專利名稱：預(yù)混合的部分氧化合成氣生成和燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及燃?xì)鉁u輪燃燒系統(tǒng)，并且更具體地涉及基于預(yù)混合部分氧化燃
燒的燃料重整器，其用于提高燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的效率。
背景技術(shù)：
在行業(yè)內(nèi)存在生產(chǎn)新的渦輪機(jī)的動力，這種渦輪機(jī)將高效運(yùn)行而不會產(chǎn)生不需要
的空氣污染排放物。通常由燃燒傳統(tǒng)的烴類燃料的渦輪機(jī)所產(chǎn)生的主要的空氣污染排放物
是氮氧化物、一氧化碳和未燃燒的烴。噴氣發(fā)動機(jī)中的分子態(tài)氮的氧化會高度依賴于燃燒
系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)域中的最高溫度和反應(yīng)物在燃燒器內(nèi)在最高溫度下達(dá)到的駐留時(shí)間。通過將反
應(yīng)區(qū)域的溫度保持在形成熱N0X的水平以下，或者通過在高溫下保持極短的駐留時(shí)間，使得
對于NOx生成反應(yīng)沒有足夠的時(shí)間，從而最小化熱氮氧化物(N0X)形成的水平。 燃料噴射和混合對于在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中實(shí)現(xiàn)有效且清潔的燃燒是很關(guān)鍵的。在
氣體燃料的情況下，在燃燒區(qū)域中需要獲得空氣、燃料和燃燒產(chǎn)物之間的最佳混合水平。對
于以部分預(yù)混合(PP)或稀預(yù)混合(LP)燃燒模式運(yùn)行的燃?xì)鉁u輪機(jī)存在日益增加的需求，
以試圖滿足日益嚴(yán)格的排放目標(biāo)。PP和LP燃燒可減少有害的N0X排放，而不會損失燃燒效率。 然而，在低排放的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展過程中通常會遇到燃燒不穩(wěn)定性，也被 稱為燃燒動態(tài)(combustion dynamics)。呈壓力、放熱率的波動形式以及其它流量擾動形式 的燃燒動態(tài)可能導(dǎo)致例如稀薄熄火(lean blow out)、結(jié)構(gòu)振動、對燃燒室過大的熱傳遞等 問題，并從而導(dǎo)致系統(tǒng)的故障。 重整燃料是一種減少燃燒動態(tài)的解決方案。 一種方法采用富催化劑系統(tǒng)，以便正 好在燃燒之前重整燃料，并將其進(jìn)一步結(jié)合到燃燒室中。然而，這種技術(shù)會需要昂貴的催化 劑，并且會是龐大且復(fù)雜的，使得它們難以結(jié)合在現(xiàn)有的燃燒系統(tǒng)中。
發(fā)明內(nèi)容
簡要地說，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)。該燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)包括 燃料重整器系統(tǒng)和燃?xì)鉁u輪，燃料重整器系統(tǒng)包括燃料入口 、氧氣入口 、預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域、混合 區(qū)域、反應(yīng)區(qū)域以及驟冷區(qū)域，燃料入口構(gòu)造成接收燃料滑流；氧氣入口構(gòu)造成引入氧氣滑 流；預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域構(gòu)造成對燃料滑流進(jìn)行預(yù)處理；混合區(qū)域包括構(gòu)造成促進(jìn)燃料滑流和氧氣 滑流混合以形成氣態(tài)預(yù)混合物的預(yù)混合裝置；反應(yīng)區(qū)域構(gòu)造成由該氣態(tài)預(yù)混合物產(chǎn)生合成 氣；驟冷區(qū)域構(gòu)造成將燃料流混合到合成氣中以形成富含氫氣的燃料混合物；而燃?xì)鉁u輪 構(gòu)造成接收燃料混合物。 在另一實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)包括進(jìn)氣部分、壓縮機(jī)部分、燃燒器部分、燃料 重整器系統(tǒng)和渦輪部分，壓縮機(jī)部分位于進(jìn)氣部分的下游并與之保持流體連通；燃燒器部 分包括位于壓縮機(jī)部分下游并與之保持流體連通的主燃燒系統(tǒng)、位于主燃燒系統(tǒng)下游并與 之保持流體連通的輔助燃燒系統(tǒng)；燃料重整器系統(tǒng)與主燃燒系統(tǒng)及輔助燃燒系統(tǒng)保持流體
4連通，其中燃料重整器系統(tǒng)構(gòu)造成向主燃燒系統(tǒng)和/或輔助燃燒系統(tǒng)提供富含氫氣的燃料 混合物，并且所述燃料重整器系統(tǒng)包括燃料入口 、氧氣入口 、預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域、混合區(qū)域、反應(yīng)區(qū) 域以及驟冷區(qū)域，燃料入口構(gòu)造成接收燃料滑流；氧氣入口構(gòu)造成引入氧氣滑流；預(yù)調(diào)節(jié) 區(qū)域構(gòu)造成對燃料滑流進(jìn)行預(yù)處理；混合區(qū)域包括構(gòu)造成促進(jìn)燃料滑流和氧氣滑流混合以 形成氣態(tài)預(yù)混合物的預(yù)混合裝置；反應(yīng)區(qū)域構(gòu)造成由氣態(tài)預(yù)混合物產(chǎn)生合成氣；驟冷區(qū)域 構(gòu)造成將燃料流混合到合成氣中以形成富含氫氣的燃料混合物；而渦輪部分位于輔助燃燒 系統(tǒng)的下游并與之保持流體連通。 在另一實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)包括進(jìn)氣部分、壓縮機(jī)部分、燃燒器部分、主渦 輪、燃料重整器系統(tǒng)、再加熱裝置以及第二渦輪，壓縮機(jī)部分位于進(jìn)氣部分下游并與之保持 流體連通，構(gòu)造成壓縮含氧流；燃燒器部分位于壓縮機(jī)部分下游并與之保持流體連通，其中 燃燒器部分構(gòu)造成接收壓縮的含氧流，并燃燒燃料流以產(chǎn)生燃燒器出口氣流；主渦輪位于 燃燒器部分下游并與之保持流體連通，構(gòu)造成使燃燒器出口氣流部分地膨脹以形成工作氣 流；燃料重整器系統(tǒng)包括燃料入口 、氧氣入口 、預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域、混合區(qū)域、反應(yīng)區(qū)域以及驟冷區(qū) 域，燃料入口構(gòu)造成接收燃料滑流，氧氣入口構(gòu)造成引入氧氣滑流；預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域構(gòu)造成對燃 料滑流進(jìn)行預(yù)處理；混合區(qū)域包括構(gòu)造成促進(jìn)燃料滑流和氧氣滑流混合以形成氣態(tài)預(yù)混合 物的預(yù)混合裝置；反應(yīng)區(qū)域構(gòu)造成由氣態(tài)預(yù)混合物產(chǎn)生合成氣；驟冷區(qū)域構(gòu)造成將燃料流 混合到合成氣中以形成富含氫氣的燃料混合物；再加熱裝置位于主渦輪及燃料重整器系統(tǒng) 的下游并與之保持流體連通，構(gòu)造成燃燒工作氣流和富含氫氣的燃料混合物以形成出口氣 流；第二渦輪位于再加熱裝置下游并與之保持流體連通，構(gòu)造成使出口氣流膨脹。
現(xiàn)在參照附圖，附圖是示范性實(shí)施例，并且其中相似的元件用相似的標(biāo)號標(biāo)出
圖1是具有燃料重整器系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)示范性實(shí)施例的概略圖；
圖2是圖1的燃料重整器系統(tǒng)的一個(gè)示范性實(shí)施例的概略圖；
圖3是燃料重整器系統(tǒng)的一個(gè)示范性實(shí)施例的方框示意圖； 圖4是燃料重整器系統(tǒng)的混合區(qū)域和反應(yīng)區(qū)域的一個(gè)示范性實(shí)施例的示意圖；
