本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪中的煙氣再循環(huán)領(lǐng)域,具體而言涉及用于混合煙氣與壓縮機(jī)上游的環(huán)境空氣的元件。
背景技術(shù):存在對于借助于與燃燒后二氧化碳捕集結(jié)合的煙氣再循環(huán)(FGR)系統(tǒng)提高在燃?xì)鉁u輪排氣口處的二氧化碳濃度的提議。就這一點(diǎn)而言,對公開這樣的裝置的WO-2010072710進(jìn)行引用。煙氣再循環(huán)對于二氧化碳捕集過程是有益的,因為二氧化碳的濃度增加并且到二氧化碳捕集單元的總質(zhì)量流量減小。這兩個方面導(dǎo)致具有更有效的捕集過程的更小的二氧化碳捕集設(shè)備。
技術(shù)實現(xiàn)要素:當(dāng)在燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)中使用煙氣再循環(huán)時,富集二氧化碳的煙氣必須與環(huán)境空氣混合,且然后被供應(yīng)至燃?xì)鉁u輪的壓縮機(jī)入口。壓縮機(jī)將這種含有二氧化碳的混合物輸送至燃燒器并送入燃?xì)鉁u輪的二次冷卻系統(tǒng)。煙氣的再循環(huán)降低了供應(yīng)至燃燒過程的氧的總量。在燃燒過程之后剩余氧濃度是對再循環(huán)的煙氣的量的限制參數(shù)。如果定義為再循環(huán)的煙氣與燃?xì)鉁u輪排氣質(zhì)量流量的比率的煙氣比過高,則氧的量小于化學(xué)計量燃燒所需的量。在這種情況下,將發(fā)生不完全燃燒,這導(dǎo)致高的一氧化碳排放量、未燃盡的烴類(UHC)、火焰不穩(wěn)定性,并且火焰最終甚至可熄滅。因此,需要在整個操作范圍內(nèi)確保良好的混合。為了不損失功率設(shè)備的功率和效率,需要確保最低可能的壓力損失。煙氣再循環(huán)比率的控制對于允許安全的燃?xì)鉁u輪操作是必要的?;旌掀鞯姆€(wěn)健設(shè)計對于確保在廣泛的煙氣比和渦輪負(fù)載參數(shù)內(nèi)的良好混合質(zhì)量是至關(guān)重要的。換言之,再循環(huán)的煙氣必須與壓縮機(jī)上游的新鮮空氣均勻地混合。本發(fā)明的主旨是在燃?xì)鉁u輪的進(jìn)氣口中安裝混合裝置,其中該混合裝置可例如在進(jìn)氣口中的過濾器和/或消音器的上游或下游?;旌掀骺衫缡菑倪M(jìn)氣單元的一個側(cè)壁延伸進(jìn)入由其限定的流動通道的指型混合器??梢栽诨旌掀鞯某隹谔幓蚧旌掀鞯某隹谙掠问褂冒搴?或?qū)~來改善混合器的管道中的混合。因此,本發(fā)明具體地涉及帶有煙氣再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪單元的壓縮機(jī)的入口上游的進(jìn)氣分段,其包括具有由側(cè)壁限定的流動通道的至少一個分段,進(jìn)氣的新鮮空氣流在其中沿著主空氣流方向流動;并且包括從至少一個側(cè)壁延伸進(jìn)入流動通道的至少一個混合管或混合指狀物。該混合管優(yōu)選地包括在所述至少一個側(cè)壁處的進(jìn)氣口以用于接收再循環(huán)的煙氣,以及遠(yuǎn)離所述側(cè)壁的至少一個出口開口以用于將再循環(huán)的煙氣從混合管吹出到空氣流中,優(yōu)選地不過多靠近其壁區(qū)域,而是在其更中心的區(qū)域中。根據(jù)這樣的進(jìn)氣分段的第一優(yōu)選實施例,混合管僅附連到單個側(cè)壁(混合指狀物)并且自由地延伸進(jìn)入流動通道中。優(yōu)選地在這種情況下,至少一個出口開口位于混合管的頂端區(qū)域中或鄰近頂端區(qū)域或沿管的長度分布??