴(kuò) 散燃燒模式工作。具體地，燃燒系統(tǒng)16包括燃燒器噴管，該燃燒器噴管具 有用于將例如天然氣或合成氣燃料引入燃燒系統(tǒng)16的獨(dú)立的燃料系統(tǒng)，并 基于燃料原料20的燃料類型和燃料熱值選擇燃燒模式。以下將參照?qǐng)D2-8 詳細(xì)描述燃燒系統(tǒng)16使用的燃燒器噴管。
圖2是圖1的IGCC系統(tǒng)10使用的燃?xì)鉁u輪機(jī)14的示范性構(gòu)造60的 示意圖。燃?xì)鉁u輪機(jī)60包括壓縮機(jī)62和與壓縮機(jī)62流動(dòng)連通的燃料適應(yīng) 性燃燒系統(tǒng)64。此外，燃?xì)鉁u輪機(jī)60還包括設(shè)置于燃燒系統(tǒng)64下游的渦 輪66。工作時(shí)，壓縮才幾62壓縮輸入的空氣流68以生成壓縮空氣70,將所 述壓縮空氣70導(dǎo)入燃燒系統(tǒng)64。
在該示范性實(shí)施方案中，燃燒系統(tǒng)64包括燃燒器噴管72，該燃燒器噴 管72經(jīng)配置以將燃料流引入燃燒系統(tǒng)64。具體地，燃燒器噴管72包括第 一燃料系統(tǒng)74和第二燃料系統(tǒng)76。此外，燃燒系統(tǒng)64包括燃燒室78以用于燃燒來(lái)自第一燃料系統(tǒng)74或第二燃料系統(tǒng)76的燃料流。在所示實(shí)施方 案中，第一燃料系統(tǒng)74經(jīng)配置以將合成氣燃料引入燃燒室78，從而能夠在 燃燒室中實(shí)現(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒。此外，第二燃料系統(tǒng)76經(jīng)配置以將合成氣燃 料、烴類燃料和稀釋劑引入燃燒室78,從而能夠在燃燒室中實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒。 在一些實(shí)施方案中，第一燃料系統(tǒng)74用于將烴類燃料引入燃燒室78以能 夠?qū)崿F(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒。在其它一些實(shí)施方案中，通過(guò)使第一燃料系統(tǒng)74和 第二燃料系統(tǒng)76同時(shí)工作，燃燒系統(tǒng)64可一同燃燒(co-fire)。在該示范性 實(shí)施方案中，控制器80連接在第一燃料系統(tǒng)74和第二燃料系統(tǒng)76上并且 經(jīng)配置以基于燃料流的燃料類型和燃料熱值中的至少一種選擇燃燒模式。 以下將參照?qǐng)D3-5詳細(xì)描述燃燒系統(tǒng)64使用的第 一燃料系統(tǒng)74和第二燃料 系統(tǒng)76的操作。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面與合成氣燃料具有預(yù)混和擴(kuò)散搡作能力的圖 2的燃燒器噴管的示范性構(gòu)造90示意圖。在所示實(shí)施方案中，爐管92設(shè)置 在燃燒器噴管72周圍。用于引入烴類燃料或合成氣燃料以實(shí)現(xiàn)貧燃預(yù)混操 作模式的第一燃料系統(tǒng)74包括設(shè)置在爐管92上的多個(gè)注入孔94。另外， 第 一燃料系統(tǒng)包括設(shè)置在多個(gè)旋流器葉片(未示出)上的多個(gè)注入孔96，以用 于將烴類燃料或合成氣燃料引入燃燒器噴管72。工作時(shí)，多個(gè)旋流器葉片
器噴管，以實(shí)現(xiàn)合成氣或烴類的預(yù)混模式。以下將參照?qǐng)D4更詳細(xì)地描述 旋流器葉片。
在該實(shí)施方案中，燃燒器噴管90還包括設(shè)置在爐管92上的附加的一 組孔98,用于將合成氣燃料引入噴管72以實(shí)現(xiàn)預(yù)混合成氣操作模式。應(yīng)當(dāng) 指出的是，設(shè)置所述附加的一組孔98以提供預(yù)混合成氣操作模式所要求的 合成氣燃料體積流量?？深A(yù)料到多種孔98的圖案以便于將合成氣燃料引入 噴管72。選擇孔的圖案和形狀以使進(jìn)入葉片扇面(vane sector area)每四分之 一的噴射滲透(jetpenetration)最大化，從而提高燃料-空氣的均勻性。在一些 實(shí)施方案中，使孔98在葉片扇區(qū)上等間隔并裁定孔98的尺寸以平衡進(jìn)入 葉片扇區(qū)每二分之一 的質(zhì)量流量。
另外，噴管90包括第二燃料系統(tǒng)76，該第二燃料系統(tǒng)76用于將合成 氣燃料、和/或烴類燃料以及稀釋劑引入燃燒室78以能夠?qū)崿F(xiàn)合成氣燃料在 燃燒室78內(nèi)的擴(kuò)散燃燒。在所示實(shí)施方案中，第二燃料系統(tǒng)76具有擴(kuò)散
