專利名稱：具有稀釋開口的吹氣式合成氣燃料噴嘴的制作方法
技術領域：
文中所述的實施例主要涉及整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)，且更具體地涉 及結合IGCC發(fā)電系統(tǒng)使用的燃料噴嘴。
背景技術：
至少一些已知的氣化器將流體(包括空氣和/或氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽、燃料和 /或渣滓添加物)的混合物轉化成通常稱為“合成氣”的部分氧化的氣體?？刂戚斔椭寥細?渦輪發(fā)動機的流體的混合對于發(fā)動機的性能和/或排放物而言可能很重要。例如，不適當?shù)睾?或不充分地混合可導致火焰附著在燃料噴嘴尖(tip)附近和/ 或附著在噴嘴內，從而升高了燃料噴嘴尖和/或噴嘴的溫度。而且，不適當?shù)睾?或不充分 地混合可能在流動中心生成或未生成分離區(qū)域，從而提高或降低了渦旋破碎的可能性。此 外，不適當?shù)睾?或不充分地混合可導致限定在燃燒器內的回流穩(wěn)定區(qū)域向下游移動，從 而使火焰分開和增加產生了一氧化碳排放物。

發(fā)明內容
在一個實施例中，提供了一種組裝結合燃燒器使用的燃料噴嘴尖的方法。該方法 包括提供燃料管和將空氣套圈(collar)聯(lián)接到燃料管上。該燃料管形成有第一組多個沿 周向隔開的燃料開口和第二組多個沿周向隔開的燃料開口。該燃料管定向成使得燃料可經 由第一和第二組多個燃料開口排放到混合區(qū)域中。空氣套圈形成有多個沿周向隔開的空氣 開口。該多個空氣開口中的至少一個定向成有助于在混合區(qū)域內產生大于0.6的渦流數(shù)。 空氣套圈定向成使得空氣可經由多個空氣開口排放到混合區(qū)域中。在另一實施例中，提供了一種結合燃燒器使用的燃料噴嘴尖。該燃料噴嘴尖包括 燃料管和聯(lián)接到燃料管上的空氣套圈。燃料管包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口和第 二組多個沿周向隔開的燃料開口。燃料管構造成用以弓I導燃料到限定在燃燒器內的混合區(qū) 域中?？諝馓兹Π嬙斐捎靡耘欧趴諝獾交旌蠀^(qū)域中的多個沿周向隔開的空氣開口。該 多個空氣開口中的至少一個定向成有助于在混合區(qū)域內產生大于0. 6的渦流數(shù)。在又一實施例中，提供了一種用于整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)中的燃氣 渦輪發(fā)動機。該燃氣渦輪發(fā)動機包括燃燒器和燃料噴嘴尖，其中，燃料噴嘴尖包括燃料管和 聯(lián)接到燃料管上的空氣套圈。燃料管包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口和第二組多個 沿周向隔開的燃料開口。燃料管構造成用以引導燃料到限定在燃燒器內的混合區(qū)域中?？?氣套圈包括構造成用以排放空氣到混合區(qū)域中的多個沿周向隔開的空氣開口。該多個空氣 開口中的至少一個定向成有助于在混合區(qū)域內產生大于0. 6的渦流數(shù)。


圖1是示范性的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2是可結合圖1中所示的IGCC發(fā)電系統(tǒng)使用的示范性燃氣渦輪發(fā)動機的示意
4圖3是可結合圖2中所示的燃氣渦輪發(fā)動機使用的示范性燃料噴嘴尖的透視圖
圖4是圖3中所示的燃料噴嘴尖的內部視圖5是圖3中所示的燃料噴嘴尖的端視圖；以及
圖6是圖3中所示的燃料噴嘴尖的截面圖。
零件清單
10發(fā)動機
12壓縮機
16燃燒器
20渦輪
21軸
24排氣噴嘴
30燃料噴嘴尖
32燃燒器混合區(qū)域
34空氣套圈
36輔助燃料管
40一次燃料管
42燃料管面
44下游端
46輔助燃料管面
48輔助燃料開口
50系統(tǒng)
52一次燃料開口
53空氣分離單元
54一次燃料開口
56氣化器
58空氣開口
