專利名稱：燃燒器系統(tǒng)和使用燃燒器系統(tǒng)的方法
技術領域：
本公開的實施方案一般涉及用于燃燒燃料的系統(tǒng)和方法。更特別地，公開的實施方案涉及用于氧氣燃料型燃燒反應的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
該部分旨在介紹該技術領域的各個方案，這些方案可與本公開的發(fā)明的示例性實施方案相關聯(lián)。認為該討論將有助于提供便于更好地理解本公開的發(fā)明的特定方案的框架。因此，應理解為，應當據(jù)此閱讀該部分，而不一定作為現(xiàn)有技術的供認。降低二氧化碳(CO2)排放的一些方法包括燃料脫碳作用或燃燒后俘獲。然而，這些方案昂貴并且降低了發(fā)電效率，使得發(fā)電產量降低、燃料需求增加以及滿足國內電力需求的電的成本增加。另一方法是組合周期的氧氣燃料型燃氣輪機。然而，無法在市場上獲得能夠以這種周期運轉的燃氣輪機。氧氣燃料的構思是基于碳氫化合物與純氧氣(O2)燃燒生成二氧化碳和水(H2O)。 然而，這種燃燒過程產生了極高的溫度，這種極高的溫度減少了燃燒器的壽命并且產生了碳煙和其它不期望的燃燒產物。因此，期望使用某類型的冷卻氣體。已經提出了各種方案，這些方案研究的是使用二氧化碳或蒸汽作為通過渦輪機的質量流氣體，而非空氣。已經了進行了一些基本的實驗室試驗來更好地理解在這些氧氣燃料布置中燃燒過程的物理現(xiàn)象。盡管在基于蒸汽的氧氣燃料布置中已經做出了一些試驗性進展，尚未實現(xiàn)氧氣燃料燃氣輪機與二氧化碳工作流體的用于商業(yè)應用的設計和實施。用于二氧化碳型燃氣輪機的燃燒器的設計的進展從未超越實驗室規(guī)模的試驗。與在實際的燃氣輪機燃燒器中二氧化碳和氧氣混合燃燒的設計和實施相關的難題之前尚未解決。與蒸汽不同，二氧化碳對于燃燒過程具有抑制效果，這要求獨特的設計來處理由于抑制效果引起的較低發(fā)火速度。而且，二氧化碳比氮氣或蒸汽輻射更多的能量，這使得具有通過輻射性熱傳遞對反應物進行預熱的可能性。由于可獨立于火焰溫度來控制氧氣-燃料比，氧氣燃料型燃燒器中還存在附加自由度，這主要取決于氧氣-二氧化碳比。由于氧氣燃料型燃燒系統(tǒng)中的附加自由度，能夠獨立于惰性稀釋劑(蒸汽或二氧化碳)來控制氧氣的流量。這與典型的空氣燃氣輪機中的情況不同，在典型的空氣燃氣輪機中，對于氧化劑蒸汽中每個氧氣分子來說，惰性氮氣分子具有近似3. 76的固定比。氧氣燃料型燃燒器的另一難題是，氧氣為珍貴的商品且必須從任何數(shù)量的昂貴、諸如空氣分離處理的能量集約處理、專用膜分離器或諸如水電解等其它一些處理中獲得。典型的空氣燃氣輪機具有空氣流路，所述空氣流路設計為分割空氣蒸汽，以使部分用于燃燒反應，第二部分用于冷卻燃燒產物和燃燒器內膽。這使得廢氣蒸汽含有多于10%的氧氣。
全部內容為了所有目的通過引用并入本文的共同轉讓的PCT專利公開 No. W02010/044958公開了利用流控制器和傳感器系統(tǒng)控制燃燒產物以保持化學計量燃燒的方法和系統(tǒng)。然而，該公開未提供燃燒器中的構造的細節(jié)。因此，對于在氧氣燃料型燃燒反應中用于獲得基本化學計量燃燒的改進的系統(tǒng)和方法存在需求。發(fā)明概述提供了用于氧氣燃料型燃燒反應的系統(tǒng)和方法。在至少一個特定實施方案中，燃燒器系統(tǒng)可以包括燃燒器，其具有第一端、第二端、外殼、內殼以及形成在所述外殼和所述內殼之間的從所述第一端延伸到所述第二端的環(huán)形容積；二氧化碳入口，其配置為將二氧化碳導入燃燒器中；氧氣入口，其配置為將氧氣導入燃燒器中；第一混合區(qū)，其配置為將任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的第一部分與任何通過所述氧氣入口導入的氧氣的至少部分進行混合以生成包含氧氣和二氧化碳的第一混合物；燃料入口，其配置為將燃料導入燃燒器中；第二混合區(qū)，其配置為將第一混合物與燃料混合以生成包含氧氣、二氧化碳和燃料的第二混合物；以及燃燒區(qū)，其配置為燃燒所述第二混合物以生成燃燒產物。任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的第二部分能夠流過布置為貫通所述內殼的一個或多個孔隙并且與燃燒產物混合并冷卻所述燃燒產物。在至少一個其它特定實施方案中，所述燃燒器系統(tǒng)可以包括燃燒器，其具有第一端、第二端、外殼、內殼、包括燃燒爐面的燃燒燃燒爐和燃燒區(qū)；二氧化碳入口、氧氣入口和燃料入口 ；以及混合區(qū)，其配置為將任何通過所述二氧化碳入口的二氧化碳的第一部分與任何通過氧氣入口導入的氧氣的至少部分進行混合以生成包含氧氣和二氧化碳的第一混合物。所述第一混合物可以包括橫過燃燒爐面的空間變化的氧氣-二氧化碳比，所述空間變化的氧氣-二氧化碳比配置為在燃燒區(qū)中生成熱區(qū)以提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性。在至少一個特定實施方案中，用于在燃燒系統(tǒng)中燃燒燃料的方法可以包括在燃燒器的第一混合區(qū)中混合氧氣和二氧化碳以生成第一混合物。第一混合物和燃料可以在燃燒器的第二混合區(qū)中混合以生成第二混合物。所述第二混合物中的燃料的至少部分可以燃燒以生成燃燒產物。在至少一個其它特定實施方案中，用于在燃燒系統(tǒng)中燃燒燃料的方法可以包括改變橫過燃燒器的燃燒爐面的氧氣-二氧化碳的空間比以提高燃燒器中的火焰穩(wěn)定性。


在考察實施方案的非限制性實施例的下面的詳述和附圖時，本發(fā)明的前面和其它優(yōu)點會變得顯而易見，其中圖1描繪了示出當量比(Φ)與火焰溫度的操作空間的圖形描繪。圖2描繪了示出用于二氧化碳/氧氣(ω2/02)中甲烷(CH4)的燃燒、氮氣/氧氣 (ν2/02)中甲烷的燃燒的的試驗性火焰吹氣條件以及以當量比(φ)1在空氣中燃燒甲烷的基線系統(tǒng)的圖形描繪。圖3A-3F描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案的示例性燃燒系統(tǒng)的示意圖。圖4A-4C描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案的可與圖3A-3F中描繪的系統(tǒng)相結合使用的三個示例性燃燒器。
圖5A和5B描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案的圖4A-4C中描繪的燃燒器的示例性燃燒器構造。圖6A和6B描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案的圖4A-4C中描繪的燃燒器的示例性可選實施方案。圖7A-7D描繪了根據(jù)根據(jù)所述的一個或多個實施方案的圖4A-4C中描繪的燃燒器的另外的可選實施方案。圖8描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案配置為使用圖4A-4C中描繪的燃燒器的一個或多個元件的示例性管束型燃燒器。圖9描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案的配置為使用圖4A-4C中描繪的燃燒器的一個或多個元件的示例性自陷渦流型燃燒器。圖IOA和IOB描繪了根據(jù)所述的一個或多個實施方案的用于操作圖4A-圖9中描繪的一個或多個燃燒器的方法的示例性流程。發(fā)明詳述在下面的詳述部分中，結合優(yōu)選的、可選的和示例性實施方案對本發(fā)明的一些特定實施方案進行說明。然而，在下面的描述中具體到本發(fā)明的特定實施方案或特定用途的程度上，旨在僅為了示例性的目的并且僅提供了特定實施方案的描述。因此，本發(fā)明不限于下面所述的特定實施方案，而是包括了落在隨附權利要求的真正主旨和范圍之內的所有可選方案、變型例和等同內容。^X下面對本文所使用的各個術語進行定義。在下面未定義權利要求中使用的術語的程度上，應當給予最寬泛的定義，該最寬泛的定義是相關技術領域人員對該術語給予的如在至少一個印刷出版物或發(fā)布的專利中所反映的定義。本文中使用的“一”或“一個”實體是指一個或多個該實體。因此，除非特別指出限制，否則術語“一”(或“一個”)、“一個或多個”以及“至少一個”在本文中可互換使用。本文中使用的術語“燃燒爐”是指至少由火焰保持裝置和燃料噴射器構成的一件硬件。本文中使用的術語“燃燒區(qū)”是指火焰所在的容積或空間區(qū)域，并且發(fā)生由于燃燒產生的熱釋放的大部分，即大于50%。燃燒區(qū)中的未燃燒反應物進入火焰的上游部分能夠并且通常確實與燃燒燃料和氧氣能夠進行混合的混合區(qū)重疊。本文中使用的術語“燃燒器”是指燃燒器系統(tǒng)的部分，其包括燃燒爐、燃燒區(qū)、夕卜殼、內殼或“燃燒器內膽”、混合區(qū)以及相關設備，并且燃燒器通常顯示為具有打開端。因此， 當集成到系統(tǒng)(例如，燃氣輪機系統(tǒng))中時，燃燒器可與換接件和其它特征件相結合。本文中使用的術語“內殼”和“燃燒器內膽”可互換使用并且是指與燃燒器的外殼形成環(huán)形件并且將大量二氧化碳流與混合燃燒區(qū)隔離的圓筒(通常具有圓形截面形狀并且通常由金屬制成，也不一定由金屬制成)。燃燒器內膽可具有貫通布置的一個或多個孔， 在孔中二氧化碳能夠從環(huán)形件流入燃燒區(qū)以去除來自內膽表面的熱并且冷卻燃燒產物。本文使用的術語“輔助內殼”和“輔助燃燒器內膽”可互換使用并且是指對于燃燒器的長度的部分布置在燃燒器的外殼和燃燒器的內殼之間的圓筒(通常具有圓形截面形狀并且通常由金屬制成，也不一定由金屬制成)。例如，輔助內殼可以布置在外殼和內殼之間并且能夠從介于燃燒器的第一端和第二端之間的位置朝向燃燒器的第二端延伸。輔助內殼可在介于燃燒器的第一端和第二端之間的位置處與內殼連接和/或連接到內殼的周圍。本文使用的術語“包括”、“包括有”和“包括著”為開放式轉接術語，其用于從術語之前引述的對象轉接到術語之后引述的一個或多個元件，其中在轉接術語之后所列出的一個或多個元件不一定是構成該對象的全部元件。本文使用的術語“含有”具有與“包括”、“包括有”和“包括著”相同的開放式含義。 本文所使用的術語“具有”具有與“包括”、“包括有”和“包括著”相同的開放式含義。本文所使用的術語“包含”、“包含有”和“包含著”具有與“包括”、“包括有”和“包括著”相同的開放式含義。本文使用的術語“混合區(qū)”是指能夠使至少兩股單獨的氣流混合的燃燒器的容積或空間區(qū)域。特別地，混合區(qū)可以包括至少兩股流的初始混合(例如，第二股流最初導入第一股流中)以及兩股流繼續(xù)混合到一起的任何擴展容積。通常是，增大的混合距離能夠使得第一股流和第二股流更加完全地混合。