專利名稱：使燃料和稀釋劑均勻以減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里所揭示的內(nèi)容涉及燃燒系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，是涉及一種減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
減少有害釋放物是燃燒系統(tǒng)、尤其是發(fā)電廠設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)。從燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電廠排出的主要釋放物是氮的氧化物或NOx。最普遍的NOx釋放物是一氧化氮、NO和二氧化氮、NO2。
盡管許多燃燒系統(tǒng)使用是最為潔凈的燃料之一的天然氣，但是這些燃燒系統(tǒng)的NOx含量仍維持在較高的狀態(tài)下。例如，在標(biāo)準(zhǔn)的家用廚房爐具中，噴燒器火焰約以百萬(wàn)分之(ppm)48的比例放出NOx釋放物。其它諸如煤氣燒烤爐、熱水加熱器及本生燈之類的裝置也大致以那個(gè)含量放出NOx釋放物。因此，就需要為燃燒系統(tǒng)進(jìn)一步減少NOx釋放物，尤其是在發(fā)電廠中，但也在其它燃燒系統(tǒng)中。盡管電是最為潔凈的能源選擇，但仍會(huì)產(chǎn)生NOx釋放物，這集中在產(chǎn)生電力的來(lái)源處(即在發(fā)電廠)。
NOx釋放物是由于氮和包含在空氣中的氧在高溫下反應(yīng)而生成的。降低燃燒溫度會(huì)減少NOx釋放物的含量。但是，燃燒溫度的降低通常會(huì)使碳燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度變慢，從而產(chǎn)生高含量的一氧化碳。由于這個(gè)原因，燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)和燃燒天然氣的發(fā)電廠就使用諸如蒸汽或水霧的稀釋劑來(lái)降低火焰的溫度。
混合的蒸汽和水會(huì)產(chǎn)生湍流，有效地增加要與燃料混合以進(jìn)行燃燒的氧氣的擴(kuò)散性。在火焰前鋒中的水滴很快蒸發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)被稱為“微爆”的現(xiàn)象。當(dāng)蒸汽和水的噴出產(chǎn)生湍流，并降低火焰的溫度時(shí)，水汽就變成了另一種具有高熱容量的惰性氣體(除了氮?dú)庵?。已經(jīng)表明，在燃?xì)鉁u輪機(jī)中使用這樣的稀釋劑能減少NOx釋放物含量，例如低于25ppm。
減少NOx方面的改進(jìn)已經(jīng)停滯，人們?nèi)孕枰蛉紵到y(tǒng)添加其它的減少裝置以更多地降低NOx釋放物的含量。現(xiàn)有的裝置可能是昂貴且難于操作的，并且它們自身有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生其它的釋放物。一種這樣的裝置是一種選擇性催化的減少系統(tǒng)(SCR)，它使用氨和一種催化劑來(lái)減少NOx釋放物。正常情況下，選擇性催化減少系統(tǒng)能減少在燃?xì)庵?0％的NOx釋放物。但是，氨自身就可能是一種危險(xiǎn)的物質(zhì)，在高溫條件下，氨會(huì)與水劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒和眼睛的損傷。氨也會(huì)分解為氮和氫，這是所不希望和無(wú)收益的結(jié)果。因此，人們需要通過(guò)更為實(shí)際和有效的手段來(lái)進(jìn)一步減少燃燒系統(tǒng)中的NOx釋放物。


圖1示出了一個(gè)典型的擴(kuò)散焰的結(jié)構(gòu)。氣態(tài)燃料通過(guò)一噴嘴10進(jìn)入，并且由一個(gè)諸如燃料噴射器或蠟燭之類的擴(kuò)散焰來(lái)支承?；鹧娴慕Y(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化成一個(gè)停頓區(qū)域12(中間處的交叉陰影線所示)、一個(gè)燃料擴(kuò)散區(qū)域14以及一個(gè)火焰表面16。氧氣從周圍區(qū)域向火焰表面擴(kuò)散。在擴(kuò)散焰結(jié)構(gòu)下，燃燒反應(yīng)僅能在燃料和氧化劑達(dá)到化學(xué)計(jì)量比時(shí)發(fā)生在火焰表面16。因此在火焰表面處的溫度就基本保持恒定，與噴射入噴嘴10的燃料的速率無(wú)關(guān)。變化為更高的燃料噴射速率會(huì)使火焰表面更大。