60壓縮機
62凈化裝置
64發(fā)電機
68間隔
70噴射噴嘴
112第一外徑
122第二外徑
158厚度
200外徑
210中心線
252第一徑向距離
254第二徑向距離
258 徑向距離
具體實施例方式文中所述的系統(tǒng)和方法有助于排放來自于燃料噴嘴的燃料-空氣混合物，其中， 該燃料噴嘴能夠實現(xiàn)對于燃料的第一渦流數(shù)和對于空氣的第二渦流數(shù)。如本申請中所用， 渦流數(shù)定義為相對于軸向推力的角動量的軸向通量。圖1是示范性的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)50的示意圖。在該示范性實 施例中，系統(tǒng)50包括主要空氣壓縮機52、空氣分離單元53、氣化器56、凈化裝置62，以及燃 氣渦輪發(fā)動機10。在示范性實施例中，發(fā)動機10包括壓縮機12、燃燒器16和渦輪20。在運行期間，空氣流動經過將壓縮空氣排放至空氣分離單元53的主要空氣壓縮 機52。在示范性實施例中，另外的壓縮空氣從燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機12供送至空氣分離 單元53?？諝夥蛛x單元53將壓縮空氣分離成氧氣流O2和也稱為過程氣體流的副產氣體流 NPG0在示范性實施例中，空氣分離單元53將氧氣流O2引導至氣化器56，經由壓縮機60將 至少一些過程氣體流NPG引導至燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器16，以及將至少一些過程氣體流 NPG引導至大氣。在示范性實施例中，過程氣體流NPG包括氮氣。例如，在一個實施例中， 過程氣體流NPG包括處在大約95%至100%之間的氮氣。過程氣體流NPG還可包括其它氣 體，例如但不限于氧氣和/或氬氣。作為備選，過程氣體流包括代替氮氣的(H2O)蒸汽，其 中，過程氣體流包括處在大約90%至100%之間的(H2O)蒸汽。氣化器56將空氣分離單元53所供送的氧氣流O2、液態(tài)水和/或蒸汽、燃料混合 物、含碳物質和/或渣滓添加物轉化成通常稱為“合成氣”的部分氧化的氣體。盡管氣化器 56可使用任何燃料，但在一些實施例中，氣化器56使用煤、石油焦、殘油、油品乳化液、焦油 砂和/或其它類似燃料。在示范性實施例中，氣化器56將合成氣經由凈化裝置62引導至 燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器16。更具體而言，在示范性實施例中，氣化器56產生包含二氧化 碳CO2的合成氣，以及凈化裝置62從合成氣中分離二氧化碳C02。由凈化裝置62從合成氣 中分離出的二氧化碳CO2可排出至大氣，再循環(huán)至噴射噴嘴70以供氣化器56使用，進行壓 縮并隔離以便地質儲藏(未示出)，和/或處理成用于工業(yè)用氣體(未示出)。圖2是可結合圖1中所示的系統(tǒng)50使用的發(fā)動機10的示意圖。在示范性實施例 中，發(fā)動機10包括壓縮機12、燃燒器16，以及布置成串聯(lián)的軸向流動關系的渦輪20。壓縮 機12和渦輪20經由軸21聯(lián)接在一起。在備選的實施例中，發(fā)動機10包括高壓壓縮機和 經由第二軸聯(lián)接在一起的高壓渦輪。在運行期間，壓縮機12壓縮空氣，并且壓縮空氣經引導通向燃燒器16。燃燒器16 混合來自于壓縮機12的壓縮空氣、來自于空氣分離單元53 (圖1中所示)的壓縮過程氣體 以及來自于氣化器56 (圖1中所示)的合成氣，用以產生經燃燒而生成引向渦輪20的燃燒 氣體的混合物。燃燒氣體經由在其中氣體引出發(fā)動機10的排氣噴嘴24排放。在示范性實 施例中，來自于發(fā)動機10的功率輸出驅動向電網(未示出)供送電力的發(fā)電機64(圖2中 所示)。更具體而言，在示范性實施例中，發(fā)動機10還包括至少一個燃料噴嘴(圖2中未 示出)，其引導壓縮空氣、壓縮過程氣體以及合成氣通向限定在燃燒器16內的燃燒器混合區(qū)域32 (圖3中所示)。