在特別公開的實施方案中，可以具有“第一混合區(qū)”，其包括空間區(qū)域，在所述空間區(qū)域中氧氣與二氧化碳混合以生成有時稱為“氧合流”或 “合成空氣流”的氧氣/ 二氧化碳混合物。還可具有“第二混合區(qū)”，其是指氧氣/ 二氧化碳混合物開始與位于燃燒燃料噴射器和火焰之間的燃燒燃料流混合的另一空間區(qū)域。在燃燒器布置具有第一和第二混合區(qū)的一些情況下，第一混合區(qū)將終止于第二混合區(qū)處或第二混合區(qū)中。 本文所使用的術語“混合裝置”是指放置在氣流的流路中的硬件，其具有兩個獨特的部件以便通過在氣流中產生湍流尾流或再循環(huán)區(qū)混合氣流的成分?；旌涎b置的一些實施例可包括但不限于鈍體、網線、楔子或它們的任意組合。本文所使用的術語“當量比”是指通過包括氧氣和燃料二者的氣流中的氧氣與燃料的化學計量比所劃分的氧氣與燃料的比率。本文所使用的術語“火焰穩(wěn)定性”是指在具有穩(wěn)定操作點和操作點之間的界限的燃燒區(qū)中的火焰，在該燃燒區(qū)中火焰熄滅。在一個實施例中，增強火焰穩(wěn)定性可包括增加該界限的任何方法。實現(xiàn)火焰穩(wěn)定性增強的一些示例性方法可包括但不限于提高火焰溫度、 降低火焰上游的氣體速度、或二者。本文所使用的術語“錨式火焰”是指在燃燒區(qū)中預混合或非預混合(例如，擴散) 的火焰，錨式火焰可用于增強火焰穩(wěn)定性的目的。在一些操作方案中，錨式火焰可具有富足的當量比(例如，從大約2至大約3的范圍)。錨式火焰可在氧合(合成空氣)呼吸型燃燒器中具有與空氣呼吸型燃氣輪機中的傾斜預混合燃燒器中的擴散引燃火焰相似的效果。本文所使用的術語“天然氣”是指從原油井(相關氣體)或從地下載氣形成物(非相關氣體)中獲得的多成分氣體。天然氣的組成和壓力可顯著不同。典型的天然氣流含有作為主要成分的甲烷(CH4),即天然氣流中大于50mOl%的是甲烷。天然氣流還可以含有乙烷(C2H6)、較高分子量的碳氫化合物(例如，C3-C2tl的碳氫化合物)、一種或多種酸性氣體 (例如，硫化氫)、或它們的任何組合。天然氣還可以含有少量的污染物，例如，水、氮氣、硫化鐵、石蠟、原油或它們的任意組合。本文所使用的術語“天然氣供給流”是指經歷過至少一些預處理之后的天然氣流， 這在公開的其它地方進行了描述。
本文所使用的術語“化學計量燃燒”是指燃燒反應，其具有包括燃料和氧化劑的反應物的容積和通過燃燒和反應物形成的產物的容積，其中反應物的整個容積用于形成產物。在基于氧氣燃料的情況下，其中甲烷為唯一燃料源的化學計量反應(例如，燃燒)具有下列配平2 + = ^0+C02。本文所使用的術語“基本化學計量燃燒”是指燃燒燃料與氧氣的摩爾比在大約0.9 1至大約1.1 1的范圍內的燃燒反應，該范圍更優(yōu)選地從大約 0. 95 1 至大約 1. 05 1。本文所使用的術語“流”是指流體的容積，但是術語流的使用通常是指流體的移動容積(例如，具有速度或質量流率)。然而，術語“流”不要求速度、質量流率或特定類型的用于封閉流的導管。詳細描述提供了為氧氣燃料型燃燒設計的燃燒過程和燃燒器系統(tǒng)。氧氣燃料燃燒可發(fā)生于燃氣輪機中，工作流體主要由二氧化碳組成。在一個或多個實施方案中，能夠至少部分地糾正與高溫氧氣燃料燃燒相關的一個或多個問題。例如，能夠至少部分地減緩可導致生成碳煙和/或生成諸如一氧化碳(CO)等成問題的燃燒產物的多環(huán)芳香族碳氫化合物(PAH)的發(fā)展。燃燒系統(tǒng)的一個實施方案可以包括燃燒器，所述燃燒器具有將氧氣和二氧化碳至少部分地混合、接觸或以其它方式組合以形成“氧合”或“合成空氣”流的第一混合區(qū)、將氧合流和燃燒燃料流至少部分地混合、接觸或以其它方式組合以形成燃燒流的第二區(qū)。燃燒流能夠在燃燒區(qū)中至少部分地燒灼或燃燒以生成燃燒產物流。第二混合區(qū)可與燃燒區(qū)和/或第一混合區(qū)至少部分重疊。燃燒器可用于燃氣輪機中，燃氣輪機具有用于壓縮例如二氧化碳流的入口壓縮機和用于發(fā)電的膨脹機。燃氣輪機可以為在單個軸上運轉的集成式渦輪機、多軸式渦輪機、或具有外部燃燒爐的非集成式渦輪機，并且可以使用動力渦輪機的獨立壓縮機和熱氣體膨脹機，這取決于特定系統(tǒng)的溫度、容積和其它變量。在可選實施方案中，燃燒器可以為諸如加熱爐等獨立式單元。在一個或多個實施方案中，燃燒系統(tǒng)可被供給或提供二氧化碳流和氧氣供給流， 這些流已經被至少部分混合或以其它方式組合以在燃燒器中生成包括氧氣和二氧化碳的氧合或合成空氣流。燃燒系統(tǒng)可進一步包括燃燒燃料流和燃燒區(qū)，其中燃燒區(qū)可配置為在基本化學計量燃燒反應中使燃燒燃料流和氧合流至少部分地混合、接觸或以其它方式組合并且至少部分地燃燒以生成基本包括水(流)和二氧化碳的燃燒產物流。在一個或多個實施方案中，可以使用高壓燃燒(例如，大于約10個大氣壓)過程。能夠通過當形成氧合流時調節(jié)與氧氣混合的二氧化碳的量來控制燃燒產物流的溫度。因此，在一些實施方案中，系統(tǒng)可以包括用于測量燃燒產物流的溫度的溫度傳感器。可以增加與氧氣混合以生成氧合流的二氧化碳的量來降低燃燒產物流的溫度。類似地，可以減少與氧氣混合以生成氧合流的二氧化碳的量來升高燃燒產物流的溫度。高火焰溫度的優(yōu)勢在于，高火焰溫度能夠提高火焰穩(wěn)定性。然而，高火焰溫度還能夠對用于制作燃燒器內膽和渦輪機入口噴嘴的材料造成問題。因此，燃燒產物流可在進入渦輪機入口噴嘴之前通過二氧化碳來冷卻。高火焰溫度還能夠使得諸如二氧化碳等期望的燃燒產物離解并且可導致產物中諸如一氧化碳等污染物的百分比較高。圖1描繪了示出當量比(Φ)對火焰溫度的操作空間的圖形描繪。圖1示出了二氧化碳/氧氣燃料燃燒過程的一個難題，其中產生期望的火焰穩(wěn)定性和燃燒產物的組成物的操作空間非常小。如果火焰溫度太低，則火焰吹出并且發(fā)電停止。然而，較高的火焰溫度還會導致燃燒產物流中二氧化碳和/或氧氣的濃度增加。如果這些組成物太高，可能涉及到催化劑的附加反應可用于改變或以其它方式調整燃燒產物流的組成物。使用二氧化碳工作流體或稀釋劑的氧氣燃料燃燒的另一挑戰(zhàn)是，在相似條件下，與空氣中的火焰相比，火焰較不穩(wěn)定。與僅熱效果的氮氣相比，二氧化碳在通過燃燒碳氫化合物所產生的火焰中對于化學過程具有熱效果和反應抑制(動力學)效果。圖2描繪了示出用于二氧化碳/氧氣(ω2/02)中甲烷(CH4)的燃燒、氮氣/氧氣 (ν2/02)中甲烷的燃燒的的試驗性火焰吹氣條件以及以當量比(φ)1在空氣中燃燒甲烷的基線系統(tǒng)的圖形描繪。燃燒條件為大氣壓力和260°c (500° F)的溫度。在橫坐標上顯示出火焰溫度，在縱坐標上顯示出氣體速度，并且數(shù)據(jù)點表示吹氣的界限為零并且火焰熄滅的點。線表示甲烷/空氣火焰吹氣的地點，菱形表示在二氧化碳和氧氣的混合物中甲烷火焰的吹氣。與相同氣體速度的空氣火焰相比，氧氣燃料火焰連續(xù)地吹氣高300°C。在所公開的燃燒系統(tǒng)的一些實施方案中，可以生成氣體混合物，氣體混合物使得具有足夠的火焰穩(wěn)定性并且限制燃燒產物中不期望污染物的濃度。使用二氧化碳作為工作流體或稀釋劑的另一特征在于，二氧化碳為紅外輻射的強吸收物/發(fā)射物。燃燒器在燃燒區(qū)的視線中具有第一和第二混合區(qū)能夠得益于由于來自火焰的紅外輻射能夠對反應物進行預熱的事實。這比空氣被用作氧化劑的燃燒器具有更可測
量的影響。燃燒系統(tǒng)的另一方案是，由于氧氣流的低分子量和作為液體泵送的可能性，以高壓獲得氧氣流的成本較低。結果，燃燒器系統(tǒng)和使用氧氣流的方法可被設計為在犧牲氧氣流壓降的情況下使得二氧化碳的壓降最小化。例如，氧氣的相對高壓噴射可用于為二氧化碳流提供渦旋，從而減少當使用具有多個葉片的硬件渦旋器使二氧化碳流渦旋時存在的壓降。在另一實施例中，氣體噴射器可用于將氧氣和二氧化碳流混合以在火焰的上游生成氧合或合成空氣流。高壓氧氣流可用作典型噴射器中的動力氣體，在噴射器中通過管口對動力氣體進行加速以生成具有低靜態(tài)壓力的高速流。經加速氧氣的靜態(tài)壓力低于與噴射器的抽吸側連接的二氧化碳流的壓力。該壓差能夠將二氧化碳流驅送到氧氣流中，以生成氧合流或合成空氣流。還可以提供僅將二氧化碳流(相應尺寸的管口)的部分與氧氣流混合的相對簡單的方式。噴射器的一個益處在于，噴射器能夠將由于混合導致的壓力損失從二氧化碳流轉移到可獲得過大壓力的氧氣流。在一個或多個實施方案中，二氧化碳和氧氣可混合以在燃燒器內生成氧合或合成空氣流。與氧氣混合的二氧化碳的量可提供控制燃燒產物的溫度的方法。與氧氣混合的二氧化碳的量還會影響火焰穩(wěn)定性和燃燒產物的組成或構成。燃燒器能夠容納或包含燃燒器內膽。燃燒器內膽能夠包含燃燒區(qū)并且用于將二氧化碳的主流從壓縮機引導到燃燒器的第一端。燃燒器內膽設計可包含將另外的二氧化碳提供給燃燒器內的燃盡區(qū)的淬火端口以便控制渦輪機入口溫度和/或防止燃燒的高溫直接作用于燃燒器內膽上。在一個或多個實施方案中，燃燒器系統(tǒng)可以包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)測量導入燃燒器的碳氫化合物的量?？刂葡到y(tǒng)能夠計算、確定或以其它方式估計和控制、改變或以其它方式調節(jié)導入燃燒器的氧氣的量以便提供氧氣與碳氫化合物或燃燒燃料的期望比率。控制系統(tǒng)還能夠使用來自配置為監(jiān)測或分析燃燒產物的儀器的反饋并且能夠更新氧氣供給流流動控制器以確保實現(xiàn)期望的燃燒和/或確保正確量的氧氣被導入氧合流中。根據(jù)導入燃燒器中的碳氫化合物混合物，可以使用可包含催化劑的任選的后燃燒步驟。該后燃燒步驟能夠將燃燒產物中的污染物(例如，氧氣和/或二氧化碳)的濃度降低至例如在增強油回收(EOR)設施中避免嚴重腐蝕問題所需的水平。在一個或多個實施方案中，可以改變反應物的組成，尤其是橫過燃燒器的燃燒爐面的氧氣-二氧化碳比。例如，限制、阻礙或以其它方式減弱二氧化碳流入第一混合區(qū)中的合成空氣混合裝置能夠造成或產生橫過燃燒器截面的氧氣-二氧化碳比的變化。在另一實施例中，氧氣流可被分割或分隔成至少兩股流，兩股流中的至少一股可用于部分地提高燃燒器中的氧氣濃度以在局部形成較熱火焰。較熱火焰溫度能夠提高火焰穩(wěn)定性。在一個或多個實施方案中，可以使用氧氣燃料型燃燒系統(tǒng)/廢熱發(fā)電型燃燒系統(tǒng)，例如在美國臨時專利申請No. 61/072，292中討論和描述的超低排放發(fā)電系統(tǒng)和方法。 將氧氣和燃料直接噴射到燃燒器內部的二氧化碳流中能夠降低與燃料和純氧氣燃燒相關的風險和限制。