專(zhuān)利名稱(chēng)：低排放渦輪系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及渦輪系統(tǒng)，更具體地涉及低排放渴輪系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
各類(lèi)燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)已為人們所知并處于應(yīng)用階段。例如，航改燃 氣渦輪用于諸如發(fā)電、船舶推進(jìn)、燃?xì)鈮嚎s、利用廢能發(fā)電、海上平臺(tái)發(fā)電等應(yīng)用。通常，燃?xì)鉁u輪包括壓縮機(jī)，其用于壓縮空氣流； 和燃燒器，其將壓縮空氣與燃料組合并點(diǎn)燃該混合物以產(chǎn)生排氣。此 外，通過(guò)渦輪使排氣膨脹以便進(jìn)行發(fā)電。通常，此類(lèi)系統(tǒng)的燃燒器設(shè)計(jì)為將諸如NOx和一氧化碳(CO)排放 的排放降到最低。在某些傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，使用貧燃預(yù)混合燃燒技術(shù)來(lái) 減少此類(lèi)系統(tǒng)的排放。通常，通過(guò)降低燃燒器反應(yīng)區(qū)中的火焰溫度來(lái) 控制NOx的排放。在操作中，通過(guò)在燃燒之前預(yù)混合燃料和空氣來(lái)實(shí) 現(xiàn)低的火焰溫度。此外，某些燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)使用高水平的氣流，由此 導(dǎo)致具有足以降低NOx形成的火焰溫度的貧燃料混合物。然而，由于 貧燃火焰具有低的火焰溫度，所以其導(dǎo)致高的CO排放。此外，對(duì)于 此類(lèi)燃燒器來(lái)說(shuō)，可操作性窗口變得非常小，并且要求這些燃燒器遠(yuǎn) 離貧燃熄火極限進(jìn)行操作。因此，在燃燒器設(shè)計(jì)空間之外操作燃燒器 中所使用的預(yù)混合器很困難。此外，當(dāng)充分貧燃的火焰受到發(fā)電設(shè)置變化、流動(dòng)擾動(dòng)或燃料組 分變化的影響時(shí)，所導(dǎo)致的當(dāng)量比波動(dòng)可造成燃燒損失。這種熄火可 造成動(dòng)力損失以及靜止渦輪中代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間。某些其他系統(tǒng)使用后燃燒控制技術(shù)來(lái)控制排放。例如，可利用選
擇性催化還原(SCR)技術(shù)來(lái)作為附加的NOx控制措施。在SCR工藝中， 可將氣態(tài)的或液態(tài)的還原劑(例如，氨)直接注入到來(lái)自渦輪的排氣中， 然后使其通過(guò)與NOx反應(yīng)的催化劑。還原劑將排氣中的NOx轉(zhuǎn)換成氮 和水。然而，由于此類(lèi)系統(tǒng)的成本和所增加的復(fù)雜性，所以加入額外 的構(gòu)件(例如，用于SCR工藝的催化反應(yīng)器)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，需要一種具有低排放的渦輪系統(tǒng)。此外，還希望提供提高 渦輪系統(tǒng)總體效率而不會(huì)相應(yīng)地增加熱力型NOx形成的燃燒技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容簡(jiǎn)要地，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種渦輪系統(tǒng)。該渦輪系統(tǒng)包括 壓縮機(jī)，其構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣；以及燃燒器，其構(gòu)造為用于從 壓縮機(jī)接收壓縮空氣并燃燒燃料流以產(chǎn)生排氣。