燃燒器16在燃燒器混合區(qū)域32內燃燒壓縮空氣、壓縮過程氣體和 合成氣以產生燃燒氣體。在示范性實施例中，過程氣體流的使用有助于控制來自于發(fā)動機 10的排放物，且更具體而言，有助于降低燃燒溫度和在發(fā)動機10內產生的一氧化二氮排放 水平。圖3-6顯示了可結合燃燒器16(圖2中所示)使用的示范性的燃料噴嘴尖30。更 具體而言，圖3顯示了燃料噴嘴尖30的透視圖，圖4顯示了燃料噴嘴尖30的內部視圖，圖 5顯示了燃料噴嘴尖30的端視圖；以及圖6顯示了燃料噴嘴尖30的截面圖。在示范性實施例中，燃料噴嘴尖30定位在關聯(lián)的燃料噴嘴(未示出)的下游端 44。而且，在示范性實施例中，燃料噴嘴尖30包括空氣套圈34、輔助燃料管36，以及一次燃 料管40。更具體而言，在示范性實施例中，一次燃料管40從輔助燃料管36沿徑向向外且圍 繞該輔助燃料管36沿周向延伸。在示范性實施例中，空氣套圈34在下游端44處聯(lián)接到燃 料管面42上。空氣套圈34鄰近燃料管面42形成有第一外徑112。在示范性實施例中，第一外徑 112與一次燃料管40的外徑200具有近似相同的尺寸。在示范性實施例中，空氣套圈34從 第一外徑112的下游還形成有小于第一外徑112的第二外徑122。因此，第二外徑122允許 空氣套圈34沿軸向滑動接近燃燒器混合區(qū)域32。一次燃料管40的燃料管面42包括至少第一組多個沿周向隔開的一次燃料開口 52。在示范性實施例中，燃料管面42還包括第二組多個沿周向隔開的一次燃料開口 54，用 以允許一次燃料管40排放更大體積的流體到燃燒器混合區(qū)域32中。在示范性實施例中， 一次燃料開口 52和54為大致圓形。作為備選，開口 52和/或54可形成有允許一次燃料 管40如文中所述那樣起作用的任何截面形狀。在示范性實施例中，一次燃料開口 52和54 圍繞燃料噴嘴尖30的中心線210大致同心且沿周向地間隔開。更具體而言，在示范性實施 例中，一次燃料開口 52從中心線210向外以第一徑向距離252間隔開，以及一次燃料開口 54從中心線210向外以第二徑向距離254間隔開。在示范性實施例中，第一徑向距離252 相比于第二徑向距離254更短。在示范性實施例中，一次燃料開口 52和54將流體(未示出)排放到燃燒器混合 區(qū)域32中。更具體而言，在示范性實施例中，一次燃料開口 52和54將一次燃料(未示出) 如吹氣式氣化器合成氣排放到燃燒器混合區(qū)域32中。更具體而言，一次燃料開口 52和54 以關于中心線210傾斜地定向的預定排放角度θ工排放一次燃料。在示范性實施例中，排 放角度θ 在大約10°至大約30°之間。在一個實施例中，至少一個燃料開口 54的排 放角度θ ！不同于至少一個燃料開口 52的排放角度θ 10輔助燃料管面46包括多個輔助燃料開口 48。在示范性實施例中，輔助燃料開口 48為大致圓形。作為備選，輔助燃料開口 48可形成有允許輔助燃料管36如文中所述那樣 起作用的任何截面形狀。在示范性實施例中，輔助燃料開口 48將流體排放到燃燒器混合區(qū) 域32中。更具體而言，在示范性實施例中，輔助燃料開口 48將輔助燃料(未示出)或啟動 燃料排放到燃燒器混合區(qū)域32中。更具體而言，輔助燃料開口 48以關于中心線210傾斜 地定向的預定排放角度(未示出)排放輔助燃料?？諝馓兹?4包括多個沿周向隔開的空氣開口 58。在示范性實施例中，經由空氣套 圈34中的開口而非燃料管面42中的開口排放空氣，允許經由一次燃料開口 52和/或54