ii噴管出口截面，該擴(kuò)散噴管出口截面包括形成內(nèi)部、外部和中部同心環(huán)狀
通道106、 108和110的注入孔100、 102和104，以用于將合成氣燃料、烴 類燃料和稀釋劑引入燃燒室78。在該實(shí)施方案中，稀釋劑包括蒸汽、氮?dú)?和二氧化碳。然而，其它一些惰性氣體也可用作稀釋劑。燃燒器噴管卯還 包括連接在第一燃料系統(tǒng)74和第二燃料系統(tǒng)76上的控制器80(見圖2)，以 用于基于燃料流的燃料類型或燃料熱值選擇燃燒模式。此外，控制器經(jīng)配 置以基于合成氣燃料所需的體積流量控制通過(guò)第二燃料系統(tǒng)76的注入孔 100、 102和104的流量。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的方面具有旋流器燃料注入點(diǎn)的圖3的燃燒器噴管 90的示范性構(gòu)造120示意圖。燃燒器噴管120包括旋流器葉片122，該旋 流器葉片122經(jīng)配置以使輸入的空氣進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)。此外，旋流器葉片122 經(jīng)配置以通過(guò)旋流器燃料注入點(diǎn)124將烴類燃料和合成氣燃料引入噴管 120。通常，對(duì)旋流器葉片122進(jìn)行設(shè)計(jì)以最大化燃料-空氣的混合來(lái)滿足性 能要求，例如火焰穩(wěn)定和低排放。在所示實(shí)施方案中，烴類燃料包括天然 氣。工作時(shí)，經(jīng)由旋流器葉片122引入的天然氣或合成氣燃料在位于燃燒 室78(參見圖2)上游的位置處與空氣混合，以在有益于低排放的貧燃條件下 產(chǎn)生預(yù)混火焰，
在一些實(shí)施方案中，在各旋流器葉片122每一側(cè)的一個(gè)位置處通過(guò)多 個(gè)注入孔96進(jìn)行烴類燃料或合成氣燃料的注入。此外，在每個(gè)回旋葉片的 一個(gè)或多個(gè)注入點(diǎn)處通過(guò)多個(gè)注入孔96進(jìn)行烴類燃料或合成氣燃料的注 入。注入點(diǎn)可設(shè)置在位于葉片一側(cè)或兩側(cè)的不同徑向位置上并可具有不同 的直徑。在該示范性實(shí)施方案中，注入點(diǎn)i殳置在葉片的側(cè)面上。在其它一 些實(shí)施方案中，注入點(diǎn)可設(shè)置在后緣上。有利的是，通過(guò)注入孔94和96 注入燃料提高了燃料向各葉片扇區(qū)每四分之一的噴射滲透，從而促進(jìn)了在 燃燒器噴管120中的混合。應(yīng)當(dāng)指出的是旋流器葉片122上的注入點(diǎn)96和 爐管92上的注入點(diǎn)94、 98與獨(dú)立的燃料進(jìn)料系統(tǒng)連接，從而有利于系統(tǒng) 中燃燒動(dòng)態(tài)的控制。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)煤氣化合成氣燃料供給中斷或需要 用于其它電廠用途時(shí)，燃燒系統(tǒng)64利用天然氣按照預(yù)混模式燃燒?？晒┻x 擇地，在通過(guò)第一燃料系統(tǒng)74或第二燃料系統(tǒng)76將燃料引入噴管120的 情況下，燃燒系統(tǒng)64使用合成氣燃料按照預(yù)混模式或擴(kuò)散模式燃燒。在一些實(shí)施方案中，可使用第二燃料系統(tǒng)76中的天然氣起動(dòng)燃燒系統(tǒng)。
在該示范性實(shí)施方案中，設(shè)計(jì)擴(kuò)散噴管出口截面以根據(jù)旋流器葉片122 的設(shè)計(jì)使性能最大化。具體地，可針對(duì)借助旋流器葉片122形成的氣流圖 案，優(yōu)化噴管120的出口截面幾何形狀。另夕卜，設(shè)計(jì)注入孔100、 102和104
可基于合成氣燃料所需的體積流速，控制通過(guò)注入孔100、 102和104的合 成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑的流量。例如，在所示實(shí)施方案中，第一通 道106經(jīng)配置以將蒸汽引入燃燒器的燃燒室78。此外，設(shè)置在第一通道106 周圍的第二通道108經(jīng)配置以引入合成氣燃料，設(shè)置在第一通道106和第 二通道108周圍的第三通道110經(jīng)配置以將氮?dú)庖肴紵到y(tǒng)的燃燒室。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，基于合成氣燃料的燃料熱值，可預(yù)料到第 一通道106、第二通道108和第三通道110的多種操作模式。
