專利名稱：減少燃氣透平燃燒室中氧化氮排放物的起頭部分預混合的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及減少燃氣透平燃燒室中的Nox生成物，尤其涉及通過將小部分燃燒空氣混入在燃燒室預混合區(qū)上游的燃料管內來減少Nox排放量。
在燃氣透平燃燒室中廣泛采用碳氫化合物作為燃料。由于其特別廣泛地存在，對于固定式發(fā)電系統(tǒng)，天然氣是一種特別吸引人的燃料。然而，碳氫化合物燃燒的排放物卻引起許多環(huán)境問題，諸如酸雨、臭氧層損耗及“溫室”效應。出于對環(huán)境質量日益增長的關注的一份責任，要求把污染大氣的燃燒付產品減至最少。氮的氧化物(Nox)是特別不希望有的付產品。
在燃燒期間，Nox部分地是由大氣中的氮和氧原子之間的反應生成的。由于這些反應的高活化能量，在低于大約1800°K至1900°K的溫度下Nox的生成量是不明顯的。為在傳統(tǒng)的(非預燃式)燃燒室中控制Nox，已采用了噴水或蒸汽，以避免出現(xiàn)高溫。按這一方法，噴射的水或蒸汽吸收熱量，使峰值溫度降至Nox生成門檻值，從而減少Nox生成量。然而，這種利用水和蒸汽的方法是昂貴的，能造成腐蝕，并能增加一氯化碳的排放值。另一方法通過將氨基熱力除Nox物質(ammonia-basodThermaldeNox)噴入廢氣流內來使Nox減至最少程度，但這種方法利用了制氨工藝和大型設備，是非常昂貴的。
氣態(tài)碳氫化合物的稀薄預混合燃燒是種有吸引力的方法，因為它提供了較稀薄的燃燒，無需對廢氣進行燃燒后的處理。一般來說，稀薄預混合燃燒是借助于僅僅在穩(wěn)定火焰的上游(在燃燒室的預混合區(qū))使燃料和空氣進行預混合以形成一種處于化學當量比稀薄側的混合物來完成的。這種預混合的作用是要使混合物燃燒的溫度降低，并且希望降至最低，這樣便減少了對溫度敏感的Nox生成量?？偟恼f來，混合物越稀薄，燃燒溫度就越低。
工業(yè)上所用的燃燒器預混合器通常不能使氣體燃料和空氣完全混合，從而使Nox值偏高。人們一直在借助于幾何形狀和流型的改變來努力改進預混合器內的燃料與空氣的混合。然而，實際的結構卻受到諸如允許壓降極限和空間局限因素的限制。盡管對預燃器結構作了種種改進，然而不完全混合總是存在。不完全混合導致稀薄預混合燃燒期間燃料濃度值不均勻和被動。這種不均勻和波動導致Nox生產物增加，因為Nox生成隨燃料濃度呈非線性增長。例如，在平均燃料濃度以上的波動所增加的Nox比在平均燃料濃度以下的相同波動降低的Nox為多。其凈結果是由波動產生的Nox比在燃料濃度恒定時燃燒產生的Nox為多。同樣地，不均勻的平均燃料溫度分布造成更多的Nox。
因此，本發(fā)明的目的是借助于把燃料-空氣可燃混合物的燃料濃度值的波動和不均勻性減至最小的辦法來減少Nox排放物。
更具體地說，本發(fā)明的目的是借助于使小部分空氣跟預混合級上游的燃料進行預混合來減少稀薄預混合燃燒中的Nox排放量。
本發(fā)明的另一個目的是以稀薄預混合燃燒方式減少Nox，這種燃燒方式不管燃燒室結構如何，而且不需要對燃燒室作重大修改都可以應用。
本發(fā)明的這些和其它的目的是借助于一種稱之為“起頭部分預混合”的方法來實現(xiàn)的。起頭部分預混合借助于在噴射到燃燒室之前，將小部分空氣(通常為燃燒空氣總供應量的大約1%至10%)混于燃燒管來減少燃氣輪機燃燒室內Nox排放值。雖然可采用非預混合燃燒室，然而本發(fā)明更可取地提供一種燃氣輪機裝置，它包括一個具有用于混合燃料和空氣的預混合區(qū)的燃燒室。一根燃料管連于預混合區(qū)的第一進口，以便將燃料輸至該預混合區(qū);一空氣源連于預混合區(qū)的第二進口。一種用于將空氣噴入預混合區(qū)上游的燃料管的裝置包括用于少部分空氣自空氣源分流到燃料管的裝置。
本發(fā)明對于具有完美混合的燃燒室，不管其結構如何，都是適用的。而且，本發(fā)明無須對燃燒室作昂貴的修改。本發(fā)明并不產生不安全問題，因為起頭部分預混合發(fā)生在離燃燒室較遠的上游，并且在燃料管內的燃料空氣混合物保持極濃(超過燃燒極限)，因而不能燃燒。
在參閱下面詳細的說明書和所附的權利要求書以及附圖后，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點會變的更加明顯。
