專利名稱：汽化燃燒用液體燃料的系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在燃燒裝置中適當(dāng)?shù)仄?、混合和傳輸液體燃料 或液化氣的方法和裝置。
背景技術(shù)：
燃燒裝置，如用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，通常以天然氣作為燃 料(例如，壓縮天然氣或CNG)。通常，天然氣由約90-98體積％的甲 垸(CH4)組成，盡管某些含有低至82%的甲垸的氣體也被稱為天然氣。 除了甲垸外，天然氣可以包括C02、 02、 N2和高級(jí)碳?xì)浠衔餁怏w， 如C2(乙烷、乙烯、乙炔)、C3(丙垸)、C4(丁垸)和C5(戊烷)。
在近來(lái)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用燃燒系統(tǒng)的研究中，通過(guò)在使用天然 氣時(shí)采用貧燃料預(yù)混合燃燒方式(lean， premixed combustion),在廢氣
排放方面取得了明顯的改進(jìn)。在這種燃燒方式中，在到達(dá)火焰鋒之前， 天然氣與助燃空氣預(yù)混合。天然氣和空氣的貧燃料混合物在低于常規(guī) 擴(kuò)散火焰燃燒室的溫度下燃燒，從而使廢氣流中污染物(包括氮的氧化 物(NOx))含量較低。舉例來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散火焰燃燒室的最大可允許NOx水 平通常為42 ppm @ 15% 02，而貧燃料預(yù)混燃燒燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的最 大可允許NOx水平目前通常為15 ppm @ 15% 02。擴(kuò)散火焰燃燒室的 42 ppm NOx水平通常僅能通過(guò)將大量水汽或水加到燃燒室中以降低
火焰溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
已嘗試將貧燃料預(yù)混合燃燒裝置用于燃燒代用的高級(jí)碳?xì)浠?物液體燃料(如油類和柴油機(jī)燃料)和高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂蠚?如丙烷
(C3)和丁烷(C4))。本文中，"高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂?指其中燃料中至 少50重量％的碳?xì)浠衔锓肿泳哂兄辽賰蓚€(gè)碳原子的燃料。不幸的 是，當(dāng)使用代用燃料時(shí)，這些燃燒裝置難以在貧燃料預(yù)混合預(yù)氣化 (LPP)燃燒方式下操作。為使用液體燃料或液化氣產(chǎn)生貧燃料預(yù)混合預(yù) 氣化火焰(本文中，術(shù)語(yǔ)"液體燃料"應(yīng)被理解成包括通常在室溫和大 氣壓力下是液態(tài)的燃料，及經(jīng)冷卻和/或加壓而液化的氣體)，液體必 須首先蒸發(fā)進(jìn)入載氣中(通常是空氣)以產(chǎn)生燃料氣(即燃料蒸汽/空氣 混合物)，然后在到達(dá)火焰鋒之前與另外的助燃空氣混合。然而，使用 這種汽化液體燃料/液化氣和空氣混合物可能會(huì)發(fā)生被稱為自動(dòng)點(diǎn)火 (auto-ignition)的現(xiàn)象。自動(dòng)點(diǎn)火是在燃燒裝置中預(yù)定火焰位置之前的 燃料自發(fā)點(diǎn)火。在將所述燃料送入燃燒裝置時(shí)，例如由于燃料通常、 提前或其它受熱就會(huì)導(dǎo)致提前點(diǎn)火的發(fā)生。自動(dòng)點(diǎn)火使燃燒裝置的效 率下降并使其損壞，從而縮短燃燒裝置的使用壽命和/或會(huì)增加不想要 的排放物。
已進(jìn)行各種嘗試來(lái)避免在這種貧燃料預(yù)混合燃燒裝置中高級(jí)碳 氫化合物液體燃料的自動(dòng)點(diǎn)火，但沒(méi)有任何一種嘗試取得全部成功。 因此，可以使用天然氣和高級(jí)碳?xì)浠衔镆后w燃料的"雙燃料"燃燒 裝置，例如燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，通常當(dāng)使用天然氣時(shí)以貧燃料預(yù)混合方 式運(yùn)行，當(dāng)使用高級(jí)碳?xì)浠衔镆后w燃料時(shí)以擴(kuò)散方式運(yùn)行。以擴(kuò)散 方式燃燒液體燃料是不理想的，因?yàn)榕c以貧燃料預(yù)混合方式燃燒的天 然氣相比，這會(huì)增加NOx和其它排放物。
近來(lái)，另一個(gè)日益重要的問(wèn)題與液化天然氣的使用相關(guān)。最近由 于家用天然氣供應(yīng)不足，使液化天然氣更為常用。當(dāng)運(yùn)輸液化天然氣 時(shí)，通常是通過(guò)油輪(tanker)，高級(jí)碳?xì)浠衔餁怏w具有較高的沸點(diǎn)。 當(dāng)液體天然氣被再汽化用作氣態(tài)燃料時(shí)，在從貯存容器中取出的液化 天然氣的最后部分中含有較高百分比的高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂稀Ｓ捎谏?述自動(dòng)點(diǎn)火問(wèn)題，這部分液化天然氣不能用于許多現(xiàn)有的貧燃料預(yù)混 合天然氣燃燒室中。