來(lái)自火焰表面的熱量傳回到燃料供應(yīng)的中心，使燃料分解為諸如碳和氫之類的更小的化學(xué)物質(zhì)。這些更小的化學(xué)物質(zhì)向火焰表面擴(kuò)散以支持燃燒過(guò)程。燃燒的熱量分給燃燒產(chǎn)物和周圍的惰性氣體。如果周圍的氣體是空氣，那么氮?dú)饩蜁?huì)帶走一些熱量而不參與化學(xué)反應(yīng)，從而降低了整個(gè)火焰表面的溫度。但如果氣體是純氧，火焰表面就會(huì)達(dá)到其可能的最高燃燒溫度?？梢詫⒁环N不與氧氣反應(yīng)的氣體用作惰性氣體，從火焰溫度帶走熱量，且不參與到化學(xué)反應(yīng)中，以此來(lái)進(jìn)一步降低火焰的溫度。
圖2a示出了燃料和氧化劑不燃燒時(shí)的典型相互擴(kuò)散圖。亦即圖2a作為一不燃燒時(shí)相對(duì)于離開(kāi)中心線(亦即離開(kāi)燃料源或停頓區(qū)域的中間)的距離的一濃度分布圖，表示了燃料和氧化劑的擴(kuò)散現(xiàn)象。x-軸代表離開(kāi)燃料源的距離。在圖2a中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在圖2b中，當(dāng)以燃燒的形式發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，燃料和氧化劑的濃度都在火焰表面處達(dá)到零。在火焰表面燃燒產(chǎn)物的濃度最高。盡管燃料和氧化劑在消失，但當(dāng)燃料和氧化劑的濃度處于化學(xué)計(jì)量比時(shí)，如圖2a所示，火焰保持在目前的擴(kuò)散速率。
圖3示出了隨著燃料噴嘴噴射速度增加，作為湍流度的函數(shù)的火焰高度。左側(cè)示出了其高度隨著燃料射流速度增長(zhǎng)的一個(gè)十分長(zhǎng)的火焰。該火焰是一個(gè)層流焰。該火焰是一個(gè)層流焰。右側(cè)示出了當(dāng)燃料射流速度增加時(shí)的火焰。盡管開(kāi)始時(shí)火焰的高度減小，但燃料射流速度的增加最終將湍流擴(kuò)散焰保持在一個(gè)恒定的高度。對(duì)于左側(cè)的層流焰，火焰的擴(kuò)散嚴(yán)格地是分子的擴(kuò)散。因此，火焰的表面區(qū)域保持與來(lái)自燃料噴嘴的燃料噴射速率成比例。當(dāng)該速度繼續(xù)增加，它就導(dǎo)致湍流的混合，這大大增加了分子的擴(kuò)散率。燃料噴嘴的射流最終達(dá)到一種稱為相似流的狀態(tài)，它意味著火焰處于一個(gè)恒定的高度。在湍流的混合圖形變成與速度的量值無(wú)關(guān)時(shí)產(chǎn)生相似流。
當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的速率低于湍流擴(kuò)散速率時(shí)，火焰會(huì)從燃料噴嘴升起，產(chǎn)生噴出狀態(tài)。圖4示出了關(guān)于噴出狀態(tài)的燃燒火焰?zhèn)纫晥D。圖4a示出了射流速度極高時(shí)的燃料狀態(tài)。為了加快化學(xué)反應(yīng)速率并穩(wěn)定火焰，一些燃燒產(chǎn)物作為化學(xué)反應(yīng)火種材料通過(guò)湍流混合再循環(huán)。在圖4a中的鐘形輪廓線示出了火焰的根部，并且錐形的區(qū)域代表燃料和空氣的湍流燃燒。當(dāng)燃料和空氣的速度都增大，火焰的根部離開(kāi)噴嘴升起，讓一些再循環(huán)的化學(xué)物質(zhì)來(lái)支持燃燒。如圖4b所示，當(dāng)速度增大，再循環(huán)減少，致使火焰從噴嘴升起并產(chǎn)生一個(gè)中性的狀態(tài)。圖4c示出了射流和空氣的速度都增加到最大時(shí)的結(jié)果。諸化學(xué)物質(zhì)可以不再循環(huán)，并且火焰完全從噴嘴上升，產(chǎn)生一個(gè)噴出狀態(tài)。蠟燭很好地表現(xiàn)出這個(gè)現(xiàn)象當(dāng)有人輕吹蠟燭時(shí)，蠟燭的燃燒速率就加快。但當(dāng)人更猛烈地吹蠟燭時(shí)，燃燒速率就趕上擴(kuò)散速率，從而熄滅了火焰。
如上所述，在燃?xì)鉁u輪機(jī)中尤為需要減少NOx釋放物的含量。Willian W.Bathie的出版物“Fundamentals of Gas Turbines，Second Edition”(“燃?xì)鉁u輪機(jī)基礎(chǔ)(第二版)”)提供了燃?xì)鉁u輪機(jī)的詳細(xì)說(shuō)明，因此它被結(jié)合入，以供參考。圖5示出了一個(gè)典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)。外襯20有許多稀釋孔30。一個(gè)預(yù)攪拌旋流器40包圍著一燃料噴嘴50。稀釋孔30產(chǎn)生再循環(huán)流，用來(lái)將燃燒產(chǎn)物引回入主燃燒區(qū)域中以幫助加速燃燒化學(xué)反應(yīng)。旋流器40在燃料流出孔51時(shí)對(duì)燃料射流進(jìn)行基本的湍流攪拌。這種設(shè)計(jì)利用再循環(huán)和湍流來(lái)產(chǎn)生相似流。然后燃燒產(chǎn)物與通過(guò)稀釋孔30的稀釋空氣混合，以在進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)噴嘴之前達(dá)到一個(gè)最終的溫度。
