專利名稱：催化地穩(wěn)定的燃氣輪機燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大致涉及燃氣輪機？ 1擎(gas turbine engines),更具體地說， 涉及用于燃氣輪機的催化地穩(wěn)定的(catalytically stabilized)燃燒器 (combustor)。
背景技術(shù)：
在高于大約2800華氏度(大約1538攝氏度)的溫度下，存在于空 氣中的氮和氧組合而形成氮氧化物(NO和N02，統(tǒng)稱為NOx)。結(jié)果， 現(xiàn)代的低排放的燃氣輪機通常使用非常稀薄的、預混合火焰(flame), 以實現(xiàn)低NOx的燃燒。可運行邊界包括"稀薄熄火，，("LBO，，)，其可能 導致一個或多個燃燒器中的火焰部分地或完全地熄滅。另 一邊界是聲 壓振蕩或燃燒動態(tài)(combustion dynamics)。這些燃燒動態(tài)可能影響燃燒 系統(tǒng)整體上的可操作性或耐用性。結(jié)果就是，可能需要單獨地調(diào)整各 個燃氣輪機，以在保持運轉(zhuǎn)同時仍滿足排放控制要求。然而，這種調(diào) 整不僅可能影響試運行所需要的時間，而且還可能需要處理環(huán)境變化 或負荷變化。
可通過為燃燒器提供穩(wěn)定的錨固火焰(anchoring flame)來影響 LBO邊界和燃燒動態(tài)邊界。在較老式的低NOx的燃燒器中，這種錨 固火焰可通過引燃擴散焰(pilotingdiffusionflame)來提供。然而，這種 類型的引燃可能造成NOx排放高于所希望的或可容許的水平。具體地 說，在現(xiàn)代的帶有高燃燒溫度的燃氣輪機中，擴散引燃的使用將使得 所希望的單位數(shù)的NOx排放難以被達到。
因而，對于低NOx的燃燒器而言，需要獲得更穩(wěn)定的錨固火焰。 這種穩(wěn)定的錨固火焰應減少熄火的傾向性，提高高溫段(hotsection)的
4壽命，放松調(diào)整要求，并擴大低NOx的運行范圍。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃氣輪機的燃燒器。燃氣輪機燃燒 器可包括里面帶有催化劑的中心燃燒噴嘴和若干個圍繞中心燃燒噴 嘴的外燃燒噴嘴。
本申請還提供了帶有中心燃燒噴嘴和若干個外燃燒噴嘴的燃氣
輪機燃燒器的運行。該方法包括如下步驟將催化劑定位在中心燃燒 噴嘴中，并將離開中心燃燒噴嘴的燃料-空氣混合物調(diào)節(jié)至大約1000 華氏度至1500華氏度(大約538攝氏度至816攝氏度)的溫度范圍內(nèi)。
本申請還提供了一種燃氣輪機燃燒器。這種燃氣輪機燃燒器可包 括里面帶有催化劑的催化燃燒噴嘴和若干個定位在催化燃燒噴嘴附 近的非催化燃燒噴嘴。
結(jié)合附圖和附屬權(quán)利要求，通過回顧以下所作的詳細說明，本領(lǐng)


圖l是燃氣輪機引擎的側(cè)面橫截面圖，其顯示了壓縮機、透平和 燃燒器的部分。
圖2是在這里所述的干式低NOx燃燒器的前平面圖。 圖3是在這里所述的催化燃燒器的側(cè)面橫截面圖。 零部件清單:
100燃氣輪機引擎
110 壓縮才幾 120燃燒器 130燃燒筒
140 渦輪節(jié)
150 軸160DLN2.6燃燒器
170第一噴嘴
175歧管
180第二噴嘴
190第三噴嘴
200第四噴嘴
210第五噴嘴
220第六噴嘴
230催化燃燒器
240催化噴嘴
250催化劑層
具體實施例方式
現(xiàn)在參看圖紙，在所有的這幾張圖紙中相似的標號表示相似的元
件，圖1顯示了燃氣輪機引擎100的一部分?？偟卣f來，燃氣輪機引 擎100包括壓縮機110。壓縮機uo壓縮進入的氣流。然后，氣流排 放至燃燒器120。燃燒器120包括若干個燃燒筒(combustion cans) 130。 壓縮空氣和燃料在燃燒筒130中被點燃，并被用于驅(qū)動渦輪節(jié)140。 在渦輪節(jié)140中，熱的燃燒氣體的能量轉(zhuǎn)換成機械功。 一些功通過軸 150而用于驅(qū)動壓縮機110,而其余部分可用于驅(qū)動負載，例如發(fā)電 機。