圖5是采用沖擊冷卻機(jī)構(gòu)的燃料重整器系統(tǒng)的混合區(qū)域和反應(yīng)區(qū)域的一個(gè)示范 性實(shí)施例的示意圖； 圖6是包括陶瓷襯套的燃料重整器系統(tǒng)的混合區(qū)域和反應(yīng)區(qū)域的一個(gè)示范性實(shí) 施例的示意圖； 圖7是圖3的燃料重整器系統(tǒng)生成器中所采用的預(yù)混合裝置的一個(gè)示范性實(shí)施例 的概略圖； 圖8-11是圖7的預(yù)混合裝置的示范性構(gòu)造的概略圖，具有不同的氧氣滑流注入位 置； 圖12是來自圖3的燃料重整器系統(tǒng)的預(yù)混合裝置的另一示范性構(gòu)造的橫截面圖， 包括多個(gè)反向旋流葉片； 圖13是采用圖3的燃料重整器系統(tǒng)的分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的一個(gè)示范性 實(shí)施例的局部截面?zhèn)纫晥D； 圖14是用于圖13的燃燒器部分的輔助燃燒系統(tǒng)的軸視圖，用于與圖3的燃料重整器系統(tǒng)流體連通；以及 圖15是燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)示范性實(shí)施例的概略圖，具有與燃料重整器系統(tǒng) 保持流體連通的再加熱裝置。部件列表10燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)12燃料重整器系統(tǒng)14壓縮機(jī)16預(yù)混合器18燃料流20燃燒器22燃?xì)鉁u輪24電網(wǎng)30燃料滑流32氧氣滑流34預(yù)混合區(qū)域36蒸汽38熱交換器40燃燒器42合成氣44WGS反應(yīng)器46富含氫氣的合成氣48燃料混合物50燃料重整器系統(tǒng)52燃料滑流54預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域56氧氣滑流57尾氣58混合區(qū)域59蒸汽60反應(yīng)區(qū)域62合成氣64燃料供給66驟冷區(qū)域68燃料混合物70燃料計(jì)量和閥門系統(tǒng)71第二燃料計(jì)量和閥門系統(tǒng)
0055]72氧氣計(jì)量和閥門系統(tǒng)74熱交換器76第二驟冷區(qū)域
78碳捕獲系統(tǒng)80燃料重整器系統(tǒng)82壁84燃料滑流86燃料入口88氧氣滑流90氧氣入口92燃料射流94注入孔96壁襯套98有限空間100驟冷裝置102燃料流104燃燒室106燃料混合物iio燃料重整器系統(tǒng)112多個(gè)燃料射流114壁襯套116冷卻孔118有限空間120燃料流122燃料混合物130燃料重整器系統(tǒng)132陶瓷襯套134燃料流136冷卻后的燃料混合物150預(yù)混合裝置152燃料入口154氧氣入口156旋流葉片157逆流旋流葉片158氧氣注入位置160預(yù)混合區(qū)域162燃燒室164出口180預(yù)混合裝置182旋流葉片200裝置180的構(gòu)造202裝置構(gòu)造
204旋流葉片的橫向方向206出口208裝置構(gòu)造210注入孔212燃燒管214備選實(shí)施例216氧氣注入方向220裝置構(gòu)造222氧氣注入方向230裝置構(gòu)造232燃料入口234旋流葉片236逆流旋流葉片238旋流葉片的流動方向240逆流旋流葉片的流動方向242氧氣注入孔300渦輪系統(tǒng)301負(fù)載304進(jìn)氣部分306壓縮機(jī)部分308燃燒器部分310主燃燒系統(tǒng)311燃料重整器系統(tǒng)312輔助燃燒系統(tǒng)314渦輪部分316排氣部分320噴射器322燃燒區(qū)域330過渡件332渦輪噴嘴334外殼336蓋338啟動燃料噴嘴340燃燒器342噴嘴346流套筒348燃燒襯套350中擊套筒352環(huán)形氣室
354葉片356擴(kuò)散器358旋流器360輻條362主反應(yīng)區(qū)域370組件374燃料混合物歧管376輔助反應(yīng)區(qū)域500燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)502再加熱裝置504燃料重整器系統(tǒng)506壓縮機(jī)組件508燃燒器510第一渦輪512第二渦輪514軸516單獨(dú)軸518壓縮空氣520燃燒器燃?xì)饬?22膨脹氣體524出口氣流
具體實(shí)施例方式
如以下詳細(xì)所述，本發(fā)明公開的實(shí)施例提供了結(jié)合燃料重整器系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機(jī) 系統(tǒng)。本文所述的系統(tǒng)和技術(shù)用于增強(qiáng)燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)(例如分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)和再 熱式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng))的功率輸出和效率。燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中所利用的重整器系統(tǒng)構(gòu)造 成提供燃料滑流與氧氣滑流的混合和反應(yīng)，以便通過預(yù)混合的部分氧化燃燒而增加氫氣濃 度。將氫氣引入燃料中容許降低稀薄熄火點(diǎn)，并使得能夠?qū)θ細(xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)減少燃燒動態(tài)。 本文使用的術(shù)語"燃燒動態(tài)"指在氧氣壓力、溫度、放熱和不穩(wěn)定流量振蕩等方面的波動，這 些影響發(fā)動機(jī)，包括燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行。此外，本文使用的術(shù)語"稀薄熄火點(diǎn)"指燃燒器中失 去燃燒的點(diǎn)。燃料成分和流量擾動方面的變化導(dǎo)致足夠稀薄的火焰中的燃燒丟失。因此有 利的是以高度反應(yīng)性的燃料成分(例如氫氣)來操作系統(tǒng)。如本文所公開的，本發(fā)明公開 的實(shí)施例可包括燃料重整改進(jìn)單元，其通過燃燒裝置提供對燃料的預(yù)處理，該燃燒裝置可 設(shè)置在現(xiàn)有的分級式和再熱式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中。另外，本文使用的術(shù)語"燃料"和"氧氣" 指對于運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的燃燒器所必需的某些成分。雖然這些術(shù)語出于易于討論 的原因而一致地使用，但是應(yīng)該懂得，"燃料"可意味著任何適合于燃?xì)鉁u輪機(jī)的可燃流體， 例如但不局限于天然氣、柴油、噴氣發(fā)動機(jī)燃料、運(yùn)輸燃料(logistic fuel)(JP-8)、煤油、 燃料油、生物柴油、汽油、甲醇、乙醇、含乙醇的汽油(包括E-10、E-85、E-90和E-95等)。類 似地，"氧氣"可意味著任何用于燃燒燃料的合適的包含氧氣的流體，例如但不局限于空氣、氧氣、富氧空氣等。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖l，其顯示了圖示燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10的一個(gè)示范性實(shí)施例的方框圖。 燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)IO包括用于向燃?xì)鉁u輪增加氫氣濃度的燃料重整器系統(tǒng)12。壓縮機(jī)14與 燃料重整器系統(tǒng)12及燃?xì)鉁u輪預(yù)混合器16 二者保持流體連通。壓縮機(jī)14構(gòu)造成將空氣 供給燃料重整器系統(tǒng)12和預(yù)混合器16 二者。燃料流18也與燃料重整器系統(tǒng)12保持流體 連通。如以下將更詳細(xì)地討論的，燃料和空氣在燃料重整器系統(tǒng)12中結(jié)合并反應(yīng)以形成合 成氣，合成氣然后可與更多燃料結(jié)合，并輸送至燃?xì)鉁u輪預(yù)混合器16。