圖6示出了用于該工業(yè)中的現(xiàn)有技術(shù)的裝置。一個(gè)同心的噴嘴61有用來(lái)產(chǎn)生湍流焰的燃料和稀釋劑噴射。具體地說(shuō)，一根管道供應(yīng)燃料，同時(shí)其它管道供應(yīng)蒸汽或水。同心的噴嘴61被另一系統(tǒng)63包圍。燃料的湍流和稀釋劑(諸如蒸汽射流或者水霧)的高速度通常會(huì)產(chǎn)生火焰的混合區(qū)域。蒸汽、燃料以及空氣在燃燒的同時(shí)進(jìn)行混合。這種現(xiàn)有技術(shù)裝置的一個(gè)缺點(diǎn)是混合的長(zhǎng)度取決于湍流射流的噴嘴的幾何尺寸；因此，濃度就不均勻。一些地方的燃料比其它地方的多，無(wú)法保證蒸汽、燃料以及空氣是均勻的混合物。結(jié)果，就產(chǎn)生了“過(guò)熱點(diǎn)”，NOx的含量就相對(duì)較高。如關(guān)于圖1所作的說(shuō)明，火焰表面的溫度無(wú)法由整體混合來(lái)控制。在燃料多的區(qū)域中，火焰溫度仍能到達(dá)很高的程度并產(chǎn)生NOx。
在本說(shuō)明書(shū)中所用的“均勻的”指的是濃度與平均值的偏差，平均值為100％均勻度。例如，如果密封容器平均包含50％的燃料和50％的空氣，而在一個(gè)局部區(qū)域中實(shí)際包含49％的燃料和51％的空氣，那么濃度與平均值、或與組分的整體比例的偏差就為2％，表示98％的均勻度。
已經(jīng)證明，使用湍流混合的現(xiàn)有技術(shù)裝置的濃度與平均值的偏差為大致在15％-25％的范圍中，或者說(shuō)均勻度的范圍為75％-85％。這里所揭示的內(nèi)容的一個(gè)目的就是要顯著地提高現(xiàn)有技術(shù)燃燒系統(tǒng)中的均勻度百分比。
圖7示出了一個(gè)傳統(tǒng)的被其它氣體(在本情況下為空氣)包圍的燃料射流的同軸線混合。實(shí)線等值線線表示燃料濃度。例如，0.1的燃料濃度表示10％的燃料和90％的空氣。盡管在圖中沒(méi)有標(biāo)出1.0，但是它由從噴嘴流出的燃料的最后等值線來(lái)表示。有關(guān)圖7的數(shù)據(jù)顯示，即使在噴嘴的大于20倍直徑的下游處，在任何地方都沒(méi)有接近實(shí)現(xiàn)均勻的混合。因此，湍流焰在含有50/50混合物平均值的區(qū)域中產(chǎn)生如虛線所示的濃度波動(dòng)方面的不確定性。如果所包圍的氣體是蒸汽，那么這種混合物就呈現(xiàn)與蒸汽混合的燃料的富含和稀薄的區(qū)域。湍流特性和這種混合物的波動(dòng)強(qiáng)度使其承受不同的溫度波動(dòng)。不幸的是，更高燃料濃度的區(qū)域會(huì)具有更高的火焰溫度，并因此產(chǎn)生更高含量的NOx釋放物。由于這個(gè)原因，現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴設(shè)計(jì)無(wú)法在燃燒天然氣的燃?xì)鉁u輪機(jī)中實(shí)現(xiàn)低于約20ppm的NOx含量。
圖8示出了基于良好攪拌的燃燒狀況下的NOx和CO產(chǎn)物作為火焰溫度的函數(shù)的典型曲線圖。該圖是在假設(shè)湍流度足夠高以使燃燒能在除了化學(xué)計(jì)量比之外的比例下燃燒而得到的。這些曲線表明具有高度湍流、稀薄、良好攪拌的燃燒情況在減少NOx產(chǎn)物方面的所嘗試得到的最好結(jié)果。這些系統(tǒng)在以前用作為在燃?xì)鉁u輪機(jī)中最為先進(jìn)的技術(shù)，它們被稱為干燥的低NOx燃燒系統(tǒng)(DLN)。術(shù)語(yǔ)干燥(D)表示沒(méi)有與蒸汽或水的混合物。很明顯需要進(jìn)一步減少NOx。

發(fā)明內(nèi)容
這里所揭示內(nèi)容的一個(gè)目的是將在燃燒系統(tǒng)中NOx釋放物含量很好地降低到自然燃燒過(guò)程的含量之下。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，這里所揭示的內(nèi)容提出在燃料進(jìn)入擴(kuò)散焰系統(tǒng)之前預(yù)先將其與諸如蒸汽之類的稀釋劑均勻地混合。為了消除在湍流焰中的過(guò)熱點(diǎn)，采用這里所揭示內(nèi)容的湍流射流的濃度分布變得均勻。這里所揭示的內(nèi)容的另一個(gè)目的是通過(guò)使用靜態(tài)混合器來(lái)簡(jiǎn)化燃燒系統(tǒng)以節(jié)省系統(tǒng)中的空間。另一個(gè)目的是利用均勻混合和一種引導(dǎo)的第三氣體來(lái)維持稀薄燃燒不熄滅。最后，這里所揭示的內(nèi)容通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以更低的成本大大地減少了燃燒系統(tǒng)中的NOx釋放物。
