CN1118408A - 用催化剂的顺序分级燃烧的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种NOx生成量低的燃烧器，在该燃烧器中，用燃烧器排出的灼热气体中的热量预热贫燃料/空气的第一混合物。预热后的该第一贫混合物在催化反应器中被催化、燃烧，产生温度超过燃料点燃温度的灼热气体。第二、三贫燃料/空气混合物然后依次引入灼热气体，使其温度超过点燃温度，造成上述第二、三混合物均匀燃烧。由于存在第一混合物催化期间产生的游离根，进一步增加了燃烧的均匀性。催化反应器起导向器的作用，赋与第二、三贫燃料混合物燃料以燃烧的能力。

Description

用催化剂的顺序分级燃烧的方法与装置
本发明涉及燃烧器。本发明具体涉及例如在燃气轮机等方面用的燃烧器，在这种燃烧器中，使用催化剂，顺序分级燃烧。
在燃气轮机中，有一个或多个燃烧器，燃料在压气机产生的压缩空气中燃烧。这种燃烧器传统上有一个初级燃烧区域，在此区域中，形成燃料和空气的近乎化学计量的混合物，并在基本上均匀的条件下以扩散型的燃烧过程进行燃烧。在初级燃烧区域的下游将附加的空气引入到燃烧器。虽然总的燃料/空气比显著低于化学计量比，但是这种燃料/空气混合物在起动时容易点火，而且由于在初级燃烧区域内燃料/空气混合物具有局部较富的特性，所以在很宽的点火温度范围内都可以形成很稳定的火焰。
不幸的是，应用这种近乎化学计量的燃料/空气混合物将在该初级燃烧区域中造成很高的局部温度。这种高温促使生成被认为是大气污染物的氮的氧化物(NOx)。众所周知，在贫燃料/空气比条件下的燃烧(有时称作“贫预混合燃烧”)由于降低最高局部气体温度而可以减少NOx的生成。然而这种贫比混合物很难点火，而且火焰稳定性差。虽然采用由定中配置的导向燃烧器产生的扩散型火焰可以改进点燃特性和稳定性，但是采用这种燃烧方法将增加NOx的产生，从而形成产生NOx的下限。
因此提出了在异质燃烧过程中使用燃烧催化剂。在受催化的燃烧/空气混合物中产生的游离根对降低伴随燃烧反应的活化能是有作用的。因此，燃烧温度可以较容易地保持在低于分子氮转化为NOx(有时称作“热致NOx”)的温度。另外，即使在对热致NOx的生成有利的温度，NOx的产率也将降低，因为燃料/空气混合物的催化作用将增强燃料同氮气争夺现有氧气的能力。
已经提出催化燃烧的各种模式，包括使所有的燃料/空气混合物通过一个置于导向燃烧器后面的催化燃烧器，或操作一个与贫预混合燃烧器并联的催化燃烧器。在任何情况下，催化过程要求预热燃料/空气混合物，一般预热到至少400℃的温度。不幸的是，由燃气轮机压气机产生的压缩空气可能低于400℃。因而通常需要扩散型的预热燃烧器。然而像在贫预混合型燃烧器中一样，预热燃烧器可能产生足够的NOx量，从而损害催化燃烧器满足超低发射要求的能力。
因而需要提供一种燃烧器，使很贫的燃料/空气混合物能够稳定地燃烧，因而不用产生NOx的导向燃烧器便可以减少NOx的生成。
本发明总的目的是提供一种燃烧器，使很贫的燃料/空气混合物能够稳定地燃烧，因而不用产生NOx的导向燃烧器便可以减少NOx的生成。
简言之，本发明的这个目的以及其它的目的可以在一个使燃料在空气中燃烧的燃烧器中实现，该燃烧器包括：(i)在混合区中将第一股燃料流混合到第一股空气流中的装置，由此形成第一燃料/空气混合物；(ii)燃烧催化剂；(iii)使第一燃料/空气混合物流过催化剂的装置，从而形成已催化的燃料/空气混合物；(iv)第一燃烧区，已催化的燃料/空气混合物在此燃烧区中燃烧，由此产生已燃烧的气体；(v)配置在第一燃烧区下游的第二燃烧区和使第一燃烧区来的已燃烧气体流入第二燃烧区的装置；(vi)一种装置，该装置用于使第二燃料/空气混合物混入第二燃烧区中的灼热气体，并燃烧第二燃料/空气混合物，由此产生另一股燃烧气体。
本发明还包括使燃料在空气中燃烧的方法，该方法包括下列步骤：(i)将第一股燃料流混入第一股空气流中，形成第一燃料/空气混合物；(ii)使第一燃料/空气混合物流过燃烧催化剂，产生已催化的燃料/空气混合物；(iii)燃烧已催化的燃料/空气混合物，由此产生已燃烧气体；(iv)将第二股燃料流混入第二股空气流，形成第二燃料/空气混合物；(v)将第二燃料/空气混合物混入已燃烧气体而燃烧第二燃料/空气混合物，从而将第二燃料/空气混合物的温度升到其点燃温度以上，由此形成另一股已燃烧气体。