合成氣和燃料與來自 壓縮機(jī)14的空氣進(jìn)一步混合，并將整個(gè)預(yù)混合的燃料供給燃燒器20。預(yù)混合的燃料在燃燒 器20中燃燒，并在燃?xì)鉁u輪22中膨脹。渦輪由燃燒和膨脹驅(qū)動，并將能量轉(zhuǎn)換成電力，電 力可輸送給電網(wǎng)24以提供功率，或者可儲存起來并在以后使用。 圖2進(jìn)一步顯示了圖1的燃料重整器系統(tǒng)12的一個(gè)示范性實(shí)施例。燃料滑流30 從主燃料流18中分流出來，并與來自燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)14的氧氣滑流32結(jié)合，且輸送至燃 料重整器系統(tǒng)12的預(yù)混合區(qū)域34。如本文所用，術(shù)語"氧氣"通常用于指適合與燃料混合 以形成富含氫氣的燃料混合物的任何氧化劑。示范性的氧氣流可包括但不局限于純氧氣 (02)、空氣、富氧空氣等。 在一個(gè)可選的實(shí)施例中，燃料滑流30可與蒸汽36結(jié)合，并供應(yīng)通過熱交換器38， 熱交換器38構(gòu)造成在燃料滑流30與氧氣滑流32在預(yù)混合區(qū)域34中混合之前預(yù)熱燃料滑 流30。經(jīng)過預(yù)熱的燃料滑流30與可選的蒸汽36然后可在預(yù)混合區(qū)域34中與氧氣滑流32 進(jìn)行預(yù)混合。在另一實(shí)施例中，蒸汽可以是燃料滑流30或氧氣滑流32的組成成分，而非如 圖2中所示的單獨(dú)的供給流。 燃料和氧氣滑流被混合以形成氣態(tài)預(yù)混合物，該預(yù)混合物立即被輸送到燃燒器40 中。氣態(tài)預(yù)混合物被燃燒，并形成合成氣42。當(dāng)合成氣被用燃料流18稀釋以形成富含氫 氣的燃料混合物時(shí)，可冷卻合成氣42，或者可用蒸汽冷卻合成氣。當(dāng)在燃料重整器系統(tǒng)12 中存在可選的熱交換器38時(shí)，合成氣42可通過穿過熱交換器而被冷卻至大約250攝氏度 (°C )至大約45(TC，尤其是大約35(TC的溫度。當(dāng)在燃料重整器系統(tǒng)12中存在可選的水燃 氣轉(zhuǎn)換(WGS)反應(yīng)器44時(shí)，冷卻合成氣42尤其有利。WGS反應(yīng)器44可設(shè)置在催化部分氧 化反應(yīng)器40的下游，并且在這種情況下，位于熱交換器38的下游。WGS反應(yīng)器44可構(gòu)造成 通過使蒸汽與合成氣中的一氧化碳起反應(yīng)以形成更多氫氣從而進(jìn)一步增加合成氣中的氫 氣濃度。然后可使合成氣46與燃料流18重新結(jié)合以形成富含氫氣的燃料混合物48，該混 合物可輸送給燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒器20。 在一個(gè)實(shí)施例中，可將富含氫氣的燃料混合物48供給分級式燃燒系統(tǒng)的第一級 和/或第二級，如圖2中的箭頭所示。在又一實(shí)施例中，還可將富含氫氣的燃料混合物48 直接供給燃?xì)鉁u輪22。 圖3是用于燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中的燃料重整器系統(tǒng)50的方框示意圖。燃料重整器 系統(tǒng)50包括在預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域54中進(jìn)行預(yù)處理的燃料滑流52。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，燃料 滑流54可與水或蒸汽進(jìn)行預(yù)混合。氧氣滑流56被引入，以便與燃料滑流52進(jìn)行混合，并 在混合區(qū)域58中以富濃度比例進(jìn)行混合。如本文中所用，術(shù)語"富濃度比例"指大約1.5 和大約4的燃料滑流52和氧氣滑流56的化學(xué)計(jì)量比。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，燃料滑流 52和氧氣滑流56的化學(xué)計(jì)量比為大約2. 3。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，氧氣滑流56可用額外的氧氣補(bǔ)充。 此外，容許燃料滑流52和氧氣滑流56在反應(yīng)區(qū)域60中起反應(yīng)，以產(chǎn)生通常被稱 為合成氣的合成氣體62的氣體混合物，其可包括氫氣和一氧化碳。當(dāng)預(yù)混合的燃料-氧 氣混合物經(jīng)歷部分氧化燃燒時(shí)會形成合成氣。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，合成氣可包括按重 量算至少大約20%的氫氣氣體。在另一實(shí)施例中，合成氣包括至少一種烴類。在又一實(shí)施 例中，合成氣包括氫氣、一氧化碳、氮?dú)夂退?。在另一?shí)施例中，合成氣62可具有低于大約 2000華氏度的溫度。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，反應(yīng)區(qū)域60可具有小于大約200毫秒(ms) 的駐留時(shí)間。術(shù)語"駐留時(shí)間"指一種時(shí)間周期，在該時(shí)間周期期間燃料滑流52和氧氣滑 流56在反應(yīng)區(qū)域60中起反應(yīng)。 在反應(yīng)區(qū)域60之后，最終可將燃料供給64引導(dǎo)回到驟冷區(qū)域66中，以便在合成 氣離開反應(yīng)區(qū)域60時(shí)與合成氣62相混合。燃料供給64和合成氣62的混合物形成了富含 氫氣的合成氣燃料混合物68，然后可將該混合物進(jìn)一步引導(dǎo)至燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的下游 燃燒器中。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，燃料重整器系統(tǒng)50可具有等于燃?xì)鉁u輪燃燒器面積的 大約0. 02至大約0. 3的橫截面積。更具體地，燃料重整器系統(tǒng)可具有燃?xì)鉁u輪燃燒部分的 容積的2%至75%的容積。 在另一實(shí)施例中，可通過計(jì)量和閥門系統(tǒng)70控制燃料供給64以產(chǎn)生進(jìn)入預(yù)調(diào)節(jié) 區(qū)域54中的燃料滑流52。在已經(jīng)形成燃料滑流52之后可設(shè)置可選的第二計(jì)量和閥門系統(tǒng) 71，以便在第一驟冷區(qū)域66和第二驟冷區(qū)域76之間進(jìn)一步分開燃料供給。類似地，氧氣流 可穿過計(jì)量和閥門系統(tǒng)72以產(chǎn)生氧氣滑流56。然后在混合區(qū)域58中使氧氣滑流56和燃 料滑流52相混合，并容許在反應(yīng)區(qū)域60中反應(yīng)。通過計(jì)量和閥門系統(tǒng)70調(diào)整的燃料供給 64還可引導(dǎo)至驟冷區(qū)域66中，以便與離開反應(yīng)區(qū)域60的合成氣62相混合。
在又一實(shí)施例中，燃料流64和合成氣62可在第一驟冷區(qū)域66中混合以形成富含 氫氣的燃料混合物68。然后可將燃料混合物68引入熱交換器74，該熱交換器使得能夠冷 卻燃料混合物68。來自熱交換器74的冷卻后的燃料混合物可引入第二驟冷區(qū)域76，其中 冷卻后的燃料混合物由燃料流64進(jìn)一步驟冷。在又一實(shí)施例中，在燃料重整器系統(tǒng)50中 可包括碳捕獲系統(tǒng)78。富含氫氣的燃料混合物68可穿過碳捕獲系統(tǒng)78。碳捕獲系統(tǒng)78 可從燃料混合物68降低一氧化碳的數(shù)量，產(chǎn)生提純的混合物。然后如上面提到的那樣可使 混合物進(jìn)一步進(jìn)入熱交換器74。 圖4和圖5顯示了圖3中燃料重整器系統(tǒng)10中可采用的各種冷卻機(jī)構(gòu)。圖4是 燃料重整器系統(tǒng)80的示意圖，該系統(tǒng)采用穿過燃料的噴射冷卻，以便從如圖3中所標(biāo)示的 反應(yīng)區(qū)域60的壁82中吸取熱量。穿過入口 86的燃料滑流84與穿過如圖3中所標(biāo)示的混 合區(qū)域58中的入口 90而進(jìn)入的氧氣滑流88相混合。在有限空間98中將多個(gè)燃料射流92 注入到壁襯套96上的注入孔94中。合成氣的混合物在反應(yīng)區(qū)域60處通過部分氧化燃燒而 形成，并穿過驟冷裝置IOO，該驟冷裝置在合成氣與燃料流102混合并進(jìn)入下游燃燒室104 之前提供了快速冷卻。冷卻后的富含氫氣的燃料混合物106進(jìn)一步進(jìn)入燃燒室104中。