在這里，一個(gè)較佳的實(shí)施例中所揭示的內(nèi)容提供了一種用來(lái)減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，它包括以下步驟產(chǎn)生稀釋劑和燃料的混合物，其中稀釋劑和燃料處于一個(gè)預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例下，使混合物均勻以產(chǎn)生一在預(yù)定稀釋劑-燃料比例下、稀釋劑和燃料濃度分布均勻的均勻混合物，然后將均勻混合物引入到火焰區(qū)中，并燃燒該均勻混合物。
稀釋劑可以是蒸汽。均勻步驟可以通過(guò)一個(gè)小型混合器來(lái)完成。均勻混合物的均勻度較佳的是在97-99％?？梢栽诰鶆虿襟E之前，將一種諸如空氣、氫氣或過(guò)氧化氫之類的第三氣體添加到混合器中。預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例較佳的是在0.2至1或者0.2至3.0的范圍中。在本說(shuō)明書(shū)中所用的“比例”指的是組分的重量比。
這里在另一個(gè)實(shí)施例中所揭示的內(nèi)容提供了一個(gè)燃?xì)鉁u輪機(jī)。該燃?xì)鉁u輪機(jī)包括一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)設(shè)置在壓縮機(jī)下游以接受一個(gè)預(yù)定稀釋劑對(duì)燃料比例下的稀釋劑和燃料以形成一混合物的腔體。一個(gè)小型混合器設(shè)置在該腔體下游，用來(lái)均勻混合物以產(chǎn)生在預(yù)定稀釋劑-燃料比例下、稀釋劑和燃料濃度分布均勻的一均勻混合物。一個(gè)燃燒部分設(shè)置在所述小型混合器下游，用來(lái)在均勻混合物離開(kāi)小型混合器之后燃燒均勻混合物以產(chǎn)生高能熱氣流。一個(gè)渦輪機(jī)設(shè)置在燃燒部分下游，它由高能熱氣流驅(qū)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)。
實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證了這里所揭示的內(nèi)容，其中使氣態(tài)燃料和稀釋劑的混合物均勻的以有效地減少燃燒系統(tǒng)中的釋放物。
附圖簡(jiǎn)述圖1示出了一個(gè)典型的擴(kuò)散焰的結(jié)構(gòu)；圖2a示出了一個(gè)典型的不燃燒時(shí)燃料和氧化劑的相互擴(kuò)散圖；圖2b表示燃燒時(shí)燃料、氧化劑及燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散；圖3示出了作為燃料噴射速度的函數(shù)的火焰高度；圖4示出了有關(guān)噴出狀態(tài)的燃燒火焰?zhèn)让鎴D；圖5示出了在一噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)典型的燃燒套管的結(jié)構(gòu)；圖6是噴射燃料和稀釋劑以產(chǎn)生湍流焰的一個(gè)同心噴嘴的典型結(jié)構(gòu)；圖7示出了使用一種噴射混合方法的典型的燃料和空氣的混合；圖8示出了作為火焰溫度的函數(shù)的典型的NOx和CO的釋放產(chǎn)物；圖9示出了根據(jù)一較佳實(shí)施例的系統(tǒng)，它包括在燃料和稀釋劑進(jìn)入燃料噴射端部之前均勻它們；圖10在典型的燃?xì)鉁u輪排出溫度下，作為所釋放的NOx和CO產(chǎn)物的函數(shù)的天然氣的蒸汽對(duì)燃料比例；圖11示出了產(chǎn)生對(duì)均勻的燃料和稀釋劑控制的一個(gè)控制系統(tǒng)；圖12是表示可用作一引導(dǎo)物的第三氣體的表格；以及圖13是一燃?xì)鉁u輪機(jī)的測(cè)試結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
從上述的背景技術(shù)中顯見(jiàn)，有必要進(jìn)一步減少燃燒系統(tǒng)中的釋放物。稀釋劑(如蒸汽)和燃料的均勻混合可減少火焰的氮?dú)鉂舛?。這里所揭示的內(nèi)容使用某種干燥的低NOx原理，由于蒸汽取代氮?dú)庾鳛樵诨鹧鎱^(qū)內(nèi)的一種參與成分，故也使用蒸汽和燃料的良好攪拌混合物，以取得更為有效的結(jié)果。如果在火焰區(qū)中的氮?dú)鉂舛认陆?，就有望減少NOx產(chǎn)物。這里所揭示的內(nèi)容要求先均勻地混合蒸汽和燃料，然后與湍流空氣混合以保持濃度均勻。
