与能量释放/转换装置组合使用的用于气体和燃料的预混合器

摘要

本发明涉及利用用于气体和燃料的预混合设备，该预混合设备与能量释放/转换装置组合，这种类型的能量释放/转换装置的特征在于具有高进气速度。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年10月18日提交的名称为“混合气体和液体燃料两者的预混合器”、申请序列号为No.60/829,993的我的美国临时专利申请的该提交日的利益，其整个公开内容结合于此供参考。

技术领域

本申请涉及燃烧领域，并且与预混合器有关，该预混合器与燃烧室、燃烧器、加热炉或其他能量转换装置结合使用。

背景技术

燃料选择的灵活性一直是诸如燃烧室、燃烧器、加热炉等的能量释放/转换系统的设计目标(或希望但不可得到的性能)(正如在详细说明部分更充分地描述的，术语“能量释放/转换系统”通常意指任何燃烧室、燃烧器、加热炉或其他能量转换装置)。

目前，连续式(与往复式的相对)能量释放/转换系统大部分是从早期的喷气式发动机方案引伸出来的。由于这种血统，诸如煤油的航空燃料总是在燃气轮机中燃烧。作为分支和专门的动力产生和航空应用，陆基涡轮机开始主要烧气体燃料。虽然出于经济和操作方面的原因燃料的灵活性(使用各种液体和气体燃料的能力)仍然是所希望的，但是陆基动力产生和机械驱动涡轮机已经装有仅仅能够燃烧天然气(主要是甲烷)燃料的专用燃烧室。这些专用的燃烧室有时在同一个总体涡轮机中与液体燃料燃烧系统(但是具有不同的燃料喷嘴和混合设备)组合。这样的机器能够以预混合模式燃烧气体燃料，因此遵守排放规则，但是偶尔以扩散模式燃烧液体燃料。已经进行过一些尝试，在通常叫做DLE燃烧室的装置中预混合液体燃料，但是这些通常被优化为仅仅用于液体燃料。

关于燃烧室，通常的分类是扩散型、预混合型、用稀释剂扩散型和混合系统。目前使用的灵活性最强的装置是“三燃料”稀释剂喷射系统。三种燃料是指天然气、馏出物、原油。众所周知，在具有令人满意的排放的预混合燃烧器中气体(天然气)燃料容易燃烧。但是，在涡流稳定系统中能够预混合液体燃料的设备还不是实用的，至少在同一个设备中不是实用的。因此，三燃料机器将具有相逆或者平行的管道系统，以提供液体燃料。

在所有这些实际的环境中，在多燃料系统中液体的燃烧处于扩散模式。当以扩散模式燃烧液体时，NO_X排放非常高，所以经常喷射(或者与几乎作为乳液预混合的液体燃料的同心/相逆，或者从通过包覆物的一侧喷射)水或蒸汽，以熄灭扩散火焰的芯，或多或少地减少NO_X。

在一些设备中，第三种燃料是原油。高石蜡含量使原油太粘稠以至于在环境温度下不能泵送，所以燃烧原油的大多数系统需要开机并停机，还需要馏出物以清洁管路。一旦机器在运行，原油能够被预热并流动。正如前面所提到的，虽然已经尝试过预混合液体系统，对于特定的燃料，孔和离心式涡流喷油嘴的调整被优化，但是仍然难于用于原油，并且不可能在同一个设备中用于馏出物。因此，三燃料系统将以扩散模式燃烧预热的原油，同时具有高排放并且经常需要喷射稀释剂。

因此，特别希望研制一种能量释放/转换系统，其能够不管燃料的类型利用基本上相同的设备，燃烧各种各样的燃料，因而使(例如)燃气轮机有机会改变燃料，同时仍然实现希望的运行特性，例如产生非常低的排放。

发明内容

这里公开的本发明具有存在于某些ERC(例如，在美国专利No.7,086,854 B1中所描述的设备，在下文称作“弱火焰燃烧室”)中的高进气速度的优点，以使多种燃料系统在以预混合模式燃烧各种类型的燃料的情况下实现低排放。该系统优选包括能够进一步利用所公开的基本设备的附加的系统和部件特征。

具体实施方式

下面是本发明一些实施例的详细描述。但是应当指出，本发明不限于具体描述的实施例。

正如在这里所用的，术语“能量释放/转换系统”(或“ERC”)意指燃料在其中被燃烧或发生反应的任何燃烧室、加热炉、反应器、燃烧器等，包括但不限于用于任何Brayton循环装置(例如，燃气轮机动力发生器、燃气轮机机械驱动器，喷气发动机、燃气轮机、海上或陆地推进装置)或用于任何锅炉、加热炉或类似装置的燃烧室或燃烧器。除非另有规定，假定这种设备的任何能量转换部分是连续运行的(与往复式相对)。