該渦輪系統(tǒng)還包括用 于從燃燒器接收排氣以進(jìn)行發(fā)電的渦輪，其中排氣的第一部分與環(huán)境 空氣混合以形成低氧空氣流，并且該低氧空氣流被壓縮機(jī)壓縮并被？j 導(dǎo)至燃燒器以燃燒燃^T牛流，乂人而產(chǎn)生^[氐NOx的排氣。另一實(shí)施例還包括一種渦輪系統(tǒng)。該渦輪系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，其構(gòu) 造為用于壓縮環(huán)境空氣以及至少一部分排氣，以形成經(jīng)壓縮的低氧空 氣流。該渦輪系統(tǒng)還包括燃燒器，其構(gòu)造為用于從壓縮機(jī)接收經(jīng)壓縮 的低氧空氣流，并且以富燃-淬熄-貧燃(RQL)燃燒模式來(lái)燃燒燃料流以 產(chǎn)生排氣。該渦輪系統(tǒng)還包括用于從燃燒器接收排氣以便進(jìn)行發(fā)電和 產(chǎn)生低NOx排氣的渦輪，其中排氣的第 一部分再循環(huán)至壓縮機(jī)以形成 低氧空氣流。 ....在另一實(shí)施例中，提供一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)。該接至該燃?xì)獍l(fā)生器的渦輪系統(tǒng)。該渦輪系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，其構(gòu)造為用 于壓縮環(huán)境空氣和至少一部分排氣以產(chǎn)生經(jīng)壓縮的低氧空氣流。該系 統(tǒng)進(jìn)一步包括燃燒器，其構(gòu)造為用于從壓縮機(jī)接收經(jīng)壓縮的低氧空氣 流，并且以富燃-淬熄-貧燃(RQL)燃燒才莫式來(lái)燃燒合成氣燃料，從而產(chǎn)
生排氣。該渦輪系統(tǒng)還包括用于從燃燒器接收排氣以便進(jìn)行發(fā)電和產(chǎn) 生低NOx排氣的渦輪，其中排氣的第 一部分再循環(huán)至壓縮機(jī)以形成低 氧空氣流。在另一實(shí)施例中，提供一種操作渦輪系統(tǒng)的方法。該方法包括 產(chǎn)生壓縮空氣流；燃燒該壓縮空氣流與燃料流以形成排氣；使排氣膨 脹來(lái)進(jìn)行發(fā)電。該方法還包括壓縮并混合排氣的第 一部分與空氣流以 形成低氧空氣流；以及燃燒低氧空氣流與燃料流以產(chǎn)生低NOj非氣。在另一實(shí)施例中，提供一種減少來(lái)自渦輪系統(tǒng)的排放的方法。該 方法包括壓縮空氣流和至少一部分排氣以產(chǎn)生低氧空氣流；以及以 富燃-淬熄-貧燃模式來(lái)燃燒低氧空氣流與燃料流以產(chǎn)生低NOx的排 氣。該方法還包括使排氣膨脹來(lái)進(jìn)行發(fā)電。


當(dāng)參照附圖閱讀如下詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，可更好地理解本發(fā)明這些和其 他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中，相似的字符代表相似的部件， 其中圖1是根據(jù)本技術(shù)各方面的示例性渦輪系統(tǒng)的圖示。圖2是根據(jù)本技術(shù)各方面的另 一示例性渦輪系統(tǒng)的圖示。圖3是根據(jù)本技術(shù)各方面的圖2的渦輪系統(tǒng)示例性構(gòu)造的圖示。圖4是根據(jù)本技術(shù)各方面的具有RQL燃燒模式的圖l-3的渦輪系統(tǒng)的示例性構(gòu)造的圖示。圖5是以不同的燃燒模式使燃料和空氣混合及反應(yīng)的圖示。 圖6是在使用和不使用EGR和RQL技術(shù)的情況下從渦輪系統(tǒng)產(chǎn)生N(X的示例性結(jié)果的圖示。圖7是根據(jù)本技術(shù)各方面的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)的圖示。