在說明書的結論部分特別指出了被認為是本發(fā)明的主題，并且明白地提出了權利要求。然而參照下列說明連同其附圖，可以更清楚地理解本發(fā)明。


圖1是用預混合燃燒的普通燃燒室的簡圖;
圖2是本發(fā)明燃燒室的簡圖;
圖3是一條試驗的平均燃料濃度曲線;
圖4是一條試驗的“不混合”度曲線;
圖5是一條試驗的Nox排放值曲線。
本發(fā)明在概念上涉及到借助于在噴射到燃燒主預混合區(qū)之前將小部分空氣跟燃料混合來減少預混合區(qū)的混合物的最終燃料濃度值的波動和不均勻，使Nox產物減少。在這一概念背后的理論通過將一般預混合燃燒和本發(fā)明的燃燒進行對比而展示出來。
圖1表示用于實現(xiàn)稀薄預混合燃燒的普通燃燒室10的簡圖。該燃燒室10有一預混合區(qū)11和一燃燒段12，在前一區(qū)，被噴入的燃料和空氣混合，在后一區(qū)，燃料-空氣混合物燃燒?；鹧娣€(wěn)定器13將燃燒區(qū)和預混合區(qū)分隔開。兩輸入口14和15為預混合區(qū)11提供進口。這些輸入口可用任何已知的方法來成形。燃料管16連于第二輸入口15，用于將燃料輸給預混合區(qū)。第二管道7連于第一輸入口14。第二管道17將空氣經第一輸入口輸給預混合區(qū)11。
經第一輸入口14輸送的流量的燃料容積濃度給定為C1，經第二輸入口15輸送的流量的燃料容積濃度為C2。因為經第一輸入口14輸入的流量完全是空氣，而經第二輸入口15輸入的流量完全是燃料，所以C1＝0，C2＝1。兩種流量混合物的最終平均燃料濃度給定為C，其中C1≤C≤C2預混合區(qū)混合物的最終平均燃料濃度C的最大方差σ2max給定為σ2max＝(C-C)(C-C1) (1)該方差是燃料-空氣濃度波動大小的指標。考慮燃料為甲烷的燃燒過程的例子。對于甲烷，基最終平均燃料濃度由下式給定C＝ (φ)/(φ+9.52)其中φ為燃料-空氣化學當量比。對于燃料一空氣當量比為0.5的情況，C大約為0.05，而求解方程式(1)給出σ2max＝0.0475。
現(xiàn)在轉到圖2，它簡略表示了本發(fā)明的燃燒室20。像圖1的燃燒室10那樣，燃燒室20有一預混合區(qū)21和燃燒區(qū)22，被噴入的燃料和空氣在預混合區(qū)混合，而燃料空氣混合物在燃燒區(qū)燃燒。火焰穩(wěn)定器23將燃燒區(qū)與預混合區(qū)分隔開。兩輸入口24和25為預混合區(qū)21提供進口。燃料管26連于第二輸入口，用于將燃料輸給預燃區(qū)。第二管道27連于第輸入口24。第二管道27分為兩個分支28和29。第一分支28將占總空氣量很小百分比X的空氣自管道27輸至燃料管26，從而在噴入預混合區(qū)21之前使少量空氣跟燃料混合。其余的空氣自管道27經連于第一輸入口24的第二分支29直接輸至預混合區(qū)。
現(xiàn)在再考慮上述在燃料-空氣當量比為0.5情況下燃燒甲烷的例子，其中在燃燒室20內采用起頭部分預混合。假定自第二管道27分流到燃料管26的空氣容積為總空氣量的5%?，F(xiàn)在經第一輸入口24的流量仍然完全是空氣，但經第二輸入口25的流量卻是燃料與空氣的混合物。因此，對于當量比0.5，其最終平均燃料濃度C大約為0.05，燃料和經第二輸入口25噴入的空氣的混合物是一半燃料與一半空氣。于是C1＝0和C2＝0.5，方程式(1)現(xiàn)在給出σ2max＝0.0225。從這一比較可以看出，起頭部分預混合已使最大方差減小了50%以上，這意味著濃度的波動和不均勻減小了。
被噴入燃料管的空氣量出于安全考慮而部分受到限制。在理想的情況下，應加入盡量多的空氣，因為較多的空氣能使經第二輸入口的燃料濃度值降低，而最大可能的方差是和C2值直接相關的。然而，燃料管26內的燃料-空氣混合物必須保持極濃，超過其燃燒極限，否則，在燃料管內可能出現(xiàn)燃燒，因為太多的空氣加入燃料管會產生一種可燃混合物。其它的考慮包括該系統(tǒng)設計的實際情況，諸如需要改變燃料管和燃料噴射器以及在把分流的空氣噴入燃燒管之前所需的額外的空氣壓縮。一般說來，認為處于總空氣容積大約1%至10%范圍內的某個量是切實可行的。
應該將第一分支29設計成使少量空氣噴到遠離燃燒室20的上游某處的燃料管26內。跟燃燒室的距離不僅有助于防止燃料管內的燃燒，而且，燃料-空氣混合物必須流經燃料管的這一相當大的路程導致了充分的混合。