與在燃燒器的外部混合氧氣和二氧化碳并且減少了如果從全部二氧化碳流生成氧氣和二氧化碳混合物將被浪費的氧氣的量的燃燒系統(tǒng)比，該燃燒系統(tǒng)還能夠降低系統(tǒng)復雜度?，F(xiàn)在參照附圖，圖3A-3F分別描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的示例性燃燒系統(tǒng) 100、140、150、160、170和180的示意圖。特別地，圖3A描繪了示例性燃燒系統(tǒng)100的示意圖，燃燒系統(tǒng)100可包括一個或多個燃燒器(例如，“燃燒器罐”)110、膨脹機111和傳感器 (示出了兩個114、126)。燃燒系統(tǒng)100還可包括經由線路102的二氧化碳(CO2)流和經由線路104的氧氣供給流，該二氧化碳流可被至少分割或分隔成經由線路10 的第一部分和經由線路102b的第二部分，氧氣供給流可與二氧化碳流的第一部分10 結合以生成經由線路106的氧氣/ 二氧化碳混合物或“氧合流”或“合成空氣流”。燃燒系統(tǒng)100還可以包括經由線路108的燃燒燃料流。線路108中的燃燒燃料流可以包括甲烷(CH4)或甲烷、一種或多種C2-C2tl碳氫化合物、氫氣(H2)、諸如氮氣的惰性氣體、二氧化碳和/或氬氣的混合物或它們的任意組合。經由線路104的氧氣供給流可具有下限為約90mol%、約93mol%、約95mol%、約 97%11101%、約98%11101%、約99%11101%、約99. 5mol%或約 99. 9mol % 的范圍的氧氣濃度。 線路104中的氧氣供給流可以包含一種或多種附加組成物，例如，氮氣、氬氣、氦氣或它們的組合。在至少一個特定實施方案中，線路104中的氧氣供給流可以包括從大約90mOl% 至大約99m0l%的氧氣以及從大約Imol^至大約IOmol %的氬氣。線路102中的二氧化碳流可以具有下限為約70mol%、約80mol%、約90mol%、約95% mol%、約97% mol%, 約99% mol%、約99. 5mol%或約99. 9mol %的范圍的二氧化碳濃度。在另一實施例中，線路102中的二氧化碳流可具有在干燥基礎上下限為約70mol%、約80mol%、約90mol%、約 95% mol%、約 97% mol%、約 99% mol%、約 99. 5mol%或約 99. 9mol%的范圍的二氧化碳濃度。線路102中的二氧化碳流可以包含一種或多種附加組成物，例如氮氣、氬氣、氦氣、水 (液態(tài)和/或氣態(tài))、碳氫化合物、一氧化碳或它們的組合物。在至少一個特定實施方案中， 線路102中的二氧化碳流可以具有范圍從約85mol%至約95mol %的二氧化碳濃度、從約 0. 5mol %至約5mol %的碳氫化合物、從約0. 5mol %至約5mol %的一氧化碳、從約0. 5mol %至約IOmol%的水(液態(tài)和/或氣態(tài))、或它們的任意組合。燃燒器110可配置為接收經由線路106的氧合流的至少部分和經由線路108的燃燒燃料流的至少部分。經由線路106的氧合流和經由線路108的燃燒燃料流可在燃燒器110內彼此混合、結合或以其它方式接觸以生成反應物混合物或燃燒流。反應物混合物可至少部分地在燃燒器110內燃燒以生成經由線路112的燃燒產物流。經由線路112的燃燒產物流的至少部分可導入膨脹機111中以生成經由線路113的膨脹的燃燒產物流。膨脹機111與負載控制器111’可操作地連接或以其它方式通信。線路113中的膨脹的燃燒產物流可被分割以形成經由線路127的第一燃燒產物流和經由線路128的第二燃燒產物流。 經由線路127的第一燃燒產物流能夠提供線路102中的二氧化碳流的至少部分。經由線路 128的第二燃燒產物流可在增強油回收(EOR)方法或操作中使用、螯合作用、排放到大氣中或用于任何其它用途。第一傳感器(“溫度傳感器”)114可以確定、檢測或以其它方式估計線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流的溫度。第二傳感器(“氧氣分析器”)1 可以確定、檢測或以其它方式估計線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流中的氧氣濃度。氧氣分析器126還可被配置為確定、檢測或以其它方式估計線路113中的膨脹的燃燒產物流中其它組成物的濃度。能夠經由氧氣分析器1 檢測的附加或其它的組成物可包括但不限于一氧化碳、氧化氮、燃燒燃料或它們的任意組合。來自溫度傳感器114的溫度數(shù)據(jù)可用于控制二氧化碳流102、氧氣流104、和/或燃燒燃料流 108的流量，這樣能夠調節(jié)燃燒產物流112的溫度和/或燃燒產物流112的組成物。來自氧氣分析器126的氧氣數(shù)據(jù)可用于控制經由線路104的氧氣供給流、經由線路102的二氧化碳流、和/或經由線路108的燃燒燃料流的流量，直到達到基本化學計量燃燒。仍參照圖3A，系統(tǒng)100還可包括中央控制器115。中央控制器115與例如無線鏈路、第一流動控制器116a、第二流動控制器118、第三流動控制器120、和/或第四流動控制器116b可操作地連接或以其它方式通信。第一流動控制器116a能夠控制或以其它方式調節(jié)線路10 中的二氧化碳流的第一部分的量。第二流動控制器118能夠控制或以其它方式調節(jié)線路104中的氧氣供給流的量。第三流動控制器120能夠控制或以其它方式調節(jié)經由線路108的燃燒燃料流的量。第四流動控制器116b、能夠控制或以其它方式調節(jié)線路102b 中的二氧化碳流的第二部分的量。中央控制器115還可與溫度傳感器114和/或氧氣傳感器1 連接或以其它方式通信，以確定或以其它方式估計線路113中的燃燒產物流的溫度和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流中氧氣的量。可以至少部分地使用確定或估計出的線路113中的膨脹的燃燒產物流的溫度和/或氧氣濃度來控制、調節(jié)或以其它方式調節(jié)線路104中的氧氣供給流的流量、線路10 中的二氧化碳流的第一部分的流量、線路108中的燃燒燃料流的流量、和/ 或線路102b中的二氧化碳流的第二部分的流量。例如，中央控制器115能夠控制線路108 中的燃燒燃料流和/或線路104中的氧氣供給流的流量，以在燃燒系統(tǒng)100中的負載條件變化時保持它們資金的期望摩爾比?？蓮娜魏畏奖愕脑刺峁┚€路102中的二氧化碳流。例如，線路102中的二氧化碳流的至少部分可通過流127對膨脹的燃燒產物流113的至少部分進行轉向或分割而獲得。 在另一實施例中，燃燒系統(tǒng)100可靠近另一二氧化碳源定位，例如，外部管道網絡、高二氧化碳氣體井、氣體處理設備等。在一個或多個實施方案中，可至少部分處理經由線路127的燃燒產物。例如，可以在過濾系統(tǒng)(例如，膜、分子篩、吸收件、吸附件或其它系統(tǒng))中至少部分地處理線路127中的燃燒產物，過濾系統(tǒng)能夠至少部分地去除可能危險或不期望的組成物，例如未反應的氧氣、二氧化碳、和/或碳氫化合物。特別地，如果氧氣分析器1 確定或估計出燃燒產物流112和/或膨脹的燃燒產物流113具有不期望的高水平氧氣，那么能夠避免將線路112和/或113中的燃燒產物流用作工作流體或稀釋劑。換句話說，如果氧氣分析器1 檢測到線路112和/或113中的燃燒產物流中的氧氣或其它污染物的不期望的量，則線路102中的流可從另外的源獲取。類似地，高水平的碳氫化合物(即，燃燒燃料)也可能是不可接受的，這取決于燃燒器110，并且在高水平的碳氫化合物在用作102b中的稀釋劑流之前需要至少部分地去除和/或分離高水平的碳氫化合物。在一個或多個實施方案中，優(yōu)選且期望的是，經由線路 112的燃燒產物由基本化學計量燃燒生成。因此，經由線路112的燃燒產物應當具有小于約 3.0容積百分比(vol% )的氧氣、或小于約1. Ovol %的氧氣、或小于約0. Ivol %的氧氣、或者甚至小于約0. OOlvol %的氧氣以及小于約3. Ovol %的碳氫化合物、或小于約1. Ovol % 的碳氫化合物、或小于約0. Ivol %的碳氫化合物、或者甚至小于約0. 001Vol%的碳氫化合物。經由線路128的第二燃燒產物流可用于售出，在需要二氧化碳的另一方法中使用、和/或被壓縮并噴射到地面儲器中用于增強油回收(EOR)、螯合作用或其它用途。與線路127中的第一燃燒產物流類似，線路128中的第二燃燒產物流可在用于去除諸如氧化氮(NOx)、氧氣、一氧化碳、和/或等可能的污染物或反應物之前需要經過一些調整或處理。而且，優(yōu)選的是，線路104中的氧氣供給流基本不包含氮氣，并且線路112中的燃燒產物流經由基本化學計量燃燒生成。因此，線路128中的第二燃燒產物流可以具有小于約3. Ovol %的氧氣、或小于約1. Ovol %的氧氣、或小于約0. Ivol %的氧氣、或者甚至小于約0. OOlvol %的氧氣以及小于約3. Ovol %的NOx、或小于約1. Ovol %的NOx、或小于約 0. Ivol %的NOx、或者甚至小于約0. OOlvol %的NOx。經由線路104的氧氣供給流可通過空氣分離單元(ASU)或提供高純度氧氣的其它方法或系統(tǒng)來提供。分離的氮氣可用于另外相關的方法，例如用于在美國臨時專利申請 No. 61/072，292中討論和描述的氮氣噴射井中。在一個或多個實施方案中，線路104中的氧氣供給流可以包含約90VOl%至約99. 9V01%的氧氣。在另一實施例中，線路104中的氧氣供給流可以包括約90Vol%至約99. 9Vol%的氧氣，其余的至少部分包含氬氣、氮氣、二氧化碳、或它們的任意組合。在另一實施例中，線路104中的氧氣供給流可以包括約95ν01% 至約96vol%的氧氣，約4vol%至約5vol%的氬氣，以及小于約0. 2vol%的二氧化碳。中央控制器115可以為任何類型的控制系統(tǒng)或包含任何類型的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)配置為接收諸如流量和組成物等數(shù)據(jù)輸入并且發(fā)送信號以經由例如閥、泵、壓縮機、 和/或可用于控制或以其它方式調節(jié)流量的任何其它裝置來控制流量。在一個實施方案中，中央控制器115可以包含可編程計算機，所述可編程計算機具有諸如鍵盤和/或鼠標等用戶輸入裝置、諸如監(jiān)測器和/或揚聲器等輸出裝置，并且中央控制器115能夠利用有源存儲器(RAM)來運算，并且經由LAN、WAN、Wi-Fi或其它外部網絡與硬盤驅動器、光盤驅動器、 網絡驅動器和數(shù)據(jù)庫可操作地連接。