附圖標(biāo)記10渦4侖系統(tǒng)12壓縮才幾14環(huán)境空氣16燃燒器18壓縮空氣20燃料流22排氣24渦輪1026發(fā)電才幾28軸30排氣的第一部分32低氧空氣流34低NOx排氣1536HRSG38蒸汽40蒸汽渦輪42發(fā)電機(jī)44EGR閥2060渦庫(kù)侖系統(tǒng)62排氣的第二部分64C02捕獲系統(tǒng)66分流器80渦4侖系統(tǒng)2582混合器84風(fēng)扇86水淬系統(tǒng)88凈化單元
15202590929496110112114116118120122124126128130140142144146148160162164168170172174178冷凝器冷凝清除單元 排氣經(jīng)處理的排氣燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)富燃區(qū)淬熄區(qū)稀釋區(qū)淬熄空氣稀釋空氣當(dāng)量比非預(yù)混燃燒模式 最大NOx形成區(qū) RQL燃燒模式產(chǎn)生自渦輪系統(tǒng)的NOx的結(jié)果當(dāng)量比NOx水平在不存在EGR+RQL的情況下的渦輪系統(tǒng)的NOx結(jié)果 在存在EGR+RQL的情況下的渴輪系統(tǒng)的NOx結(jié)果 IGCC燃?xì)獍l(fā)生器渦專(zhuān)侖系統(tǒng)蒸汽渦輪燃料給料氧氣合成氣氣體冷卻及清潔單元180污染物182經(jīng)凈化的合成氣184空氣186壓縮才幾188燃燒器190渦輪192194電能196電網(wǎng)198排氣200蒸汽發(fā)生器202蒸汽204熱206蒸汽208發(fā)電機(jī)210排氣212低氧空氣流214EGR閥216應(yīng)急排氣管具體實(shí)施方式
如下文詳述，本技術(shù)實(shí)施例用于減少渦輪系統(tǒng)中的排放，并且用于提供提高渦輪系統(tǒng)總體效率的燃燒技術(shù)，而同時(shí)減少NOx的形成。 在某些具體實(shí)施例中，本技術(shù)包括使用排氣再循環(huán)(EGR)以及富燃-淬 25熄-貧燃(RQL)燃燒模式來(lái)將排放(例如NOx)降到最低?，F(xiàn)在翻到圖示并先參照?qǐng)D1，其顯示渦輪系統(tǒng)10。渦輪系統(tǒng)10 包括構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣14的壓縮才幾12。此外，渦摔侖系統(tǒng)10包 括與壓縮機(jī)12流體連通的燃燒器16。燃燒器16構(gòu)造為用于從壓縮機(jī)
12接收壓縮空氣18,并且用于燃燒燃料流20以產(chǎn)生排氣22。在一個(gè) 示例性實(shí)施例中，燃燒器16包括干式低排放(DLE)或干式低NOx(DLN) 燃燒器。另外，渦輪系統(tǒng)10包括位于燃燒器16下游的第一渦輪24。 渦輪24構(gòu)造為用于使排氣22膨脹，以驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載(例如發(fā)電機(jī)26) 5來(lái)發(fā)電。在所示實(shí)施例中，壓縮機(jī)12經(jīng)由軸28由渦輪24所產(chǎn)生的 動(dòng)力所驅(qū)動(dòng)。在該示例性實(shí)施例中，排氣22的第一部分30與環(huán)境空氣14混 合以形成低氧空氣流32。在某些實(shí)施例中，第一部分30包括從產(chǎn)生 自渦輪24的排氣的約35%至約50%。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，低氧10 空氣流包含低于約13%體積的氧。此外，因此被稱(chēng)為低氧空氣流32 的低氧空氣和排氣的混合物被壓縮機(jī)12壓縮并被引導(dǎo)至燃燒器16以 燃燒燃料流20,從而產(chǎn)生低NOx的排氣34。具體來(lái)說(shuō)，燃料流20與 低氧空氣流32的燃燒可有利于降低火焰的溫度，由此導(dǎo)致NOx的減 少。