蓪⒅辽賰蓚€、三個、四個或至少五個混合管布置成一行,優(yōu)選地鄰近彼此,所述行優(yōu)選地基本沿空氣流方向?qū)R,最上游的混合管限定行的前緣。優(yōu)選地,這樣的一行混合管均具有進(jìn)入流動通道的不同延伸長度,并且優(yōu)選地最上游的混合管延伸進(jìn)入流動通道最多,最下游的混合管延伸進(jìn)入流動通道最少,并且在兩者間的混合管具有隨其下游位置而變化的連續(xù)減小的長度,其中還優(yōu)選地長度沿所述行規(guī)則地減小。在這樣的行的情況中,而且在單獨(dú)的混合管的情況中,在垂直于空氣流方向的方向上,至少兩個、或至少三個、或至少四個行/混合管可布置成在流動通道中彼此遠(yuǎn)離,優(yōu)選地等距離地彼此遠(yuǎn)離。備選地或另外地,至少兩個或至少三個行/混合管可布置成在流動通道中沿空氣流方向彼此遠(yuǎn)離。至少一個混合管或混合管的行可在其軸線大致垂直于流動通道中的空氣流方向的情況下延伸進(jìn)入流動通道。然而,它也可傾斜于空氣流方向,并且例如其前緣可具有彎曲或曲線形狀,尤其取決于流動通道中的空氣動力學(xué)。優(yōu)先地在流動通道中,空氣流方向基本平行于側(cè)壁。混合管可具有管狀設(shè)計。備選地,混合管可包括限定管的四個優(yōu)選地成對平行的壁或由它們形成。出口開口可在基本垂直于空氣流的方向的方向上或在基本平行且并行(concurrent)于空氣流的方向的方向上開放(吹出后緣)。至少一個出口開口可在基本垂直于空氣流的方向上且在基本垂直于混合管的軸線的方向上開放(側(cè)向吹出),其中優(yōu)選地為每個混合管設(shè)置兩個出口開口,用于將再循環(huán)的煙氣在相反方向上吹入流動通道中的空氣流中。在至少一個出口開口中或在至少一個出口開口的區(qū)域中,可定位至少一個倒圓的或平直的導(dǎo)葉,其中該導(dǎo)葉可例如在沿混合管的軸線的方向上基本定位在出口開口的總高度的一半高度處。根據(jù)另一優(yōu)選實施例的至少一個出口開口在基本垂直于空氣流的方向且基本平行于混合管的軸線的方向上開放,并且優(yōu)選為沖擊板的混合元件相對于煙氣的流動方向位于出口開口的下游,優(yōu)選地基本垂直于煙氣的流動方向且平行于空氣流方向布置。根據(jù)另一個優(yōu)選實施例,混合管布置在其中流動通道由四個成對平行側(cè)壁限定的區(qū)域中,并且在混合管或混合管的行的上游和/或下游,消音器和/或過濾器布置在該區(qū)域中或基本上剛好在該區(qū)域的上游和/或下游處。為了實現(xiàn)理想的流動條件和沿混合裝置盡量小的壓力損失,混合管或在成行混合管的情況下位于最上游的混合管包括在空氣動力學(xué)上優(yōu)化的前緣,例如倒圓的前緣。也可將擾流器(turbulator)定位在混合管外部的開口的上游,以便在將煙氣引入空氣流的位置的稍微上游處引起湍流,從而進(jìn)一步提高混合質(zhì)量。根據(jù)一個特定的優(yōu)選實施例,提出了顯示出優(yōu)異的混合性能的基本三角形的混合管的行。根據(jù)該實施例,至少兩個、或至少三個、或至少四個或至少五個混合管鄰近彼此布置成行,所述行基本沿空氣流方向?qū)R,最上游的混合管限定行的(優(yōu)選地倒圓的)前緣,其中混合管均具有進(jìn)入流動通道的不同延伸長度,并且其中最上游的混合管延伸進(jìn)入流動通道最多,最下游的混合管延伸進(jìn)入流動通道最少,并且在兩者間的混合管具有隨其下游位置變化的連續(xù)地且優(yōu)選地規(guī)則地減小的長度,其中行的后緣由傾斜的后緣壁限定,并且其中在行的每個側(cè)面(lateralside)上,三角形的出口開口在基本垂直于空氣流的方向且基本垂直于混合管的軸線的方向上開放。這些三角形開口的一側(cè)優(yōu)選地由傾斜的后緣壁形成。