設(shè)計(jì)第一通道106、第二通道108和第三通道110，以使燃燒器噴管120 可與增氧氣化裝置或常規(guī)氣化裝置一同使用。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的 是，在常規(guī)氣化裝置中，來(lái)自該氣化裝置的蒸汽可用作稀釋劑以促進(jìn)燃燒。 然而，在增氧氣化裝置中，來(lái)自空氣分離裝置的氮?dú)饪捎米鞲郊拥南♂寗?以提高工廠的總效率。
在本實(shí)施方案中，基于煤氣化裝置生成的燃料所需的熱值范圍，設(shè)計(jì) 第一通道106、第二通道108和第三通道110。在該實(shí)施方案中，合成氣燃 料的燃料熱值小于約310BTU/scf。在一種實(shí)施方案中，合成氣燃料的燃料 熱值介于約100 BTU/scf至約230 BTU/scf之間。例如，可基于引入要求大 的體積流速的低熱值燃料，設(shè)計(jì)合成氣燃料的流動(dòng)通道。類似地，可根據(jù) 熱值較高的燃料設(shè)計(jì)稀釋劑的流動(dòng)通道，所述熱值較高的燃料需要較大的 稀釋劑流量以滿足所需的性能水平。
在示范性實(shí)施方案中，第一通道106、第二通道108和第三通道110 具有約0°至約75。的切向注入角和約0。至約75。的徑向注入角。在一種實(shí)施 方案中，第二通道108和第三通道110具有約40。的切向注入角，第一通道 106和第二通道108具有約45。的徑向注入角。此外，在一種實(shí)施方案中， 使合成氣燃料和氮?dú)庠诘诙ǖ?08和第三通道110中相對(duì)于葉片122造 成的空氣回旋反向回旋流動(dòng)，以有助于增強(qiáng)混合、降低火焰長(zhǎng)度、減少排 放和增加火焰前鋒圖案要素(flame front pattern factor)。另外，如上所述，控制器80(參見圖2)可連接在第一通道106、第二通道108和第三通道110上， 以基于合成氣燃料的燃料熱值控制合成氣燃料、烴類燃料、蒸汽和氮?dú)庖?及C02在通道106、 108和110內(nèi)的流動(dòng)。如上所述，獨(dú)立的燃料增壓室可 連接在第一燃料系統(tǒng)74和第二燃料系統(tǒng)76上以在預(yù)混和擴(kuò)散操作模式中 提供合成氣或烴類燃料。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的方面具有向旋流器燃料注入點(diǎn)和爐管燃料注入點(diǎn) 提供燃料的獨(dú)立燃料增壓室的圖4的燃燒器噴管120的示范性構(gòu)造截面圖 130。如上所述，燃燒器噴管130包括設(shè)置在爐管92上的第一組孔94，以 用于將合成氣或烴類燃料引入噴管130。此外，燃燒器噴管130包括設(shè)置在 旋流器葉片122(參見圖4)上的第二組孔96,以用于將合成氣或烴類燃料引 入噴管130。另外，鑒于預(yù)混操作模式所要求的附加合成氣燃料體積流量， 燃燒器噴管130包括設(shè)置在爐管92上的第三組孔98，以用于將合成氣燃料 引入噴管130。
在所示實(shí)施方案中，燃燒器噴管130包括第一燃料增壓室132，該第 一燃料增壓室132經(jīng)配置向設(shè)置在爐管92上的第一組孔94提供烴類或合 成氣燃料；第二燃料增壓器134，該第二燃料增壓器134經(jīng)配置向設(shè)置在旋 流器葉片122上的第二組孔96提供烴類或合成氣燃料。另外，燃燒器噴管 130包括第三燃料增壓室136，該第三燃料增壓室136經(jīng)配置向設(shè)置在爐管 72上的第三組孔98提供烴類或合成氣燃料。第一燃料增壓室132、第二燃 料增壓室134和第三燃料增壓室136可連接在控制器80(參見圖2)上，以用 于控制燃燒器噴管130中的燃料供給。在該示范性實(shí)施方案中，使用烴類 燃料的預(yù)混操作模式利用第一組孔94和第二組孔96將烴類燃料引入噴管 130。此外，對(duì)于使用合成氣燃料的預(yù)混操作模式，使用第三組孔98將合 成氣燃料引入噴管130。