另外，燃料流20與低氧空氣流32的燃燒使得富燃料的燃燒能夠15 導(dǎo)致NOx的進(jìn)一步減少。本文中使用的術(shù)語(yǔ)"富燃料燃燒，，是指燃料流20與空氣32的燃 燒，其中當(dāng)量比或燃料-氧化劑比約大于1。在一個(gè)示例性實(shí)施例中， 低NOx排氣流34包含約小于30 ppm的N0X水平。在某些實(shí)施例中， 低NOx排氣流34包含約小于5 ppm的N0X水平。20 在該實(shí)施例中，渦輪系統(tǒng)10包括構(gòu)造為用于從渦輪24接收排氣30以產(chǎn)生蒸汽38的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)36。此外，渦4侖系統(tǒng)10 包括用于使用來(lái)自HRSG 36的蒸汽經(jīng)由發(fā)電機(jī)42進(jìn)行額外發(fā)電的第 二渦輪，例如蒸汽渦輪40。在該所示實(shí)施例中，渦輪系統(tǒng)10包括用 于控制排氣的第一部分30從HRSG 36流到壓縮機(jī)12的流量的EGR25閥44。此外，低氧空氣流32與燃料流20在燃燒器16內(nèi)以RQL燃燒 模式燃燒。RQL燃燒模式將參照?qǐng)D4和圖5在下文詳述。圖2是根據(jù)本技術(shù)各方面的另一示例性渦輪系統(tǒng)60的圖示。如 參照?qǐng)D1所述，來(lái)自HRSG 36的排氣30的第一部分31與環(huán)境空氣14混合以形成^氐氧空氣流32。隨后，j氐氧空氣流32 ^皮壓縮4幾12壓 縮并被？ 1導(dǎo)至燃燒器16以燃燒燃料流20,從而產(chǎn)生低NOx的排氣34。 在該示例性實(shí)施例中，來(lái)自HRSG36的排氣的第二部分62引導(dǎo)至二 氧化碳捕獲系統(tǒng)64。應(yīng)注意的是，排氣的第一部分30包含二氧化碳。 5 因此，當(dāng)部分30與環(huán)境空氣14混合并在燃燒器16中燃燒時(shí)，二氧 化碳捕獲系統(tǒng)64處的總體二氧化碳濃度增大。應(yīng)注意的是，相同的來(lái)分流來(lái)自HRSG的第一部分30和第二部分62。圖3是圖2的渦輪系統(tǒng)60的示例性構(gòu)造80的圖示。如參照?qǐng)D110 和圖2所述，來(lái)自HRSG 36的排氣的第一部分30通過(guò)使用混合器82 與環(huán)境空氣14混合，以形成低氧流32。此外，來(lái)自HRSG36的排氣 的第二部分62引導(dǎo)至二氧化碳捕獲系統(tǒng)64。在某些實(shí)施例中，在與 環(huán)境空氣14混合之前可對(duì)排氣的第一部分30進(jìn)行處理，以形成低氧 空氣流32。具體來(lái)說(shuō)，在使第一部分30與環(huán)境空氣14混合之前，可15 對(duì)排氣的第一部分30進(jìn)行冷卻、凈化以及通過(guò)提取冷凝水來(lái)干燥。在沖喿作時(shí)，將來(lái)自渦輪24的排氣30引導(dǎo)至HRSG 36?？蓪⑴艢?的第一部分30引導(dǎo)至風(fēng)扇84,并且然后引導(dǎo)至水淬系統(tǒng)86。此外， 排氣30還可通過(guò)凈化元件88以移除來(lái)自該氣體的污染物。然后，在 將該氣體引入至壓縮機(jī)12之前，可將經(jīng)凈化的排氣30引導(dǎo)至冷卻器20 /冷凝器90。在某些實(shí)施例中，可使用冷凝清除單元92來(lái)從排氣30 中去除酸。此外，然后可將經(jīng)處理的排氣94與環(huán)境空氣14混合以形 成低氧流32。在某些實(shí)施例中，可將經(jīng)處理排氣94的部分96引導(dǎo)至 應(yīng)急排氣管。如上所述，在燃燒器16內(nèi)，低氧空氣流32與燃料流20以RQL 25 燃燒模式燃燒。圖4是圖1-3中具有RQL燃燒模式的渦輪系統(tǒng)的示例 性構(gòu)造110的圖示。