图1是燃气轮机靠近本发明燃烧器的部分的纵向截面图；
图2是图1所示燃烧器的细节视图；
图3是沿图2的III—III线切取的横向截面图；
图4是图2所示燃烧器的另一实施例的靠近灼热气体排出口处的细节视图。
参考附图，图1示出燃气轮机靠近燃烧部分的部分的纵向截面图。燃气轮机包括压气机部分1、燃烧部分2、涡轮部分3和穿过这三部分的转子4。压气机包括许多交错排列的静止叶片5和转动叶片7。静止叶片固定在圆筒9上，转动叶片固定在装在转子4上的圆盘8上。像通常一样，燃烧部分2包括构成室27的筒体10，在该筒体中，配置了许多燃烧器15和风道16。涡轮部分3包括许多交替排列的静止叶片6和转动叶片(未示出)。静止叶片固定在内筒体11(仅示出其一部分)上，该内筒体由外筒体口包围。
操作期间压气机1吸入大气并压缩。然后将压气机1压缩的空气17引入室27，该室再将它分配给各燃烧器15。在燃烧器15中，可以是液体(例如馏出油)或气体(例如天然气)的燃料，像以下将进一步说明的那样，在压缩空气17中燃烧，产生灼热的压缩气体40。该灼热气体40通过导管16进入涡轮部分3。在涡轮部分中灼热的压缩气体40膨胀，在转子4上产生动力。
如图2所示，每个燃烧器15伸入筒体13，该筒体13从筒体10伸出并由端板14密封。共轴的内套筒和外套筒51、52分别构成燃烧器15的前端部。套筒51、52在其自身之间形成环形通道75，该通道具有接收压气机1的压缩空气17的第一部分18的圆周形入口58。在优选实施例中，压缩空气18等于燃烧器15的总的燃烧空气的约20％。通道75从入口58开始径向向内延伸，然后转90°轴向延伸。
在通道75中，在紧靠入口58的下游处沿圆周配置了许多轴向延伸的燃料输送杆63。沿每一根燃料输送杆63的伸到通道75中的长度配置许多燃料出口。因此燃料输送杆63起着将第一部分燃料30均匀分配到通道75中的作用，由此形成贫燃料/空气比混合物83。可以为叶片型的燃料离心式喷咀67可以随意地沿通道75配置，它起着促进燃料30和压缩空气18混合的作用。在优选实施例中，可以调节燃料30通过燃料输送杆63流入到压缩空气18中的流速，使得在通道75中保持小于0.5的当量比，当量比定义为实际的燃料/空气比与化学计量的燃料/空气比的比值。
燃料/空气混合物83从通道75喷出后进入预热区91。在优选实施例中用两种方法预热燃料/空气混合物83。在起动期间，通过燃料喷咀50(可以用常规的雾化形喷咀)将燃料输送管72输送的辅助燃料31喷入到由内套筒51构成的通道59。将导管73输送的空气21也引入到通道59中，形成富燃料/空气混合物，该混合物可以用点火器(未示出，可以用常规的火花型点火器)点燃，然后燃烧，形成很稳定的扩散型火焰。由辅助燃料31燃烧产生的灼热气体在预热区91与从通道75喷出的贫燃料/空气混合物83混合，因此使燃料/空气混合物83的温度升高，达到适合于被催化的温度范围，这将在下面进一步说明。在优选实施例中，燃料/空气混合物83被加热到约400℃。
在本发明的一个实施例中，用燃料喷咀50的扩散型燃烧作预热源连续操作燃烧器15。因为按照本发明仅有20％的空气流要预热而且只加热到低得多的温度，所以预热火焰的尺寸远小于常规非催化贫预混燃烧器要求的尺寸。因此大大减小了NOx的生成。在本发明的另一个实施例中，在燃烧器15达到稳定操作以后便关掉辅助燃料31。随后用燃烧器15正排出的灼热气体40来预热贫燃料/空气混合物83。
在图2所示的实施例中，这样实现热量传输：通过导管80抽出一部分41由燃烧器15排放的灼热空气40，使它混入到在预热区91中的燃料/空气混合物83。导管80连接在内套筒56上形成的入口81，即与燃烧区域95气流相通(如下所述，燃烧区域95是三个燃烧区的第三个)。导管80使入口81与内套筒51上形成的出口82连通。由于燃料/空气混合物83以很高的轴向速度沿内套筒51流动，所以内套筒51的轴向延伸部分就形成一个喷射器33，该喷射器从第三燃烧区95中抽出灼热气体41。