本發(fā)明還涉及燃?xì)鉁u輪,優(yōu)選地帶有如上文概括的進(jìn)氣分段的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪。在另一個實施例中,本發(fā)明涉及一種具有與燃燒后二氧化碳捕集結(jié)合的煙氣再循環(huán)的設(shè)備。除此之外,本發(fā)明涉及一種用于將煙氣再循環(huán)至優(yōu)選地聯(lián)合循環(huán)的燃?xì)鉁u輪單元的進(jìn)氣口的方法,其中使用如上文所概括的進(jìn)氣分段來混合新鮮的環(huán)境空氣與再循環(huán)的煙氣。根據(jù)這樣的方法的優(yōu)選實施例,基于再循環(huán)管線中的質(zhì)量流量測量和/或基于壓縮機(jī)上游的混合的進(jìn)氣空氣的組合物的測量和/或基于燃燒質(zhì)量的測量來控制的流控制元件設(shè)置在混合管中或混合管的上游,并且用于控制再循環(huán)的煙氣的質(zhì)量流量。本發(fā)明的另外的實施例在從屬權(quán)利要求中制定。附圖說明下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例,附圖是為了示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例,而不是為了限制本發(fā)明。在附圖中:圖1示出帶有煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)的示意圖;圖2a-2c在圖2a中示出帶有三個混合指狀物的進(jìn)氣外殼的透視圖,每個混合指狀物具有三個管,在圖2b中以側(cè)視圖示出混合指狀物的行,其中煙氣相對于指狀物的軸線在軸向方向上引入,并且在圖2c中以側(cè)視圖示出混合指狀物的行,其中煙氣在平行于空氣流的方向上引入;圖3a-3f示出帶有沖擊板的混合指狀物,并且煙氣相對于指狀物的軸線在軸向方向上引入,其中圖3a示出透視圖,圖3b示出與空氣流方向相反的視圖,圖3c示出帶有平直前緣的實施例的側(cè)視圖,并且圖3d示出帶有彎曲前緣的實施例的側(cè)視圖,圖3e示出帶有連續(xù)的兩排混合指狀物和對應(yīng)的煙氣引導(dǎo)元件的進(jìn)氣外殼的水平分段的側(cè)視圖,并且圖3f示出根據(jù)圖3e的水平分段的俯視圖;圖4a-4d示出具有16個混合指狀物管的實施例,其中該群組(group)布置在具有四行(每行四個管)的一條線中,并且其中混合指狀物布置在消音器的下游,其中圖4a示出透視圖,圖4b示出側(cè)視圖,圖4c示出與空氣流方向相反的視圖,圖4d示出俯視圖;圖5a-5e在圖5a中示出帶有倒圓的導(dǎo)葉的實施例的水平和彎曲分段,在圖5b中示出在倒圓的導(dǎo)葉上與空氣流方向相反的詳細(xì)視圖,在圖5c中示出在該實施例上的與空氣流方向相反的大體視圖,在圖5d中示出側(cè)視圖,并且在圖5e中示出俯視圖;圖6a-6c示出帶有平直導(dǎo)葉的實施例,其中在圖6a中示出透視圖,在圖6b中示出側(cè)視圖,在圖6c中示出與空氣流方向相反的視圖;以及圖7a-7e示出帶有指狀物管的三角形群組的實施例,其中在圖7a中示出透視圖,在圖7b中示出側(cè)視圖,在圖7c中示出指示出空氣流的側(cè)視圖,在圖7d中示出與空氣流方向相反的視圖,在圖7e中示出俯視圖。