流動控制器116a、116b、118和120中的任一個或多個可以包含配置為接收并處理來自中央控制器115的信號的可編程自動控制器。流動控制器116a、116b、118和120中的任一個或多個可以與一個或多個流動閥或葉片、通氣口、或增加和/或減少基本氣流的流量的其它器件可操作地連接或以其它方式通信。另外，在至少一個實施方案中，流動控制器 116a、116b、118和120中的任一個或多個可以與一個或多個流動傳感器和/或組成物傳感器可操作地連接或以其它方式通信，這些傳感器可提供附加的數(shù)據(jù)輸入，以便例如驗證經由流動控制器116a、116b、118和/或120控制的各股流的流量變化。為了保持火焰穩(wěn)定性和有效的控制，有益的是為控制器116a、116b、118和120中的任一個或全部使用高速控制
ο盡管流動控制器116b可以為如上討論和描述的有源傳感器，在一個示例性實施方案中，能夠主要通過被動的方式來控制經由線路102b的二氧化碳流的第二部分(例如， 稀釋劑流)的流量。例如，燃燒器110可以包含燃燒器內膽，所述燃燒器內膽具有一個或多個淬火端口(例如，稀釋物孔)，所述淬火端口具有配置為提供稀釋物并且控制燃燒器110 內的溫度的特定圖案和孔尺寸。因此，經由線路102b的二氧化碳或稀釋劑流的流量可主要取決于燃燒器110中淬火端口的硬件設計。另外，在截斷流102b的污染物或一些其它原因的情況下，流動控制器116b可用于截斷線路102b中的二氧化碳流的第二部分的流動。中央控制器115可配置為包含至少一個安全聯(lián)鎖裝置和/或停工邏輯電路和/或報警器，以便當系統(tǒng)100脫離控制時保護下游的機器設備。溫度傳感器114可以為單個傳感器或包含單個傳感器，或者可另外包含冗余備份傳感器，或者可以包含位于線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流中以及周圍的傳感器陣列。可以使用任何類型的適當?shù)臏囟葌鞲衅?，但是所選的溫度傳感器應當具有高耐熱性并且能夠在大約1，093°C O，000° F)處或以上、大約 1，205°C O，200° F)以上或者甚至大約1，900°C (3,450° F)處或以上的溫度有效地工作。 在一個實施例中，溫度傳感器114可以將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給流動控制器116a、116b、118和/ 或120，或者可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器115，然后中央控制器115能夠控制流動控制器 116a、116b、118和/或120的響應。在另一實施例中，溫度傳感器114可以將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給燃燒燃料流流動控制器120。除此之外和/或可選擇地，溫度傳感器114可以在沿著燃燒產物流112的多個位置處或它們的一些組合從燃燒器110的內部靠近燃燒器110出口之后的排氣口或下游采取數(shù)據(jù)。溫度應當限于一些操作參數(shù)之內，這高度取決于所使用的裝備、 可獲得的燃燒燃料流和其它輸入流的類型、線路112中的燃燒產物流的可能用途以及其它因素。一般地，溫度應當在大約1，925°C (3，500° F)以下，以避免生成NOx，并且因為大多數(shù)商用燃燒器110不能夠在這些溫度以上工作，但是，如果燃燒器110的材料能夠在較高溫度下工作并且系統(tǒng)100中不存在氮氣，該限制可設定得更高。在膨脹機111的入口處，溫度優(yōu)選地小于大約1，3700C (2，500° F)。這樣的高溫還能夠有助于形成不期望的多環(huán)芳香族碳氫化合物(PAH)，這會導致生成碳煙。然而，溫度必須足夠高以避免火焰燃盡并且足夠高以有效地燃燒基本上全部的氧氣(O2)和碳氫化合物(例如，化學計量燃燒溫度)，以生成燃燒產物流112，在用于增強油回收(EOR)或用作燃燒系統(tǒng)100中的稀釋劑之前，燃燒產物流112僅需要有限的調整。對于多種情況，優(yōu)選的溫度可以從至少約815°C (1,500° F)至約 1，370°C (2, 500° F)或從至少約 870°C (1, 600° F)至約 1，040°C (1, 900° F)。氧氣分析器1 可以為單個傳感器或包含單個傳感器，或者可以另外包含冗余備份傳感器，或者為在線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流內的多個位置處的傳感器陣列。例如，多個拉姆達和/或寬帶氧化鋯氧氣傳感器可用于為中央控制器115和/或氧氣供給流流動控制器118中的一個提供反饋。如果使用拉姆達傳感器， 則中央控制器115可配置為在燃燒產物流112的氧氣含量從化學計量系數(shù)(當量比0)變?yōu)?. 0以下和/或1. 0以上時顫動燃燒燃料流108中的燃料與氧氣供給流104中的氧氣的比率。顫動方法可與汽車工業(yè)中為內燃機使用的方法相似。在任何情況下，經由線路112的燃燒產物流中的氧氣含量優(yōu)選地低，從小于約3. Ovol %至小于約1. Ovol %，以及從小于約 0. Ivol%至小于約0. 001Vol%。如果氧氣的量太高，那么經由線路104的氧氣供給流的流量會減少和/或經由線路108的燃燒燃料的流量會增加。減少經由線路104的氧氣供給流的流量能夠降低火焰溫度，如上文所討論的，需要調節(jié)經由線路108的燃燒燃料流的流量。圖:3B描繪了示例性燃燒系統(tǒng)140的示意圖，燃燒系統(tǒng)140與如圖3A中所示的燃燒系統(tǒng)100相似，但是另外包含配置為進一步處理或調整線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流的任選特征件。因此，通過參照圖3A可最佳地理解圖;3B中所示的燃燒系統(tǒng)140。燃燒系統(tǒng)140包含圖3A中所示的燃燒系統(tǒng)100中所公開的特征件， 并且進一步包含后燃燒催化裝置146。燃燒后催化裝置146可配置為減少線路112中的燃燒產物流、線路113中的膨脹的燃燒產物流、線路127中的第一燃燒產物流、和/或線路128 中的第二燃燒產物流中的氧氣和/或一氧化碳的含量?？蓮拇呋b置146中回收至少部分經過處理或凈化的經由線路148的燃燒產物流。燃燒系統(tǒng)140還可包含經由線路142的燃燒燃料旁通流，經由線路142的燃燒燃料旁通流可以包含用于控制燃燒燃料旁通流142的流量的流動控制器144。氧氣分析器1 可直接地或者經由中央控制器115間接地與流動控制器144可操作地連接。在燃燒燃料旁通流142被分割和/或經由線路1 的第二燃燒產物流循環(huán)的一些特定實施方案中可以使用附加的流動控制器和氧氣分析器(未示出)， 如下文更加詳細討論和描述。催化裝置146可以單個裝置或者并聯(lián)、串聯(lián)或并聯(lián)和串聯(lián)的組合的多個裝置。優(yōu)選地，催化裝置146可以為僅需要少量電工作的小型裝置。特別地，催化裝置146可以包含通常用于熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)以滿足排放要求的一氧化碳還原催化劑和/或氧氣還原催化劑。這種系統(tǒng)通常不是設計為去除大量的氧氣，而是，如果在燃燒產物流112、113、 127、和/或128中剩余了大量的氧氣，則蒸汽112、113、127、1觀可以在進一步處理或使用 (例如，壓縮和噴射以用于增強油回收(EOR))之前通過催化裝置146多進行一次再循環(huán)。 因此，在一些實施方案中，另一氧氣分析器(未示出)可被包含并且用于測量或以其它方式估計至少部分經過處理或凈化的線路148中的燃燒產物流中的氧氣濃度以確保氧氣的濃度充分低(例如，小于約0. 5Vol%的氧氣，或小于約0. Ivol %)，從而避免壓縮和噴射裝備的腐蝕并且避免通過噴射能夠與儲器中殘留的碳氫化合物反應的氧氣而酸化儲器。經由線路142的燃燒燃料旁通流(例如，燃燒燃料流的第二部分)能夠在經由線路127的第一燃燒產物流與膨脹的燃燒產物流113分隔的下游與線路113中的膨脹的燃燒產物流混合、接觸或以其它方式結合。經由線路142的燃燒燃料旁通流能夠在催化裝置146 的上游導入線路128中的第二燃燒產物流，以使得在催化裝置146中可以使用附加的碳氫化合物以便提高氧氣去除效率。在一個或多個實施方案中，燃燒燃料旁通流142可以在催化裝置146之前分割并且導入線路1 中的第二燃燒產物流并且導入至少部分經過處理或凈化的線路148中的燃燒產物流。在至少部分經過處理或凈化的經由線路148的燃燒產物流循環(huán)回到催化裝置146的實施方案中，有益的是，在將燃燒燃料旁通流142循環(huán)回到催化裝置146中之前將燃燒燃料旁通流142的部分導入至少部分經過處理或凈化的線路148中的燃燒產物流中。有益的是，燃燒燃料旁通流142可配置為在壓縮和噴射到EOR方法中之前減少至少部分經過處理或凈化的線路148中的燃燒產物流中的氧氣的容積百分比，以便基本上避免對噴射和壓縮裝備的腐蝕以及噴射儲器中殘留的碳氫化合物的酸化。圖3C描繪了示例性燃燒系統(tǒng)150的示意圖，燃燒系統(tǒng)150可以或可以不包含上文參照圖3B討論和描述的特征件。因此，可以參照圖3A和圖;3B最佳地理解圖3C。燃燒系統(tǒng)150可包含碳氫化合物分析器152，碳氫化合物分析器152配置為測量、確定、檢測或以其它方式估計出線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流、由流動控制器巧4控制的經由線路108a的第一燃料氣體流以及由流動控制器156控制的經由線路108b的第二燃料氣體流中碳氫化合物的量。在一個或多個實施方案中，線路108a中的第一燃料氣體流可具有比線路108b中的第二燃料氣體流高的質量。因此，線路108a中的第一燃料氣體流可被稱為“高質量燃料氣體流”，而線路108b中的第二燃料氣體流可被稱為“低加熱值燃料氣體流”。經由線路108a的高質量燃料氣體流、經由線路108b的低加熱值燃料氣體流或它們的組合可經由線路108導入燃燒器110中。流動控制器156可與碳氫化合物分析器152直接連接和/或可經由中央控制器115連接。流動控制器巧4、156和任選的120可與總控制器158可操作地連接，總控制器158可直接地或者經由氧氣供給流控制器118與中央控制器115連接。線路108a中的高質量燃料氣體流可基本包含甲烷(例如，大約99Vol% )并且可選擇地可以為諸如氫氣、較高的碳氫化合物(例如，(2和(3+)或它們的任意組合等“摻加” 燃料氣體或者包含“摻加”燃料氣體。線路108a中的高質量燃料氣體流的組成可根據(jù)燃燒系統(tǒng)150的需要和/或各種燃料類型的可用性而變化，但是優(yōu)選地不包含大量的惰性氣體 (例如，氮氣、二氧化碳等)或酸性氣體(例如，二氧化硫、硫化氫等)。