與使用天然氣的燃燒裝置相似的燃燒裝置也被用于鍋爐、焚化爐 和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及其它燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中，其包括發(fā)電外的應(yīng)用，如用于軍 艦推進(jìn)。在軍艦用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用中遇到的問(wèn)題包括需要較大的空 間以容納常規(guī)壓縮氣體燃料和由于在常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用代用液 體燃料而產(chǎn)生的大量排放物。這些排放物會(huì)破壞環(huán)境，并帶來(lái)危險(xiǎn)， 例如，產(chǎn)生的可視性排放物會(huì)暴露艦艇的位置。
因此仍然需要開(kāi)發(fā)新型的燃燒裝置(如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等)，其采用貧 燃料預(yù)混預(yù)蒸發(fā)方式，既能燃燒天然氣又能燃燒高級(jí)碳?xì)浠衔镆后w 燃料。對(duì)于包括發(fā)電在內(nèi)的多種應(yīng)用，這種燃燒裝置令人滿意的雙燃 料選擇使其在成本控制和燃料選擇上具有相當(dāng)?shù)撵`活性。
發(fā)明概述
本發(fā)明的實(shí)施方案主要通過(guò)提供一種機(jī)構(gòu)來(lái)解決上述問(wèn)題及其 它問(wèn)題，所述機(jī)構(gòu)用于從多種液體燃料或液化氣中制備氧含量低于周 圍空氣的預(yù)汽化燃料氣，這種燃料氣可送入燃燒裝置中作為氣態(tài)燃 料。在優(yōu)選實(shí)施方案中，這種預(yù)汽化燃料氣可用于現(xiàn)有燃燒天然氣的 貧燃料預(yù)混合燃燒裝置中。這種氣態(tài)燃料可用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油和 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，如用于向海軍艦艇、火車頭、飛機(jī)和汽車供應(yīng)能量。 本發(fā)明也適用于多種其它燃燒裝置，特別適用于對(duì)點(diǎn)火控制和/或排放 物控制要求較高的燃燒裝置。例如，使用本發(fā)明即使在擴(kuò)散火焰燃燒
室中也可降低NOx。通過(guò)增加低氧氣流/燃料氣混合物的熱容量可以 減少排放物，這是因?yàn)榧尤氲亩栊詺怏w可用以降低火焰溫度，從而減 少NOx。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，惰性氣流或含有氧含量低于周圍空氣 的其它氣流被用于汽化液體燃料或液化高級(jí)碳?xì)浠衔锾烊粴?，并?所得低氧汽化燃料氣送入燃燒裝置中。通過(guò)將燃料與氧濃度適當(dāng)降低 的氣流混合，可以防止或充分延緩汽化燃料的反應(yīng)，從而避免自動(dòng)點(diǎn) 火。下文說(shuō)明的高度點(diǎn)火控制及本發(fā)明的其它特征可用于降低或控制 排放物或燃燒不穩(wěn)定性。
本領(lǐng)域公知的多種裝置或系統(tǒng)可用于供應(yīng)惰性氣流，并且多種惰 性氣體可用于本發(fā)明中。例如，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，可以由來(lái) 自預(yù)燃器或燃燒裝置下游的污濁的廢氣來(lái)提供用于汽化液體燃料或 液化氣體的低氧氣流，從而避免自動(dòng)點(diǎn)火。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)這種廢氣 流，該廢氣流可用于汽化任何液體燃料或液化氣，所述液體燃料或液 化氣一旦經(jīng)適當(dāng)處理并與廢氣流混合就可直接送入燃燒裝置作為氣 態(tài)燃料。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中，使用空氣分離器單元將低氧氣 流供應(yīng)至液體燃料或液化氣汽化器。
有利的是，這使其成為用于從各種液體燃料或液化氣和壓縮空氣 制備預(yù)汽化燃料的獨(dú)立單元，預(yù)汽化燃料一旦經(jīng)適當(dāng)處理和混合就可 直接供應(yīng)至適于燃燒天然氣的現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。然后，所得混合物 以貧燃料預(yù)混合方式燃燒，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。例如，這種改進(jìn)可 以包括但不限于，改進(jìn)廢氣排放物和/或提高火焰穩(wěn)定性，其包括降低 燃燒裝置的不穩(wěn)定性。