圖5是燃料重整器系統(tǒng)110的示意圖，該系統(tǒng)采用穿過燃料的沖擊冷卻，以從如圖 3中所標(biāo)示的反應(yīng)區(qū)域60的如圖4中所標(biāo)示的壁82中吸取熱量。穿過入口 86的燃料滑 流84(如圖4中所標(biāo)示)與穿過混合區(qū)域58(如圖3中所標(biāo)示)中的入口 90而進(jìn)入的氧 氣滑流88相混合。多個(gè)燃料射流112以非常高的速度通過有限空間118中的多個(gè)冷卻孔116而沖擊在壁襯套114上。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，速度可從大約10m/sec至大約100m/ sec變化。合成氣形成在反應(yīng)區(qū)域20處，并穿過驟冷裝置100，該驟冷裝置在合成氣與燃料 流120混合并進(jìn)入燃燒室104中之前提供快速冷卻，如圖4中所標(biāo)示。冷卻后的富含氫氣 的燃料混合物122進(jìn)一步進(jìn)入燃燒室104中。 圖6是在反應(yīng)區(qū)域60(如圖3中所標(biāo)示)的壁82(如圖4中所標(biāo)示)的外面采用 陶瓷襯套132的燃料重整器系統(tǒng)130的示意圖。穿過入口 86的燃料滑流84與穿過如圖3 中所標(biāo)示的混合區(qū)域58中的入口 90而進(jìn)入的氧氣滑流88預(yù)混合。合成氣混合物形成在 反應(yīng)區(qū)域20處，并穿過驟冷裝置100，該驟冷裝置在合成氣與燃料流134混合并進(jìn)入燃燒室 104中之前提供快速冷卻，如圖4中所標(biāo)示。冷卻后的混合物136進(jìn)一步進(jìn)入燃燒室104。 陶瓷襯套132提供了對腐蝕和高溫的所需抗性。 如各個(gè)實(shí)施例中所述并如附圖中所示，在反應(yīng)區(qū)域60中發(fā)生反應(yīng)以形成含氫的 合成氣之前，燃料與氧氣在混合區(qū)域58中混合?；旌蠀^(qū)域58可構(gòu)造成可增強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率，并 降低上述燃料重整器系統(tǒng)的投資費(fèi)用。在一個(gè)實(shí)施例中，混合區(qū)域58可包括預(yù)混合裝置。 燃料可通過預(yù)混合裝置進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，并可在燃料流的橫向方向上引入氧氣，以促進(jìn)燃料和 氧氣的預(yù)混合，從而形成氣態(tài)的預(yù)混合物。應(yīng)該注意的是，燃料流的流量調(diào)節(jié)和后續(xù)氧氣的 引入可使得燃料流和氧氣能夠快速混合。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料重整器系統(tǒng)的預(yù)混合駐留 時(shí)間可在大約0. 5ms至大約100ms的范圍內(nèi)。在某些實(shí)施例中，在混合區(qū)域58中的反應(yīng)區(qū) 域60的上游可設(shè)置多個(gè)預(yù)混合裝置。此外，在某些實(shí)施例中，可將尾氣57引入燃料流，以進(jìn) 一步改善燃料重整器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。類似地，還可將蒸汽59引入燃料流，以增加112 : CO 的比率，并用于減少煙灰生成。此外，可通過控制器基于燃料重整器系統(tǒng)的所需轉(zhuǎn)換效率而 有選擇地控制多個(gè)預(yù)混合裝置的操作。下面將參照圖7-10更詳細(xì)地解釋預(yù)混合裝置的典 型構(gòu)造。 圖7是圖1至圖6的燃料重整器系統(tǒng)的混合區(qū)域和預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域中所采用的預(yù)混合 裝置的示范性構(gòu)造150的概略圖。在所示的實(shí)施例中，預(yù)混合裝置150包括燃料入口152，其 構(gòu)造成將燃料滑流52引入預(yù)混合裝置150內(nèi)。另外，預(yù)混合裝置150包括氧氣入口 154，該 氧氣入口構(gòu)造成將氧氣滑流56引入預(yù)混合裝置150內(nèi)。預(yù)混合裝置還可包括流量調(diào)節(jié)器， 該流量調(diào)節(jié)器構(gòu)造成在將氧氣引入到預(yù)混合裝置150之前對燃料滑流52進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)。在 這個(gè)實(shí)施例中，預(yù)混合裝置包括構(gòu)造成為燃料滑流52提供旋流運(yùn)動的多個(gè)旋流葉片156。 在另一實(shí)施例中，預(yù)混合裝置還可包括多個(gè)逆流旋流葉片157。在一個(gè)備選實(shí)施例中，預(yù)混 合裝置可包括噴嘴，其構(gòu)造成使燃料滑流52加速到所需的速度。然而，可設(shè)想用于對燃料 滑流52進(jìn)行預(yù)處理的其它類型的流量調(diào)節(jié)器。 在運(yùn)行中，燃料滑流52通過多個(gè)旋流葉片156進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)。此外，在對燃料滑流 52的注入方向的橫向方向上通過氧氣入口 154而引入氧氣滑流56。在所示的實(shí)施例中，在 設(shè)置于多個(gè)旋流葉片156下游的位置158處注入氧氣滑流56。在一個(gè)實(shí)施例中，通過設(shè)置 于多個(gè)旋流葉片156的各個(gè)葉片上的多個(gè)孔引入氧氣滑流56?？缭接糜谝胙鯕饣?6 的多個(gè)孔的壓力降可小于大約5%。備選地，可通過預(yù)混合裝置150的中心體或壁而引入 氧氣滑流56。在又一實(shí)施例中，可通過多個(gè)逆流旋流葉片157與多個(gè)旋流葉片156—起或 替代多個(gè)旋流葉片156而注入氧氣滑流56。在一個(gè)實(shí)施例中，可以某一角度注入氧氣滑流 56，該角度具有垂直于流動方向的分量。此外，注入孔還可在預(yù)混合裝置150的中心體軸線
12的周圍引入旋流。然后在預(yù)混合區(qū)域160中將經(jīng)過預(yù)調(diào)節(jié)的燃料滑流52和氧氣滑流56混 合起來以形成氣態(tài)預(yù)混合物，該氣態(tài)預(yù)混合物通過出口 164而被進(jìn)一步引導(dǎo)至反應(yīng)區(qū)域20 的燃燒室162。在所示的實(shí)施例中，預(yù)混合區(qū)域160設(shè)計(jì)成即使在存在點(diǎn)火源的情況下也通 過使再循環(huán)區(qū)域最小化而阻礙駐焰(f lameholding)。 在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)混合裝置150中的燃料滑流52的溫度可為大約400 。F至大約 1300 。F，并且氧氣滑流56的溫度可為大約200 。F至大約500 °F 。此外，氧氣入口 154的有 效面積和流量調(diào)節(jié)裝置156的有效面積的比可為大約0. l至大約0.9。如本文所用，術(shù)語氧 氣入口的"有效面積"意在指穿過入口的氧氣滑流的體積流速除以流的平均速度。