在該示例性實(shí)施例中，燃燒器16包括富燃區(qū) 112，其構(gòu)造為用于允許燃料流20進(jìn)行富燃料燃燒；以及淬熄區(qū)114, 其構(gòu)造為用于允許燃料流20的從富燃料燃燒到貧燃料燃燒的轉(zhuǎn)換。 本文中使用的術(shù)語(yǔ)"貧燃料燃燒"是指燃料流20與空氣32的燃 燒，其中當(dāng)量比或燃料-氧化劑比約小于1。此外，燃燒器16包括構(gòu)造為用于允許燃料流20進(jìn)行貧燃料燃燒的貧燃區(qū)116。在某些實(shí)施例 中，約60%至約90%的低氧空氣流32與燃料流20混合，并被引入富 5 燃區(qū)112，以促進(jìn)燃料流20的富燃料燃燒。在操作時(shí)，低氧流32在富燃區(qū)112內(nèi)燃燒，以允許進(jìn)行富燃料 燃燒，富燃料燃燒可促進(jìn)缺氧條件下的燃燒，由此使得NOx的形成減 少。具體來(lái)說(shuō)，富燃區(qū)112中的富燃料條件下的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生帶 有高濃度的一氧化碳(CO)和未燃燒的碳?xì)浠衔锏臍夥?。此外，富?10 區(qū)112中氧的存在降到了最低。因此，轉(zhuǎn)化為NOx的氮的轉(zhuǎn)化降到了 最低。此外，由于部分燃燒引起的較低峰值溫度也減少了熱力型N0X 的形成。此外，來(lái)自富燃區(qū)112的部分燃燒的燃燒氣體然后在淬熄區(qū)114 中被稀釋。在某些實(shí)施例中，來(lái)自壓縮機(jī)12的淬熄空氣118可引入15淬熄區(qū)114以稀釋部分燃燒的燃燒氣體。此外，在某些實(shí)施例中，可 將稀釋空氣120引入貧燃區(qū)116以促進(jìn)燃料流20的貧燃料燃燒。圖5是燃料與空氣在不同燃燒模式下的混合和反應(yīng)的定性圖示。 橫坐標(biāo)軸122代表指示空氣與燃料混合的當(dāng)量比g)。在該示例性實(shí)施 例中，軸線122上所指示的數(shù)字，例如0和1代表空氣中燃料的質(zhì)量20 分?jǐn)?shù)。縱坐標(biāo)軸124代表指示各種模式下的化學(xué)反應(yīng)的溫度。如圖所 所示，在非預(yù)混燃燒模式126中，反應(yīng)流演變穿過(guò)(evolve through)約 為l.O的當(dāng)量比g，并且具有To的初始溫度。此外，反應(yīng)流相對(duì)于最 終組分^gfinal和溫度T=Tfmal在當(dāng)量比^^stoieh處獲得最大溫度 T=Tst。ich。在該實(shí)施例中，位于最大溫度T加ich附近的區(qū)128代表其中25 NO產(chǎn)生量最大的區(qū)域。在RQL燃燒模式(其大體上由參考標(biāo)號(hào)130 代表)中，富產(chǎn)物與空氣快速混合(其由混合曲線129表示)，而反應(yīng)的 目的是實(shí)現(xiàn)^^牆T-Tf^。應(yīng)注意的是，火焰溫度將在富燃料燃燒模 式中降低，從而使得NOx形成減少。此外，在貧燃料燃燒模式中，燃 燒是通過(guò)使用額外氧化劑來(lái)完成，并且為了使CO完全燃燒而變成 C02,由此將燃燒器出口溫度:t是高到所希望的水平Tfinal。有利地，排氣再循環(huán)與RQL燃燒相結(jié)合的技術(shù)使得能夠大大地減 少NOx的形成。圖6是在使用和不使用上述EGR和RQL技術(shù)的情況下從 5 渦輪系統(tǒng)產(chǎn)生的NOx的示例性結(jié)果140的圖示。橫坐標(biāo)軸142代表燃料-氧化劑比或當(dāng)量比，而縱坐標(biāo)軸144代表以ppm為單位進(jìn)行測(cè)量的產(chǎn)生 自渦輪系統(tǒng)的NOx水平。在不使用EGR和RQL原理的情況下的來(lái)自渦 輪系統(tǒng)的結(jié)果由曲線146表示。此外，在使用上述EGR和RQL技術(shù)的 情況下的來(lái)自渦輪系統(tǒng)的結(jié)果由曲線148表示。在該示例性實(shí)施例中，10 曲線148表示具有約45。