作為示例，燃氣輪機引擎100可以是可從紐約(New York)的斯卡 奈塔第市(Schenectady)的通用電器公司(General Electric Company)得 到的7FA+e多用途(utility)燃氣輪機引擎。這里可使用帶有燃燒器120 的其它類型的燃氣4侖機引擎100。
燃燒器120可以是同樣可從紐約的斯卡奈塔第市的通用電器公司 得到的干式低NOx("DLN")燃燒器。特別地，燃燒器120可為通常所 說的DLN2.6燃燒器。如圖2中所示，DLN2.6燃燒器160包括第一噴嘴170和五(5)個在周圍的外噴嘴，即第二噴嘴180、笫三噴嘴190、 第四噴嘴200、第五噴嘴210和第六噴嘴220。這里可使用任意數(shù)量 的噴嘴。第一噴嘴170可以獨立于外噴嘴180-220之外的方式獲得燃 料供給。為此，同外噴嘴180-220相比，第一噴嘴170可具有單獨的 歧管175。因此可相對于外噴嘴180-220而調(diào)節(jié)第一噴嘴170的燃料-空氣比。外噴嘴180-220可以是相同的，而第一噴嘴170可以與外噴 嘴180-22Q相似但帶有簡化的幾何結(jié)構(gòu)以便在可利用的空間內(nèi)進行裝 配。大約九(9) ppm的NOx和CO排放目標在超過大約百分之五十(50%) 的負荷范圍上是可能的。在這里可使用其它配置和類型的燃燒器160。
圖3顯示了這里所述的催化燃燒器230。催化燃燒器230可在很 大程度上與上面所述的DLN2.6燃燒器160相同，但其中，第一噴嘴 170被催化噴嘴(catalytic nozzle)240所替代。催化噴嘴240可包括位于 其中的一個或多個催化劑層250。這里可使用催化噴嘴240和催化燃 燒器230的其它配置。
催化劑層250可包括貴金屬(precious metals) 、 VIII族貴金屬(Group VIII noble metals)、 ^威金屬、金屬氧化物或它們的任何組合作為活性成 分?？墒褂美玟啞⑩C、鉻、錳、銅、鉑、4巴、鋨、銥、銠、鈰、鑭、 其它鑭系元素、鈷、鎳、鐵等等元素。催化劑層250可直接施加于襯 底上，或者施加于由氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯、二氧化鈦、氧化鎂、 其它難熔金屬氧化物、或它們的^壬意組合所組成的涂層(washcoat)或中 間粘合層上。涂覆催化劑的襯底可由各種耐高溫材料制成。優(yōu)選耐高 溫金屬合金，尤其是由鐵、鎳和/或鈷與鋁、鉻和/或其它合金材料 (alloying material)相結(jié)合而組成的合金。尤其優(yōu)選高溫4臬合金。其它 可使用的材料包括陶瓷、金屬氧化物、金屬間化合物材料(intermetallic materials),碳化物和氮化物。最優(yōu)選金屬襯底，這歸因于其優(yōu)良的導 熱性，其容許對催化劑層250進行有效的背面冷卻。這里也可^f吏用其 它的材料和配置。
催化噴嘴240可以是康涅狄格州(Connecticut)紐黑文市(New
7Haven)的精確燃燒公司(Precision Combustion, Inc.)的、以"RCL，，為名稱 進行銷售的噴嘴。這里可使用其它類型的催化噴嘴240?？赡苤挥幸?部分燃料起反應，以使得噴嘴240的內(nèi)部溫度可被保持在可接受的范 圍內(nèi)。可通過噴嘴240將空氣、未反應的燃料、燃燒產(chǎn)物和高度反應 性的部分燃燒產(chǎn)物的混合物注入到燃燒流(combustion stream)中。理想 地，這種混合物處于大約1000華氏度至大約1500華氏度(大約538攝 氏度至大約816攝氏度)的溫度范圍內(nèi)。當來自催化噴嘴240的流被注 入到由外噴嘴180-220所提供的空氣和燃料的渦流混合物中時，這種 相對較熱的高度反應性的燃氣流將為預混合火焰提供穩(wěn)定的錨點 (anchor)。因此，可將外噴嘴180-220調(diào)節(jié)至較低的運行溫度。
