專利名稱：具有稀釋劑開口的被鼓送空氣的合成氣燃料噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述的實施例大體涉及整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力發(fā)生系統(tǒng)，且更具體 而言涉及用于與IGCC動力發(fā)生系統(tǒng)一起使用的燃料噴嘴。
背景技術(shù)：
至少一些已知的氣化器將流體_包括空氣和/或氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽、燃料， 以及/或者爐渣添加物_的混合物轉(zhuǎn)換成通常稱為“合成氣”的部分氧化的氣體?？刂戚?送到燃氣渦輪發(fā)動機的流體的混合對于發(fā)動機的性能和/或排放來說可能是關(guān)鍵的。例如，不適當和/或不充分的混合可導(dǎo)致火焰緊貼地附著到燃料噴嘴尖端上和/ 或緊貼地附著在噴嘴內(nèi)，從而提高燃料噴嘴尖端和/或噴嘴的溫度。此外，不適當和/或不 充分的混合可能會或可能不會在流的中心中建立分離區(qū)，從而提高或降低旋渦破裂的可能 性。另外，不適當和/或不充分的混合可導(dǎo)致限定在燃燒器內(nèi)的再循環(huán)穩(wěn)定區(qū)向下游轉(zhuǎn)移， 從而使火焰分開，且提高一氧化碳排放的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了一種組裝用于與燃燒器一起使用的燃料噴嘴尖端的方 法。該方法包括提供燃料管，以及將空氣套環(huán)聯(lián)接到該燃料管上。燃料管形成有第一組多 個沿周向隔開的燃料開口和第二組多個沿周向隔開的燃料開口。該燃料管定向成使得燃料 可通過第一組多個燃料開口和第二組多個燃料開口排到混合區(qū)中。空氣套環(huán)形成有多個沿 周向隔開的空氣開口。該空氣套環(huán)定向成使得空氣可通過該多個空氣開口排到混合區(qū)中。在另一個實施例中，提供了 一種用于與燃燒器一起使用的燃料噴嘴尖端。該燃料 噴嘴尖端包括燃料管和聯(lián)接到該燃料管上的空氣套環(huán)。燃料管包括第一組多個沿周向隔開 的燃料開口和第二組多個沿周向隔開的燃料開口。該燃料管構(gòu)造成以便將燃料引導(dǎo)到限定 在燃燒器內(nèi)的混合區(qū)中?？諝馓篆h(huán)包括構(gòu)造成以便將空氣排到混合區(qū)中的多個沿周向隔開 的空氣開口。在又一個實施例中，提供了一種用于在整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力發(fā)生系統(tǒng) 中使用的燃氣渦輪發(fā)動機。該燃氣渦輪發(fā)動機包括燃燒器和燃料噴嘴尖端，該燃料噴嘴尖 端包括燃料管和聯(lián)接到該燃料管上的空氣套環(huán)。燃料管包括第一組多個沿周向隔開的燃料 開口和第二組多個沿周向隔開的燃料開口。該燃料管構(gòu)造成以便將燃料引導(dǎo)到限定在燃燒 器內(nèi)的混合區(qū)中。空氣套環(huán)包括構(gòu)造成以便將空氣排到混合區(qū)中的多個沿周向隔開的空氣 開口。


圖1是示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力發(fā)生系統(tǒng)的示意圖；圖2是可與圖1所示的IGCC動力發(fā)生系統(tǒng)一起使用的示例性燃氣渦輪發(fā)動機的 示意圖3是可與圖2所示的燃氣渦輪發(fā)動機一起使用的示例性燃料噴嘴尖端的透視 圖；圖4是圖3所示的燃料噴嘴尖端的內(nèi)部視圖；圖5是圖3所示的燃料噴嘴尖端的端視圖；以及圖6是圖3所示的燃料噴嘴尖端的截面圖。部件列表10燃氣渦輪發(fā)動機12壓縮機16燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器20渦輪21軸24排氣噴嘴30燃料噴嘴尖端32燃燒器混合區(qū)34空氣套環(huán)36先導(dǎo)燃料管42燃料管面44下游端46先導(dǎo)燃料管面48先導(dǎo)燃料開口50動力發(fā)生系統(tǒng)51主空氣壓縮機52主燃料開口53空氣分離單元54主燃料開口56氣化器58空氣開口60壓縮機62清潔裝置64發(fā)電機68空隙70噴射噴嘴112第一外徑122第二外徑158厚度200外徑210中心線252第一徑向距離254第二徑向距離