/。EGR的渦輪系統(tǒng)的NOx形成的結(jié)果，其中氧濃 度降到約14.8%?？煽闯?，在某一重要當(dāng)量比以外的范圍，使用EGR 和RQL燃燒的渦輪系統(tǒng)的NOx水平大大低于不使用EGR和RQL燃燒的 渦輪系統(tǒng)的NOx水平。圖7是根據(jù)本技術(shù)各方面的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)16015 的圖示。IGCC系統(tǒng)160包括燃?xì)獍l(fā)生器162和聯(lián)接至燃?xì)獍l(fā)生器162 的渦輪系統(tǒng)164。另外，IGCC系統(tǒng)160包括蒸汽渦輪168，蒸汽渦輪 168聯(lián)接至渦輪系統(tǒng)164，并且構(gòu)造為用于通過(guò)利用來(lái)自渦輪系統(tǒng)164 的排氣的熱來(lái)產(chǎn)生電能。在操作中，燃?xì)獍l(fā)生器162接收燃料給料170以及通常產(chǎn)生于現(xiàn)20 場(chǎng)空氣分離單元(未示出)中的氧氣172。在所示實(shí)施例中，燃料給料 170包括煤。在其他實(shí)施例中，燃料給料170可包括任何低值燃料 (LVF)。這些實(shí)例包括煤、生物質(zhì)、垃圾、油砂、城市垃圾、焦炭 等。燃料給料170和氧氣172在燃?xì)獍l(fā)生器162中反應(yīng)，以產(chǎn)生富含 一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣174。此外，給料中的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變25成可用于鋪設(shè)路基、掩埋造地和其他應(yīng)用的礦渣產(chǎn)物176。元178，在氣體冷卻及清潔單元178中，合成氣174纟皮冷卻，并且去 除污染物180以產(chǎn)生凈化的合成氣182。在所示實(shí)施例中，污染物180
例如包括硫、水銀或二氧化碳。此外，經(jīng)凈化的合成氣182在渦輪系統(tǒng)164中燃燒以產(chǎn)生電能。在該示例性實(shí)施例中，進(jìn)入的空氣流184 經(jīng)由壓縮機(jī)186壓縮，且將經(jīng)壓縮的空氣引導(dǎo)至燃燒器188以燃燒來(lái) 自燃?xì)獍l(fā)生器162的合成氣182。此外，來(lái)自燃燒器188的燃燒器氣 5 體流通過(guò)渦輪190膨脹以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)192,用于產(chǎn)生可引導(dǎo)至電網(wǎng)196 以進(jìn)一步利用的電能194。在所示實(shí)施例中，將來(lái)自渦輪系統(tǒng)164的排氣198引導(dǎo)至熱回收 蒸汽發(fā)生器(HRSG)200，并且用來(lái)使水沸騰以形成用于蒸汽渦輪168 的蒸汽202。此外，在某些實(shí)施例中，可將來(lái)自蒸汽渦輪168的熱20410 聯(lián)接到HRSG200,以提高HRSG200的效率。另夕卜，可將來(lái)自HRSG 200的蒸汽206的一部分引入燃?xì)獍l(fā)生器162，以控制產(chǎn)生自燃?xì)獍l(fā) 生器162的合成氣174中H2: CO的比。蒸汽渦輪168驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)208 以產(chǎn)生同樣可引導(dǎo)至電網(wǎng)196以進(jìn)一步利用的電能194。在所示實(shí)施例中，排氣198的一部分210與環(huán)境空氣184混合以15形成低氧空氣流212。在該示例性實(shí)施例中，低氧空氣流具有低于約 12%的氧。此外，使用壓縮機(jī)186對(duì)低氧空氣流212進(jìn)行壓縮。然后， 以參照?qǐng)D4-5所述的RQL燃燒模式燃燒經(jīng)壓縮的低氧空氣流212與合 成氣燃料182，以產(chǎn)生低NOx排氣。