7排放更大體積的一次燃料。在示范性實施例中，空氣開口 58為大致圓形。作為備選，空氣 開口 58可形成有允許空氣開口 58如文中所述那樣起作用的任何截面形狀。在示范性實施 例中，空氣開口 58圍繞中心線210大致沿周向間隔開。更具體而言，在示范性實施例中，空 氣開口 58從中心線210向外以徑向距離258間隔開。在示范性實施例中，徑向距離258大 于徑向距離252和254。在示范性實施例中，空氣開口 58將流體排放到燃燒器混合區(qū)域32中。更具體而 言，在示范性實施例中，空氣開口 58將空氣排放到燃燒器混合區(qū)域32中。更具體而言，空 氣開口 58以關于中心線210傾斜地定向的預定排放角度θ2排放空氣。在示范性實施例 中，排放角度θ 2處在大約40°至大約50°之間?？諝馓兹?4的厚度158允許空氣以排 放角度θ2進行排放，同時在相鄰的空氣開口 58之間沿周向限定間隔68。在示范性實施例 中，排放角度Q1和排放角度θ 2近似相等。作為備選，排放角度Q1* θ 2可處在能使燃 料_空氣混合物如文中所述那樣的任何角度。在運行期間，輔助燃料管36在發(fā)動機10的啟動和空轉運行期間將輔助燃料或啟 動燃料排放至燃燒器混合區(qū)域32。在示范性實施例中，啟動燃料為天然氣。當需要附加動 力時，輔助燃料管36停止將輔助燃料排放至燃燒器混合區(qū)域32，且一次燃料管40和空氣套 圈34分別將一次燃料和空氣排放至燃燒器混合區(qū)域32。一次燃料開口 52和54以排放角 度θ工排放燃料，而空氣開口 58以排放角度θ2排放空氣。更具體而言，使排放自一次燃料 開口 52和54以及空氣開口 58的一次燃料和空氣打旋和混合有助于在燃燒器混合區(qū)域32 內生成低于傾翻點(tipping point)的渦流數(shù)。在示范性實施例中，排放燃料的渦流數(shù)小 于0. 4左右，而排放空氣的渦流數(shù)大于0. 6左右。排放空氣相對高的渦流有助于在下游產 生渦旋破碎。而且，排放空氣相對高的渦流還增強了燃料噴嘴的燃料靈活性。而且，各空氣 開口 58的圓形形狀允許產生濃密火焰，以便降低火焰穩(wěn)定的可能性。文中所述的方法和系統(tǒng)有助于排放具有對于排放燃料的第一渦流數(shù)和對于排放 空氣的第二渦流數(shù)的燃料_空氣混合物。在示范性實施例中，吹氣式合成氣燃料噴嘴用于 精煉裝備或煤氣化裝備。文中所述的方法和系統(tǒng)通過示例而非限制的方式闡述了本公開內 容。本說明書使得本領域普通技術人員能夠明確地制作和使用本公開內容，描述了若干實 施例、變體、變型、備選方案，以及本公開內容的用途，包括目前認為是實施本公開內容的最 佳方式。上文詳細描述了具有圓形稀釋空氣開口的吹氣式合成氣燃料噴嘴的示范性實施 例及其組裝方法。這些方法和系統(tǒng)不限于文中所述的具體實施例，而是相反，這些方法和系 統(tǒng)的組成可與文中所述的其它組成獨立和分開地予以采用。例如，文中所述的方法和系統(tǒng) 可具有其它的工業(yè)和/或消費者應用，且不限于通過如文中所述的精煉裝備或煤氣化裝備 而予以實施。確切地說，本發(fā)明可結合許多其它行業(yè)予以實施和采用。盡管本發(fā)明已根據(jù)各種具體實施例進行了描述，但本領域普通技術人員將會認識 到的是，本發(fā)明可利用屬于權利要求的精神和范圍內的修改而予以實施。
權利要求
一種結合燃燒器(16)使用的燃料噴嘴尖(30)，所述燃料噴嘴尖包括燃料管，其包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口(52)和第二組多個沿周向隔開的燃料開口(54)，所述燃料管構造成用以引導燃料到限定在所述燃燒器中的混合區(qū)域(32)中；以及聯(lián)接到所述燃料管上的空氣套圈(34)，所述空氣套圈包括構造成用以排放空氣到所述混合區(qū)域中的多個沿周向隔開的空氣開口(58)，所述多個空氣開口中的至少一個定向成有助于在所述混合區(qū)域內產生大于0.6的渦流數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴嘴尖(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 (52)和所述第二組多個燃料開口(54)中的至少一個構造成用以將燃料以關于所述燃料噴 嘴尖的中心線(210)傾斜地定向的排放角度排放到所述混合區(qū)域(32)中。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴嘴尖(30)，其特征在于，所述多個空氣開口(58)中的 至少一個構造成用以將空氣以關于所述燃料噴嘴尖的中心線(210)傾斜地定向的排放角 度排放到所述混合區(qū)域(32)中。