258 徑向距離
具體實施例方式本文描述的系統(tǒng)和方法有利于從使得能夠產(chǎn)生濃焰同時降低火焰保持問題的燃 料噴嘴排出燃料_空氣混合物。特別地，本文描述的系統(tǒng)和方法有利于以微弱的旋流將燃 料_空氣混合物從燃料噴嘴排到燃燒器混合區(qū)內(nèi)。圖1是示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力發(fā)生系統(tǒng)50的示意圖。在該示例性 實施例中，系統(tǒng)50包括主空氣壓縮機51、空氣分離單元53、氣化器56、清潔裝置62和燃氣 渦輪發(fā)動機10。在該示例性實施例中，發(fā)動機10包括壓縮機12、燃燒器16和渦輪20。在操作期間，空氣流過主空氣壓縮機51，主空氣壓縮機51將壓縮空氣排到空氣分 離單元53。在該示例性實施例中，額外的壓縮空氣從燃氣渦輪發(fā)動機壓縮機12供應(yīng)到空氣 分離單元53?？諝夥蛛x單元53將壓縮空氣分離成氧氣流O2和氣體副產(chǎn)物流NPG (也稱為過程 氣體流)。在該示例性實施例中，空氣分離單元53將氧氣流O2引導(dǎo)到氣化器56，經(jīng)由壓縮 機60將至少一些過程氣體流NPG引導(dǎo)到燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器16，且將至少一些過程氣體 流NPG引導(dǎo)到大氣。在該示例性實施例中，過程氣體流NPG包括氮氣。例如，在一個實施例 中，過程氣體流NPG包括介于約90%和100%之間的氮氣。過程氣體流NPG還可包括其它 氣體，例如但不限于氧氣和/或氬氣。或者，代替氮氣，過程氣體流包括(H2O)蒸汽，其中， 過程氣體流包括介于約90%和100%之間的(H2O)蒸汽。氣化器56將空氣分離單元53供應(yīng)的氧氣流O2、液態(tài)水和/或蒸汽、燃料的混合物、 含碳物質(zhì)，以及/或者爐渣添加物轉(zhuǎn)換成通常稱為“合成氣”的部分氧化的氣體。雖然氣化 器56可使用任何燃料，但是在一些實施例中，氣化器56使用煤、石油焦炭、殘油、油乳劑、柏 油砂和/或其它類似的燃料。在該示例性實施例中，氣化器56經(jīng)由清潔裝置62將合成氣 引導(dǎo)到燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器16。更具體地，在該示例性實施例中，氣化器56產(chǎn)生包括二 氧化碳CO2的合成氣，且清潔裝置62使二氧化碳CO2與合成氣分離。由清潔裝置62從合成 氣中分離出來的二氧化碳CO2可被排到大氣，再循環(huán)到噴射噴嘴70以便由氣化器56使用， 被壓縮和螯合(sequester)以進行地質(zhì)存儲(未顯示)，以及/或者進行處理以獲得工業(yè)用 氣體(未顯示)ο圖2是可與圖1所示的系統(tǒng)50 —起使用的發(fā)動機10的示意圖。在該示例性實施 例中，發(fā)動機10包括以串聯(lián)的軸向流動關(guān)系布置的壓縮機12、燃燒器16和渦輪20。壓縮 機12和渦輪20通過軸21聯(lián)接在一起。在一個備選實施例中，發(fā)動機10包括通過第二軸 聯(lián)接在一起的高壓壓縮機和高壓渦輪。在操作期間，壓縮機12壓縮空氣，且壓縮空氣被引導(dǎo)到燃燒器16。燃燒器16混合 來自壓縮機12的壓縮空氣、來自空氣分離單元53 (在圖1中顯示)的壓縮過程氣體，以及 來自氣化器56 (在圖1中顯示)的合成氣，以產(chǎn)生混合物，該混合物燃燒，產(chǎn)生燃燒氣體，燃 燒氣體被引導(dǎo)朝向渦輪20。該燃燒氣體通過排氣噴嘴24排出，其中該氣體離開發(fā)動機10。 在該示例性實施例中，來自發(fā)動機10的動力輸出驅(qū)動將電功率供應(yīng)到電網(wǎng)(未顯示)的發(fā) 電機64(在圖2中顯示)。更具體地，在該示例性實施例中，發(fā)動機10還包括至少一個燃料噴嘴(在圖2中未顯示)，該至少一個燃料噴嘴將壓縮空氣、壓縮過程氣體和合成氣引導(dǎo)到限定在燃燒器 16內(nèi)的燃燒器混合區(qū)32 (在圖3中顯示)。燃燒器16在燃燒器混合區(qū)32內(nèi)燃燒壓縮空氣、 壓縮過程氣體和合成氣，以產(chǎn)生燃燒氣體。在該示例性實施例中，使用過程氣體流有利于控 制來自發(fā)動機10的排放，且更具體地講，有利于降低燃燒溫度和發(fā)動機10內(nèi)產(chǎn)生的氮氧化 物排放水平。