在一些實(shí)施方案中，燃燒器噴管130以用于預(yù)混操作模式的獨(dú)立構(gòu)造 工作。在該示范性實(shí)施方案中，基于燃料的熱值控制合成氣操作模式。例 如，任何情況下均將使用第一組孔94和第二組孔96，而基于燃料的熱值使 用第三組孔98。如上所述，燃燒器噴管130可按照預(yù)混烴類和合成氣操作 模式連同使用合成氣的擴(kuò)散模式工作?？晒┻x擇地，如以下參照?qǐng)D6所述， 燃燒器噴管130可在沒(méi)有使用合成氣的擴(kuò)散操作模式的情況下工作。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的方面與烴類和合成氣燃料具有預(yù)混操作能力的圖2的燃燒器噴管72的另一示范性構(gòu)造140示意圖。如圖所示，燃燒器噴管 140包括第一組孔94、第二組孔96和第三組孔98，以將烴類或合成氣燃料 引入燃燒器噴管140而用于預(yù)混操作模式。另外，噴管出口截面包括一組 孔142,以在點(diǎn)火條件下引入烴類燃料而用于擴(kuò)散模式。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的方面具有旋流器和中心體燃料注入點(diǎn)的圖6的燃 燒器噴管140的示范性構(gòu)造150示意圖。在該示范性實(shí)施方案中，燃燒器 噴管150包括旋流器注入點(diǎn)96。另外，噴管150包括設(shè)置在中心體上的第 一組孔152，以將烴類或合成氣燃料引入噴管150而用于預(yù)混操作模式。另 外，基于預(yù)混合成氣操作模式過(guò)程中所要求的任意附加的體積流量，噴管 包括第二組孔154以引入合成氣燃料。同樣，第一組孔152和第二組孔154 可連接在以下將參照?qǐng)D8描述的獨(dú)立的燃料增壓室上。有利的是，這種操 作模式提供更大的操作適應(yīng)性，因?yàn)榭筛鶕?jù)燃料的熱值使用更多或更少的 注入點(diǎn)用于燃料注入。此外，鑒于在大量合成氣燃料的范圍內(nèi)出現(xiàn)大的流 速變化，大量注入點(diǎn)允許燃燒器具有更大的燃料適應(yīng)性。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的方面具有向旋流器和中心體燃料注入點(diǎn)提供燃料 的獨(dú)立燃料增壓室的圖7的燃燒器噴管150的示范性構(gòu)造截面圖160。如圖 所示，燃燒器噴管160包括第一組孔94、第二組孔96和第三組孔98，以 在預(yù)混操作模式過(guò)程中將烴類或合成氣燃料引入噴管160。另外，噴管160 包括設(shè)置在中心體上的孔152和154，以將烴類或合成氣燃料引入噴管150 而用于預(yù)混操作模式。如上所述，第一組孔、第二組孔和第三組孔連接在 燃料增壓室132、 134和136上以提供燃料。在該示范性實(shí)施方案中，噴管 160還包括燃料增壓室162和164,所述燃料增壓室經(jīng)配置分別向孔152和 154提供烴類或合成氣燃料。同樣，燃料增壓室162和164各自可連接在控 制器80(參見圖2)上，該控制器80用于控制向孔152和154的燃料供應(yīng)。
以上描述的本發(fā)明的各方面可用于不同的應(yīng)用，例如IGCC系統(tǒng)中使 用的燃燒系統(tǒng)。如上所述，燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)利用多種燃料進(jìn)行工作并 同時(shí)具有低排放。此外，燃燒系統(tǒng)使用備用燃料保持低排放燃燒并適用于 不同的電廠構(gòu)造并同時(shí)保持電廠的總效率。具體地，本發(fā)明使用燃燒器噴 管，該燃燒器噴管利用天然氣和多種合成氣燃料通過(guò)基于燃料原料所需的 體積流速在貧燃預(yù)混和擴(kuò)散燃燒模式之間轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行工作。
有利的是，預(yù)混燃燒模式有利于燃燒系統(tǒng)的操作而不需要稀釋劑來(lái)滿足排放要求，從而降低了燃燒系統(tǒng)的燃料消耗。此外，預(yù)混燃燒模式允許 氧氣增強(qiáng)氣化器的空氣分離裝置的副產(chǎn)物和蒸汽渦輪機(jī)的蒸汽更有效地用 于其它生產(chǎn)處理，例如化學(xué)品生產(chǎn)、后處理、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等。因而，該 燃燒系統(tǒng)在保持低排放的同時(shí)具有明顯提高的燃料適應(yīng)性并可在保持電廠 總效率的同時(shí)在不同的電廠構(gòu)造下工作。