圖8-11是圖8的預(yù)混合裝置180的示范性構(gòu)造200的概略圖，該構(gòu)造具有不同的 氧氣注入位置。例如，在一種示范性的構(gòu)造202中，引入預(yù)混合裝置202中的燃料滑流52 通過旋流葉片182進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)。此外，通過旋流葉片182將氧氣滑流56在相對于燃料滑流 52的方向的橫向方向上引入預(yù)混合裝置202，如標(biāo)號204所示。同樣，如之前所述，通過尾 氣57或蒸汽59可增加燃料滑流52。燃料滑流52和氧氣滑流56進(jìn)行預(yù)混合以形成氣態(tài)預(yù) 混合物，該預(yù)混合物通過出口 206而被引導(dǎo)至燃燒室162 (見圖7)。 在另一示范性構(gòu)造208中，類似地通過旋流葉片182引入燃料滑流52并進(jìn)行預(yù)調(diào) 節(jié)。此外，通過設(shè)置在如標(biāo)號212所示的燃燒管上的孔210注入氧氣滑流56。具體而言， 通過燃燒管212在相對于燃料滑流52的方向的橫向方向上將氧氣滑流56注入到旋流葉片 182中。在由標(biāo)號214所示的一個(gè)備選實(shí)施例中，在設(shè)置于旋流葉片182下游的注入點(diǎn)處通 過燃燒管212注入氧氣滑流56。因而，在相對于燃料滑流52的方向的橫向方向216上通過 燃燒管212中的注入點(diǎn)而注入氧氣滑流56。此外，如構(gòu)造220中所示，通過預(yù)混合裝置的中 心體引入氧氣滑流56，并如標(biāo)號222所示在橫向方向上在旋流葉片182的下游位置處注入 氧氣滑流。 圖12是圖7的預(yù)混合裝置150的另一示范性構(gòu)造230的概略圖。如圖所示，預(yù)混 合裝置230包括燃料入口 232以將燃料滑流52引入預(yù)混合裝置230內(nèi)。此外，預(yù)混合裝置 232包括多個(gè)旋流葉片234，以向燃料滑流52提供旋流運(yùn)動。另外，預(yù)混合裝置230包括 設(shè)置在多個(gè)旋流葉片234附近的多個(gè)逆流旋流葉片236。旋流葉片和逆流旋流葉片234和 236的運(yùn)動方向分別由標(biāo)號238和240表示。在這個(gè)示范性實(shí)施例中，燃料滑流52從旋流 葉片234上游的入口 232流入。此外，通過設(shè)置在旋流葉片234上的多個(gè)孔242而引入氧 氣滑流56。 在這個(gè)實(shí)施例中，對于多個(gè)孔242的總有效面積可為旋流葉片234的有效面積的 大約1/2。此外，旋流葉片234的數(shù)量可為大約4個(gè)至大約15個(gè)。類似地，逆流旋流葉片 236的數(shù)量可為大約4個(gè)至大約15個(gè)。另外，對于各旋流葉片234和326，轉(zhuǎn)向角度可為大 約20度至大約55度。在一個(gè)實(shí)施例中，逆流旋流葉片236的轉(zhuǎn)向角度可比旋流葉片234 的轉(zhuǎn)向角度相對更大。如早先所述，燃料滑流52通過旋流葉片234和236進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，并 且使氧氣滑流56與經(jīng)過預(yù)調(diào)節(jié)的燃料流預(yù)混合以形成氣態(tài)預(yù)混合物，該氣態(tài)預(yù)混合物通 過出口而被引導(dǎo)至燃燒室162(見圖7)。接下來，在高溫和高壓下使氣態(tài)預(yù)混合物在燃燒室 162中經(jīng)歷部分氧化燃燒以形成合成氣。 在燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中可有利地采用包括上述預(yù)混合裝置的燃料重整器系統(tǒng)，以提 高燃?xì)鉁u輪的效率，同時(shí)在與沒有燃料重整器系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)相比時(shí)允許更高的范圍度(turndown)以及減少的燃燒動態(tài)。在受益于減少的排放和改善的效率的任何燃?xì)鉁u 輪機(jī)系統(tǒng)中都可采用這種燃料重整器系統(tǒng)。此外，如所述的燃料重整器系統(tǒng)具有相對較小 的尺寸，這容許其以很少的成本費(fèi)用或重新設(shè)計(jì)而改裝到現(xiàn)有的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中。改裝 的系統(tǒng)改良用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的現(xiàn)有燃料供給。因此，燃料重整器系統(tǒng)12不僅改善了燃?xì)鉁u 輪機(jī)系統(tǒng)10的燃燒動態(tài)，而且其不需要支出與購買全新的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的成本 即達(dá)成此目的。改裝系統(tǒng)的另一優(yōu)勢是其可在不干擾燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行的條件下進(jìn)行維護(hù)。 例如，改裝的燃料重整器系統(tǒng)可離線并進(jìn)行維護(hù)(例如更換催化劑)，并且容許燃料供給繞 過該系統(tǒng)，從而防止中斷燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行。 燃料重整器系統(tǒng)可在簡單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)中使用。用于與 燃料重整器系統(tǒng)一起使用的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的示例可包括分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)、再熱式 燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)、包括至少一個(gè)前述渦輪機(jī)系統(tǒng)的組合等。 例如，在一個(gè)實(shí)施例中，燃料重整器系統(tǒng)可提供富含氫氣的燃料混合物作為輔助
燃料流，該燃料重整器系統(tǒng)構(gòu)造成在再熱式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中再加熱工作氣流。在另一實(shí)
施例中，燃料重整器系統(tǒng)可提供富含氫氣的燃料混合物作為輔助燃料流，該燃料重整器系
統(tǒng)構(gòu)造成用于分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的第二級中的燃燒，其中富含氫氣的燃料混合物在第
二級中的燃燒降低了燃?xì)鉁u輪機(jī)的稀薄熄火點(diǎn)。此外，富含氫氣的燃料混合物可同時(shí)控制
燃燒器中形成的氮氧化物的量和分級式燃?xì)鉁u輪燃燒器中火焰的穩(wěn)定性。 在一個(gè)實(shí)施例中，分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)可包括進(jìn)氣部分；位于進(jìn)氣部分下游并
與之保持流體連通的壓縮機(jī)部分；燃燒器部分，其包括位于壓縮機(jī)部分下游并與之保持流
體連通的主燃燒系統(tǒng)；位于主燃燒系統(tǒng)下游并與之保持流體連通的輔助燃燒系統(tǒng)；以及與
主燃燒系統(tǒng)及輔助燃燒系統(tǒng)保持流體連通的燃料重整器系統(tǒng)，其中燃料重整器系統(tǒng)構(gòu)造成
向主燃燒系統(tǒng)和輔助燃燒系統(tǒng)提供富含氫氣的燃料混合物。在另一實(shí)施例中，主燃燒系統(tǒng)
和輔助燃燒系統(tǒng)的其中一個(gè)或兩者均可包括噴射器，噴射器構(gòu)造成將富含氫氣的燃料混合
物橫向地注入到燃燒器中。此外，可使用控制器來確定燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載能力，并基于
燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載而將富含氫氣的燃料混合物注入其中一個(gè)燃燒系統(tǒng)中。例如，如果
燃?xì)鉁u輪機(jī)在滿負(fù)載能力下運(yùn)行，則可將富含氫氣的燃料混合物注入到輔助燃燒系統(tǒng)中，
以最大化該燃燒器中的濃度。然而，如果燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)在部分負(fù)載能力(例如小于滿負(fù)