部件列表1壓縮機(jī)2進(jìn)氣分段、進(jìn)氣外殼3燃料源4第一燃燒器5高壓渦輪6第二燃燒器7低壓渦輪8熱回收蒸汽發(fā)生器9高壓蒸汽渦輪10中壓蒸汽渦輪11低壓蒸汽渦輪12冷凝器13泵14煙囪15鼓風(fēng)機(jī)16質(zhì)量流量測量裝置17轉(zhuǎn)向器(diverter)/擋板18煙氣再循環(huán)(FGR)系統(tǒng)19碳捕集系統(tǒng)19a二氧化碳吸收單元20混合器21環(huán)境空氣21a直接接觸冷卻器222的水平分段232的垂直分段242的彎曲分段252的寬抽吸分段26壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的空氣流27環(huán)境空氣流2922的底壁3122中的流動通道32混合管/混合指狀物3322中的空氣流方向34用于煙氣再循環(huán)的32的入口3532的前緣3632的后緣3732的出口38沖擊板39煙氣流40消音器41在34處和在32中的煙氣流42倒圓的導(dǎo)葉43平直導(dǎo)葉44傾斜的后緣壁45用于將煙氣引入上游行的管道46用于將煙氣引入下游行的管道h出口開口37的高度。具體實施方式圖1示出帶有煙氣再循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)功率設(shè)備的一般性示意圖。在壓縮機(jī)1中,進(jìn)氣被壓縮并引入到供有燃料3的第一燃燒器4,并且所得燃燒空氣經(jīng)過高壓渦輪5,第二燃燒器6位于高壓渦輪5的下游,在第二燃燒器6的下游的低壓渦輪7中,排氣盡可能多地膨脹。熱回收蒸汽發(fā)生器8位于低壓渦輪7的下游,通過熱回收蒸汽發(fā)生器8利用排氣中的熱量生成蒸汽以用于驅(qū)動蒸汽渦輪。蒸汽在高壓蒸汽渦輪9的第一級中膨脹,高壓蒸汽渦輪9之后為中壓蒸汽渦輪10,中壓蒸汽渦輪10之后為低壓蒸汽渦輪11,在低壓蒸汽渦輪11處通常設(shè)有用于繞過低壓蒸汽渦輪11的裝置。在低壓蒸汽渦輪11的下游,冷凝器12將蒸汽冷凝為水,水隨后由泵13泵送到熱回收蒸汽發(fā)生單元8中,在這里在與排氣流的逆流中再次轉(zhuǎn)化為蒸汽。通常,蒸汽循環(huán)基本上為閉環(huán)的。在熱回收蒸汽發(fā)生單元8的下游,此時冷卻到一定程度的排氣通常經(jīng)過轉(zhuǎn)向器17,在這里,根據(jù)操作模式,排氣的一部分或其全部可被引導(dǎo)至煙囪14或下游煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和/或碳捕集系統(tǒng)。引導(dǎo)至煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的部分通常首先經(jīng)過直接接觸冷卻器21a,在直接接觸冷卻器21a的下游設(shè)有轉(zhuǎn)向器17,同樣根據(jù)操作模式和在單元中測量的具體參數(shù),排氣的一部分被進(jìn)給至碳捕集單元,并且另一部分在實際的煙氣再循環(huán)管道中再循環(huán),煙氣再循環(huán)管道通常還包括至少一個鼓風(fēng)機(jī)15以及質(zhì)量流量測量裝置16,以便出于上述原因而控制再循環(huán)的煙氣量,從而使燃燒條件保持在最佳范圍內(nèi)。對于煙氣再循環(huán)來說,這些排氣在混合器20中與環(huán)境空氣混合,混合器20通常位于進(jìn)氣外殼的上游,進(jìn)氣外殼基本鄰近壓縮機(jī)1的進(jìn)氣口且在其上游。在該示例中,直接接觸冷卻器21a包括被噴入煙氣中的水噴霧。水滴在被再次噴射之前收集和再冷卻。不被再循環(huán)且不在煙氣再循環(huán)系統(tǒng)18中具體使用的那部分排氣被引入到碳捕集系統(tǒng)19(必要時由鼓風(fēng)機(jī)15輔助),其中在二氧化碳吸收單元19a中,二氧化碳被從氣體中抽出并離開系統(tǒng),剩余排氣被進(jìn)給到煙囪14。本發(fā)明涉及一種用于混合再循環(huán)的煙氣與新吸入的環(huán)境空氣21的具體裝置,并且想法是將對應(yīng)的混合裝置定位在壓縮機(jī)入口上游的實際的進(jìn)氣分段或進(jìn)氣外殼2中。