圖9示出了在燃料和稀釋劑進(jìn)入燃料噴射端部之前均勻它們的一個(gè)較佳實(shí)施例。如圖所示，燃料和蒸汽有時(shí)通過(guò)一個(gè)小型的或靜態(tài)的混合器80與另一氣體混合。燃料、蒸汽及第三氣體(可選擇的)通過(guò)一“交叉”或“T形”管道系統(tǒng)70噴射。這種混合物穿過(guò)靜態(tài)混合器80，使所包含的所有流體均勻地混合。然后，混合物進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)噴嘴90以進(jìn)行燃燒。
這里所揭示的內(nèi)容顯著地提高了在現(xiàn)有技術(shù)燃燒系統(tǒng)中的均勻度百分比，現(xiàn)有技術(shù)的燃燒系統(tǒng)如上所述，典型地是具有約75％-85％的均勻度范圍。這里所揭示的內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)明顯大于85％的均勻度；較佳地是，均勻度大于90％，更佳的是大于95％，并且最佳的是大于97％。
可以通過(guò)加入如上提及的一第三氣體來(lái)改善帶有蒸汽的化學(xué)動(dòng)力學(xué)。例如，在通常的廚灶中，天然氣和空氣是在它們從爐具的燃燒器孔中排出前預(yù)先混合好的。這種預(yù)先混合減少了使氧氣快速擴(kuò)散到火焰前鋒的需要且無(wú)需使用湍流。另一方面，在燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒中，燃燒流的速度是十分快的?；旌习l(fā)生得如此之快，以致即使再循環(huán)，有時(shí)也會(huì)達(dá)到噴出極限。這里所揭示的內(nèi)容提出引入第三氣體，從而提供了一個(gè)低得多的點(diǎn)火溫度，以作為在十分稀薄混合條件下維持燃燒的引導(dǎo)物。在圖12的表格中列出了一些可用作此目的的氣體，如氫氣和過(guò)氧化氫。使用第三氣體，或者這樣的第三氣體的混合物，將可保證在相比化學(xué)計(jì)量比稀薄的狀態(tài)下和較低火焰溫度下的穩(wěn)定燃燒。
火焰通常處于化學(xué)計(jì)量比下。“稀薄”指的是空氣多于燃料。換言之，所存在的燃料濃度量減少。這降低了火焰的溫度，減少了NOx的含量，但也導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定。根據(jù)這里所揭示的內(nèi)容添加第三氣體以加速燃燒過(guò)程，從而穩(wěn)定火焰。
因此引導(dǎo)氣體的目的是維持燃燒和減少NOx釋放物。使用圖9的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，在燃料對(duì)蒸汽的比例明顯大于1/1的情況，例如2/1`或者甚至3/1的情況下，火焰能穩(wěn)定；傳統(tǒng)的噴嘴則受燃料與蒸汽的比例接近1/1的限制。
圖10示出了使用一GE框架5燃燒套管過(guò)渡件和氣態(tài)燃料噴嘴的實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果。蒸汽由圖9所示的系統(tǒng)均勻地進(jìn)行混合。實(shí)驗(yàn)獲得了低至2ppm的NOx含量。在NOx含量為5ppm的區(qū)域中，火焰保持很穩(wěn)定，且CO產(chǎn)物相對(duì)較低，燃燒設(shè)備的最大輸出與最小輸出之比的范圍較寬。盡管實(shí)驗(yàn)溫度涵蓋了約600C(攝氏度)至1000C的范圍，即GE框架5燃?xì)鉁u輪機(jī)的工作區(qū)域，但圖10特別地示出了在最優(yōu)的渦輪入口溫度(TIT)1800F(華氏度)或約982C下所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)，管道系統(tǒng)較佳地是使用計(jì)量流量的燃?xì)?、蒸汽以及第三氣體(如果需要的話)。所揭示的內(nèi)容考慮使用如0.2至1或者0.2至3之類的稀釋劑-燃料比例范圍，以及其它的維持火焰溫度和保持低NOx釋放物方面的所公開(kāi)內(nèi)容。
圖10是以重量比的形式繪制的。重量比是燃料的磅數(shù)對(duì)蒸汽的磅數(shù)的比值。除以分子量得到體積比。蒸汽的分子量為18。例如，甲烷的分子量為16。因此，使用甲烷作為燃料時(shí)體積比和重量比之間的差別相對(duì)較小(大約12％)。