圖3-6示出了可與燃燒器16 (在圖2中顯示)一起使用的示例性燃料噴嘴尖端 30。更具體地，圖3示出了燃料噴嘴尖端30的透視圖，圖4示出了燃料噴嘴尖端30的內(nèi)部 視圖，圖5示出了燃料噴嘴尖端30的端視圖；而圖6示出了燃料噴嘴尖端30的截面圖。在該示例性實施例中，燃料噴嘴尖端30定位在相關(guān)聯(lián)的燃料噴嘴(未顯示)的下 游端44處。此外，在該示例性實施例中，燃料噴嘴尖端30包括空氣套環(huán)34、先導(dǎo)燃料管36 和主燃料管40。更具體地，在該示例性實施例中，主燃料管40自先導(dǎo)燃料管36沿徑向向外 且在先導(dǎo)燃料管36周圍沿周向延伸。在該示例性實施例中，空氣套環(huán)34在下游端44處聯(lián) 接到燃料管面42上?？諝馓篆h(huán)34在燃料管面42附近形成有第一外徑112。在該示例性實施例中，第一 外徑112的大小與主燃料管40的外徑200的大小大致相同。在該示例性實施例中，空氣套 環(huán)34在第一外徑112的下游還形成有第二外徑122，第二外徑122小于第一外徑112。這 樣，第二外徑122使空氣套環(huán)34能夠沿軸向滑動到燃燒器混合區(qū)32附近。主燃料管40的燃料管面42至少包括第一組多個沿周向隔開的主燃料開口 52。在 該示例性實施例中，燃料管面42還包括第二組多個沿周向隔開的主燃料開口 54，以使得主 燃料管40能夠?qū)⑤^大量的流體排到燃燒器混合區(qū)32中。在該示例性實施例中，主燃料開 口 52和54是基本圓形的?；蛘?，開口 52和/或54可形成有使得主燃料管40能夠如本文 所描述的那樣起作用的任何截面形狀。在該示例性實施例中，主燃料開口 52和54關(guān)于燃 料噴嘴尖端30的中心線210基本同心地及沿周向隔開。更具體地，在該示例性實施例中， 主燃料開口 52自中心線210向外隔開第一徑向距離252，而主燃料開口 54自中心線210向 外隔開第二徑向距離254。在該示例性實施例中，第一徑向距離252比第二徑向距離254更 短。在該示例性實施例中，主燃料開口 52和54將流體(未顯示)排到燃燒器混合區(qū)32 中。更具體地，在該示例性實施例中，主燃料開口 52和54將諸如被鼓送空氣(air blown) 的氣化器合成氣的主燃料(未顯示)排到燃燒器混合區(qū)32中。更具體地，主燃料開口 52 和54以相對于中心線210傾斜地定向的預(yù)定的排出角θ i排出主燃料。在該示例性實施 例中，排出角Q1在約10°至約30°之間。在一個實施例中，至少一個燃料開口 54的排出 角Q1與至少一個燃料開口 52的排出角Q1不同。 先導(dǎo)燃料管面46包括多個先導(dǎo)燃料開口 48。在該示例性實施例中，先導(dǎo)燃料開口 48是基本圓形的?；蛘?，先導(dǎo)燃料開口 48可形成有使得先導(dǎo)燃料管36能夠如本文所描述 的那樣起作用的任何截面形狀。在該示例性實施例中，先導(dǎo)燃料開口 48將流體排到燃燒器 混合區(qū)32中。更具體地，在該示例性實施例中，先導(dǎo)燃料開口 48將先導(dǎo)燃料(未顯示)或 啟動燃料排到燃燒器混合區(qū)32中。更具體地，先導(dǎo)燃料開口 48以相對于中心線210傾斜 地定向的預(yù)定的排出角(未顯示)排出先導(dǎo)燃料。 空氣套環(huán)34包括多個沿周向隔開的空氣開口 58。在該示例性實施例中，通過空氣套環(huán)34中的開口而非燃料管面42中的開口排出空氣使得能夠通過主燃料開口 52和/或 54排出較大量的主燃料。在該示例性實施例中，空氣開口 58是基本圓形的?；蛘?，空氣開 口 58可形成有使得空氣開口 58能夠如本文所描述的那樣起作用的任何截面形狀。在該示 例性實施例中，空氣開口 58在中心線210的周圍基本沿周向隔開。更具體地，在該示例性 實施例中，空氣開口 58自中心線210向外隔開徑向距離258。在該示例性實施例中，徑向距 離258大于徑向距離252和254。在該示例性實施例中，空氣開口 58將流體排到燃燒器混合區(qū)32中。更具體地，在 該示例性實施例中，空氣開口 58將空氣排到燃燒器混合區(qū)32中。更具體地，空氣開口 58 以相對于中心線210傾斜地定向的預(yù)定的排出角θ 2排出空氣。在該示例性實施例中，排出 角θ 2介于約10°至約30°之間。空氣套環(huán)34的厚度158使得空氣能夠以排出角92排 出，同時在空氣開口 58之間附近周向地限定空隙68。