經由線路108a的高質量燃料氣體流可通過任何合理的源提供，但是優(yōu)選地可從近處的氣體生產場地提供而不是從很遠的距離引入。具體地，如果線路108a中的高質量燃料氣體流為氫氣，可從近處的氣體生產場地(未示出)通過在氣體生產流上進行的自動熱重整(ATR)方法提供。線路108b中的低加熱值燃料氣體流可以包含小于約80VOl%的甲烷、小于約 60vol%的甲烷、小于約40vol%的甲烷、或者甚至小于約20vol%的甲烷。線路108b中的低加熱值流還可包含少量的較重的碳氫化合物，例如，乙烷、丙烷、和/或丁烷。在大多數(shù)情況下，低加熱值燃料氣體流108b的其余組成的大部分可以為諸如二氧化碳的惰性氣體，但是在一些情況下，可存在少量的氮氣、硫化氫、氦氣、氬氣、和/或其它氣體。優(yōu)選地，所有的非碳氫化合物和所有的除了二氧化碳之外的惰性氣體可在混合和燃燒之前從線路108b中的低加熱值燃料氣體流分離出去。在至少一個實施方案中，兩種含有碳氫化合物的流108a和108b的流動和組成物可用于計算使燃燒器110工作的氧氣需求并且為氧氣供給流流動控制器118提供設定點。 計算機能夠提供燃燒器110中的化學計量燃燒所需的氧氣的量。流的流動和組成物會隨時間而變化，這取決于流108a和108b的源。例如，低加熱值燃料氣體流108b可以源自于在早期生產中具有高甲烷含量(例如，大約80Vol%以上)的EOR井。在這種情況下，在經由線路108a的高質量燃料氣體流中可能存在小的流動或無流動。然而，當發(fā)生貫流時，來自經由線路108b的低加熱值燃料氣體流的流動可以包含非常低的甲烷濃度(例如，小于大約 20vol%)。在那種情況下，來自經由線路108a的高質量燃料氣體流的流動可被增強以將碳氫化合物添加到線路108中的燃燒燃料流中。圖3D描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的另一示例性燃燒系統(tǒng)160的示意圖。燃燒系統(tǒng)160可以或者可以不包含上文參照圖;3B和圖3C所討論和描述的特征件。因此，可參照圖3A-圖3C最佳地理解圖3D。燃燒系統(tǒng)160可以進一步包含經由線路108c的補充二氧化碳流。流動控制器162與線路108c中的補充二氧化碳流可操作地附接或以其它方式與其連通。經由線路108c的補充二氧化碳流可以與流108a和/或108b結合以提供在燃燒系統(tǒng)160操作期間具有基本恒定的組成物的經由線路108的燃燒燃料氣體流。該方法可與燃燒系統(tǒng)150相似，但是燃燒器110的物理特性可進行專門設計以用于線路108中的燃燒燃料氣體流的組成物并且仍燃燒具有可變組成物108b的燃料。經由線路108c的補充二氧化碳流可從線路112中的燃燒產物流中分割出來或者源自于另外的源。圖3E描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的又一示例性燃燒系統(tǒng)170的示意圖。燃燒系統(tǒng)170可以或可以不包含上文參照圖!3B-3D所討論和描述的特征件。因此，可參照圖 3A-3D最佳地理解圖3E。燃燒系統(tǒng)170可以包含經由線路108的燃燒燃料流，其基本包含碳氫化合物和二氧化碳并且具有初始的燃料-二氧化碳比；經由線路106的氧合流，其基本包括氧氣和二氧化碳，其中經由線路108的燃燒燃料流和經由線路106的氧合流結合以形成經由線路172的燃燒器入口流，經由線路172的燃燒器入口流具有配置為滿足最優(yōu)當量比(Φ)的組合燃料-氧氣比以及配置為提供最優(yōu)燃燒溫度的組合初始二氧化碳-燃料比； 稀釋劑流，其基本包括二氧化碳102b ；以及燃燒器110，其配置為至少部分地燃燒燃燒器入口流172以生成基本含有水和二氧化碳的經由線路174的熱產物流，其中經由線路174的熱產物流可與稀釋劑流102b混合以形成具有溫度和最終二氧化碳-燃料比的燃燒產物流 112。在一個或多個實施方案中，燃燒燃料流108中的碳氫化合物可以包含甲烷，并且燃料-氧氣比可取的范圍從約0.9 1的摩爾燃料比摩爾氧氣至約1. 1 1的摩爾燃料比摩爾氧氣或者從約0.95 1的摩爾燃料比摩爾氧氣至約1.05 1的摩爾燃料比摩爾氧氣。 在另一實施方案中，線路108中的燃燒燃料流中的碳氫化合物可以包含甲烷，并且二氧化碳-燃料比從約20 1的摩爾二氧化碳比摩爾燃料至約25 1的摩爾二氧化碳比摩爾燃料或者從約23 1的摩爾二氧化碳比摩爾燃料至約M 1的摩爾二氧化碳比摩爾燃料。在至少一個特定實施方案中，燃燒系統(tǒng)170可進一步包括經由線路108a的高質量燃料氣體流、經由線路108b的低加熱值燃料氣體流、和經由線路108c的補充二氧化碳流， 經由線路108c的補充二氧化碳流配置為與線路108a中的高質量燃料氣體流和線路108b 中的低加熱值燃料氣體流結合以形成經由線路108的燃燒燃料流并且保持線路108中的燃燒燃料流中的恒定的初始燃料-二氧化碳比。另外的實施方案可以包括經由線路104的氧氣供給流和經由線路10 的二氧化碳混合流，經由線路10 的二氧化碳混合流具有配置為與線路104中的氧氣供給流相結合以形成經由線路106的氧合流的流動和組成物。
在又一實施方案中，燃燒系統(tǒng)170可包括至少一個溫度傳感器114，溫度傳感器 114配置為測量膨脹的線路113中的燃燒產物流(以及任選地線路112中的燃燒產物流) 的溫度。線路113中的膨脹的燃燒產物流的溫度可用于計算經由線路10 的二氧化碳混合流、經由線路108c的補充二氧化碳流和經由線路102b的稀釋劑流中的至少一個的流量， 從而調節(jié)燃燒的溫度。燃燒系統(tǒng)170還可以包括至少一個氧氣分析器126，氧氣分析器126 配置為測量線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流中氧氣的量。 線路108中的燃燒產物流中氧氣的量可用于最優(yōu)化經由線路104的氧氣供給流的流量以實現(xiàn)基本化學計量燃燒。系統(tǒng)170可以進一步包括至少一個碳氫化合物分析器152，碳氫化合物分析器152配置為測量線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流的組合物中碳氫化合物的量。線路112中的燃燒產物流和/或線路113中的膨脹的燃燒產物流的組成物中碳氫化合物的量可用于最優(yōu)化線路104中的氧氣供給流的流量以實現(xiàn)基本化學計量燃燒。燃燒系統(tǒng)170還可以包括膨脹機111，膨脹機111具有負載和配置為測量負載的負載控制器111’。當負載變化時，負載控制器111’可用于保持組合燃料-氧氣比。圖3F描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的又一示例性燃燒系統(tǒng)180的示意圖。燃燒系統(tǒng)180可以或者可以不包含上文參照圖3A-3E討論和描述的特征件。因此，可參照圖 3A-3E最佳地理解圖3F。為了提高清晰度，未示出燃燒系統(tǒng)180的傳感器和控制器，但是應當理解的是，燃燒系統(tǒng)180可以包括如圖3A-3E所示的傳感器和控制器。燃燒系統(tǒng)180可以包含經由線路102的二氧化碳流，經由線路102的二氧化碳流可被導入壓縮機109中以生成經壓縮的經由線路103的二氧化碳流。經由線路103的經壓縮的二氧化碳流可被導入燃燒器110中。如上文參照圖3C-3E討論和描述的，可以流的組合的經由線路104的氧氣供給流和經由線路108的燃燒燃料流也可導入燃燒器110中。圖4A-4C分別描繪了根據(jù)一個或多個實施方案可與圖3A-3F中描繪的系統(tǒng)結合使用的三個示例性燃燒器200、220、M0。燃燒器200、220和MO中的任一個或多個可與上文參照圖3A-3F中討論和描繪的燃燒系統(tǒng)100、140、150、160、170和180結合使用。因此，可參照圖3A-3F最佳地理解圖4A-4C。燃燒器200可具有第一端201a、第二端201b、外殼202、燃燒器內膽203、布置在外殼202和燃燒器內膽203之間的環(huán)形容積204、第一混合區(qū)206、第二混合區(qū)208、燃燒區(qū) 210、燃盡區(qū)212，以及布置在貫通燃燒器內膽203的多個開口 213。燃燒器系統(tǒng)200還可以包括傳感器216，傳感器216配置為監(jiān)測并且測量或以其它方式估計出燃燒器110內的壓力振蕩。燃燒器系統(tǒng)200可被配置為接收可在燃燒器110內分割的經由線路102的二氧化碳流。例如，可以將線路102中的二氧化碳流的第一部分(描繪為虛線102a)與經由線路104 導入的的氧氣供給流混合、接觸或以其它方式組合，以在第一混合區(qū)206中形成氧合流。線路102中的二氧化碳流的第二部分(描繪為虛線102b)可用作冷卻流214。用作冷卻流214 的二氧化碳能夠流過布置為貫通燃燒器內膽203的開口 213并且進入燃盡區(qū)212中。經由線路108的燃燒燃料流還可被導入燃燒器110中并且與第二混合區(qū)208中的氧合流混合以形成混合的燃燒流，混合的燃燒流可至少部分在燃燒區(qū)210中燃燒以形成燃燒產物流112。 在至少一個實施方案中，燃燒系統(tǒng)200可進一步包括熱火焰區(qū)211。圖4B描繪了示例性燃燒器220，燃燒器220在燃燒區(qū)210的截面上方具有示例性二氧化碳輪廓線222和氧氣輪廓線224，燃燒區(qū)210在中央將產生相對較熱的火焰區(qū)，即，熱火焰區(qū)211。圖4B代表了如下情況與第二混合區(qū)208的外周相對，在第二混合區(qū)208的中心附近噴射較高流量的氧氣224，而二氧化碳流量222在第二混合區(qū)208的截面上方恒定不變。在圖4C中反之亦然，圖4C描繪了具有氧氣流量242和二氧化碳流量244的燃燒器 M0，其中，氧氣流量242在第二混合區(qū)208的截面上方恒定不變，而二氧化碳流量244朝向與第二混合區(qū)208的外周相對的第二混合區(qū)208的中心減小。注意的是，在兩種情況下，導入燃燒區(qū)210中的氧氣-二氧化碳的總摩爾比可以相同。氧氣-二氧化碳的摩爾比可取的范圍從大約0.2 1至大約0.5 1。再次參照圖4A，熱火焰區(qū)211可配置為提高了燃燒區(qū)210內的火焰穩(wěn)定性。該方法可允許經由線路108的燃料的量橫過單個噴嘴的面變化，同時將燃燒區(qū)210內的總化學計量保持為大約接近于1(例如，從大約0.95至大約1.05)的當量比(Φ)。這一布置允許如下量的局部變化a)化學計量，或b) 二氧化碳-氧氣比，該局部變化平衡了火焰穩(wěn)定性和燃燒器內膽材料限制的雙重要求。