圖11是一個(gè)示出一實(shí)施例的管線圖，在該實(shí)施例中，蒸汽在孔口A處進(jìn)入并通過(guò)一個(gè)控制閥101，燃料在孔口B處進(jìn)入并通過(guò)一個(gè)控制閥100。一種第三氣體，如果使用的話，將通過(guò)孔口C進(jìn)入，并由閥102控制。靜態(tài)混合器80裝在所有管線連接的下游并在燃?xì)鈬娮熘?。各個(gè)混合器可以帶有一個(gè)計(jì)量系統(tǒng)。例如，與蒸汽相應(yīng)的計(jì)量器105、與燃料相應(yīng)的計(jì)量器106以及與第三氣體相應(yīng)的計(jì)量器107。為了保持混合比，計(jì)算機(jī)控制裝置使用計(jì)量器作為反饋來(lái)設(shè)置閥的位置，以產(chǎn)生一個(gè)正確的燃料一蒸汽比例，以及可選擇的第三氣體的比例。這種設(shè)計(jì)的目的是在燃料和蒸汽進(jìn)入燃燒系統(tǒng)的噴嘴之前均勻地混合它們。靜態(tài)混合器是一個(gè)用來(lái)縮短混合長(zhǎng)度的裝置?？商娲?，如果空間可允許有能實(shí)現(xiàn)均勻混合的足夠長(zhǎng)度的管道，也可以不使用靜態(tài)混合器而實(shí)現(xiàn)相同的效果。
因此，這里所揭示的內(nèi)容提出減少在燃燒系統(tǒng)中的NOx釋放物含量。這是通過(guò)在燃料進(jìn)入擴(kuò)散焰系統(tǒng)之前，將其與諸如蒸汽之類的稀釋劑均勻地預(yù)先混合來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？商娲膶?shí)施例可以使用氬氣、氦氣或其它不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的其它氣體來(lái)替代水蒸氣。湍流射流的均勻濃度分布可消除了在湍流焰中的過(guò)熱點(diǎn)。這里所揭示的內(nèi)容還提出通過(guò)使用靜態(tài)混合器簡(jiǎn)化燃燒系統(tǒng)以節(jié)省空間。這里所揭示的內(nèi)容還提出利用均勻混合和一種引導(dǎo)的第三氣體來(lái)維持稀薄燃燒不熄滅。最后，通過(guò)如這里所揭示的內(nèi)容所教地簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，就能以更低的成本大大地減少燃燒系統(tǒng)中的NOx釋放物。
這里所揭示的內(nèi)容已經(jīng)在足尺燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)中、使用如圖13所示的測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性測(cè)試。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的目前已有的同心蒸汽燃料噴嘴系統(tǒng)相比，本發(fā)明可以獲得低得多的NOx釋放物含量和穩(wěn)定的火焰。結(jié)果還表明，可以獲得比在目前的燃?xì)鉁u輪機(jī)中所使用的干燥的低NOx(DLN)系統(tǒng)的NOx含量更低的NOx含量，而不需要DLN系統(tǒng)的費(fèi)用和復(fù)雜性。這里所揭示的內(nèi)容公開(kāi)了一種燃?xì)?稀釋劑系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它在進(jìn)入燃料噴嘴之前使用一種均勻混合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)火焰的均勻燃燒性，并將其作為減少NOx釋放物的一種途徑。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)使用良好攪拌的混合原理來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焰的均勻燃燒性。本方法不僅簡(jiǎn)化了燃燒系統(tǒng)還穩(wěn)定了燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的火焰，從而省去了可能較昂貴的可選系統(tǒng)，如選擇性催化的減少系統(tǒng)(SCR)或吸收系統(tǒng)。這個(gè)裝置是所有燃燒系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)NOx減少的方法的重要措施，尤其在發(fā)電廠中。
上述的特殊實(shí)施例是說(shuō)明性的，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人可以在這些實(shí)施例的基礎(chǔ)上不脫離所揭示內(nèi)容的原理或不脫離所附權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍，提出許多變型。陳述這些實(shí)施例僅是為了說(shuō)明的目的，并且它們不應(yīng)被理解為限制所要求保護(hù)的發(fā)明或其申請(qǐng)。因此，權(quán)利要求應(yīng)理解為與所揭示內(nèi)容的原理和保護(hù)范圍及其變化等效。
權(quán)利要求
1.一種減少在燃燒系統(tǒng)中的釋放物的方法，它包括以下步驟產(chǎn)生稀釋劑和燃料的混合物，其中稀釋劑和燃料處于一個(gè)預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例下；使混合物均勻以產(chǎn)生一在預(yù)定稀釋劑-燃料比例下、稀釋劑和燃料濃度分布均勻的均勻混合物；以及，之后將該均勻混合物引入到火焰區(qū)中，并燃燒所示均勻混合物。