在該示例性實施例中，排出角Q1* 排出角θ 2是大約相等的?；蛘撸懦鼋荙1* θ 2可處于使得能夠進行如本文所描述的那 樣的燃料_空氣混合的任何角度。在操作期間，先導(dǎo)燃料管36在發(fā)動機10的啟動和怠速操作期間將先導(dǎo)燃料或啟 動燃料排到燃燒器混合區(qū)32。在該示例性實施例中，啟動燃料是天然氣。當需要額外的動 力時，先導(dǎo)燃料管36停止將先導(dǎo)燃料排到燃燒器混合區(qū)32，且主燃料管40和空氣套環(huán)34 分別將主燃料和空氣排到燃燒器混合區(qū)32。主燃料開口 52和54以排出角Q1排出燃料， 且空氣開口 58以排出角θ2排出空氣。更具體地，從主燃料開口 52和54排出的主燃料以 及從空氣開口 58排出的空氣的旋流和混合有利于在燃燒器混合區(qū)32內(nèi)產(chǎn)生低于0.4的翻 轉(zhuǎn)點(tippingpoint)的旋流數(shù)。在該示例性實施例中，燃料-空氣混合物的旋流數(shù)小于約 0. 4。更具體地，在該示例性實施例中，排出的燃料的旋流數(shù)小于約0. 4，且排出的空氣的旋 流數(shù)小于約0.4。在本申請中所使用的旋流數(shù)限定為角動量相對于軸向推力的軸向通量。 微弱的旋流有利于使燃料和空氣沿徑向方向緩緩地膨脹，從而降低旋渦破裂的可能性。換 句話說，微弱的旋流降低了在旋流的中心線附近產(chǎn)生再循環(huán)區(qū)的可能性。此外，微弱的旋流 有利于使燃料和空氣沿軸向方向從下游端44朝燃燒器16緩緩地膨脹。因此，有利于火焰 在與強旋流的情況下將可能附著的地方相比更下游處附著。在燃料噴嘴尖端30的更下游 附著火焰有利于降低燃料噴嘴尖端30的操作溫度。此外，各個空氣開口 58的圓形形狀使 得能夠產(chǎn)生濃焰，從而使得火焰保持的可能性得以降低。本文描述的方法和系統(tǒng)有利于排出使得能夠產(chǎn)生濃焰、同時降低火焰保持問題的 燃料-空氣混合物。具體地，先導(dǎo)燃料開口、多個主燃料開口和空氣開口在燃料噴嘴尖端內(nèi) 的定向有利于將具有微弱的旋流的燃料和空氣的混合物排到混合區(qū)內(nèi)。在該示例性實施例 中，在精煉廠或煤氣化裝置中使用被鼓送空氣的合成氣燃料噴嘴。本文描述的方法和系統(tǒng) 以實例的方式而非限制的方式示出了本公開。該描述清楚地使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和 使用本公開，描述了本公開的若干實施例、修改、變化、備選方案和使用，包括目前被認為是 執(zhí)行本公開的最佳模式的那些。以上對具有圓形的稀釋空氣開口的被鼓送空氣的合成氣燃料噴嘴和組裝該燃料 噴嘴的方法的示例性實施例進行了詳細的描述。該方法和系統(tǒng)不限于本文描述的具體實施 例，而是相反，可獨立地使用該方法和系統(tǒng)的構(gòu)件，且可與本文描述的其它構(gòu)件分開使用該 方法和系統(tǒng)的構(gòu)件。例如，本文描述的方法和系統(tǒng)可具有其它工業(yè)和/或消費者應(yīng)用，且不
7限于如本文所述與精煉廠或煤氣化裝置一起實踐。相反，可結(jié)合許多其它行業(yè)來實現(xiàn)和使 用本發(fā)明。 雖然已經(jīng)關(guān)于各種具體實施例對本發(fā)明進行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認 可，可用在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的修改來實踐本發(fā)明。
權(quán)利要求
一種用于與燃燒器(16)一起使用的燃料噴嘴尖端(30)，所述燃料噴嘴尖端包括包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口(52)和第二組多個沿周向隔開的燃料開口(54)的燃料管，所述燃料管構(gòu)造成以便將燃料引導(dǎo)到限定在所述燃燒器內(nèi)的混合區(qū)(32)中；以及聯(lián)接到所述燃料管上的空氣套環(huán)(34)，所述空氣套環(huán)包括構(gòu)造成以便將空氣排到所述混合區(qū)中的多個沿周向隔開的空氣開口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 和第二組多個燃料開口(52，54)至少其中之一構(gòu)造成以便以相對于所述燃料噴嘴尖端的 