在某些實(shí)施例中，低NOx排氣具 有低于約30ppm的NOx水平?？墒褂肊GR閥214來(lái)控制排氣210流20到壓縮機(jī)186的流量。此外，如上所述，燃燒器164可包括富燃區(qū)112、 淬熄區(qū)114和貧燃區(qū)116(見(jiàn)圖4)以促進(jìn)RQL燃燒模式。另外，如參 照?qǐng)D2所示，可將排氣的第二部分62引導(dǎo)至二氧化碳捕獲系統(tǒng)64。 此外，在某些實(shí)施例中，可將排氣210引導(dǎo)至應(yīng)急排氣管216。以上所述方法的各個(gè)方面可在不同應(yīng)用(例如，二氧化石灰捕獲和25 分離設(shè)備、低排放燃?xì)鉁u輪和IGCC系統(tǒng))中具有用途。如上所述，本 技術(shù)使用排氣再循環(huán)和RQL燃燒模式來(lái)大大地減少此類(lèi)系統(tǒng)的N0X 形成。有利地，本技術(shù)可提高渦輪系統(tǒng)和二氧化碳捕獲和分離設(shè)備的 總體效率，而不會(huì)相應(yīng)地增加熱力型NOx的形成。此外，本技術(shù)消除
了對(duì)額外構(gòu)件的需要，例如，無(wú)需用于在現(xiàn)有渦輪系統(tǒng)中減少NOx水 平的催化反應(yīng)器，由此降低此類(lèi)系統(tǒng)的成本。盡管本文僅描述和顯示本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì) 想到多種修改和變化。因此，應(yīng)理解的是，權(quán)利要求書(shū)意圖覆蓋屬于 5 本發(fā)明的真正精神范圍內(nèi)的所有修改和變化。
權(quán)利要求
1. 一種渦輪系統(tǒng)(10)，其包括壓縮機(jī)(12)，其構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣(14)；燃燒器(16)，其構(gòu)造為用于從所述壓縮機(jī)(12)接收壓縮空氣(18)并且燃燒燃料流(20)以產(chǎn)生排氣(22)；和渦輪(24)，其用于從所述燃燒器(16)接收所述排氣(22)以進(jìn)行發(fā)電；其中，所述排氣(22)的第一部分與所述環(huán)境空氣混合以形成低氧空氣流(32)，并且所述低氧空氣流(32)被所述壓縮機(jī)(12)壓縮并被引導(dǎo)至所述燃燒器(16)以燃燒所述燃料流(20)，從而產(chǎn)生低NOx的排氣(34)。
2. 如權(quán)利要求1所述的渦輪系統(tǒng)(IO),其特征在于，所述排氣的 第一部分包含所述渦輪(24)產(chǎn)生的排氣的約35%至約50%。
3. 如權(quán)利要求1所述的渦輪系統(tǒng)(IO),其特征在于，所述燃燒器 (16)構(gòu)造為用于以富燃-淬熄-貧燃(RQL)燃燒模式來(lái)燃燒所述燃料流 (20)。
4. 如權(quán)利要求3所述的渦輪系統(tǒng)(10),其特征在于，所述燃燒器 (16)包括富燃區(qū)(112),其構(gòu)造為用于允許所述燃料流(20)的富燃料燃燒； 淬熄區(qū)(114),其構(gòu)造為用于允許所述燃料流(20)的從所述富燃料燃燒到貧燃^"燃燒的轉(zhuǎn)換；和貧燃區(qū)(116),其構(gòu)造為用于允許所述燃料流(20)的所述貧燃料燃燒。
5. 如權(quán)利要求4所述的渦輪系統(tǒng)(10),其特征在于，所述低氧空 氣流(32)的約60%至約90%與所述燃料流混合，并且引入所述富燃區(qū) 以促進(jìn)所述富燃料燃燒。
6. —種渦輪系統(tǒng)(IO)，其包括壓縮機(jī)(12)，其構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣(14)和排氣(30)的至少一 部分，以形成經(jīng)壓縮的低氧空氣流；燃燒器(16)，其構(gòu)造為用于從所述壓縮機(jī)(12)接收所述經(jīng)壓縮的低 氧空氣流，并且以富燃-淬熄-貧燃(RQL)燃燒模式來(lái)燃燒燃料流(20)以 產(chǎn)生所述排氣；和渦輪(24),其用于從所述燃燒器(16)接收所述排氣，以進(jìn)行發(fā)電和 產(chǎn)生低NOx的排氣；其中，所述排氣的第一部分再循環(huán)至所述壓縮機(jī) 以形成所述^^氧空氣流(32)。