用于本發(fā)明實(shí)施方案中的空氣分離器單元從空氣中分離氧氣和 氮?dú)?。空氣分離器的輸出包括兩種氣流，第一種氣流氧氣高、氮?dú)獾?("富氧氣流")，第二種氣流氧氣低、氮?dú)飧?本實(shí)施方案中得到的低
氧氣流，及其它實(shí)施方案中的其它低氧氣流，被稱為"氧低氣流"(the oxygen-reduced stream)或"低氧氣流"(the reduced oxygen stream))。在
本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，空氣分離器使用在本領(lǐng)域中稱作"吸附法" 的方法來(lái)制備所述氣流。
然后在送入燃燒裝置之前，低氧氣流可以與汽化液體燃料或液化 氣體混合。由于汽化燃料需要足量的氧氣以進(jìn)行燃燒，因此通過(guò)將汽 化燃料與低氧氣流(如混有低水平的氧氣和適合水平的非可燃性氮?dú)? 混合，可以防止或充分延緩汽化燃料的燃燒，從而避免自動(dòng)點(diǎn)火。然 后，將燃料和低氧氣流的混合物用作氣態(tài)燃料送入燃燒裝置中，在此 燃料/低氧氣流可與氧源(例如，進(jìn)氣)混合而在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，空氣分離器使用從渦輪壓縮機(jī)供應(yīng)的 壓縮空氣?？蛇x擇地或另外地，空氣分離器可以使用從任何壓縮空氣 源供應(yīng)的壓縮空氣。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，空氣分離器產(chǎn)生的富氧氣流可被供應(yīng) 至燃燒裝置的燃料燃燒區(qū)的下游，以減少渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物。將富 氧氣流供應(yīng)至燃燒后排放物流中可降低燃燒裝置產(chǎn)生的污染物，例如 通過(guò)促進(jìn)廢氣流中未燃燒的燃料和/或一氧化碳的氧化。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，空氣分離器產(chǎn)生的富氧氣流可被送入 燃燒裝置以拓寬燃燒裝置的使用范圍。
許多液體碳?xì)浠衔锶剂线m用于本發(fā)明。這些液體燃料或液化氣
包括但不限于柴油機(jī)燃料、#2燃料油、汽油、高級(jí)碳?xì)浠衔锖刻?高的液化天然氣、其它液化氣(包括液化C2、 C3、 C4、 C5等)和易燃 性液體廢物流(如制造過(guò)程中得到的廢物流)。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)混合適當(dāng)比例的低氧氣流，可以 控制以燃料氣流質(zhì)量或體積計(jì)的熱值。這方便了燃料氣例如通過(guò)現(xiàn)有 天然氣燃料系統(tǒng)向燃燒裝置的供應(yīng)。
本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員通過(guò)考査下面的說(shuō)明書(shū)或?qū)嵤┍景l(fā)明，將更 加明白本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和新特征。


圖l(a)是本發(fā)明實(shí)施方案的方塊圖； 圖l(b)和圖l(c)是適用于圖l(a)實(shí)施方案的不同類型燃燒室的方 塊圖2是流程圖，表明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的使用液體燃料或液化 氣和燃燒裝置的方法；
.圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的配有液體燃料或液化氣燃燒裝置的 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方塊圖4是流程圖，表明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的使用液體燃料或液化 氣及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法；
圖5(a)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的配有液體燃料或液化氣燃燒裝置 的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方塊圖5(b)、 (c)、 (d)和(e)是圖5(a)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種燃燒室結(jié) 構(gòu)的方塊圖；及
圖6是流程圖，表明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的使用液體燃料或液化 氣及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。