盡管本文僅對(duì)本發(fā)明的一些特征進(jìn)行了示例和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人 員可作出多種改進(jìn)和變化。因而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所附權(quán)利要求意圖覆蓋 落在本發(fā)明真正構(gòu)思內(nèi)的所有改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器噴管，包括第一燃料系統(tǒng)，該第一燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將合成氣燃料引入燃燒室，從而能夠在所述燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒；和第二燃料系統(tǒng)，該第二燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將所述合成氣燃料或烴類燃料或稀釋劑或它們的組合引入所述燃燒室，從而能夠在所述燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒。
2. 權(quán)利要求1的燃燒器噴管，其中所述第一燃料系統(tǒng)經(jīng)進(jìn)一步配置以 將烴類燃料引入所述燃燒室，從而能夠?qū)崿F(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒。
3. 權(quán)利要求1的燃燒器噴管，還包括連接在所述第一燃料系統(tǒng)和所述 第二燃料系統(tǒng)上的控制器，其中該控制器經(jīng)配置以基于燃料流的燃料類型 和燃料熱值中的至少一種選擇燃燒模式。
4. 權(quán)利要求1的燃燒器噴管，其中所述第一燃料系統(tǒng)包括多個(gè)旋流器 葉片，所述旋流器葉片經(jīng)配置以使輸入的空氣進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)并通過(guò)設(shè)置在 各旋流器葉片上的多個(gè)注入孔引入所述合成氣燃料和所述烴類燃料。
5. 權(quán)利要求1的燃燒器噴管，其中所述第一燃料系統(tǒng)還包括設(shè)置在爐引入所述噴管的多個(gè)注入孔。
6. 權(quán)利要求5的燃燒器噴管，其中所述第一燃料系統(tǒng)包括設(shè)置在所述 爐管和葉片上以將烴類燃料和合成氣燃料引入所述噴管用于預(yù)混烴類或合 成氣操作模式的第一組注入孔和第二組注入孔。
7. 權(quán)利要求6的燃燒器噴管，其中所述第一燃料系統(tǒng)還包括設(shè)置在所 述爐管上以將合成氣燃料引入所述噴管用于所述預(yù)混合成氣操作模式的第 三組注入孔。
8. 權(quán)利要求5的燃燒器噴管，包括相應(yīng)的燃料增壓室以向設(shè)置在所述 爐管、葉片和中心體上的所述多個(gè)注入孔提供所述烴類和合成氣燃料。
9. 權(quán)利要求5的燃燒器噴管，其中所述多個(gè)注入孔的圖案和形狀經(jīng)選 擇以充分最大化到各相應(yīng)葉片扇面區(qū)的燃料噴射滲透。
10. 權(quán)利要求1的燃燒器噴管，其中所述第二燃料系統(tǒng)包括經(jīng)配置以將 所述合成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑引入所述燃燒室的內(nèi)部、中部和外部同心環(huán)形通道和孑L。
11. 權(quán)利要求10的燃燒器噴管，其中所述控制器經(jīng)配置以基于所述燃 料流的燃料熱值控制所述內(nèi)部通道、中部通道和外部通道各自之中所述合 成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑的流量。
12. 權(quán)利要求10的燃燒器噴管，其中所述內(nèi)部通道、中部通道和外部 通道基于所述合成氣燃料所需的燃料熱值范圍設(shè)計(jì)。
13. 權(quán)利要求10的燃燒器噴管，其中使所述第二通道和所述第三通道內(nèi)的合成氣燃料和稀釋劑相對(duì)于空氣回旋反向回旋流動(dòng)以有利于加強(qiáng)混合。
14. 權(quán)利要求10的燃燒器噴管，其中所述內(nèi)部通道、中部通道和外部 通道具有約0°至約75。的切向注入角和約0°至約75。的徑向注入角。
15. 權(quán)利要求10的燃燒器噴管，其中空氣與含氧量相對(duì)低于空氣的循 環(huán)廢氣混合。