載)下運(yùn)行，則可將富含氫氣的燃料混合物注入到主燃燒系統(tǒng)中，以最大化該燃燒器中的濃度。 圖13中顯示了這種燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的示范性實(shí)施例的一個(gè)示例。在圖13中，包 含系統(tǒng)300的渦輪機(jī)包括進(jìn)氣部分304、位于進(jìn)氣部分304下游的壓縮機(jī)部分306、燃燒器 部分308、渦輪部分314和排氣部分316，燃燒器部分具有位于進(jìn)氣部分306下游的主燃燒 系統(tǒng)310以及位于主燃燒系統(tǒng)310下游的輔助燃燒系統(tǒng)312。如圖14中最佳所見，輔助燃 燒系統(tǒng)312包括噴射器320，該噴射器320用于將合成氣從燃料重整器系統(tǒng)橫向地注入到主 燃燒系統(tǒng)310的燃燒產(chǎn)物流中。 再次參看圖13和圖14，包含系統(tǒng)300的渦輪機(jī)包括壓縮機(jī)部分306、燃燒器部分 308和渦輪部分314。通過公共軸連接可將渦輪部分314構(gòu)造成驅(qū)動壓縮機(jī)部分306和負(fù) 載301。負(fù)載301可以是發(fā)電機(jī)、機(jī)械驅(qū)動應(yīng)用、推進(jìn)器、包括至少一種前述裝置的組合等。 用于這種負(fù)載的應(yīng)用的示例可以是發(fā)電、船舶推進(jìn)、氣體壓縮、聯(lián)合發(fā)電、離岸平臺發(fā)電等。
燃燒器部分308可包括多個(gè)周向隔開的燃燒器340的圓形陣列。燃料/氧氣混合 物在各個(gè)燃燒器340中進(jìn)行燃燒，以產(chǎn)生熱的高能氣流，該氣流流過過渡件330，用于使燃 氣流向渦輪部分314的渦輪噴嘴332。出于本說明書的目的，只顯示了一個(gè)燃燒器340，但 應(yīng)該懂得圍繞燃燒器部分308布置的所有其它燃燒器340可基本上與所示的燃燒器340相 同。雖然圖13顯示了多個(gè)周向隔開的燃燒器340，并且圖14顯示了本領(lǐng)域中被稱為罐式燃 燒器系統(tǒng)的燃燒器340的橫截面，但是可設(shè)想本發(fā)明公開可結(jié)合包括但不限于環(huán)形燃燒器 系統(tǒng)的其它燃燒器系統(tǒng)一起使用。 現(xiàn)在參看圖14，大體顯示了用于包含系統(tǒng)300的渦輪機(jī)的燃燒器340，其包括主燃 燒系統(tǒng)310、輔助燃燒系統(tǒng)312和用于使熱的燃燒氣體流向渦輪噴嘴332和渦輪葉片(未顯 示)的燃燒區(qū)域322。主燃燒系統(tǒng)310包括外殼334、端蓋336、多個(gè)啟動燃料噴嘴338、多 個(gè)預(yù)混合燃料噴嘴342、蓋組件344、流套筒346以及位于套筒346中的燃燒襯套348。可提 供點(diǎn)火裝置(未顯示)，且其包括電激勵(lì)的火花塞。主燃燒系統(tǒng)310中的燃燒發(fā)生在燃燒襯 套348中。氧氣可在燃燒襯套348中經(jīng)由流套筒346引導(dǎo)，并通過形成于蓋組件344中的 多個(gè)開口而進(jìn)入燃燒襯套348。氧氣在跨越蓋組件344的壓力差下進(jìn)入燃燒襯套348，并在 燃燒襯套348中與來自啟動燃料噴嘴338和/或預(yù)混合燃料噴嘴342中的燃料相混合。相 應(yīng)地，在燃燒襯套348中發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放出熱量，以用于驅(qū)動渦輪部分314。用于主燃 燒系統(tǒng)310的高壓氧氣從環(huán)形氣室352進(jìn)入流套筒346和過渡件沖擊套筒350。由以標(biāo)號 354標(biāo)注的一系列葉片和槳葉和擴(kuò)散器356代表的壓縮機(jī)部分306可提供此高壓氧氣。各 個(gè)預(yù)混合燃料噴嘴342可包括由多個(gè)旋流葉片組成的旋流器358和多個(gè)燃料輻條360，旋流 葉片將旋轉(zhuǎn)傳遞給進(jìn)入的氧氣，燃料輻條在旋轉(zhuǎn)的氧氣流中分配燃料。然后燃料和氧氣可 在預(yù)混合燃料噴嘴342的環(huán)形通道中進(jìn)行混合，之后在主反應(yīng)區(qū)域362中發(fā)生反應(yīng)。
輔助燃燒系統(tǒng)312包括用于與提供用來以高入口溫度條件操作的噴射器320連通 的組件370。該噴射器與環(huán)形氣室352保持流體連通，從而將氧氣冷卻流傳送給噴射器320。 冷卻流與噴射器中的燃料供給相混合，使得燃料系統(tǒng)和冷卻流均與輔助燃燒系統(tǒng)312保持 流體連通。在燃料供給系統(tǒng)中，燃料重整器系統(tǒng)311與輔助燃燒系統(tǒng)312保持流體連通，其 中噴射器320構(gòu)造成將富含氫氣的燃料混合物68從燃料重整器系統(tǒng)注入燃燒器308。燃料 重整器系統(tǒng)還可與主燃燒系統(tǒng)310保持流體連通，尤其是預(yù)混燃料噴嘴342可將富含氫氣 的燃料混合物68注入燃燒器。組件370可包括多個(gè)噴射器320，噴射器穿透燃燒襯套348 并將富含氫氣的合成氣燃料混合物68引入燃燒器組件340的輔助反應(yīng)區(qū)域376。噴射器 320可伸入到襯套中，或者在一個(gè)備選實(shí)施例中，它們可包括非插入式的噴嘴。離開主反應(yīng) 區(qū)域362的熱的燃燒產(chǎn)物點(diǎn)燃合成氣。得到的輔助烴類燃料氧化反應(yīng)在過渡件330中達(dá)到 基本完成。合成氣可注入到輔助反應(yīng)區(qū)域376中。在被引入到輔助反應(yīng)區(qū)域中之前，尤其 在被引入到燃料混合物歧管374中之前，燃料重整器系統(tǒng)對合成氣進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，并使其與 燃料相混合。 在運(yùn)行過程中，主燃燒系統(tǒng)和輔助燃燒系統(tǒng)的分級燃燒與來自燃料重整器系統(tǒng)的 富含氫氣的合成氣混合物一起能夠通過減少總的燃燒駐留時(shí)間而降低N(^排放水平。此外， 分級燃燒系統(tǒng)中所采用的富含氫氣的合成氣燃料混合物會容許較高的范圍度并改善燃燒 系統(tǒng)300中的燃燒動態(tài)。燃料重整器系統(tǒng)311提供了一種生成氫氣以縮短燃燒駐留時(shí)間的 低成本方法，并且其可利用到燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)有燃料供給24來實(shí)現(xiàn)此目的。作為其結(jié)果，包含系統(tǒng)300的渦輪機(jī)可以以更能夠持續(xù)的方式驅(qū)動負(fù)載301。 在包含系統(tǒng)300的渦輪機(jī)(參看圖13)的運(yùn)行期間，氧氣被抽吸到進(jìn)氣部分304 中，以便由下游的壓縮機(jī)部分306進(jìn)行壓縮。 一部分壓縮后氧氣被輸送給燃燒器部分308 的主燃燒系統(tǒng)310，用于在多個(gè)燃燒器340的各個(gè)燃燒器的主反應(yīng)區(qū)域362中與燃料混合物 結(jié)合并燃燒。因?yàn)镹0X的生成是與溫度相關(guān)的，所以可設(shè)計(jì)燃燒溫度，以便最小化N0X的生 成。 當(dāng)主燃燒產(chǎn)物向下游移動至輔助燃燒系統(tǒng)312中時(shí)(參看圖14)，通過噴射器320 引入與氧氣混合的補(bǔ)充燃料和富含氫氣的合成氣燃料混合物。如同在主燃燒區(qū)域310中一 樣，可控制峰值燃燒溫度和時(shí)間，以便最小化N0X的生成。這可通過控制輔助燃燒系統(tǒng)312 的各個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)，包括噴射器320相對于主燃燒系統(tǒng)310的放置。例如，可將噴射器320 提供給燃燒器340的罐狀流套筒346、燃燒器340的過渡件330以及罐狀流套筒346和燃燒 器340的過渡件330之間的接口中的任一個(gè)。另外，可將噴射器320提供給渦輪部分314， 例如渦輪部分314的第一級渦輪噴嘴332。在一個(gè)實(shí)施例中，可基本垂直于過渡件330的入 口而提供輔助燃燒系統(tǒng)312的噴射器320。 離開輔助燃燒系統(tǒng)312的熱的燃燒產(chǎn)物進(jìn)入渦輪部分314。渦輪部分314通過公 共軸連接可驅(qū)動壓縮機(jī)部分306和負(fù)載301。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會懂得，渦輪部分314 可包括多個(gè)渦輪，例如高壓渦輪和低壓渦輪，或者高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪。類似地， 壓縮機(jī)部分306可包括多個(gè)壓縮機(jī)，例如低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)，或者低壓壓縮機(jī)、中壓 壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)。離開渦輪部分314的熱的燃燒產(chǎn)物進(jìn)入排氣部分316。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖15，本文所述的燃料重整器系統(tǒng)還可有利地設(shè)置于在渦輪級之間利用 再熱燃燒的燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中。類似于上述分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)，燃料重整器系統(tǒng)可與 再熱式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)一起運(yùn)行，以增強(qiáng)簡單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中燃?xì)鉁u輪機(jī)的功率輸 出和效率。現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，并且首先參看圖15，其顯示了具有再加熱裝置502的燃?xì)鉁u輪機(jī) 系統(tǒng)500。燃料重整器系統(tǒng)504可與再加熱裝置502和/或燃燒器508保持流體連通，從 而將富含氫氣的燃料混合物提供給燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)500。燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)500還可包括壓 縮機(jī)組件506和與壓縮機(jī)組件506保持流體連通的燃燒器508。此外，燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)500 可包括定位在燃燒器508下游的第一渦輪510和第二渦輪512。在所示的實(shí)施例中，由第一 渦輪510產(chǎn)生的功率通過軸514驅(qū)動壓縮機(jī)組件506。此外，第二渦輪512可構(gòu)造成可驅(qū)動 外部負(fù)載。在所示的實(shí)施例中，單獨(dú)的軸516聯(lián)接在第二渦輪512上以驅(qū)動外部負(fù)載。
在運(yùn)行中，壓縮機(jī)組件506接收氧氣流并壓縮該流，以產(chǎn)生壓縮空氣流518。然后 將壓縮氧氣流518引向燃燒器508，以燃燒燃料流并產(chǎn)生燃燒器燃?xì)饬?20。此外，燃燒器 燃?xì)饬?20通過第一渦輪510部分地膨脹。在所示的實(shí)施例中，膨脹的氣流522從第一渦 輪510被引向再加熱裝置502。如圖所示，再加熱裝置502與第一渦輪510保持流體連通， 并且構(gòu)造成將富含氫氣的合成氣燃料混合物68從燃料重整器系統(tǒng)504沿橫向方向引向工 作氣流522，用于在工作氣流522存在的條件下燃燒富含氫氣的合成氣燃料混合物68，從而 產(chǎn)生出口氣流524。同樣，如本文所用，術(shù)語"橫向"指相對于工作氣流的流動方向的縱軸線 成直角的方向。出口氣流524接下來通過第二渦輪512膨脹。以下將更詳細(xì)地描述用于在 第一渦輪510和第二渦輪512之間促進(jìn)再熱燃燒所采用的再加熱裝置502。如本領(lǐng)域技術(shù) 人員將會懂得的，此第二燃燒反應(yīng)促進(jìn)了提高進(jìn)入第二渦輪512(常被稱為"動力渦輪")的氣流溫度，從而增強(qiáng)了燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)500的功率輸出和效率。此外，第二渦輪512構(gòu)造成 使來自再加熱裝置502的出口氣流524膨脹，以驅(qū)動外部負(fù)載。燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)500中所 采用的再加熱裝置502構(gòu)造成在不引起高排放的情況下提高氣流的溫度。
用于降低稀薄熄火點(diǎn)以及控制燃燒動態(tài)的燃料重整器系統(tǒng)的多個(gè)實(shí)施例以及用 于操作上述燃料重整器系統(tǒng)的方法因而提供了一種途徑，以便在沒有稀薄熄火或燃燒動態(tài) 的情況下，在燃燒器中實(shí)現(xiàn)持續(xù)的稀薄的、預(yù)混合或部分預(yù)混合的火焰。由于改善了其相應(yīng) 燃燒器中的燃燒，這些技術(shù)和系統(tǒng)還容許實(shí)現(xiàn)具有燃料重整器改進(jìn)單元的高效的燃?xì)鉁u輪 發(fā)動機(jī)。如本文所述，本發(fā)明公開的實(shí)施例提供了結(jié)合燃料重整器系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪燃燒系 統(tǒng)，其以一種有效的方式增強(qiáng)了系統(tǒng)的功率輸出和效率，不論該系統(tǒng)是分級式燃?xì)鉁u輪機(jī) 系統(tǒng)還是再熱式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中所利用的重整器系統(tǒng)包括使燃料滑流與氧氣 滑流混合并發(fā)生反應(yīng)以提高氫氣的濃度。將氫氣引入燃料容許降低稀薄熄火點(diǎn)，并使得能 夠?qū)θ細(xì)鉁u輪燃燒系統(tǒng)減少燃燒動態(tài)。此外，燃料重整器系統(tǒng)的預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域和混合區(qū)域利 用一種預(yù)混合裝置，該裝置構(gòu)造成促進(jìn)燃料和氧氣的預(yù)混合，從而減少形成富含氫氣的合 成氣所需要的時(shí)間，并改善燃料重整器系統(tǒng)的效率。同樣，對于本文所述的燃料重整器系統(tǒng) 和再熱式和分級式燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行布局和系統(tǒng)應(yīng)用的要求而設(shè)想不同的構(gòu)造。
本文所公開的范圍是包含性和可組合的(例如，"高達(dá)大約25%重量(wt% )，或 者，更具體地，大約5wt^至大約20wt^"的范圍包含"大約5wt^至大約25wt^"的范圍的 端點(diǎn)以及所有中間值，等等)。"組合"包含摻和物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等等。此外，用語 "第一"、"第二"等等在本文并不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于將一個(gè)元素與另一 元素區(qū)分開，并且用語"一"和"一種"在本文并不表示數(shù)量的限制，而是表示至少一個(gè)所指 項(xiàng)目的存在。結(jié)合數(shù)量而使用的修飾語"大約"包含所聲明的值，并且具有由上下文所定的 含義(例如，包括與該特定數(shù)量的測量相關(guān)聯(lián)的誤差度)。本文使用的復(fù)數(shù)形式"(多種)" 意圖包括其所修飾的項(xiàng)的單數(shù)和復(fù)數(shù)，從而包括一個(gè)或多個(gè)該項(xiàng)(例如，"(多種)著色劑" 包括一種或多種著色劑)。整個(gè)說明書中對"一個(gè)實(shí)施例"、"另一實(shí)施例"、"一實(shí)施例"等等 的提及意味著結(jié)合該實(shí)施例所描述的特定元素(例如，特征、結(jié)構(gòu)和/或特性)包括在本文 所描述的至少一個(gè)實(shí)施例中，并可存在或者不存在于其它實(shí)施例中。另外，應(yīng)該懂得，所描 述元素可在多種實(shí)施例中以任何合適的方式組合。 雖然已經(jīng)參照示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會懂得，在不 脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可做出各種變化，并且用等效物替代其元素。另外，可做出許 多修改以使特定的情形或材料適應(yīng)于本發(fā)明公開的教導(dǎo)而不會脫離本發(fā)明的本質(zhì)范圍。因 此，其意圖是，本發(fā)明并不局限于作為被認(rèn)為是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式而公開的特定 的實(shí)施例，而是本發(fā)明公開將包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