發(fā)明詳述
結(jié)合優(yōu)選的燃燒系統(tǒng)實(shí)施方案討論本發(fā)明。列出具體細(xì)節(jié)，如燃 料類型和氣流的氧含量，是為了更徹底地理解本發(fā)明。本文討論的優(yōu) 選實(shí)施方案不應(yīng)被理解成限制本發(fā)明。此外，為容易理解，某些處理 步驟分成幾步；然而，這些步驟不應(yīng)被解釋為截然分開(kāi)或與其性能相 關(guān)。
本文中，"汽化"應(yīng)被理解成不同于"氣化"。氣化是指如下過(guò) 程通過(guò)使非氣態(tài)燃料(如煤)與周圍空氣或富氧氣流部分反應(yīng)(例如燃 燒)，而將非氣態(tài)燃料轉(zhuǎn)化成氣態(tài)燃料的過(guò)程。相反，由于存在相對(duì)于 周圍空氣而言氧含量降低的氣流，所以在本發(fā)明的汽化過(guò)程中液體燃 料的反應(yīng)基本上受到抑制。
本發(fā)明被認(rèn)為特別適用于貧燃料預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒裝置，因此主要
結(jié)合這一點(diǎn)進(jìn)行討論。然而，本發(fā)明不應(yīng)理解成受到這種限制。例如，
本發(fā)明也可用于RQL(富燃料燃燒-快速淬熄-貧燃料燃燒 (rich-quench-lean))燃燒裝置、部分預(yù)混合燃燒裝置或擴(kuò)散火焰燃燒裝 置。
圖l問(wèn)是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的燃燒系統(tǒng)的方塊圖，其包括常用 燃燒室5(本文中也被稱為"燃燒裝置")，用作燃燒液體燃料或液化氣 的燃燒器，例如但不限于，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或火花點(diǎn)火或壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。 如圖l(a)所示，液體燃料/液化氣體汽化單元1與燃燒室5連接。低氧 汽化燃料流8從汽化單元1供應(yīng)至燃燒室5。含氧氣流9也供應(yīng)至燃 燒室5，如空氣源。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃燒室5具有適當(dāng)混合汽化 燃料流8與含氧氣流9的作用。
汽化單元1包括低氧氣流源2、液體燃料/液化氣體源3(本文中也 稱作"液體燃料"和/或"液化燃料")和汽化器單元4。所述液體燃料 /液化氣體汽化單元4混合并汽化分別來(lái)自所述液體燃料/液化氣體源 3和所述低氧氣流源2的供應(yīng)流6和7。多種不同方法可被用于汽化 所述液體燃料流6和低氧氣流2?；旌虾推捻樞虿⒉恢匾?。在某 些實(shí)施方案中，混合和汽化同時(shí)發(fā)生，如當(dāng)?shù)脱鯕饬鞅活A(yù)熱至足以汽 化液體燃料的溫度時(shí)。在其它實(shí)施方案中，在與所述低氧氣流7混合 之前，所述液體燃料流6被部分或完全汽化，例如，通過(guò)加熱液體燃 料。在某些實(shí)施方案中，在混合和汽化之前所述低氧氣流7被加壓和 /或加熱。然后，通過(guò)與低氧氣流混合而能避免自動(dòng)點(diǎn)火的汽化燃料流 8被送入燃燒室5，用于在燃燒過(guò)程中使用。
在某些實(shí)施方案中，汽化燃料流8的溫度需足夠高，以使在輸送 至燃燒室5的過(guò)程中，汽化燃料流8保持在露點(diǎn)以上。在另外的實(shí)施 方案中，如果汽化燃料流8在到達(dá)燃燒室5之前所必須經(jīng)過(guò)的距離足 夠短，從而沒(méi)有足夠時(shí)間發(fā)生明顯冷凝，那么汽化燃料流8的溫度可 以降至低于露點(diǎn)。在其它實(shí)施方案中，在汽化器4和燃燒室5之間加
熱汽化燃料流8。
所述低氧氣流源2產(chǎn)生氧含量相對(duì)于周圍空氣降低的氣流，通常 含有約21%的02。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，低氧氣流的氧含量低 于極限氧指數(shù)。極限氧指數(shù)(LOI)是局部環(huán)境中的氧濃度，低于該濃度 材料不支持燃燒,并隨液體燃料不同而變化。L01通常約為10%~14%， 對(duì)于多種高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂隙约s為13%。氣流源2的氧含量降低 越大，自動(dòng)點(diǎn)火受到的抑制越大。然而，需要更多功(即能量)來(lái)制備 低氧含量的氣流。這種作功將降低系統(tǒng)的總效率。因此，在某些實(shí)施 方案中，氣流源2的氧含量低至剛好足以抑制自動(dòng)點(diǎn)火所需的量，可 以是高于或低于LOI。在本發(fā)明其它實(shí)施方案中，所述低氧氣流源2 不含氧。在一些實(shí)施方案中，低氧氣流源2供應(yīng)的氣體是惰性的；在 其它實(shí)施方案中，來(lái)自氣流源2的氣體含有碳?xì)浠衔?例如甲烷和/ 或高級(jí)碳?xì)浠衔?。