對應(yīng)的裝置在圖2a中以透視圖示出。此類進(jìn)氣外殼2通常包括其中流入環(huán)境空氣流27的寬抽吸分段25。在該寬抽吸分段25的下游或在該寬抽吸分段25內(nèi),流動橫截面通常減小并且緊接著具有恒定的流動橫截面的通常水平的分段22。該分段22的下游通常設(shè)有彎曲分段24,其將空氣流轉(zhuǎn)向至垂直方向并進(jìn)入進(jìn)氣外殼的垂直分段23,以使得空氣流26可進(jìn)入壓縮機(jī)1的進(jìn)氣口,并且能在壓縮機(jī)1中進(jìn)行壓縮。根據(jù)本發(fā)明,混合管32以多個指狀元件的形式定位在分段22中,該指狀元件通常在分段22中在基本垂直于空氣流方向33的方向上從分段22的側(cè)壁中的一個突出到流動通道31中?;旌瞎?2安裝在側(cè)壁中的一個上(或側(cè)壁中的若干個上),并且在混合管固定到側(cè)壁的地方設(shè)有用于引入再循環(huán)的煙氣41的入口34。圖2b示出此類混合管的第一實施例。在這種情況下,一行呈管狀元件形式的具有矩形或正方形橫截面的三個混合管32布置成彼此相鄰。在三個混合管32中,位于最上游的一個是最長的,因此深入流動通道31最多,并且它也形成該行的前緣35,因為后續(xù)的混合管布置在其下游方向上。在該行內(nèi),混合管具有規(guī)則地減小的長度,使得位于最下游的混合管為最短的一個且深入流動通道31內(nèi)最少,并且基本形成該行混合管的后緣36。類似地,該行混合管提供了一種結(jié)構(gòu),其中在每個混合管的端部處,存在開口37,經(jīng)由入口34吸入的煙氣流39如由箭頭所示地通過開口37被吹出,并且將再循環(huán)的煙氣以分布方式在空氣流33的流動橫截面上引入。圖2c中示出了備選實施例。相比根據(jù)圖2b的實施例(其中,管狀的混合管32基本上不設(shè)有底壁,從而在該處提供開口37),在這種情況下,管狀元件32朝底部封閉,但在每個混合管的對應(yīng)的尾側(cè)上的每個末端部分上設(shè)有出口開口37,煙氣基本在平行于空氣流方向33的方向上通過出口開口37離開混合管。在圖3a-3f中示出了混合管32的又一個實施例。在這種情況下,不設(shè)有一行混合管,但設(shè)有一個混合管,其帶有分布在混合管的長度上的若干吹出開口37?;旌瞎芫哂刑菁壴O(shè)計,并且在每個臺階處設(shè)有出口37,出口37將煙氣在類似于圖2b所示的方向上吹入空氣流中。在這種情況下,緊接在對應(yīng)開口37的下游的煙氣流39沖擊到?jīng)_擊板38上,該沖擊板38布置成基本垂直于煙氣流39的方向且在平行于在流動通道31中流動的環(huán)境空氣的空氣流33的方向上。這些沖擊板38安裝在混合管32的后緣側(cè)壁上。在這種情況下,沖擊板38在兩側(cè)上側(cè)向地突出超出混合管的側(cè)壁,但沖擊板38也可不延伸超出側(cè)壁。一般而言,不論是在如圖2a-2c所示的行中還是被構(gòu)造成如圖3a-3f所示具有沿其長度分布的若干開口37,混合管32都可由金屬薄板元件構(gòu)成。它們也可由管形的管道狀元件構(gòu)成。為了在前緣35處提供對空氣流33的盡可能小的阻力,如在圖3a-3f中所示,該前緣35優(yōu)選地被倒圓或可具有鋒利的前緣。優(yōu)選地,應(yīng)避免具有基本垂直于方向33的表面的平坦前緣。前緣35通常在平行于管的軸線的方向上是平直的,如圖3c中所示。然而,根據(jù)流動通道31中的流動情況,也可具有成形的前緣,如例如圖3d中所示。布置成行的混合管可如圖2a所示在垂直于流動方向33的方向上彼此遠(yuǎn)離地定位成一系列。如圖3e所示,也可將若干混合管或若干行混合管布置成在方向33上彼此緊隨,從而具有上游的混合管32或混合管32的行以及下游的混合管32或混合管的行。