1權(quán)利要求
一種燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)(10，300，500)，包括燃料重整器系統(tǒng)(12，50，80，110，130，311，504)，其包括燃料入口，其構(gòu)造成接收燃料滑流(30，52，84)；氧氣入口，其構(gòu)造成引入氧氣滑流(32，56，88)；預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域(54)，其構(gòu)造成預(yù)處理所述燃料滑流；混合區(qū)域(34，58)，其構(gòu)造成使所述氧氣滑流混合到所述燃料滑流中，以形成氣態(tài)預(yù)混合物；反應(yīng)區(qū)域(60)，其構(gòu)造成從所述氣態(tài)預(yù)混合物產(chǎn)生合成氣(42，62)；驟冷區(qū)域(66)，其構(gòu)造成使燃料流混合到所述合成氣中，以形成富含氫氣的燃料混合物(48，68)；以及燃?xì)鉁u輪(22)，其構(gòu)造成接收所述燃料混合物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10，300，500)，其特征在于，所述預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域(54)包括 多個(gè)旋流葉片(156， 182， 234， 236， 238)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10，300，500)，其特征在于，所述富含氫氣的燃料混合 物(48,68)被引向燃?xì)鉁u輪預(yù)混合器(16)，以便與氧氣流相混合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10，500)，其特征在于，所述富含氫氣的燃料混合物 (48,68)是配置成再加熱工作氣流(520)的輔助燃料流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10，300)，其特征在于，所述富含氫氣的燃料混合物 (48,68)是輔助燃料流，其配置成用來在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器的第二級(312)中燃燒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10，300，500)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括構(gòu)造成將 蒸汽(36,59)引向所述混合區(qū)域(34,58)的蒸汽入口。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(300)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 進(jìn)氣部分(304);壓縮機(jī)部分(306)，其位于所述進(jìn)氣部分的下游并與之保持流體連通； 燃燒器部分(308)，其包括位于所述壓縮機(jī)部分的下游并與之保持流體連通的主燃燒 系統(tǒng)(310);輔助燃燒系統(tǒng)(312)，其位于所述主燃燒系統(tǒng)的下游并與之保持流體連通；其中，所述燃料重整器系統(tǒng)(311)與所述主燃燒系統(tǒng)及所述輔助燃燒系統(tǒng)保持流體連 通，其中所述燃料重整器系統(tǒng)構(gòu)造成向所述主燃燒系統(tǒng)和/或輔助燃燒系統(tǒng)提供富含氫氣 的燃料混合物，渦輪部分(314)，其位于所述輔助燃燒系統(tǒng)的下游并與之保持流體連通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(300)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括控制器，所述控制 器構(gòu)造成確定所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載能力，并且當(dāng)所述燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)在滿負(fù)載能力 下運(yùn)行時(shí)將富含氫氣的燃料混合物注入到所述輔助燃燒系統(tǒng)(312)中，而當(dāng)所述燃?xì)鉁u輪 機(jī)系統(tǒng)在部分負(fù)載能力下運(yùn)行時(shí)則注入到所述主燃燒系統(tǒng)(310)中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(500)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 位于進(jìn)氣部分的下游并與之保持流體連通的壓縮機(jī)部分(506)，所述壓縮機(jī)部分構(gòu)造成壓縮氧氣流(518);位于所述壓縮機(jī)部分的下游并與之保持流體連通的燃燒器部分(508)，其中所述燃燒器部分構(gòu)造成接收所述壓縮氧氣流，并燃燒燃料流以產(chǎn)生燃燒器出口氣流(520);位于所述燃燒器部分的下游并與之保持流體連通的主渦輪(510)，所述主渦輪構(gòu)造成 使所述燃燒器出口氣流部分地膨脹以形成工作氣流(522);其中所述燃料重整器系統(tǒng)(504)構(gòu)造成向所述主燃燒系統(tǒng)和/或再加熱裝置(502)提 供富含氫氣的燃料混合物；設(shè)置在所述主渦輪和所述燃料重整器系統(tǒng)的下游并與之保持流體連通的再加熱裝置， 所述再加熱裝置構(gòu)造成燃燒所述工作氣流和富含氫氣的燃料混合物，從而形成出口氣流 (524);位于所述再加熱裝置的下游并與之保持流體連通的第二渦輪(512)，所述第二渦輪構(gòu) 造成使所述出口氣流膨脹。
10.根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10，300，500)，其特征在于，所述燃料重整器系統(tǒng)(12， 50， 80， 110， 130， 311， 504)具有的容積為所述燃?xì)鉁u輪燃燒部分(20,308,508)的容積的 2%至75%。
全文摘要
本發(fā)明涉及預(yù)混合的部分氧化合成氣生成和燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)，具體而言，提供了一種燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)，其包括燃料重整器系統(tǒng)和燃?xì)鉁u輪，燃料重整器系統(tǒng)包括燃料入口、氧氣入口、預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域、混合區(qū)域、反應(yīng)區(qū)域以及驟冷區(qū)域，燃料入口構(gòu)造成接收燃料滑流；氧氣入口構(gòu)造成引入氧氣滑流；預(yù)調(diào)節(jié)區(qū)域構(gòu)造成對燃料滑流進(jìn)行預(yù)處理；混合區(qū)域包括構(gòu)造成促進(jìn)燃料滑流和氧氣滑流的混合以形成氣態(tài)預(yù)混合物的預(yù)混合裝置；反應(yīng)區(qū)域構(gòu)造成由氣態(tài)預(yù)混合物產(chǎn)生合成氣；驟冷區(qū)域構(gòu)造成將燃料流混合到合成氣中以形成富含氫氣的燃料混合物；而燃?xì)鉁u輪構(gòu)造成接收燃料混合物。
文檔編號F02C7/22GK101776015SQ201010003958
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者J·M·海恩斯 申請人:通用電氣公司