7. —種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)(160)，其包括 燃?xì)獍l(fā)生器(162)，其構(gòu)造為用于從煤中產(chǎn)生合成氣燃料；和 渦輪系統(tǒng)(IO),其聯(lián)接至所述燃?xì)獍l(fā)生器(162)并且包括壓縮機(jī)(12),其構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣和排氣的至少一部 分，以形成經(jīng)壓縮的低氧空氣流；燃燒器(16)，其構(gòu)造為用于從所述壓縮機(jī)接收所述經(jīng)壓縮的低 氧空氣流，并且以富燃-淬熄-貧燃(RQL)燃燒模式來(lái)燃燒所述合成 氣燃料以產(chǎn)生所述排氣；和渦輪(24),其用于從所述燃燒器接收所述排氣以進(jìn)行發(fā)電和產(chǎn) 生低N(X的排氣；其中，所述排氣的第一部分再循環(huán)至所述壓縮 ^L以形成所述低氧空氣流。
8. —種操作渦輪系統(tǒng)的方法，其包括 產(chǎn)生壓縮空氣流；燃燒所述壓縮空氣流與燃料流以形成排氣； 使所述排氣膨脹以進(jìn)行發(fā)電；壓縮并混合所述排氣的第一部分與所述空氣流，以形成^^氧空氣 流；并且燃燒所述低氧空氣流與所述燃料流以產(chǎn)生低N0X的排氣。
9. 一種減少來(lái)自渦輪系統(tǒng)的排放的方法，其包括 壓縮空氣流和排氣的至少 一部分以產(chǎn)生低氧空氣流；以富燃-淬熄-貧燃模式來(lái)燃燒所述^f氐氧空氣流與燃料流以產(chǎn)生4氐 N(X的排氣；并且使所述排氣膨脹以進(jìn)行發(fā)電。
10. —種渦輪系統(tǒng)，其包括壓縮機(jī)，其構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣和排氣的至少一部分以形成 經(jīng)壓縮的低氧空氣流；干式低排放(DLE)燃燒器，其構(gòu)造為用于從所述壓縮機(jī)接收所述 經(jīng)壓縮的低氧空氣流，并且以富燃-淬熄-貧燃(RQL)燃燒模式來(lái)燃燒燃 料流以產(chǎn)生所述排氣；渦輪，其用于從所述燃燒器接收所述排氣以進(jìn)行發(fā)電和產(chǎn)生低 NOx的排氣；其中，所述排氣的第一部分再循環(huán)至所述壓縮機(jī)以形成 所述低氧空氣流；和熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，其構(gòu)造為用于從所述渦輪接收所述 排氣以產(chǎn)生蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低排放渦輪系統(tǒng)和方法。該渦輪系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，其構(gòu)造為用于壓縮環(huán)境空氣；和燃燒器，其構(gòu)造為用于從壓縮機(jī)接收壓縮空氣并燃燒燃料流以產(chǎn)生排氣。該渦輪系統(tǒng)還包括用于從燃燒器接收排氣以進(jìn)行發(fā)電的渦輪；其中，該排氣的第一部分與環(huán)境空氣混合以形成低氧空氣流，并且低氧空氣流被壓縮機(jī)壓縮并被引導(dǎo)至燃燒器以燃燒燃料流，從而產(chǎn)生低NO_x排氣。
文檔編號(hào)F01K23/10GK101397937SQ20081016846
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者A·M·埃爾卡迪, A·T·埃武萊特 申請(qǐng)人:通用電氣公司