[发明专利]燃烧器系统和使用燃烧器系统的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年6月5日提交的序列号61/184,584的美国临时专利申请的权益，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本公开的实施方案一般涉及用于燃烧燃料的系统和方法。更特别地，公开的实施方案涉及用于氧气燃料型燃烧反应的系统和方法。

背景技术

该部分旨在介绍该技术领域的各个方案，这些方案可与本公开的发明的示例性实施方案相关联。认为该讨论将有助于提供便于更好地理解本公开的发明的特定方案的框架。因此，应理解为，应当据此阅读该部分，而不一定作为现有技术的供认。

降低二氧化碳(CO₂)排放的一些方法包括燃料脱碳作用或燃烧后俘获。然而，这些方案昂贵并且降低了发电效率，使得发电产量降低、燃料需求增加以及满足国内电力需求的电的成本增加。另一方法是组合周期的氧气燃料型燃气轮机。然而，无法在市场上获得能够以这种周期运转的燃气轮机。

氧气燃料的构思是基于碳氢化合物与纯氧气(O₂)燃烧生成二氧化碳和水(H₂O)。然而，这种燃烧过程产生了极高的温度，这种极高的温度减少了燃烧器的寿命并且产生了碳烟和其它不期望的燃烧产物。因此，期望使用某类型的冷却气体。

已经提出了各种方案，这些方案研究的是使用二氧化碳或蒸汽作为通过涡轮机的质量流气体，而非空气。已经了进行了一些基本的实验室试验来更好地理解在这些氧气燃料布置中燃烧过程的物理现象。尽管在基于蒸汽的氧气燃料布置中已经做出了一些试验性进展，尚未实现氧气燃料燃气轮机与二氧化碳工作流体的用于商业应用的设计和实施。用于二氧化碳型燃气轮机的燃烧器的设计的进展从未超越实验室规模的试验。

与在实际的燃气轮机燃烧器中二氧化碳和氧气混合燃烧的设计和实施相关的难题之前尚未解决。与蒸汽不同，二氧化碳对于燃烧过程具有抑制效果，这要求独特的设计来处理由于抑制效果引起的较低发火速度。而且，二氧化碳比氮气或蒸汽辐射更多的能量，这使得具有通过辐射性热传递对反应物进行预热的可能性。由于可独立于火焰温度来控制氧气-燃料比，氧气燃料型燃烧器中还存在附加自由度，这主要取决于氧气-二氧化碳比。

由于氧气燃料型燃烧系统中的附加自由度，能够独立于惰性稀释剂(蒸汽或二氧化碳)来控制氧气的流量。这与典型的空气燃气轮机中的情况不同，在典型的空气燃气轮机中，对于氧化剂蒸汽中每个氧气分子来说，惰性氮气分子具有近似3.76的固定比。氧气燃料型燃烧器的另一难题是，氧气为珍贵的商品且必须从任何数量的昂贵、诸如空气分离处理的能量集约处理、专用膜分离器或诸如水电解等其它一些处理中获得。典型的空气燃气轮机具有空气流路，所述空气流路设计为分割空气蒸汽，以使部分用于燃烧反应，第二部分用于冷却燃烧产物和燃烧器内胆。这使得废气蒸汽含有多于10％的氧气。

全部内容为了所有目的通过引用并入本文的共同转让的PCT专利公开No.WO2010/044958公开了利用流控制器和传感器系统控制燃烧产物以保持化学计量燃烧的方法和系统。然而，该公开未提供燃烧器中的构造的细节。

因此，对于在氧气燃料型燃烧反应中用于获得基本化学计量燃烧的改进的系统和方法存在需求。

发明概述

提供了用于氧气燃料型燃烧反应的系统和方法。在至少一个特定实施方案中，燃烧器系统可以包括：燃烧器，其具有第一端、第二端、外壳、内壳以及形成在所述外壳和所述内壳之间的从所述第一端延伸到所述第二端的环形容积；二氧化碳入口，其配置为将二氧化碳导入燃烧器中；氧气入口，其配置为将氧气导入燃烧器中；第一混合区，其配置为将任何通过所述二氧化碳入口导入的二氧化碳的第一部分与任何通过所述氧气入口导入的氧气的至少部分进行混合以生成包含氧气和二氧化碳的第一混合物；燃料入口，其配置为将燃料导入燃烧器中；第二混合区，其配置为将第一混合物与燃料混合以生成包含氧气、二氧化碳和燃料的第二混合物；以及燃烧区，其配置为燃烧所述第二混合物以生成燃烧产物。任何通过所述二氧化碳入口导入的二氧化碳的第二部分能够流过布置为贯通所述内壳的一个或多个孔隙并且与燃烧产物混合并冷却所述燃烧产物。