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴嘴尖(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 (52)和所述第二組多個燃料開口(54)中的至少一個定向成有助于在所述混合區(qū)域(32)內 產生小于0.4的渦流數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴嘴尖(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 (52)和所述第二組多個燃料開口(54)圍繞所述燃料噴嘴尖的中心線(210)大致同心。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴嘴尖(30)，其特征在于，所述燃料管外接構造成用以 引導輔助燃料到所述混合區(qū)域(32)中的輔助燃料管(36)。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料噴嘴尖(30)，其特征在于，所述第一組多個燃料開口 (52)和所述第二組多個燃料開口(54)中的至少一個構造成以處在大約10°至30°之間的 排放角度引導燃料，以及所述多個空氣開口(58)中的至少一個構造成以處在大約40°至 50°之間的排放角度引導空氣。
8.一種用于整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)(50)的燃氣渦輪發(fā)動機(10)，所述燃 氣渦輪發(fā)動機包括燃燒器(16)；以及燃料噴嘴尖(30)，其包括包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口(52)和第二組多個沿周向隔開的燃料開口 (54)的燃料管，所述燃料管構造成用以引導燃料到限定在所述燃燒器內的混合區(qū)域(32) 中；以及聯(lián)接到所述燃料管上的空氣套圈(34)，所述空氣套圈包括構造成用以排放空氣到所述 混合區(qū)域中的多個沿周向隔開的空氣開口(58)，所述多個空氣開口中的至少一個定向成有 助于在所述混合區(qū)域內產生大于0. 6的渦流數(shù)。
9.根據(jù)權利要求8所述的燃氣渦輪發(fā)動機(10)，其特征在于，所述第一組多個燃料開 口(52)和所述第二組多個燃料開口(54)中的至少一個構造成以關于所述燃料噴嘴尖(30) 的中心線(210)傾斜地定向的排放角度排放燃料到所述混合區(qū)域(32)中。
10.根據(jù)權利要求8所述的燃氣渦輪發(fā)動機(10)，其特征在于，所述多個空氣開口(58) 中的至少一個構造成以關于所述燃料噴嘴尖(30)的中心線(210)傾斜地定向的排放角度排放空氣到所述混合區(qū)域(32)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有稀釋開口的吹氣式合成氣燃料噴嘴。具體而言，提供了一種結合燃燒器(16)使用的燃料噴嘴尖(30)。該燃料噴嘴尖包括包括第一組多個沿周向隔開的燃料開口(52)和第二組多個沿周向隔開的燃料開口(54)的燃料管，該燃料管構造成用以引導燃料到限定在燃燒器內的混合區(qū)域(32)中；以及聯(lián)接到燃料管上的空氣套圈(34)，該空氣套圈包括構造成用以排放空氣到混合區(qū)域中的多個沿周向隔開的空氣開口(58)，該多個空氣開口中的至少一個定向成有助于在混合區(qū)域內產生大于0.6的渦流數(shù)。
文檔編號F23D14/48GK101881452SQ201010177018
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權日2009年5月6日
發(fā)明者J·E·巴頓, J·利平斯基, M·A·哈德利 申請人:通用電氣公司