足以抑制自動(dòng)點(diǎn)火所需的氣流源2中的氧含量降低量取決于特定
應(yīng)用，特別是取決于如下因素如燃料質(zhì)量、混合/汽化過(guò)程、汽化氣 流到達(dá)燃燒室所經(jīng)過(guò)的距離、汽化氣流當(dāng)其離開(kāi)汽化器時(shí)的熱度、在 燃燒之前低氧氣流/燃料混合物在燃燒室中的熱度、在燃燒室中從預(yù)混 合區(qū)到燃燒區(qū)的距離。
如上所述，圖1(a)的燃燒室5可以是圖l(b)所示的預(yù)混合燃燒室。 預(yù)混合燃燒室通常包括預(yù)混合區(qū)5b-l、主燃燒區(qū)5b-2、中間區(qū)5b-3 和稀釋區(qū)5b-4。在預(yù)混合燃燒室中，低氧汽化燃料氣流8被供應(yīng)至預(yù) 混合區(qū)5b-l，并在那里與含氧氣流9a(例如，空氣)預(yù)混合。含氧氣流 9a通常供應(yīng)至其它區(qū)5b-2、 5b-3、 5b-4中的一些或全部中。在RQL 燃燒裝置中，低氧汽化燃料氣流8被供應(yīng)至中間區(qū)5b-3。可選擇地， 圖1(a)的燃燒室5可以是圖l(c)所示的擴(kuò)散燃燒室，其包括主燃燒區(qū) 5c-l，中間區(qū)5c-2和稀釋區(qū)5c-3。在常用擴(kuò)散燃燒室中，低氧汽化燃 料氣流8被供應(yīng)至主燃燒區(qū)5c-l，并在那里在含氧氣流9a存在下燃
燒o
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的液體燃料/低氧氣體汽化系統(tǒng) 的操作方法流程圖。在步驟10中，低氧氣流和來(lái)自液體燃料源的燃 料流都被供應(yīng)至液體燃料汽化單元。在步驟11中，液體燃料汽化單 元混合并汽化供應(yīng)流。汽化能量可由低氧氣流或其它能源供應(yīng)。然后 在步驟12中，通過(guò)與所述低氧氣流混合而能避免自動(dòng)點(diǎn)火的汽化燃 料流被供應(yīng)至燃燒室。在步驟13中，所述燃燒室使用制得的液體燃 料/低氧氣流和氧源來(lái)產(chǎn)生可燃燒的混合物。
本發(fā)明燃燒系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案如圖3所示。圖3的燃燒系統(tǒng) 包括常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)14，其包括空氣壓縮機(jī)15(與助燃空氣源相 連，圖3未示)、燃燒室5(如上所述，其可以是預(yù)混合或擴(kuò)散燃燒室)、 渦輪16和用于釋放排放物的通道17。該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)14可與任何裝置 連接，例如，與發(fā)電機(jī)18或其它輸出連接，如海軍艦艇螺旋槳。在 此實(shí)施方案中，來(lái)自通道17的部分廢氣流20被用于將低氧氣流供應(yīng) 至液體燃料/液化氣體汽化單元21。所述液體燃料/液化氣體汽化單元 21與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)14連接。該汽化單元21包括用于加壓所述 通道廢氣流20的壓縮機(jī)19、燃料汽化器4及液體燃料/液化氣體源3， 其可以包括在所述單元21中或可選擇地不包括在單元21內(nèi)而是與其 相連。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的與渦輪一起使用的液體燃料/低氧 氣體汽化系統(tǒng)的操作方法流程圖。在步驟25中，低氧含量的渦輪廢 氣流被供應(yīng)至壓縮機(jī)。在步驟26中，所述壓縮機(jī)加壓燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng) 機(jī)廢氣流。在步驟27中，壓縮機(jī)輸出的低氧氣流和液體燃料流被供 應(yīng)至液體燃料汽化器。在步驟28中，將所述壓縮機(jī)輸出物與所述液 體燃料流混合，以汽化所述液體燃料。然后在步驟29中，將低氧的 汽化液體燃料流供應(yīng)至燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。
在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)14是使用天然氣的現(xiàn)
有貧燃料預(yù)混合裝置，所述液體燃料3是高級(jí)碳?xì)浠衔镆后w燃料。
除了上述自動(dòng)點(diǎn)火問(wèn)題外，第二個(gè)問(wèn)題是由于在使用天然氣的燃燒裝 置中使用高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂弦鸬?，由于高?jí)碳?xì)浠衔锶剂媳忍?然氣具有更高的能量含量，因此使用天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料氣分布和 定量系統(tǒng)通常需要改變以使用高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂蠚?。然而，在?yōu)選