16. —種燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，包括燃燒器噴管，該燃燒器噴管經(jīng)配置以將燃料流引入所述燃燒系統(tǒng)；和燃燒室，該燃燒室經(jīng)配置以使燃料流和空氣按照基于所述燃料流的燃料類型選擇的燃燒模式燃燒，其中所述燃燒器噴管包括第 一燃料系統(tǒng)，該第 一燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將烴類燃料或合成氣燃料或它們的組合引入所述燃燒室，從而能夠在所述燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)混 燃燒模式；和第二燃燒系統(tǒng)，該第二燃燒系統(tǒng)經(jīng)配置以將所述合成氣燃料或氮 氣、蒸汽、二氧化碳或烴類燃料或它們的組合引入所述燃燒室，從而 能夠在所述燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒模式。
17. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，還包括連接在所述第一燃料 系統(tǒng)和所述第二燃料系統(tǒng)上的控制器，其中該控制器經(jīng)配置以基于燃料流 的燃料類型和燃料熱值中的至少 一種選擇燃燒模式。
18. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述第一燃料系統(tǒng)包括 多個(gè)旋流器葉片，所述旋流器葉片經(jīng)配置以使輸入的空氣進(jìn)行回旋運(yùn)行并 通過(guò)設(shè)置在各旋流器葉片上的多個(gè)注入孔引入所述合成氣燃料和所述烴類 燃料。
19. 權(quán)利要求18的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述第一燃料系統(tǒng)還包括設(shè)置在爐管或葉片或爐中心體或它們的組合上以將所述烴類燃料和所述 合成氣燃料引入所述燃燒器噴管的多個(gè)注入孔。
20. 權(quán)利要求19的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述第一燃料系統(tǒng)包括 設(shè)置在所述爐管和旋流器葉片上以將所述烴類燃料和合成氣燃料引入所述 噴管內(nèi)的第一組注入孔和第二組注入孔。
21. 權(quán)利要求20的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述第一燃料系統(tǒng)還包 括設(shè)置在所述爐管上以將所述合成氣燃料引入所述噴管用于預(yù)混合成氣操 作的第三組注入孔。
22. 權(quán)利要求19的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，包括相應(yīng)的燃料增壓室以向 設(shè)置在所述爐管、葉片和中心體上的所述多個(gè)注入孔提供所述烴類和合成 氣燃料。
23. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述第二燃料系統(tǒng)包括 經(jīng)配置以將所述合成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑？ 1入所述燃燒室的內(nèi)部、 中部和外部同心環(huán)形通道和孑L 。
24. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)配置以基 于所述燃料流的燃料熱值控制所述內(nèi)部通道、中部通道和外部通道各自之 中所述合成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑的流量。
25. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中空氣的溫度介于約500°F 至約1400。F之間。
26. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中空氣與含氧量相對(duì)低于 空氣的循環(huán)廢氣混合。
27. 權(quán)利要求16的燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)，其中所述燃燒器噴管的預(yù)混 停留時(shí)間介于約0.1 ms至約10 ms之間。
28. —種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)，包括 氣化器，該氣化器經(jīng)配置以由煤生成合成氣燃料；和 燃?xì)鉁u輪機(jī)，該燃?xì)鉁u輪機(jī)經(jīng)配置以從所述氣化器接收合成氣燃料并使所述合成氣燃料和空氣在燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃燒而產(chǎn)生電能，其中所述燃燒系 統(tǒng)包括燃燒噴管，該燃燒噴管具有第 一燃料系統(tǒng)和第二燃料系統(tǒng)以將合 成氣引入所述噴管用于預(yù)混和擴(kuò)散操作模式；和燃燒室，該燃燒室經(jīng)配置以使所述合成氣燃料和空氣按照預(yù)混或擴(kuò)散燃燒模式燃燒。