用间接热交换器100(即在灼热气体40和燃料/空气混合物83之间不接触而实现热传导的一种热交换器)预热燃料/空气混合物83的另一个实施例示于图4。热交换器100由包围密封燃烧区95的套筒56’一部分的套筒104构成，因而形成环形的轴向延伸通道102和103。许多径向延伸的传热片101伸入到通道102、103中。来自压气机1的压缩空气17的一部分空气24通过通道102、103。当压缩空气24穿过通道102和103时它接收从灼热容气40传给叶片101和套筒56’的热量，因而空气的温度升高了。加热的空气25从通道102和103进入包围套筒104的从圆周上伸出的支管74。然后加热的空气25从支管74流进导管80的入口。
如前所述，图2所示的喷射器33可以被用来将压缩空气24抽过热交换器100。或者如图4所示，还可将喷射器34装在导管80中。利用升压压气机42进一步压缩来自压气机1的压缩空气17的一部分22。已进一步压缩的这部分空气26通过喷射器34高速喷射到导管80中，因而将压缩空气24抽过热交换器100。
在上述的实施例中是利用预热燃料/空气混合物83本身来达到预热的。另一种预热的方法是，在压缩空气18未与燃料30混合之前，预热该压缩空气18。这种空气预热只需利用径向延伸的燃料输送杆63’(在图2以虚线表示)就可以实现，该杆63’位于通道75的下游，因而此种情况下只有空气18流过通道75。压缩空气18在预热区91中被预热之后再与燃料30混合，形成燃料/空气混合物。
不管预热的方式如何，如图2所示，从预热区91出来的已被预热的燃料/空气混合物89将通过扩开的套筒57的流通包含燃烧催化剂的催化反应器86。套筒57起着支承催化反应器86的作用，如下所述，在其后端包围着两个燃烧区。
在优选实施例中，催化反应器86包括单块的衬托物，该衬托物用金属或陶瓷制作，具有蜂窝状结构，用一种或多种具有催化活性的材料饱和。蜂窝状结构形成许多通过已预热燃料/空气混合物89的通道，因而使得该混合物可以和催化材料进行表面接触。或者还可以利用其它类型的催化反应器，例如填充床型反应器，只要它们不造成气流过大的气压降。可以应用各种燃烧催化材料，例如铂、钯或镍，根据使用的燃料类型来选择。在美国专利NO.3928961(Pfef-fcrle)和NO.4072007(Sanday)中公开了合适的催化反应器，上述每个专利整个作为参考包括在本文中。
如图2和3所示，中间和外套筒53、54包围套筒57。在中间和外部套筒53、54之间形成外部环形通道77，而在中间和内部套筒53、57之间则形成内部环形通道76。来自压气机1的压缩空气17的一部分19通过入口78进入内通道76。压缩空气17的另一部分20通过入口79进入外通道77。在优选实施例中，燃烧器15的约80％的燃烧空气通过通道76和77。
如图2和3所示，在紧靠入口78和79的下游分别沿通道76和77的圆周配置了许多径向延伸的燃料输送杆64。圆形支管70将燃料输送管71中的燃料32分配给不同的输送杆64。如图3所示，沿每一根输送杆64的伸入到通道76和77的长度配置了许多燃料入口。因此燃料输送杆64起着将燃料32均匀分配到通道中的作用，分别在内外通道76和77中形成贫燃料/空气混合物84和85。混合装置最好装在通道76和77中，以促进燃料32和压缩空气19与20的混合。这些混合装置可以是旋转叶片，例如如前所述的在通道75中所用的装置。或者如图2所示可以沿通道76和77配置径向延伸的挡板69。在优选实施例中，可以调节燃料32通过燃料输送杆64输送到压缩空气19和20中的流速，使得在通道76和77中保持低于0.5的当量比。
如图2所示，套筒57包围在催化反应器86的紧下游形成的燃烧区93。沿着形成内通道76端壁的套筒57的向外扩大的喇叭形部分在圆周上配置许多出口87。出口87使燃料空气混合物84进入由套筒53后端部包围的第二燃烧区94。沿着形成通道77端壁的套筒53的向外扩大的喇叭形部分在圆周上配置许多出口88。出口88使燃料/空气混合物85进入由套筒56包围的第三燃烧区95。出口87和88起着产生气压差的作用，这种压差可以防止燃烧区域94和95中的气体回流到通道76和77中。套筒56的内表面上最好涂一层陶瓷材料90，使得它能更好承受在燃烧区95产生的热量。