實(shí)施方案中，氣體汽化單元21被用于將低氧汽化燃料氣供應(yīng)至渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī)14,因此不需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)14的燃料氣分布系統(tǒng)。這可通過(guò) 將汽化燃料與一定量的低氧氣體混合，使得來(lái)自汽化器4的低氧汽化 燃料氣的能量含量與天然氣的能量含量相當(dāng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)14 所用的燃料定量方法，所述能量含量可以體積或質(zhì)量計(jì)。在其它實(shí)施 方案中，低氧燃料氣的能量含量高于或低于天然氣，燃料分布系統(tǒng)被 構(gòu)造成用于燃燒這種能量含量較高或較低的氣體。
舉例來(lái)說(shuō)，燃料氣的熱值約與氣體分子中的碳原子數(shù)成比例。因 此，戊垸(C諷2;)的熱值約為天然氣主要成分甲烷(CH4)的5倍。如果在
圖3系統(tǒng)中使用液化戊垸作為液體燃料，則需要構(gòu)造汽化器4以輸出 以體積計(jì)包括一份汽化的戊烷氣體和四份低氧氣體的燃料氣流，以便 用于配有定量甲烷的燃料氣分布系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)14。
圖5a所示為本發(fā)明燃燒系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案，其包括燃?xì)廨?機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)14，該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)15、燃燒室5、渦輪16 和用于釋放排放物的通道17。渦輪16可與發(fā)電機(jī)18或任何其它裝置 連接，如海軍艦艇螺旋槳。本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的液體燃料/液化氣體 汽化單元31與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)14連接。所述渦輪還可以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。 在圖5a所示的實(shí)施方案中，單元31包括空氣分離器32、輔助壓縮機(jī) 33、第二壓縮機(jī)34、燃料汽化器4和液體燃料/液化氣體源3，其可以 包括在單元31中或可選地不包括在單元31內(nèi)而是與其相連。
所述壓縮機(jī)15具有壓縮氣體輸出，所述壓縮氣體輸出可以被供 應(yīng)至所述空氣分離器32。所述空氣分離器32從發(fā)動(dòng)機(jī)14的壓縮機(jī)15吸入壓縮空氣流(或其它來(lái)源的壓縮空氣流)，輸出富氧氣流41和低 氧氣流42，后者通常相對(duì)空氣而言含有大量氮?dú)狻８鞣N空氣分離器在 本領(lǐng)域中是公知的。在某些實(shí)施方案中，可以從所述壓縮機(jī)的中間階 段抽取壓縮空氣并將其送入所述空氣分離器。在某些實(shí)施方案中，空 氣分離單元使用被稱為吸附的方法來(lái)制備富氧氣流41和低氧氣流42。 在此實(shí)施方案中，空氣流可被壓縮至3個(gè)大氣壓以利于分離。
在圖5a的實(shí)施方案中，壓縮富氧氣流41，將壓縮的富氧氣流43 注入燃燒室5。所述低氧氣流42被供應(yīng)至輔助壓縮機(jī)33，在那里加 壓。然后，所得到的壓縮的低氧氣流45被供應(yīng)至液體燃料/液化氣體 汽化單元4。所述液體燃料/液化氣體汽化單元4將來(lái)自所述液體燃料 /液化氣體源3的液體燃料/液化氣體物料6與壓縮的低氧氣流45在高 溫下混合，以汽化液體燃料/液化氣。所述壓縮的低氧氣流45和氣體 物料6的混合比取決于液體燃料3和發(fā)動(dòng)機(jī)14的結(jié)構(gòu)。如上所述， 可以選擇所述混合比將高級(jí)碳?xì)浠衔镆后w燃料3用于燃燒天然氣的 發(fā)動(dòng)機(jī)14，而不改變發(fā)動(dòng)機(jī)14的燃料分布系統(tǒng)。然后，將汽化燃料/ 低氧氣流8供應(yīng)至燃燒室5。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的用于渦輪的液體燃料/低氧氣體汽 化系統(tǒng)的操作方法流程圖。如圖6所示，在步驟51中，在合適的階 段中/合適的壓力下從燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓縮機(jī)中抽出壓縮空氣， 用于空氣分離單元中。在步驟52中，空氣分離單元吸入壓縮空氣流， 并產(chǎn)生富氧氣流和低氧氣流。在一個(gè)實(shí)施方案中，在步驟53中富氧 氣流被供應(yīng)至第一輔助壓縮機(jī)，在步驟54中第一輔助壓縮機(jī)加壓富 氧氣流，然后在步驟55中加壓的富氧氣流被注入燃燒室。在某些實(shí) 施方案中，將富氧燃料流注入燃燒室5的火焰鋒下游(例如，燃燒室(如 圖5(b)和5(c沖所示的預(yù)混合燃燒室)的中間區(qū)或稀釋區(qū)，或擴(kuò)散燃 燒室)，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)14產(chǎn)生的污染物量。在其它實(shí)施方案中，富氧 燃料流與來(lái)自壓縮機(jī)15的助燃空氣混合，所述助燃空氣被供應(yīng)至如