這些混合管中的每一個可如圖3e中所示利用單獨(dú)的管道45和46或者通過使用聯(lián)接到兩行的相同的管道供應(yīng)再循環(huán)的煙氣。在根據(jù)圖3e和圖3f的實施例中,混合管的布置實際上使得兩個上游混合管32定位成彼此側(cè)向移置長的距離,從而在流動通道中靠近分段22的側(cè)壁并且經(jīng)由管道45被供以煙氣。在這對混合管的下游設(shè)有第二群組的混合管32,其也在垂直于空氣流方向33的方向上移置,但更靠近彼此,從而基本上充滿在兩個上游混合管之間的間隙。圖4a-4d示出了又一個實施例。此處可以看到,在寬抽吸分段25的下游首先定位有消音器40。除了消音器之外或代替消音器,在該位置也可設(shè)置過濾器,過濾器也可位于分段25內(nèi)。在分段25內(nèi)的消音器40下游設(shè)有四行側(cè)向移置的混合管32,其中每一行在這種情況下同樣包括在下游方向上具有規(guī)則地減小的長度的四個混合管。在這種情況下,每一個混合管在其末端部分包括底壁并且在兩個側(cè)面處設(shè)有側(cè)向開口37,如圖4b所示穿過每個混合管的管狀分段的煙氣41接著在垂直于流動方向33的方向上基本在水平方向上通過該側(cè)向開口37被吹出,如圖4c所示。相應(yīng)地,引入空氣流33的煙氣被均勻分布在其流動橫截面上,且這種分布是在如圖4c所示的垂直方向上和在如圖4d所示的水平方向上進(jìn)行,而且混合引入在流動通道的一定長度上進(jìn)行,如在圖4d中也可看到地。圖5a中示出了又一個實施例。在該實施例中,提供了與圖4a-4d中基本上相同的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)將十六個混合管布置成每群組四個混合管的側(cè)向移置的四群組。然而,在這種情況下,如圖4b所示地,設(shè)置在每個混合管的每一側(cè)上在其末端部分中且具有高度h的側(cè)向開口37設(shè)有倒圓的導(dǎo)葉42,其功能由圖5b最清楚地示出。這些倒圓的導(dǎo)葉確保在側(cè)向開口37的區(qū)域中穿過混合管32的通道的煙氣41以均勻分布的方式不僅在其底部區(qū)域中而且在其頂部區(qū)域中在高速和高壓下通過這些開口離開。這導(dǎo)致在混合裝置中較低的壓力損失和甚至更均勻的分布和混合。圖6a-6c示出類似的實施例,然而在這種情況下,導(dǎo)葉不是倒圓的,而是提供為基本垂直于相應(yīng)的混合管的主軸線方向布置的直板。導(dǎo)葉通常布置在實際開口37中或非常靠近實際開口37。如圖5b中所示,導(dǎo)葉的高度優(yōu)選地選擇成基本在開口37的總高度h的一半高度處。對應(yīng)的導(dǎo)葉的寬度優(yōu)選地選擇成混合管的總側(cè)向?qū)挾鹊募s四分之一,以使得一半的空氣流41可以說是被導(dǎo)葉捕集,而另一半可以在導(dǎo)葉之間穿過并經(jīng)由位于導(dǎo)葉42/43下方的開口37的部分離開。圖7a-7e示出了最后一個實施例。在這種情況下,20個混合管布置成每群組五個混合管的四群組,每群組都具有三角形形狀。該三角形群組的后緣由傾斜的后緣壁44形成。由于基本上附連到類似于圖2b所示結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的該后緣壁,導(dǎo)致三角形的開口37,如在圖7b和圖7c中可最清楚看出地。這些三角形側(cè)向開口導(dǎo)致流出的煙氣的甚至更好的分布,并且在這種情況下,如可從圖7b和圖7c所看到的,混合管的三角形行的長度使得它完全跨接流動通道分段22,使得可將混合元件附連到在該分段中的相對側(cè)壁上,從而增加整個裝置的穩(wěn)定性。