在催化反应器86中，已预热的燃料/空气混合物89与催化剂的表面接触。在此表面上，燃料比在气流中更容易被氧化，因为催化剂改变了反应机理，即减小了反应活化能。燃料在催化剂表面上的这种氧化产生热，释放到气流中增加了气流温度。当温度增加时，气体中的氧化速度增大，最后，到达催化床的下游时，形成自持的氧化反应。除了增加气体温度而外，催化剂还在气体中注入加速氧化反应的游离根。取决于注入的游离根，这种作用可以更大程度上加速燃料的氧化反应，比加速氮的氧化反应程度大，因此减小了形成NOx的比例。例如，已被接受的反应模式具有参与许多反应步骤的羟基OH和原子氧O，以及甲烷或其分解物，而这些具有氧化性的根极小地参与同氮的简单反应。因此催化剂如果向气流中注入O或OH，则人们可以期望，燃料的氧化速度将大大加速，比对氮的加速大得多。
如上所述，由于燃料/空气混合物83的被催化，当其冲出催化反应器86时，其温度急速上升到点燃温度(通常约为550℃)以上。因此在燃料/空气混合物89流出反应器之后，几乎立刻在燃烧区93中开始均匀的气相燃烧。在优选实施例中，冲出催化反应器的燃料/空气混合物89的温度约为480℃。但是由于在第一燃烧区93中的均匀燃烧，进入第二燃烧区94的气体38的温度很可能超过1050℃，最好约为1230℃。
由于气体38的高温，当在内通道76中形成的燃料/空气混合物84从出口87进入燃烧区94时，它的温度急剧上升到其点燃温度以上，从而形成均匀的燃烧反应，在优选实施例中，这种燃烧反应使从第二燃烧区94出来的联合气流39的温度保持在燃料的点燃温度以上。同样，由于灼热气体94的高温，当在外部通道77中形成的燃料/空气混合物85进入第三燃烧区95时，它的温度急剧上升到其燃点温度以上，从而形成另一个均匀燃烧反应，该反应足以将灼热气体40的温度升到在涡轮部分3中膨胀所要求的值。
在优选实施例中，引入内外通道76和77的燃料32包括在燃烧器15中燃烧的燃料的约80％。在催化反应器86的燃烧产物中分两级顺序加入这种附加的燃料及其有关的燃烧空气19和20，可以防止燃烧气体的冷却，这种冷却可使燃烧气体的温度降到其点燃所要求的温度以下。虽然为了简单起见仅示出两级，但是应当明白，在催化反应器86的下游可以利用三级或多级燃烧。在任何情况下，因为是燃料/空气混合物84和85的贫燃烧，因而不存在局部高温，所以使NOx的产生降到了最小。
如前所述，利用本发明的分级燃烧，以及使第二和第三燃料/空气混合物84和85的均匀燃烧与第一燃料/空气混合物83的催化燃烧形成串联并位于该催化燃烧之后，与先有的贫燃烧方法相比，NOx的产生进一步降低了。催化反应器86对贫燃料/空气混合物84和85的燃烧起着导向器的作用，从而可以在很贫的燃料/空气比条件下工作，并提供了充分的稳定性。应当注意到，这种稳定性是在没有因为使用扩散型导向燃烧器而产生附加NOx的条件下达到的。
除开不用产生NOx的导向燃烧器而又可以进行贫燃烧而外，可以认为，通过对燃料/空气混合物83的催化产生的游离根由于燃料/空气混合物84和85也以另一种方式均匀燃烧而减小了NOx的产生。如前所述，游离根增强了燃料同氮气争夺现存氧的能力，所以即使在同样的贫燃料/空气比条件下，与非催化燃烧的情况相比，由燃料/空气混合物84和85的燃烧产生的NOx减少了。与其它方式可能的情况相比，游离根还可以使燃烧在更贫的燃料/空气比条件下进行。
如前所述，最好采用从灼热气体40中转移热量的方法来实现燃料/空气混合物83的预热，这样可以避免产生附加的NOx。但是，不是使所有燃料和空气流过催化反应器86的这样一种分级燃烧，即使在连续应用燃料喷嘴50来进行预热时，也可以使NOx达到较低的量。之所以如此是因为，根据本发明，大部分燃料和空气不通过催化反应器86，因此不需要预热。因此在产生NOx量高的燃料喷咀50中燃烧的燃料量要低于必须预热所有燃料和燃烧空气的方法中所用的燃料量。

Claims (13)

1.一种使燃料在空气中燃烧的燃烧器(15)，其特征在于，在混合区(59)使第一燃料流(30)混入第一空气流(18)的装置(75)，由此形成第一燃料/空气混合物(83)；燃烧催化剂(86)；使上述第一燃料/空气混合物通过上述催化剂而形成催化的燃料/空气混合物的装置；第一燃烧区(93)，上述催化的燃料/空气混合物在此区域中燃烧，形成已燃烧气体(38)；配置在上述第一燃烧区下游的第二燃烧区(94)和使上述已燃烧气体从上述第一燃烧区流入上述第二燃烧区的装置(61)；使第二燃料/空气混合物(84)混入上述第二燃烧区中的上述灼热气体并使上述第二燃料/空气混合物燃烧产生另一股已燃烧气体(39)的装置(87)。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，使第二燃料流(32)混入第二空气流(18)形成上述第二燃料/空气混合物(84)的装置，其中，上述第二燃料和空气混合装置包括绕上述燃烧催化剂(86)一圈的环形通道(76)。