圖5(d)(預(yù)混合燃燒室)和圖5(e)(擴(kuò)散燃燒室)所示的燃燒室5的主燃 燒區(qū)中。這拓寬了燃燒室的k作范圍，使燃燒可在低當(dāng)量比下進(jìn)行(即 貧燃料燃燒)，從而降低污染物如NOx的排放。在其它實(shí)施方案中， 富氧燃料流與來(lái)自壓縮機(jī)15的空氣簡(jiǎn)單混合，并供應(yīng)至燃燒室的所 有區(qū)中。
在步驟56中，來(lái)自空氣分離單元的低氧氣流被供應(yīng)至第二輔助 壓縮機(jī)，在步驟57中，第二輔助壓縮機(jī)加壓所述低氧氣流。然后在 步驟58中，將所得到的壓縮低氧氣流和來(lái)自液體燃料源的液體燃料/ 液化氣流供應(yīng)至液體燃料汽化單元。在步驟59中，所述液體燃料汽 化單元將供應(yīng)的液體燃料/液化氣流和所述壓縮的低氧氣流在高溫下 混合，以汽化液體燃料/液化氣體。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)低 氧氣流和液體燃料/液化氣體的混合程度，以適應(yīng)各種液體燃料/液化 氣的比熱值和/或質(zhì)量或體積流速規(guī)格。然后在步驟60中，例如通過(guò) 現(xiàn)有的渦輪用天然氣燃料系統(tǒng)，將汽化燃料/低氧流供應(yīng)至燃燒室。
如上所述，本發(fā)明的某些實(shí)施方案可以從液體燃料制備低氧燃料 氣流，其可被供應(yīng)至用于燃燒其它燃料如天然氣的現(xiàn)有燃燒裝置如燃 氣輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，而不用改變現(xiàn)有燃燒裝置。這可通過(guò)將燃料氣與惰 性低氧氣流混合以保持燃料氣的能量含量等于天然氣的能量含量來(lái) 實(shí)現(xiàn)，根據(jù)燃燒裝置所用的定量方法，所述能量含量以體積或質(zhì)量計(jì)。 在大部分現(xiàn)有燃燒裝置中，可以控制燃料氣/助燃空氣比，以使混合物 更貧燃料(lean)或少貧燃料。本發(fā)明其它優(yōu)點(diǎn)在于，在相同條件下(即 相同溫度、相同助燃空氣(或其它含氧氣體)供應(yīng)等)，在當(dāng)量比比甲烷 的當(dāng)量比更低(更貧燃料)時(shí)，多種低氧的汽化高級(jí)碳?xì)浠衔锶剂峡?以燃燒。例如，甲垸在空氣中的最小當(dāng)量比通常約為0.5，而多種高 級(jí)碳?xì)浠衔锶剂袭?dāng)在空氣中的當(dāng)量比約為0.45時(shí)可以燃燒。使用低 當(dāng)量比可降低污染物如NOx的排放。如上所述，在其中通過(guò)將來(lái)自空 氣分離器的富氧氣流加到助燃空氣流中來(lái)拓寬操作范圍的實(shí)施方案 中，燃燒裝置的操作當(dāng)量比可以更低。在本發(fā)明其它實(shí)施方案中，可以制備能量含量比天然氣更高或更 低的低氧燃料氣。在此實(shí)施方案中，如果使用用于燃燒天然氣的燃燒 裝置，那么燃燒裝置的燃料分布/定量系統(tǒng)需要適當(dāng)變化。
現(xiàn)在已結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)說(shuō)明了本發(fā)明實(shí)施例。可以理解，這些實(shí)施 例僅是說(shuō)明本發(fā)明。本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員顯然可以做出多種修改和變 化。
權(quán)利要求
1.一種操作燃燒裝置的方法，該方法包括如下步驟使用包含碳?xì)浠衔锓肿拥囊后w燃料和稀釋氣體制備燃料氣；預(yù)混合所述燃料氣和包含氧氣的第二氣體，以在位于燃燒裝置的燃燒區(qū)上游的預(yù)混合區(qū)內(nèi)制備氣體混合物，所述預(yù)混合區(qū)經(jīng)設(shè)計(jì)以使得所述氣體混合物在沒(méi)有稀釋氣體的情況下能夠自動(dòng)點(diǎn)火；和在所述燃燒裝置的燃燒區(qū)內(nèi)燃燒氣體混合物；其中所述稀釋氣體是惰性的并且其存在量使得所述燃料氣體在所述燃燒區(qū)上游的反應(yīng)受到相當(dāng)大的抑制。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的含氧量足以 支持所述氣體混合物的燃燒。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物是當(dāng)量比小于 1的貧燃料混合物。