中心線(210)傾斜地定向的排出角將燃料排到所述混合區(qū)(32)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴尖端(30)，其特征在于，所述多個空氣開口(52，54) 中的至少一個構(gòu)造成以便以相對于所述燃料噴嘴尖端的中心線傾斜地定向的排出角將空 氣排到所述混合區(qū)(32)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 和第二組多個燃料開口(52，54)以及所述多個空氣開口至少其中之一定向成以便有利于 在所述混合區(qū)(32)內(nèi)產(chǎn)生小于0.4的旋流數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 和第二組多個燃料開口(52，54)關(guān)于所述燃料噴嘴尖端的中心線(210)基本同心。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴尖端(30)，其特征在于，所述燃料管包圍構(gòu)造成以 便將先導(dǎo)燃料引導(dǎo)到所述混合區(qū)(32)中的先導(dǎo)燃料管(36)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴尖端(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 和第二組多個燃料開口(52，54)至少其中之一構(gòu)造成以便以介于約10°和30°之間的排 出角引導(dǎo)燃料，且所述多個空氣開口中的至少一個構(gòu)造成以便以介于約10°和30°之間 的排出角引導(dǎo)空氣。
8.一種用于在整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力發(fā)生系統(tǒng)(50)中使用的燃氣渦輪發(fā)動機 (10)，所述燃氣渦輪發(fā)動機包括燃燒器(16)；以及燃料噴嘴尖端(30)，所述燃料噴嘴尖端(30)包括包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口(52)和第二組多個沿周向隔開的燃料開口 (54)的燃料管，所述燃料管構(gòu)造成以便將燃料引導(dǎo)到限定在所述燃燒器內(nèi)的混合區(qū)(32) 中；以及聯(lián)接到所述燃料管上的空氣套環(huán)(34)，所述空氣套環(huán)包括構(gòu)造成以便將空氣排到所述 混合區(qū)中的多個沿周向隔開的空氣開口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃氣渦輪發(fā)動機(10)，其特征在于，所述第一組多個燃料開 口和第二組多個燃料開口(52，54)至少其中之一構(gòu)造成以便以相對于所述燃料噴嘴尖端 (30)的中心線(210)傾斜地定向的排出角將燃料排到所述混合區(qū)(32)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃氣渦輪發(fā)動機(10)，其特征在于，所述多個空氣開口(52， 54)中的至少一個構(gòu)造成以便以相對于所述燃料噴嘴尖端(30)的中心線(210)傾斜地定向 的排出角將空氣排到所述混合區(qū)(32)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有稀釋劑開口的被鼓送空氣的合成氣燃料噴嘴。提供了一種用于與燃燒器(16)一起使用的燃料噴嘴尖端(30)。該燃料噴嘴尖端包括包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口(52)和第二組多個沿周向隔開的燃料開口(54)的燃料管，該燃料管構(gòu)造成以便將燃料引導(dǎo)到限定在燃燒器內(nèi)的混合區(qū)(32)中；以及聯(lián)接到燃料管上的空氣套環(huán)(34)，該空氣套環(huán)包括構(gòu)造成以便將空氣排到混合區(qū)中的多個沿周向隔開的空氣開口。
文檔編號F23D14/48GK101881453SQ20101017706
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者J·E·巴頓, J·利平斯基, M·A·哈利 申請人:通用電氣公司