3.如权利要求1所述的燃烧器，其特征还在于，配置在上述第二燃烧区(94)下游的第三燃烧区(95)、使上述另一股已燃烧气体(39)从上述第二燃烧区(94)流入上述第三燃烧区(95)的装置(62)和使第三燃料/空气混合物混入上述第三燃烧区中的上述另一股已燃烧气体中并使上述第三燃料/空气混合物燃烧的装置(88)。
4.如权利要求1所述的燃烧器，其特征还在于，在使上述第一燃料/空气混合物通过上述燃烧催化剂(86)之前加热上述第一燃料/空气混合物(83)的装置(33、80、100)。
5.如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，加热上述第一燃料/空气混合物的上述装置包括将上述另一股已燃烧气体(39)中的热量转移到上述第一燃料/空气混合物(83)中的装置(33、80、100)。
6.如权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，上述转移热量的装置包括至少将一部分上述另一股已燃烧气体(39)混入上述第一燃料/空气混合物(83)中去的装置(33、80)。
7.如权利要求4所述的燃烧器，其中加热上述第一燃料/空气混合物(83)的上述装置的特征还在于，在空气(20)中燃烧第三燃料流(32)产生又一股已燃烧气体(40)的装置(95)和使上述义一股已燃烧气体混入上述第一燃料/空气混合物中的装置(33、80)。
8.如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，加热上述第一燃料/空气混合物(83)的上述装置包括在将上述第一燃料流(30)混入上述第一空气流(18)之前至少将一部分上述另一股已燃烧气体(39)混入上述第一空气流(18)中的装置(33、80)。
9.一种在空气中燃烧燃料的方法，其特征在于包括下列步骤：将第一燃料流混入第一空气流形成第一燃料/空气混合物；使上述第一燃料/空气混合物通过燃烧催化剂，形成已催化的燃料/空气混合物；燃烧上述已催化的燃料/空气混合物，产生已燃烧的气体；将第二燃料流混入第二空气流，形成第二燃料/空气混合物；使上述第二燃料/空气流混合物混入上述已燃烧气体，由此使上述第二燃料/空气混合物燃烧，因而使上述第二燃料/空气混合物的温度上升到其燃点温度以上，产生另一股已燃烧的气体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征还在于，它包括下列步骤：使上述已催化的燃料/空气混合物的燃烧在燃烧器的第一燃烧区域中进行，上述第一燃烧区配置在上述催化剂的下游；使上述第二燃料/空气混合物的混合和燃烧在配置于上述第一燃烧区下游的第二燃烧区中进行。
11.如权利要求9所述的方法，其特征还在于包括以下步骤：将第三燃料流混入第三空气流中，形成第三燃料/空气混合物，并将上述第三燃料/空气混合物混入上述另一股已燃烧的气体中，由此使第三燃料/空气混合物的温度上升到其燃点温度以上，因而使上述第三燃料/空气混合物燃烧。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于包括以下步骤：使上述已催化的燃料/空气混合物在燃烧器的第一燃烧区中进行燃烧，上述第一燃烧区配置在上述催化剂的下游；使上述第二燃料/空气混合物在配置于上述第一燃烧区下游的第二燃烧区中进行混合和燃烧；使上述第二燃料/空气混合物在配置于上述第二燃烧区下游的第三燃烧区中进行混合和燃烧。
13.如权利要求9所述的方法，其特征还在于，加热上述第一燃料/空气混合物的步骤包括将上述第一燃料/空气混合物加热到至少约400℃的温度。
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