29. 權(quán)利要求28的IGCC系統(tǒng)，其中所述第一燃料系統(tǒng)包括多個(gè)旋流器葉片，所述旋流器葉片經(jīng)配置以使空氣進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)并將所述合成氣燃料引入所述燃燒系統(tǒng)用于貧燃預(yù)混燃燒。
30. 權(quán)利要求29的IGCC系統(tǒng)，其中所述第一燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以通過(guò)所述多個(gè)旋流器葉片將烴類燃料引入所述燃燒系統(tǒng)。
31. 權(quán)利要求30的IGCC系統(tǒng)，其中所述烴類燃料和所述合成氣燃料通過(guò)設(shè)置在所述旋流器葉片或爐管或爐中心體或它們的組合上的多個(gè)注入孔引入所述燃燒系統(tǒng)。
32. 權(quán)利要求28的IGCC系統(tǒng)，其中所述第二燃料系統(tǒng)包括經(jīng)配置以將所述合成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑引入所述燃燒室的內(nèi)部、中部和外部同心環(huán)形通道和孔。
33. 權(quán)利要求32的IGCC系統(tǒng)，其中所述稀釋劑包括蒸汽或氮?dú)饣蚨趸蓟蛩鼈兊慕M合。
34. —種操作燃料適應(yīng)性燃燒系統(tǒng)的方法，包括經(jīng)由燃燒器噴管將燃料流引入所述燃燒系統(tǒng)；使烴類燃料流以低排放燃燒模式燃燒并使合成氣燃料以第二燃燒模式燃燒；基于所述合成氣的熱值改變所述第二燃燒模式；和使所述燃料流和空氣以低排放燃燒模式或第二燃燒模式或其組合模式燃燒。
35. 權(quán)利要求34的方法，其中使所述燃料流和空氣燃燒包括使所述燃燒系統(tǒng)對(duì)于烴類燃料以貧燃預(yù)混模式并且對(duì)于合成氣燃料以預(yù)混或擴(kuò)散模式操作。
36. 權(quán)利要求35的方法，其中使所述燃燒系統(tǒng)以貧燃預(yù)混模式操作包括通過(guò)設(shè)置在所述燃燒室上游的多個(gè)旋流器葉片或通過(guò)爐中心體或通過(guò)爐管或它們的組合將所述烴類燃料和所述合成氣燃料引入所述燃燒系統(tǒng)。
37. 權(quán)利要求35的方法，其中使所述燃燒系統(tǒng)以擴(kuò)散模式操作包括經(jīng)由內(nèi)部、中部和外部同心環(huán)形通道將所述合成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑引入所述燃燒系統(tǒng)。
38. 權(quán)利要求37的方法，還包括基于所述合成氣燃料的燃料熱值控制同心環(huán)形通道各自之中合成氣燃料、烴類燃料和稀釋劑的體積流量和用于所述燃燒器噴管的共同燃燒操作的所述葉片、爐管和爐中心體中烴類燃料的流量。
39.權(quán)利要求37的方法，其中將含氧量較低的循環(huán)廢氣流引入進(jìn)入所述燃燒系統(tǒng)的空氣。
全文摘要
提供燃燒器噴管(72)。該燃燒器噴管包括第一燃料系統(tǒng)(74)，該第一燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將合成氣燃料引入燃燒室，從而能夠在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒；和第二燃料系統(tǒng)(76)，該第二燃料系統(tǒng)經(jīng)配置以將合成氣燃料或烴類燃料或稀釋劑或它們的組合引入燃燒室，從而能夠在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒。
文檔編號(hào)F23D14/20GK101563533SQ200780045487
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2007年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月6日
發(fā)明者喬爾·M·海恩斯, 喬納森·S·詹森, 戴維·M·莫斯巴赫, 文卡特拉曼·A·伊耶 申請(qǐng)人:通用電氣公司