ERC的一个例子是弱火焰燃烧室。总之，弱火焰燃烧室可以理解为在进入燃烧几何结构之前基本上预混合燃料和空气的燃烧器，并且其几何结构形成空气动力再循环主轴线(以区别于涡流或扩散稳定火焰)，结果形成火焰稳定。

在ERC中存在比较高的进气速度，使得在混合物进入ERC的热释放区之前，能够具有增强的和有效的燃料和空气的预混合。

诸如弱火焰燃烧器的ERC以足够高的气体速度运行，这种速度使得在相关运行条件下能够基本上避免“回烧”和结碳。结果，在进入燃烧设备(在这里热被释放)之前，燃料能够与(在燃气轮机中的)大多数或全部压缩空气安全有效地预混合(在可独立应用的燃烧器内的燃烧和稀释空气)，从而不用关注结碳或回烧。

进行预混合的能力带来用选择的燃料运行ERC的可能性。

感兴趣的燃料包括但不限于：天燃气(主要是甲烷)、丙烷、LNG(液化天然气)、乙醇、甲醇、高度酒精、汽油、馏出物(煤油、柴油、航空燃料)、原油、焦油、船用油、合成气(来自煤、石油焦、工业废气等)，并且掺杂的粉状固体(PC)。因此，希望以连续循环的方式燃烧，所述循环包括但不限于燃气轮机动力产生、燃气轮机机械驱动、燃气轮机航空、陆地和海上推进，用于锅炉的燃烧器，以及用于动力产生、蒸汽产生和各种各样的工业处理的加热炉。本发明覆盖的应用包括上述全部。

在一个实施例中，燃料和氧化剂在设备(类似于汽化器，但是用于连续循环)中基本上预混合，该设备与ERC连续式能量释放/转换系统的热释放区分离。这种实施例在下文叫做“分离预混合的能量转换器”。

这种设备的附加部件可以选择地是歧管，其通过一个或多个孔疆燃料喷入包含大多数或全部空气的导管或管道，使得在进入热释放区之前发生湍流或扩散混合。

在分离地预混合的能量转换器之前也可以是燃料预热器，这种预热器是从燃烧过程、电加热或单独燃烧加热的热压缩机空气回收热的热交换器，这种热交换器是液体-液体型、液体-气体型或气体-气体型热交换器，或利用中间传热液体的热交换器，这种热交换器是管壳型、板翅型、管翅型或混合型热交换器，并且这种预热能够允许较低粘性的燃料更加容易泵送或雾化或汽化；增强反应特性，例如不容易吹灭、改善排放特性或动态特性；并且提高系统效率，优化尺寸或操作性；和/或上述的任何组合。

在另一种结构中，分离地预混合的能量转换器可以包括化学燃料预处理，该预处理包括但不限于，除硫处理(例如，蒸汽硫化氢反应器)，其中任何吸热反应接受热，该热来自该系统中的任何地方的排出的热，在该处理中所需要的吸热反应热直接从主燃料的燃烧、辅助燃料的燃烧或通过电提供；除钒处理(例如，镁交换处理)以增加或改变润滑性；改变粘稠性处理，加水，掺和燃料，包括但不限于加氢。

在又一种结构中，分离地预混合的能量转换器可以包括物理燃料预处理，其包括但不限于，分离高碳氢化合物(例如，凝聚相的气旋分离)，在两相流(例如煤粉和空气)中的磨碎夹带。

在另一个实施例中，分离地预混合的能量转换器可以包括在运行期间改变燃料的切换装置，例如但不限于通过同样的孔或专用于可用燃料子集的分离孔改变用于传递的燃料源并传递燃料混合物，同时热释放持续进行的致动器。作为另一个例子，这种改变能力在开机和停机时使用燃气或馏出物或任何低粘稠性的燃料，以防止堵塞燃料管道或任何其他运行相关的原因，从而可以提供用于高粘稠燃料(原油)。

而且，本发明可以在具有再循环区的ERC(例如弱火焰燃烧器)中实施而没有本身分离的“预混合器”，其中燃料和氧化剂在再循环区中基本上预混合。

按照上面的描述，用于本发明的其他可能的选择方案或实施例对于本领域的技术人员而言是很显然的。

很显然，这里所描述的实施例实现本发明的所述目的。虽然已经详细描述了目前优选的实施例，但是本领域的技术人员将会明白，通过其他装置、系统和方法实现的本发明的原理不脱离权利要求所限定的本发明的范围和精神实质。