通過引燃火焰，部分地起反應的燃氣的相對較低的溫度將產(chǎn)生非 常少的NOx。來自噴嘴240的燃氣并不意圖將燃燒器230中的混合物 點燃，而只是在一旦點燃的情況下為火焰提供穩(wěn)定的錨點。通過提供 這種相對較低溫度的錨點，能改善可操作性并減少燃燒脈動而不會對 NOx排放產(chǎn)生負面影響。
外噴嘴180-220中的一部分或全部同樣可由催化噴嘴240所代替。 這種替換提供了獲得顯著地降低的NOx排放水平的可能性，其超過了 傳統(tǒng)的稀薄預混合燃燒器(lean premix combustor)所能實現(xiàn)的水平。這 里可使用任意數(shù)量或任意配置的催化噴嘴240。
應該理解的是，前面所述只涉及本申請的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員在此可作出眾多的改變和修改，而不會脫離由所附權(quán)利 要求所限定的本申請的范圍和主要精神及其等效物。
權(quán)利要求
1. 一種燃氣輪機燃燒器(230)，其包括中心燃燒噴嘴(240)；所述中心燃燒噴嘴(240)包括位于其中的催化劑(250)；和圍繞所述中心燃燒噴嘴(240)的多個外燃燒噴嘴(180-220)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(230)，其特征在于， 所述多個外燃燒噴嘴(180-220)包括五(5)個燃燒噴嘴(180-220)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(230)，其特征在于， 所述中心燃燒噴嘴(240)包括中心燃燒噴嘴歧管(175)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(230),其特征在于， 所述催化劑(250)包括貴金屬、VIII族貴金屬、堿金屬、金屬氧化物或 它們的組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(230)，其特征在于， 所述催化劑(250)包括鋯、釩、鉻、錳、銅、鉬、釔、鋨、銥、銠、鈰、 鑭、其它锎系元素、鈷、鎳或鐵。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(230)，其特征在于， 所述中心燃燒噴嘴(240)包括燃燒流，所述燃燒流處于大約1000華氏 度至大約1500華氏度(大約538攝氏度至大約816攝氏度)的溫度范圍 內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(230),其特征在于， 所述多個外燃燒噴嘴(180-220)中的一個或多個外燃燒噴嘴包括位于 其中的催化劑(250)。
8. —種運行燃氣輪機燃燒器(230)的方法，所述燃氣輪機燃燒器 (230)帶有中心燃燒噴嘴(240)和多個外燃燒噴嘴(180-220),所述方法包 括將催化劑(250)定位在所述中心燃燒噴嘴(240)中；并將離開所述中心燃燒噴嘴(240)的燃料-空氣混合物調(diào)節(jié)至大約1000華氏度至大約1500華氏度(大約538攝氏度至大約816攝氏度) 的溫度范圍。
9. 一種燃氣4侖機燃燒器(230)，其包括催化燃燒噴嘴(240);所述催化燃燒噴嘴(240)包括位于其中的催化劑(250);以及 定位在所述催化燃燒噴嘴(240)附近的多個非催化燃燒噴嘴 (180-220)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種催化地穩(wěn)定的燃氣輪機燃燒器。具體而言，其涉及這樣的燃氣輪機燃燒器(230)，該燃氣輪機燃燒器(230)可包括中心燃燒噴嘴(240)和若干個圍繞所述中心燃燒噴嘴(240)的外燃燒噴嘴(180-220)，該中心燃燒噴嘴(240)帶有位于其中的催化劑(250)。
文檔編號F23R3/00GK101451718SQ20081018365
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者D·J·巴勒維克, J·J·利平斯基, L·B·小達維斯 申請人:通用電氣公司