2.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，還包括在所述均勻步驟之前向混合物添加一種第三氣體的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)97％。
4.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)95％。
5.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)90％。
6.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)85％。
7.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，所述均勻步驟由一個(gè)小型混合器來(lái)完成。
8.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，稀釋劑包括蒸汽。
9.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，所述預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例在0.2至1的范圍中。
10.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，所述預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例在0.2至3.0的范圍中。
11.如權(quán)利要求2所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，所述第三氣體為空氣、氫氣或過(guò)氧化氫。
12.如權(quán)利要求1所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的方法，其特征在于，燃料是氣態(tài)燃料。
13.一種減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，包括一個(gè)向其輸入稀釋劑和燃料以產(chǎn)生混合物的腔體，且稀釋劑和燃料處于在一個(gè)預(yù)定稀釋劑-燃料比例下。一個(gè)與所述腔體相連以均勻所述混合物以產(chǎn)生一在預(yù)定稀釋劑-燃料比例下、稀釋劑和燃料濃度分布均勻的均勻混合物的小型混合器；一個(gè)設(shè)置在所述小型混合器下游以在均勻混合物離開(kāi)小型混合器之后燃燒所述均勻混合物的火焰區(qū)。
14.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，還將一種第三氣體輸入到所述腔體中。
15.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)97％。
16.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)95％。
17.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)90％。
18.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)85％。
19.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，稀釋劑包括蒸汽。
20.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，所述預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例在0.2至1的范圍中。
21.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，所述預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例在0.2至3.0的范圍中。
22.如權(quán)利要求14所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，所述第三氣體為空氣、氫氣或過(guò)氧化氫。
23.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，還包括用來(lái)控制輸入所述腔體的稀釋劑量的一個(gè)第一閥和一個(gè)第一計(jì)量器；以及用來(lái)控制輸入所述腔體的燃料量的一個(gè)第二閥和一個(gè)第二計(jì)量器。