例如，在在每個燃燒器200中包括多個噴嘴的燃燒器設計或構造中，熱火焰區(qū)211可用于獨立地改變橫過每個噴嘴的面或橫過整個第二混合區(qū) 208的面的局部化學計量。注意，盡管顯示的是熱火焰區(qū)211近似位于燃燒區(qū)210的中央， 可構思的是，熱火焰區(qū)211可以偏離中心并且可具有多于一個的熱火焰區(qū)211。在一個或多個實施方案中，燃燒器系統(tǒng)200可配置為包含穩(wěn)定的熱火焰區(qū)211，熱火焰區(qū)211具有豐富的燃燒燃料流108與氧合流(或合成空氣流)的混合物或者燃燒燃料流108與氧氣供給流104的混合物。熱火焰區(qū)211可以提供熱芯火焰，熱芯火焰能夠輔助整體的火焰穩(wěn)定性。來自熱火焰區(qū)211的燃燒產物和未燃燒燃料可以在燃燒器110中可存在過量氧氣或合成空氣的更下游處更加完全地氧化。燃燒器110的總化學計量可以保持在接近1(例如，從大約0.95至大約1.05)的當量比(Φ)。在一個或多個實施方案中，燃燒器系統(tǒng)200可以包括多個第二混合區(qū)208、燃燒區(qū) 210、和/或燃料/氧氣噴射器，上述部分中的任意一個或多個能夠進行獨立地調制。該布置可串聯(lián)或并聯(lián)，并且可通過獨立于其它部分調制第二混合區(qū)208中的一個或多個來保持總體火焰穩(wěn)定性。還可以在燃燒器200中保持穩(wěn)定火焰的同時通過關斷第二混合區(qū)208中的一個或多個來實現(xiàn)負荷調節(jié)。在其它實施方案中，燃燒器200可以具有被設計為利用二氧化碳的較高排放率和吸收特性的幾何形狀。幾何形狀能夠合并進入的反應物(氧氣供給流104和燃燒燃料流 108)和下游的火焰(燃燒區(qū)210中)之間的長的視覺路徑長度。來自火焰的高溫可通過輻射來加熱反應物以對反應物進行預熱。除此之外或作為選擇，噴嘴或燃燒器壁可由以優(yōu)選地被二氧化碳吸收的波長進行輻射的材料制成。該構造將來自材料的熱傳遞到二氧化碳并且使經由線路102導入的二氧化碳流的溫度升高，這可提高燃燒反應的效率。在另外的任選變型例中，可以包括火焰保持器，火焰保持器由優(yōu)選地以二氧化碳發(fā)射的波長吸收的材料構成。這會使材料升溫并且通過對流預熱反應物。燃燒器系統(tǒng)200的另一有益效果可以包含使用與天然氣相對的二氧化碳/氧氣 (合成空氣或氧合流)，這由于合成空氣相對于天然氣的較高密度而有助于燃燒器設計。二氧化碳的分子量大于氮氣的分子量，這使得密度增大并且使得對于相同的質量流量來說速度較低。燃燒爐面(對于具有相同功率密度的燃燒爐)處降低的速度有助于火焰穩(wěn)定性。 該優(yōu)點有助于抵消二氧化碳/氧氣(合成空氣或氧合流)中火焰的降低的火焰速度。公開CN 102459850 A說明書16/25 頁
的設計還能夠通過預熱反應物有助于總體火焰穩(wěn)定性和/或通過將熱有效地傳遞到氣流有助于冷卻燃燒器。在又一實施方案中，燃燒器系統(tǒng)200可以包括能夠容納經由線路213的氣體的一個或多個氣體噴射裝置。線路213中的氣體可通過氣體噴射裝置導入熱火焰區(qū)211中。氣體可包括但不限于氧氣、二氧化碳、燃燒燃料、或它們的任意組合。將線路213中的氣體導入熱火焰區(qū)中能夠在燃燒區(qū)的上游提供錨式火焰，錨式火焰配置為提高燃燒區(qū)210中的火焰穩(wěn)定性。圖5A和圖5B分別描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的圖4A-4C中描繪的燃燒器的示例性燃燒器配置300、320。因此，可參照圖4A-4C最佳地理解圖5A和圖5B。燃燒器配置 300包含經由噴射器302導入環(huán)形容積204內的經由線路10 的第一氧氣供給流。經由線路10 導入的氧氣供給流可以在區(qū)206中與二氧化碳102、經由線路108導入的燃燒燃料和經由線路104b導入的第二氧氣供給流進行混合。在一個或多個實施方案中，混合裝置304可布置在第一混合區(qū)206內?；旌涎b置 304可以為渦旋器、混合葉片、絲網、或配置為將氣流混合的某其它裝置。噴射器302可以為位于燃燒器110的壁上或位于布置在環(huán)形容積204內的環(huán)形件上的多個噴射器孔，以形成氧氣的多股高度紊流噴射流。環(huán)形件的構造可以為或者包含分段的環(huán)形件或連續(xù)的環(huán)形件。此外，環(huán)形件可以具有圓形、楔型或其它鈍體截面形狀。較小的噴射流會使得在較短的長度上更好地混合。期望的是，在合成空氣(二氧化碳/氧氣的混合物)到達第二混合區(qū) 208處的燃燒噴射點時幾乎完全混合，從而促進完全的燃燒和化學計量反應。第二混合區(qū)208可以為燃燒燃料流108被導入的地點。第二混合裝置308可布置在第二混合區(qū)208內。第二混合裝置308可以為渦旋器、混合葉片、絲網、或配置為形成低速區(qū)以便于火焰保持的一些其它裝置。燃燒燃料流108可噴射到渦旋流中，并且在燃燒區(qū) 210可以保持或維持火焰。燃燒器布置300中所示的燃料噴射器為簡化的示意圖并且可包含多個孔或噴射器開口。冷卻流214可以包括經由線路102導入環(huán)形區(qū)域204的二氧化碳。 燃燒產物流112可導入膨脹機111中(例如，參見圖3A)。圖5B描繪了可以包括輔助內殼或輔助燃燒器內膽324的示例性可選的燃燒器配置320。輔助內殼3 可從第一端201a和第二端201b之間的位置布置在燃燒器內膽203 的周圍并且能夠朝向第二端201b延伸。在至少一個實施例中，輔助內殼3M能夠從第一端 201a和第二端201b之間的位置延伸到第二端201b。燃燒器配置320還可包括布置在環(huán)形容積204內的一個或多個混合器322。與燃燒器配置300中相比，混合器322可定位為更加靠近燃燒器配置320的第二端201b。應當注意的是，經由線路104的氧氣供給流不能夠進入稀釋流214，因為經由線路104的氧氣供給流將與燃盡區(qū)212內的燃燒產物進行反應。因此，輔助內膽3M有益地允許較長的混合區(qū)206并且避免將氧氣導入稀釋或冷卻流214中。在另一實施方案中，可以在兩個位置10 和104b處導入線路104中的氧氣供給流。經由線路10 和104b導入氧氣供給流能夠允許氧合流中的氧氣-二氧化碳比的空間變化，以便在燃燒區(qū)210中提供熱火焰區(qū)211。圖6A和圖6B描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的圖4A-4C中描繪的燃燒器的示例性可選實施方案。因此，可以參照圖4A-4C最佳地理解圖6A和圖6B。燃燒器系統(tǒng)400可以包含位于燃燒器400的第一端201a附近的第一混合區(qū)206。第一混合區(qū)206可以配置為從燃燒器400的第一端201a朝向第二端201b提供經由線路102的二氧化碳流、經由線路 104的氧氣供給流以及經由線路108的燃燒燃料流的流量。一個或多個混合器(示出了兩個，40 和402b)可以布置在第一混合區(qū)206內。混合器40 和40 可以具有相同或相似的幾何形狀，或者可選地混合器402b可以具有與混合器40 不同的幾何形狀，以便改變橫過第二混合區(qū)208的面的氧氣-二氧化碳比。更特別地，如圖所示存在兩個混合階段第一混合區(qū)或第一階段206，其用于混合氧氣和二氧化碳以制成合成空氣(氧合流)；以及第二混合區(qū)或第二階段208，其用于將燃燒燃料流108與合成空氣進行混合以制成燃燒流。經由線路104的氧氣供給流可以噴射到二氧化碳流102中，并且可以利用例如渦旋器葉片、鈍體噴射器或絲網來方便混合以產生湍流。在第一混合區(qū)206中發(fā)生氧氣和二氧化碳之間的混合，并且第一混合區(qū)206的長度尺寸可被設計為完成該混合。經由線路108的燃燒燃料流可通過燃料噴射器來噴射，燃料噴射器顯示為單個管605，經由線路108的燃燒燃料流將為位于管605的尖端處的一系列噴射器孔供料。在燃燒區(qū)210中發(fā)生燃燒，并且可以通過經由線路102導入的二氧化碳來冷卻壁。在一個或多個實施方案中，燃燒器系統(tǒng)400可以改變橫過混合器40 和/或40 的區(qū)域的壓降，以使第一混合區(qū)206中間的混合物具有比混合區(qū)的外部高的氧氣/ 二氧化碳比。這在靠近燃燒區(qū)210的中心處生成較熱的火焰溫度，而在靠近燃燒器400的壁處具有較冷的溫度。合成空氣混合器/渦旋器402b上較高的網孔密度表明了這點，抑制了二氧化碳與氧氣流動進入該區(qū)域。圖6B描繪了另一實施方案，其中在單個燃燒器420中使用多個噴嘴108a_C和 l(Ma-c。在燃燒器420中的負載變化時，使得可打開或關閉各個噴嘴。還允許在第一混合區(qū)206a-206c中每個噴嘴具有不同的渦旋器42h-422c，以使得氧氣/二氧化碳比在燃燒器 211的中間附近較高以提高火焰穩(wěn)定性并且在壁210a-210b附近較低。圖7A-7D描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的圖4A-4C中描繪的燃燒器的另外的可選實施方案。因此，可參照圖4A-4C最佳地理解圖7A-7D。圖7A描繪了示例性燃燒器500 包括二氧化碳流102的分割，其中第一部分102b的路徑沿著燃燒器500的壁以用于冷卻， 而第二部分10 的路徑圍繞中央矛形件或“渦旋誘導器”502通過環(huán)形件。中央矛形件502 具有氧氣側面噴射器504。氧氣可沿切向導入大致軸向流動的二氧化碳流10 中。該布置能夠增強氧氣和二氧化碳之間的混合并且生成渦旋的合成空氣流?？梢园鄠€氧氣噴射位置以允許獨立地調制氧氣質量流量和合成空氣流的渦旋這兩者。渦旋誘導器502還可充當渦旋共流中的鈍體并且在其伴流中提供減小的速度。這些速度減小的區(qū)有助于火焰穩(wěn)定性。經由線路108的燃燒燃料可經由噴射器506導入內二氧化碳流周圍的環(huán)形件中，其中燃料噴射器506的端與渦旋誘導器502的端平齊。該布置的示例性變型例可描繪為圖7B所示的燃燒器510。燃料環(huán)形件512可以向下游延伸經過燃燒器510中的渦旋誘導器502的端。燃燒器510可為二氧化碳和氧氣流提供增加的駐留時間以進行混合。該配置還可被改進以徑向向內而不是軸向向下游引導燃料。這有利地保持了渦旋誘導器502的中央附近和伴流中所包含的火焰。這樣還能夠防止二氧化碳102b的最外環(huán)對火焰進行淬火或傳送未燃燒的燃料。在燃燒器500和510的配置中，二氧化碳102b的最外環(huán)能夠防止火焰作用于燃燒器500、510的壁上，從而防止對燃燒器500、510的壁造成損傷。有益的是，渦旋誘導器502的使用能夠減少通常與渦旋葉片相關的燃燒器的壓降。