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述液體燃料中至少50重量 %的碳?xì)浠衔锓肿泳哂兄辽賰蓚€(gè)碳原子。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的氧含量低于 所述液體燃料的極限氧指數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃燒裝置包括用于天然氣 的燃料定量系統(tǒng)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的當(dāng)量比低于 在相同操作條件下甲垸可以燃燒的最小當(dāng)量比。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃燒裝置是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是液化氣體，該 液化氣體是在室溫和大氣壓力下為氣態(tài)的組合物。
10. —種燃燒裝置，其包括燃燒器，該燃燒器具有接收燃料氣體的第一進(jìn)口；接收含氧氣 體的第二進(jìn)口，所述含氧氣體用于支持所述燃料氣體的燃燒；燃燒區(qū) 和位于該燃燒區(qū)上游的預(yù)混合區(qū)；所述燃燒裝置經(jīng)設(shè)計(jì)以在預(yù)混合區(qū) 中預(yù)混合所述燃料氣體和至少部分含氧氣體，以制備氣體混合物，并 在燃燒區(qū)燃燒所述氣體混合物；和與所述燃燒裝置的進(jìn)口流體連接的燃料汽化單元，該燃料汽化單 元經(jīng)設(shè)計(jì)以使用包含碳?xì)浠衔锓肿雍拖♂寶怏w的液體燃料產(chǎn)生燃 料氣體；其中所述預(yù)混合區(qū)經(jīng)設(shè)計(jì)以使得所述氣體混合物在沒(méi)有稀釋氣 體的情況下能夠自動(dòng)點(diǎn)火，并且所述稀釋氣體是惰性的并且其在燃料 氣體中的存在量使得所述燃料氣體在所述燃燒區(qū)上游的反應(yīng)受到相 當(dāng)大的抑制。
11. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其還包括用于控制向第一進(jìn) 口供應(yīng)的燃料氣體的燃料氣體定量裝置，該燃料氣體定量裝置經(jīng)設(shè)計(jì) 用于天然氣。
12. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃燒裝置經(jīng)設(shè)計(jì)用于燃燒當(dāng)量比小于1的氣體混合物。
13. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其中所述液體燃料中至少 50重量％的碳?xì)浠衔锓肿泳哂兄辽賰蓚€(gè)碳原子。
14. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃料氣體的氧含量 低于所述液體燃料的極限氧指數(shù)。
15. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述氣體混合物的當(dāng)量 比低于在相同操作條件下甲烷可以燃燒的最小當(dāng)量比。
16. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述液體燃料是液化氣 體，該液化氣體是在室溫和大氣壓力下為氣態(tài)的組合物。
17. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃燒裝置是燃?xì)廨?機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。
18. 如權(quán)利要求IO所述的燃燒裝置，其中所述燃燒裝置經(jīng)設(shè)計(jì)以 使得在預(yù)混合區(qū)中使足以支持燃燒量的含氧氣體與燃料氣體預(yù)混合。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及汽化燃燒用液體燃料的系統(tǒng)及其使用方法，其中將氧含量低于周圍空氣的氣流用于汽化液體燃料或液化的碳?xì)浠衔餁怏w，或者與汽化的氣體混合，并將所得低氧汽化燃料氣送入燃燒裝置，如預(yù)混合燃燒室或擴(kuò)散燃燒室。優(yōu)選所述氣流的氧含量小于極限氧指數(shù)。通過(guò)將所述燃料與氧含量適當(dāng)降低的氣流混合，可以避免在火焰鋒之前的自動(dòng)點(diǎn)火。在某些實(shí)施方案中，所述低氧氣流從空氣分離器中產(chǎn)生或從所述燃燒裝置的廢氣中產(chǎn)生。
文檔編號(hào)F23R3/28GK101187477SQ20071016682
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月10日
發(fā)明者克里斯托弗·F.·舍梅爾, 理查德·J.·羅比, 邁克爾·S.·克拉森 申請(qǐng)人:Lpp燃燒有限責(zé)任公司