24.如權(quán)利要求14所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，還包括用來(lái)控制輸入所述腔體的稀釋劑量的一個(gè)第一閥和一個(gè)第一計(jì)量器；用來(lái)控制輸入所述腔體的燃料量的一個(gè)第二閥和一個(gè)第二計(jì)量器；以及用來(lái)控制輸入所述腔體的第三氣體量的一個(gè)第三閥和一個(gè)第三計(jì)量器。
25.如權(quán)利要求13所述的減少燃燒系統(tǒng)中釋放物的設(shè)備，其特征在于，燃料是氣態(tài)燃料。
26.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，包括一個(gè)壓縮機(jī)；一個(gè)設(shè)置在壓縮機(jī)下游以接受一個(gè)預(yù)定稀釋劑對(duì)燃料比例下的稀釋劑和燃料以形成一混合物的腔體；一個(gè)設(shè)置在腔體下游、均勻混合物以產(chǎn)生一在預(yù)定稀釋劑-燃料比例下、稀釋劑和燃料濃度分布均勻的均勻混合物的小型混合器；一個(gè)設(shè)置在所述小型混合器下游以在均勻混合物離開(kāi)小型混合器之后燃燒所述均勻混合物以產(chǎn)生高能熱氣流的燃燒部分；以及一個(gè)設(shè)置在燃燒部分下游、由高能熱氣流驅(qū)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)的渦輪機(jī)。
27.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述腔體還接受一種第三氣體。
28.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)97％。
29.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)95％。
30.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)90％。
31.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，均勻混合物的均勻度超過(guò)85％。
32.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，稀釋劑包括蒸汽。
33.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例在0.2至1的范圍中。
34.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述預(yù)定的稀釋劑對(duì)燃料的比例在0.2至3.0的范圍中。
35.如權(quán)利要求27所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述第三氣體為空氣、氫氣或過(guò)氧化氫。
36.如權(quán)利要求26所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，還包括用來(lái)基于一個(gè)第一計(jì)量器的讀數(shù)控制輸入所述腔體的稀釋劑量的一個(gè)第一閥；以及用來(lái)基于一個(gè)第二計(jì)量器的讀數(shù)控制輸入所述腔體的燃料量的一個(gè)第二閥。
37.如權(quán)利要求27所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，還包括用來(lái)基于一個(gè)第一計(jì)量器的讀數(shù)控制輸入所述腔體的稀釋劑量的一個(gè)第一閥；用來(lái)基于一個(gè)第二計(jì)量器的讀數(shù)控制輸入所述腔體的燃料量的一個(gè)第二閥；以及用來(lái)基于一個(gè)第三計(jì)量器的讀數(shù)控制輸入所述腔體的第三氣體量的一個(gè)第三閥。
全文摘要
一種用來(lái)減少燃燒系統(tǒng)中，尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)中的釋放物的方法和設(shè)備。產(chǎn)生一稀釋劑和燃料的混合物(70)，其中稀釋劑和燃料處于一個(gè)預(yù)定的稀釋劑－燃料比例下。均勻(80)混合物(70)以產(chǎn)生在預(yù)定稀釋劑－燃料比例下稀釋劑和燃料濃度分布均勻的一均勻混合物。之后，將均勻混合物引入(92)一個(gè)火焰區(qū)并燃燒該均勻混合物。
文檔編號(hào)F02C3/22GK1443275SQ01812909
公開(kāi)日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2001年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月12日
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