而且，在火焰和進入的二氧化碳10 的流之間提供了明細的視覺路徑，該路徑允許控制較高程度的吸收二氧化碳。因此，與在使用空氣的標準燃燒器中相比，進入的合成空氣流可被預熱到較高的溫度。然而，應當注意的是，燃燒器500的渦旋誘導器布置配置為在第一混合區(qū)206中基本包含了全部的氧氣供給流104并且不易于改變燃燒區(qū)210內的氧氣-二氧化碳的空間比。圖7C和圖7D分別描繪了另一示例性渦旋誘導器530的側視圖和俯視圖。在一個或多個實施方案中，渦旋誘導器530可具有這樣的配置二氧化碳流10 沿切向噴射到氧氣流104中以生成包含氧氣和二氧化碳的渦旋第一混合物522 (氧合流或合成空氣流)。噴射角(α)和(β)可以變化以借助于混合長度平衡空氣動力學阻塞的特性。噴射角(α) 的范圍可相對于貫通渦旋誘導器530布置的縱向中央軸線如下從下限約Γ、約5°、約 10°、約20°或約30°至上限約50°、約60°、約70°、約80°或約90°。噴射角(β)的范圍可相對于貫通渦旋誘導器530布置的縱向中央軸線如下從約1°、約5°、約10°、約 20°或約30°的下限至約50°、約60°、約70°、約80°或約90°的上限。在一個或多個實施方案中，氧氣流104和二氧化碳流10 導入渦旋誘導器530可以反向。換句話說，氧氣流104可沿切向噴射到二氧化碳流10 中以形成渦旋的第一混合物522 (氧合流或合成空氣流)。圖8A和圖8B描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的配置為使用圖4A-4C中描繪的燃燒器的一些元件的示例性管束型燃燒器600。因此，可參照圖4A-4C最佳地理解圖8A和圖 SB0該燃燒器600的一個特別的設計配置為燃燒爐組件602。燃燒燃燒爐602可以包括中央燃燒爐主體603，中央燃燒爐主體603包括以集束布置布置在中央燃燒爐主體603內的多個管604、606。多個集束的管可以位于燃燒燃料噴射器管604和氧氣噴射器管606交錯的陣列中。圖8B描繪了燃燒爐組件602的剖視圖，顯示了集束布置的多個管604、606的一個配置。一個或多個開口 608可布置為貫通中央燃燒爐主體603的側面，這些開口允許來自二氧化碳流10 的一些二氧化碳進入燃燒燃燒爐602中。二氧化碳可分別在集束的燃燒燃料和氧氣噴射器管604和606之間以及周圍流動，并且沿軸向離開燃燒燃燒爐602。燃燒爐組件602的尺寸以及燃料和氧氣噴射器管604、606各自的數(shù)量、尺寸和布置可根據(jù)燃燒器600的具體要求而變化。噴射器管604、606相對于彼此的緊靠近度可提供在經由線路108導入的燃燒燃料和經由線路104導入的氧氣之間的有效混合。噴射器管604、606相對于彼此的緊靠近度還能夠提供橫過燃燒燃燒爐602的面的混合物部分的可靠的、可預測的變化。燃燒器600可被設計為允許獨立地調制分別通過噴射器管604、606的燃燒燃料108和氧氣104的流量。 獨立地調制燃燒燃料108和氧氣104能夠提供對于橫過燃燒燃燒爐602的面的混合物部分的高度控制。燃燒燃料和氧氣噴射器管604、606各自的集束還能夠改善導入燃燒器600中的燃燒燃料108和氧氣104的燃燒。燃燒燃料和氧氣噴射器管604、606各自的集束還能夠減少燃燒燃料108和氧氣104到共同流動的二氧化碳流10 的損失。在噴射器管604、606之間流動的二氧化碳10 能夠用作稀釋劑或冷卻流，幫助管理溫度需求，和/或二氧化碳10 的流動可被設計為在束的中間形成熱引導區(qū)。與燃燒器內膽203中的冷卻孔(上文討論并描述)類似，在燃燒燃燒爐602的側面上的側開口 608的尺寸可以改變以調節(jié)通過燃燒燃燒爐602的二氧化碳的流量。圖9描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的配置為使用分別在圖4A-4C中描繪的燃燒器200、220、240的一個或多個元件的示例性自陷渦旋型燃燒器700。因此，可參照圖4A-4C 最佳地理解圖9。燃燒器700可以包括布置在燃燒器內膽203內的一個或多個腔室(圖中示出了兩個702、704)。腔室702、704可延伸到環(huán)形件204中，環(huán)形件204布置在燃燒器內膽203和燃燒器700的外殼202之間。經由線路102的二氧化碳流的路徑可以沿著燃燒器700的壁并且指向混合區(qū)206 中。開口或孔213的尺寸可被設計為適用于燃燒器700并且允許二氧化碳流102的部分在經由線路214表示的燃燒區(qū)210的下游進入燃燒器并且稀釋燃盡區(qū)212內的燃燒產物且冷卻燃燒器內膽203。未進入開口或孔213的二氧化碳可以流過環(huán)形件204并且沿著一個或多個腔室702、704的背側，從而冷卻它們。盡管未示出，一個或多個腔室702、704的背側還可以包括冷卻散熱片或能夠增加其表面積以便當特定燃燒器需要時更加有效地冷卻腔室 702,704的其它變型例。該設計起到了雙重作用，不僅降低了腔室702和704的壁的溫度， 而且能夠對二氧化碳流102進行預熱。氧氣供給流10 可在腔室702和704的上游噴射到燃燒器內膽203內的二氧化碳流102中。氧氣供給流10 能夠與第一混合區(qū)206中的二氧化碳流102混合以形成氧合流或合成空氣流。注意的是，僅為了示例的目的，圖9描繪了一系列兩個腔室702和704。燃燒器700可以包括單個腔室、兩個腔室702、704，或三個或多個腔室，而不偏離公開的范圍。 每個腔室702和704可以包括用于燃燒燃料流108、輔助氧氣供給流104b或燃燒燃料流和輔助氧氣供給流的混合物的一個或多個噴射位置。噴射位置在腔室中可以變化以匹配燃燒器700的要求。在該配置中，每個腔室獨立地工作，并且在每個腔室702和704中可以獨立地調制燃燒燃料供給流108和輔助氧氣供給流104b的流量。這允許具有更寬的工作范圍。 火焰穩(wěn)定地存在于腔室702、704中或者僅在腔室702、704的入口處，腔室702、704中的降速和再循環(huán)區(qū)有助于火焰。自陷渦旋燃燒器700還可以包括長的視覺路徑長度905以允許對二氧化碳流102且因此對合成空氣流進行有效的預熱。自陷渦旋燃燒器700由于傳統(tǒng)燃氣輪機燃燒器的優(yōu)點在于大幅度減少的壓降。對于二氧化碳流102具有最小的阻塞，這使得減少了二氧化碳壓力的損失。圖IOA和圖IOB描繪了根據(jù)一個或多個實施方案的用于操作圖4A-圖9中描繪的一個或多個燃燒器的方法的示例性流程圖。因此，通過參照圖4A-圖9可最佳地理解圖IOA 和圖10B。方法800可以包括在第一混合區(qū)中將氧氣供給流和二氧化碳流的至少部分混合 804以形成包括氧氣和二氧化碳的第一混合物，即“氧合流”或“合成空氣流”。方法800還可以包括在第二混合區(qū)中將第一混合物和燃燒燃料流混合806以形成混合的燃燒流?；旌系娜紵骺芍辽俨糠秩紵?08以形成燃燒產物流。如圖IOB中所示，方法820可以包括改變擬4橫過燃燒器的燃燒爐面的氧氣-二氧化碳的空間比以提高燃燒器中的火焰穩(wěn)定性。再次參照圖4A-4C，燃燒器110的燃盡區(qū)212可以包括如下部分中的至少一個被動稀釋區(qū)218，其具有布置為貫通燃燒器內膽203的一系列孔，這些孔配置為對燃燒器110 的燃燒器內膽203進行冷卻和淬火；主動稀釋區(qū)(未示出)，其具有至少一個淬火端口，所述淬火端口配置為將二氧化碳流102b的第二部分的至少部分主動地遞送到燃燒器110以與燃燒產物流112混合；一系列階形淬火端口(未示出)，其主動地控制通過燃盡區(qū)212的溫度模式；以及它們的任意組合。在一個或多個實施方案中，燃盡區(qū)212還可以包括傳感器 216，例如壓力傳感器，以便監(jiān)控、測量和/或估計燃燒器110內的壓力振蕩，壓力振蕩可為火焰吹出的標志。氧氣分析器(未示出)還可以包括在燃燒器110中以便為氧氣反饋環(huán)提供另外的輸入。從加熱值方面分析，氧合流106可以不具有加熱值，燃燒燃料流108可以具有相對高的值(例如，從大約每標準立方英尺500個英國熱量單位(BTU/scf)至大約950個BTU/ scf) O在操作過程中，燃燒區(qū)210可以產生從約1，500°C至約2，200°C的溫度。隨著二氧化碳流102b的添加，在燃燒產物流進入燃盡區(qū)212中時，期望燃燒產物流112的范圍從約 1，000°C上至1，400°C。可經由燃盡區(qū)212的外壁導入附加的淬火氣體102b，產生一種“氣體包絡”，以保持燃燒器110的壁比熱火焰區(qū)211冷。在一個示例性實施方案中，在必要時， 冷卻流102b可從碳氫化合物中除去以使碳煙形成最少化。在另一示例性實施方案中，以比大氣壓力高的壓力(例如，大約10個大氣壓以上)發(fā)生燃燒。
實施例在下面的表中提供了一些示例性氣流組成物作為在單個氣體生產場地或不同的氣體生產場地在不同生產階段的氣流的實施例。表1提供了在生產開始時或生產開始不久生產井的具體流組成物和流量。
權利要求
1.一種燃燒器系統(tǒng)，包括燃燒器，其具有第一端、第二端、外殼、內殼以及形成在所述外殼和所述內殼之間的從所述第一端延伸到所述第二端的環(huán)形容積；二氧化碳入口，其配置為將二氧化碳導入所述燃燒器中；氧氣入口，其配置為將氧氣導入所述燃燒器中；第一混合區(qū)，其配置為將任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的第一部分與任何通過所述氧氣入口導入的氧氣的至少部分混合，以生成包含氧氣和二氧化碳的第一混合物；燃料入口，其配置為將燃料導入所述燃燒器中；第二混合區(qū)，其配置為將所述第一混合物與所述燃料混合以生成包含氧氣、二氧化碳和燃料的第二混合物；以及燃燒區(qū)，其配置為燃燒所述第二混合物以生成燃燒產物，其中任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的第二部分流過布置為貫通所述內殼的一個或多個孔隙并且與所述燃燒產物混合并冷卻所述燃燒產物。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分從所述燃燒器的所述第二端朝向所述燃燒器的所述第一端流過所述燃燒器的所述環(huán)形容積；其中，所述氧氣入口位于所述環(huán)形容積中距所述燃燒器的所述第一端一定距離處，所述距離配置為促進任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分與通過所述氧氣入口導入的所述氧氣的混合；并且其中，所述燃料被導入所述燃燒器的所述第一端中。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述氧氣入口包括布置為貫通所述燃燒器的壁中的至少一個的多個噴射器孔以及在所述環(huán)形容積中的環(huán)形件。