圖3-5表示為驗證本發(fā)明的概念而完成的實驗結果。第一實驗是在試驗室規(guī)模的裝置上進行的，它包括在其各自的端頭連在一起的一根預混合管和一根燃燒管。在預混合管的遠端同軸線配置一中心噴嘴。自該中心噴嘴的上游某點為該預混合管提供一空氣源。該兩管子的連接處作為火焰穩(wěn)定區(qū)。運轉期間，在預混合器出口平面處測量平均燃料濃度和波動的燃料濃度，而在燃燒管內的下游處用BeckmanNox分析儀測量Nox排放數(shù)據(jù)。
進行了兩種燃燒過程，在兩種情況下，用甲烷作為燃料，其當量比為0.50在開始運轉時，經中心噴嘴將甲烷噴入預混合管，并提供一空氣流。接著，將空氣容積流量的5%自預混合管分流到該噴嘴。此時中心噴嘴基本是50對50的空氣與甲烷混合。這代表了本發(fā)明的起頭部分預混合概念。收集了代表基本上完全混合情況的數(shù)據(jù)，作為參考。(注意用于獲得理想預混合數(shù)據(jù)的試驗室技術在一臺實際燃氣輪機中是不能實現(xiàn)的。)在圖3-5中，圓圈相應于理想預混合情況的數(shù)據(jù)，方塊相應于最初運轉的數(shù)據(jù)，三角相應于采用起頭部分預混合運轉的數(shù)據(jù)。
圖3表示在預混合管端部的平均燃料容積濃度相對于用預燃管直徑Dp無因次化后的離預混合管縱軸線的徑向距離Z的曲線。經中心噴嘴噴嘴射的燃料-空氣混合物的濃度分布較只有燃料經中心噴嘴噴射的濃度分布均勻，并接近理想混合情況。
圖4表示“不混合”度相對于用預燃管直徑Dp無因次化后的離預合管縱軸線的徑向距離Z的曲線。“不混合”度定義為用數(shù)值(1-C)C無因次化后的燃料-空氣濃度的方差。(注意最不混合情況是該方差相于(1-C)C。因此，不混合度為1相當于最不混合情況，而不混合度為0相當于最混合的情況。)該曲線表示采用起頭部分預混合的燃燒運行的不混合度比不采用起頭部分預混合的燃燒運行的不混合度要低。
圖5畫有百萬分之一Nox產物相對于用燃燒管直徑Dc無因次化后的測頭徑向位置zp的曲線。這里，曲線表示采用了起頭部分預混合使Nox排放量有顯著改善。
第二個試驗程序是用全尺寸單罐燃燒室進行的。所用燃料為天然氣;空氣-燃料質量比大約為1(容積比大約為0.56)，相當于分流大約2%燃燒空氣流。結果表明Nox排放量自最初值百萬分之30下降約20-25%是可能的。
上面已經敘述了借助于在噴入燃燒室的預混合區(qū)之前將少量空氣噴入燃料源來減少燃氣輪機燃燒室中的Nox生成物。本發(fā)明無須對燃燒室作重大修改就能實現(xiàn)，并且無論什么燃燒室結構都能適用。
雖然敘述的是本發(fā)明的具體實施例，然而應當明白本技術領域內熟練的人員可能對其作出種種修改而不脫離由所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.具有一個燃燒室和用于向燃燒室輸送燃料的燃料管的燃氣輪機裝置，其特征在于包括用于將空氣噴于燃燒室上游的燃料管內的裝置。
2.一種燃氣輪機裝置，其特征在于包括一個具有用于混合燃料和空氣的預燃區(qū)的燃燒室;一根用于向預混合區(qū)輸送燃料的燃料管;用于將空氣噴入預混合區(qū)上游的燃料管內的噴射裝置。
3.按照權利要求所述的燃氣輪機，其特征在于還包括用于直接輸送空氣至預混合區(qū)的裝置，所述噴射裝置包括用于將小部分空氣自所述輸送裝置輸送到燃料管的裝置。
4.按權利要求3所述的燃氣輪機裝置，其特征在于所述預混合區(qū)包括第一和第二進口，所述燃料管連于第一進口，所述輸送裝置連于第二進口。
5.按權利要求3所述的燃氣輪機裝置，其特征在于所述小部分大約為輸給所述預燃區(qū)的空氣總量的1%至10%。
6.一種減少燃氣輪機燃燒室Nox排放量的方法，該燃氣輪機燃燒室具有一預混合區(qū)，將燃料和空氣噴入其內進行混合，其特征在于所述方法包括在噴入該預混合區(qū)之前，將一部分空氣混入燃料內。
7.按權利要求6所述的方法，其特征在于所述部分空氣大約為噴入該預混合區(qū)的空氣總量的1%至10%。
全文摘要
借助于在噴入預混合區(qū)之前將少量空氣混入燃料的辦法，從具有一預混合區(qū)的燃氣輪機燃燒室內減少NO
文檔編號F23R3/30GK1075189SQ9211501
公開日1993年8月11日 申請日期1992年12月23日 優(yōu)先權日1991年12月23日
發(fā)明者T·F·弗里克, M·桑田 申請人:通用電氣公司