4.如權利要求2所述的系統(tǒng)，進一步包括輔助內殼，所述輔助內殼配置為防止通過所述氧氣入口導入的所述氧氣通過所述內殼導入，其中所述第一混合區(qū)位于距所述燃燒器的所述第一端的一定距離處并且配置為促進通過所述氧氣入口導入的所述氧氣與任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分的混合。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述氧氣入口位于所述燃燒器的所述第一端處；所述燃料被導入所述燃燒器的所述第一端中；并且所述第一混合物的流是從所述燃燒器的所述第一端到所述燃燒器的所述第二端。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，進一步包括多個燃燒爐，所述燃燒爐配置為執(zhí)行選自由如下功能組成的組中的功能將通過所述氧氣入口導入的所述氧氣的至少部分導入所述第二混合區(qū)，將所述燃料導入所述第二混合區(qū)，將通過所述氧氣入口導入的所述氧氣的至少部分導入所述第一混合區(qū)，以及這些功能的任意組合。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述多個燃燒爐中的任一個或部分配置為被關斷以控制所述燃燒器的荷載并且在每個燃燒爐中生成不同的氧氣-二氧化碳比。
8.如權利要求2、4和6中的任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第一混合物包括配置為在所述燃燒區(qū)的部分中產生提高火焰穩(wěn)定性的熱區(qū)的空間可變的氧氣-二氧化碳比。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，進一步包括至少一個輔助氧氣入口，所述輔助氧氣入口配置為在空間上改變所述第一混合物中的所述氧氣-二氧化碳比。
10.如權利要求8所述的系統(tǒng)，進一步包括位于所述第一混合區(qū)中的可變幾何形狀混合裝置，所述可變幾何形狀混合裝置在空間上改變所述第一混合物中的所述氧氣-二氧化碳比。
11.如權利要求2、4和6中任一項所述的系統(tǒng)，進一步包括氣體入口，是氣體入口配置為提供所述燃燒區(qū)的錨式火焰上游以提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性。
12.如權利要求2、4和6中任一項所述的系統(tǒng)，進一步包括混合裝置，其位于所述第一混合區(qū)中，所述混合裝置配置為增強所述第一混合物的所述混合；以及第二混合裝置，其位于所述第二混合區(qū)中，所述第二混合裝置配置為生成低速區(qū)以提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性。
13.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一混合區(qū)包括渦旋引發(fā)器，所述渦流引發(fā)器配置為以與任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分的流路相切的角度將所述氧氣導入所述二氧化碳中以生成渦旋的第一混合物。
14.如權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括至少一個腔室，其位于所述第二混合區(qū)中，所述腔室配置為將所述燃料的至少部分遞送到所述燃燒區(qū)以便生成提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性的低速區(qū)，其中，任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分從所述燃燒器的所述第二端朝向所述燃燒器的所述第一端流過所述燃燒器的所述環(huán)形容積以冷卻所述至少一個腔室的壁，并且其中，所述第一混合區(qū)靠近所述燃燒器的所述第一端定位。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，進一步包括在所述至少一個腔室中的至少一個輔助氧氣入口以形成提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性的熱火焰區(qū)。
16.如權利要求9或11所述的系統(tǒng)，進一步包括控制器，所述控制器通過控制流過所述氧氣入口、所述至少一個輔助氧氣入口和所述氣體入口中的兩個或多個中的氧氣的比率來主動地控制氧氣濃度的空間變化。
17.一種燃燒燃燒爐系統(tǒng)，包括燃燒器，其具有第一端、第二端、外殼、內殼、包括燃燒爐面的燃燒燃燒爐以及燃燒區(qū)；二氧化碳入口、氧氣入口和燃料入口 ；以及混合區(qū)，其配置為將任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的第一部分與任何通過所述氧氣入口導入的氧氣的至少部分混合以生成包含氧氣和二氧化碳的第一混合物，其中，所述第一混合物包括橫過所述燃燒爐面空間可變的氧氣-二氧化碳比，所述空間可變的氧氣-二氧化碳比配置為在燃燒區(qū)中產生熱區(qū)以提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性。
18.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述熱區(qū)位于所述燃燒區(qū)的大致中央處。
19.如權利要求18所述的系統(tǒng)，進一步包括至少一個輔助氧氣入口，所述輔助氧氣入口配置為在空間上改變所述第一混合物中的所述氧氣-二氧化碳比。
20.如權利要求19所述的系統(tǒng)，進一步包括控制器，所述控制器通過控制流過所述氧氣入口和所述至少一個輔助氧氣入口的氧氣的比率來主動地控制所述氧氣-二氧化碳比的空間變化。
21.如權利要求18所述的系統(tǒng)，進一步包括在所述第一混合區(qū)中的可變幾何形狀混合裝置，所述可變幾何形狀混合裝置配置為在空間上改變所述氧氣-二氧化碳比。
22.如權利要求20所述的系統(tǒng)，進一步包括環(huán)形容積，其形成在所述外殼和所述內殼之間，所述環(huán)形容積從所述第一端延伸到所述第二端，其中，任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分配置為從所述燃燒器的所述第二端朝向所述燃燒器的所述第一端流過所述環(huán)形容積，其中，所述氧氣入口配置為將通過所述氧氣入口導入的所述氧氣遞送到任何通過所述二氧化碳入口導入的二氧化碳的所述第一部分以生成所述第一混合物，并且其中，所述氧氣入口位于所述環(huán)形容積中距所述燃燒器的所述第一端一定距離處，其中所述距離配置為促進所述第一混合物的混合。
23.如權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述氧氣入口包括布置為貫通所述燃燒器的壁中的至少一個的多個噴射器孔以及在所述環(huán)形容積中的環(huán)形件。
24.如權利要求23所述的系統(tǒng)，進一步包括輔助內殼，所述輔助內殼配置為防止通過所述內殼導入所述氧氣，其中所述氧氣入口位于距所述燃燒器的所述第一端一定距離處并且配置為促進所述第一混合物的混合。
25.如權利要求20和21中的任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述氧氣入口和所述燃料入口位于所述燃燒器的所述第一端處，并且所述第一混合物的流從所述燃燒器的所述第一端到所述燃燒器的所述第二端。
26.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒燃燒爐進一步包括中央燃燒爐主體，其具有以集束布置形式布置于其中的多個管，其中所述多個管的第一部分配置為承載所述燃料，并且所述多個管的第二部分配置為承載所述氧氣；開口，其配置為貫通所述中央燃燒爐主體的側面的至少部分，所述開口配置為允許任何二氧化碳的所述第一部分通過而進入布置在所述多個管之間的容積；以及控制器，其配置為至少調制橫過配置為承載所述氧氣的所述管的所述第二部分的所述氧氣的流量，以在空間上改變橫過所述燃燒爐面的所述氧氣-二氧化碳比。
27.如權利要求17、22、25和沈中的任一項所述的系統(tǒng)，進一步包括氣體噴射裝置，所述氣體噴射裝置配置為提供所述燃燒區(qū)上游的錨式火焰，所述錨式火焰適于提高所述燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性。
28.一種在燃燒系統(tǒng)中燃燒燃料的方法，包括在燃燒器的第一混合區(qū)中將氧氣和二氧化碳混合以生成第一混合物；在所述燃燒器的第二混合區(qū)中將所述第一混合物和燃料混合以生成第二混合物；以及燃燒所述第二混合物中的所述燃料的至少部分以生成燃燒產物。
29.如權利要求觀所述的方法，進一步包括將權利要求觀中所述的方法應用于權利要求2、4、6、13和14中的任一項所述的燃燒器系統(tǒng)。
30.一種在燃燒系統(tǒng)中燃燒燃料的方法，包括改變橫過燃燒器的燃燒爐面的氧氣-二氧化碳的空間比以提高所述燃燒器中的火焰穩(wěn)定性。
31.如權利要求30所述的方法，進一步包括將權利要求30中所述的方法應用于權利要求17、22、25和沈中的任一項所述的燃燒器系統(tǒng)。
全文摘要
提供了一種用于氧氣燃料型燃燒反應的系統(tǒng)和方法。在一個或多個實施方案中，燃燒系統(tǒng)可以包括至少兩個混合區(qū)，其中第一混合區(qū)將氧氣和二氧化碳至少部分地混合以生成第一混合器，第二混合區(qū)將第一混合物與燃料至少部分地混合以生成第二混合物。燃燒系統(tǒng)還可以包含燃燒區(qū)，所述燃燒區(qū)配置為燃燒第二混合物以生成燃燒產物。在一個或多個實施方案中，第一混合物可以具有空間上可變的氧氣-二氧化碳比，所述空間上可變的氧氣-二氧化碳比配置為在燃燒區(qū)中產生熱區(qū)以便提高燃燒區(qū)中的火焰穩(wěn)定性。
文檔編號F02C9/00GK102459850SQ201080033233
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權日2009年6月5日
發(fā)明者C·C·拉斯馬森, D·M·奧戴, D·R·諾布爾, F·F·米特里克, H·W·德克馬尼, J·M·塞茨曼, R·亨廷頓, S·K·達努卡, T·C·利厄文 申請人:?？松梨谏嫌窝芯抗?br>